基于地物类型矢量距离的TD-LTE无线传播模型映射方法

杨辉，朱曦宁，汪玉琳，尧文彬( 中国移动通信集团设计院有限公司，北京 00080； 中国移动通信集团设计院有限公司广东分公司，广州 5063)



基于地物类型矢量距离的TD-LTE无线传播模型映射方法

杨辉1，朱曦宁2，汪玉琳2，尧文彬1
(1 中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080；2 中国移动通信集团设计院有限公司广东分公司，广州 510623)

摘 要受限于CW测试工作量和目前各主要频段都已经在使用的无线传播环境条件，无法对每个城市、每个场景进行无线传播模型校正。本文提出基于地物类型矢量距离的TD-LTE无线传播模型映射方法，即根据地物类型最小矢量距离的映射关系，为无CW测试校正的城市或场景选取合适的传播模型。通过对二维不加权、二维加权和多维加权进行ANPOP仿真对比分析，证明多维加权矢量距离映射方法可靠性最高，对精细化网络规划和工程建设具有实际指导意义。

关键词TD-LTE；传播模型；矢量距离；仿真

1　引言

TD-LTE是中国移动高带宽、高质量无线宽带业务的主要承载网络，比3G系统更加复杂，新技术的引入提供了系统发挥性能的手段，而要让这些技术手段产生功效，则依赖于更准确、精细的无线网络规划。规划的重要手段是网络仿真，其重要基础是传播模型的应用。传播模型反映的是信号在无线环境中传播的统计学规律，对预测网络信号起着关键作用，使用的传播模型准确度很大程度上决定了网络仿真的准确度，对规划方案的合理性产生直接影响。

以往2G、3G系统网络仿真的传播模型选取中，GSM网络大多采用经典模型，TD-SCDMA网络在部分地区进行了传播模型的CW测试校正，因此少量地区可采用实际CW测试校正的模型，其余地区采用的传播模型是在少量的完成测试校正城市的模型库中选取。因此存在可供参考模型少的问题，且选取模型时大多仅通过感性认识（比如城市级别、经济社会发展状况和地貌特征等）匹配，缺乏理性的、量化的方法。

TD-LTE网络精细化规划对传播模型的准确度要求较高，但受限于实际CW测试和校正的工作量，无法做到每个城市、每种场景进行传播模型测试校正，因此，在选取典型城市和典型场景完成CW测试校正的基础上，采取一定的方法，找到无传播模型校正区域与传播模型库间合适的映射关系，为无CW测试校正的城市或场景选取合适的传播模型很有必要，这样的方法可以提升传播模型匹配的合理程度，提高网络仿真的准确度，为精细化规划提供必要条件。因此，提出传播模型映射方法对TD-LTE网络精细化规划有着较强的实际指导意义。

2　传播模型映射的基本原理

2.1传播模型校正的准确度及其对网络仿真的影响

常见的传播模型主要分为3类：经验模型、确定性模型、半经验或半确定性模型。一般情况下，宏基站传播模型使用的主要为经验模型，包括Okumura-Hata模型、COST231-Hata模型和SPM模型。其中，SPM模型由于不受频段限制，应用更加广泛，数学表达式为：

实际上不同地区地物地貌有着很大的不同，故当把一个模型应用到其它区域时，必须对模型的一些参数进行校正。传播模型的校正既可以大大降低实际路测工作量，也可以为后期网络优化提供重要的参考依据。

传播模型校正工作一般需经过前期勘测准备、CW连续波实际测试、数据处理等环节，主要通过不断迭代处理K值直至其预测值与路测数据的均方差及标准差达到最小。由于通常使用的电子地图精度有限，绕射因子K4和HTxeff相关的K3、K5、K6等参数难以准确校正。考虑到校正工作的效率和参数影响，一般只对K1、K2、Kclutter进行校正。传播模型校正的准确程度直接影响无线网络规划的规模估算、站点分布、仿真结果、投资预算，它是无线网络仿真的基础，在整个网络规划中有着十分重要的作用。

2.2矢量距离的基本概念及应用思路

2.2.1矢量距离的基本概念

矢量距离，即n维空间中两点之间的真实距离，矢量距离越大，相异程度越高，定义如下：

其中，i=(xi1,xi2,…,xin)和j=(xj1,xj2,…,xjn)分别是两个n维的数据对象。在矢量距离的基础上，对每个属性根据其重要性赋予合适的权重，建立基于加权矢量距离的分类模型，将使分类方法的有效性和准确度更高。加权矢量距离模型定义如下：

其中，λn为数据对象中第n个属性的权重。如图1为三维空间矢量距离示意图，其中，圆点为标准库中的点，五角星为待匹配点，红色连线为最短矢量距离的匹配关系。

图1　三维空间矢量距离示意图

2.2.2基于地物类型矢量距离的传播模型映射的应用思路

矢量距离有广泛的应用领域，如基于聚类或分类的图像检索、图像分类、医学疾病分类等，为本文提出的映射方法提供了一定的理论基础和参考依据。结合传播模型校正的理论和实践经验可知，不同城市或场景的无线传播模型与地物类型有密切关系，地物类型的比例决定了传播模型的参数。因此，在选取典型城市或场景完成CW测试和校正基础上，可根据各城市或场景的地物类型分布，采取一定的映射方法，为无CW测试校正的城市或场景选取合适的传播模型，具体方法如下：

选取典型城市或场景完成CW测试和校正，形成具有代表性的传播模型标准库。使得标准库的数量足够多，且对于未进行CW测试的城市或场景，都能在标准库里找到与之吻合的地物类型特征的无线传播模型；

以传播模型标准库对应的各城市或场景的地物类型作为标准类，根据矢量距离原理采用MATLAB工具计算待匹配的无CW测试校正的城市或场景的地物类型与标准类之间的矢量距离，找出最小矢量距离；

将最小矢量距离对应的传播模型映射为该城市或场景的传播模型即得到能表征该城市或场景的传播模型。

在上述方法的基础上，对于无CW测试区域的TD-LTE无线传播模型映射，本文将描述基于地物类型矢量距离的二维不加权映射、二维加权映射和改进的多维加权映射三种映射方法。以已完成CW测试校正的传播模型作为标准类，匹配出无CW测试校正的城市或场景的TD-LTE传播模型。

3　TD-LTE传播模型的矢量距离映射方法的实际应用与验证分析

3.1矢量距离映射方法的实际应用

3.1.1矢量距离映射的实现方法

根据已完成CW测试模型校正的全国各城市传播模型信息，选取24个可用的典型的密集城区、一般城区场景，一一对应24个标准地物类型，构成24个标准地物类型库，依次编号为模型1～24，记为：G1=(g1-1, g1-2,…,g1-15)，G2=(g2-1,g2-2,…,g2-15)，…,G24=(g24-1, g24-2,…,g24-15)，即各标准类包括Water、Sea、Wet_ land、Suburban_Open_Area、Urban_Open_Area、Green_Land、Forest、Hight_Building、Ordinary_ Building、Parallel_Regular_Building、Irregular_ Large_Building、Irregular_Building、Suburban_ Village、Town in Suburban、其他地物类型等15种地物类型属性。

记无CW测试区域的TD-LTE无线传播模型地物类型比例矢量为X=(x1,x2,…,xm)，其中，1≤m≤15，采用MATLAB分别计算X=(x1,x2,…,xm)与标准类矢量G1=(g1-1,g1-2,…,g1-m)，G2=(g2-1, g2-2,…,g2-m)，…,G24=(g24-1,g24-2,…,g24-m)，之间的m维加权矢量距离，即：

其中，1≤n≤15，1≤m≤15，结合各种地物类型对无线传播模型影响的重要程度，根据无线传播环境实际情况，权值λ1,λ2,…,λm的选择遵循以下原则（权值λ1,λ2,…,λm皆为1时即为不加权情况）：

通过比较找到X=(x1,x2,…,xm)与标准类之间的最小加权矢量距离min[d(X,Gn)]时，两者的相似度最高，并将相应的标准类所代表的无线传播模型映射为X=(x1,x2,…,xm)所代表的测试区域的TD-LTE无线传播模型。

但上述计算量过大，并且某些地物类型在计算过程中由于占比太小而起到的作用不大，一般仅建筑物造成的传播损耗较大，故可采用二维或多维矢量距离映射方法，即只选取地物类型中两维或多维作为参考指标。两维方法中选取高层建筑和城市建筑作为参考标准类；考虑到两维情况下，地物统计类型较少，可能无法全面反映区域内无线传播环境特征，故选取特点明显的六个维度作为多维矢量映射中的标准类，即高层建筑、城市建筑、广场空地、城镇乡村、森林、水系6个属性，6个标准类属性见表1。

3.1.2传播模型矢量距离映射结果

根据上述映射方法，选取已经完成CW测试校正结果的区域A、B、C的D频段无线传播模型为例，并假设其并未进行CW测试校正，分别使用以上3种映射方法对区域A、B、C的传播模型从除自身传播模型外的其余23个传播模型库中进行映射匹配，得到每种映射方法的匹配结果并进行对比。其中区域A和区域B为密集城区，C为一般城区。其MATLAB映射结果如表2。

3.2矢量距离映射方法的验证分析

本节通过ANPOP仿真验证加权矢量距离映射方法的有效性，并将多维加权、二维加权与二维不加权映射方法进行对比分析。验证的主要方法是，以D频段同频组网为例，在相同区域、相同站点规模、相同仿真及小区工参设置条件下，仅调整传播模型选型，分别选择各区域自身经过CW测试校正的传播模型以及上节映射匹配出的传播模型进行公共信道覆盖预测仿真，通过对比仿真结果RSRP覆盖率，评估上节的映射结果与自身结果的偏差。

表1　6维标准类属性表

表2　经MATLAB映射区域A、B、C的传播模型结果

采用ANPOP进行公共信道覆盖预测仿真得到RS的最强RSRP（不小于-98 dBm）覆盖率如表3。

以待匹配场景自身无线传播模型仿真得到的RS的最强RSRP覆盖率作为参考标准，并对通过多维加权、二维加权、二维不加权三种映射方法映射匹配的无线传播模型进行仿真，分别将结果与自身传播模型仿真结果进行对比，偏差越小，代表此传播模型更符合该地市。

相对应的区域A、B、C在各条件下匹配得到的传播模型下进行无线信道覆盖预测仿真RSRP覆盖效果如图2所示。

图2　区域A、B、C仿真结果RSRP覆盖效果图

从上述结果来看：

（1) 在区域B的映射过程中，多维加权和二维加权映射结果一致，基本与参考标准接近，而二维不加权映射结果与参考标准偏差较大，说明多维加权和二维加权映射方法比二维不加权映射准确；

（2) 在区域A的映射过程中，二维加权和二维不加权的映射结果一致，多维加权映射结果最接近参考标准，比二维加权和二维不加权映射都准确；

（3) 在区域C的映射过程中，显然多维加权映射结果比二维加权、二维不加权映射更接近参考标准，能表征该区域的无线传播模型，说明多维加权映射方法优于二维加权和二维不加权这两种映射方法。

总之，通过ANPOP仿真验证表明，基于地物类型多维加权矢量距离的TD-LTE无线传播模型映射方法能较准确地为无CW测试的城市或场景匹配到最接近的无线传播模型，该方法具有较高的可靠性和准确度，实用性强。

4　总结与展望

精细化规划对于中国移动大力推进TD-LTE建设具有举足轻重的意义，而网络仿真及无线传播模型是其重要基础。一般通过SPM模型对某一个城市或场景进行CW测试和校正获得准确的无线传播模型，但工作量巨大且繁琐，使得我们无法对每一个城市和场景进行精确的无线传播模型校正。因此，本文提出了基于地物类型矢量距离的TD-LTE无线传播模型映射方法，即根据地物类型最小矢量距离的映射关系，为无CW测试校正的城市或场景在无线传播模型标准库里找到符合其地物类型特征的无线传播模型用于规划仿真。

本文在地物类型分类的基础上，提出基于地物类型矢量距离的二维不加权、二维加权和多维加权三种映射方法。从ANPOP仿真结果来看，二维加权矢量距离映射方法比二维不加权矢量距离映射方法准确；而多维加权矢量距离映射方法的准确度最高，总能实现最佳匹配，映射结果的传模模型以最小误差接近该区域的实际无线传播模型。因此，为进行精细化网络规划以及获取无CW测试校正的城市或场景的无线传播模型，可采用基于地物类型多维加权矢量距离的无线传播模型映射方法。该映射方法可靠性高，对网络规划和工程建设具有实际指导意义。

诚然，该映射方法仍存在值得进一步探究的地方。例如：地物类型分类中城市建筑包含4种相似的建筑类型，且占比较大，如果进一步细化分类是否可以提高映射匹配的准确度；加权方法中权值的取定，目前仅根据地物类型面积的占比，是否可以进一步准确量化地物类型占比对传播模型参数的影响程度；由于传播模型主要表征信号在电平衰耗上的特征，本文仅以RSRP为验证参考，但在后续研究中可以进一步考虑SINR和网络吞吐量等重要网络指标。

参考文献

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Research on method of TD-LTE propagation model mapping based on vector distance which is depended on the landform

YANG Hui1, ZHU Xi-ning2, WANG Yu-lin2, YAO Wen-bin1
(1 China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China; 2 China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Guangdong Branch, Guangzhou 510623, China)

AbstractAs most of the main frequency resource of LTE is being used and the propagation model adjustment is amount of work, it is diffi cult to make an adjustment for every city or scene. A propagation model mapping method based on vector distance which is depended on the landform for non-adjustment city or scene is pushed out. Through the ANPOP simulation analysis of two-dimensional without weighting, two-dimensional with weighting, multi-dimensional with weighting, the performance of multidimensional with weighting is most reliable. It is a signifi cant way for making a network fi ne planning. Constructions can be guided by it as well.

KeywordsTD- LTE; propagation model; vector distance; simulation

收稿日期：2015-05-14

中图分类号TN929.5

文献标识码A

文章编号1008-5599（2016）01-0015-05