0、引言

　　TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)于1998年提交國際電聯(lián)，并于2000年5月在土耳其伊斯坦布爾召開的國際電聯(lián)大會(huì)上，被接納并成為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)三大主流標(biāo)準(zhǔn)之一。2006年1月20日，信息產(chǎn)業(yè)部頒布，TD-SCDMA為我國通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著這一標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)方案已經(jīng)成熟，是具有里程碑意義的事件，此后TD商用的進(jìn)程被迅速推進(jìn)，從五城市網(wǎng)絡(luò)測試到規(guī)模放號，再到友好用戶測試等等，TD商用的大幕，已被緩緩拉開。

　　在TD飛速發(fā)展的時(shí)刻，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃成為研究熱點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃很大程度上決定了網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，對網(wǎng)絡(luò)投資以及服務(wù)質(zhì)量起著決定性作用，是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的基礎(chǔ)。移動(dòng)通信的基礎(chǔ)設(shè)備成本非常巨大，尤其是無線接入部分，TD要在競爭中發(fā)展，就要設(shè)法降低成本；而網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重中之重，再好的業(yè)務(wù)，沒有網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量作支撐，也是無法實(shí)現(xiàn)的。信號質(zhì)量是衡量網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，主要取決于發(fā)射端和接收端之間的傳播條件，路徑損耗則是體現(xiàn)傳播條件的關(guān)鍵指標(biāo)，而無線傳播模型是預(yù)測路徑損耗的有效工具。

　　在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于移動(dòng)臺不斷運(yùn)動(dòng)，且實(shí)際傳播環(huán)境復(fù)雜多樣，電波傳播具有多樣性和復(fù)雜性，嚴(yán)格的理論分析很難實(shí)現(xiàn)。直接運(yùn)用電磁理論計(jì)算的確定性模型，由于計(jì)算量很大，只適合微蜂窩或微微蜂窩的模型預(yù)測。目前傳播模型一般通過電磁理論推算和實(shí)測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式獲得，即針對各個(gè)地區(qū)不同的地理環(huán)境進(jìn)行測試，通過分析與計(jì)算等手段對傳播模型的參數(shù)進(jìn)行校正，以提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。

　　傳播模型的校正有兩種方法[1]，一種是通用的CW（連續(xù)波）測試方法，一種是導(dǎo)頻測試方法。導(dǎo)頻測試法一般是利用已有TD-SCDMA基站發(fā)射的導(dǎo)頻信號進(jìn)行測試，由于它導(dǎo)頻強(qiáng)度一般不大，覆蓋半徑較小，難以全面反映無線傳播環(huán)境；另外，現(xiàn)有條件下大部分地區(qū)還沒有TD網(wǎng)絡(luò)可供利用，因此本文選用CW測試方法進(jìn)行TD無線傳播模型校正測試。

　　本文使用業(yè)界普遍認(rèn)可的COST231-Hata模型，通過CW測試方法，使用最小二乘法對TD系統(tǒng)的頻率參數(shù)進(jìn)行校正。目前發(fā)表的文章多集中在WCDMA模型的校正，本文從另一個(gè)角度進(jìn)行TD模型的校正研究，為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供良好的基礎(chǔ)。

1、無線電波的衰落

　　空間中電波的傳播由于阻擋、距離等多種因素使得其必然存在傳播損耗，即衰落。其中最主要的有瑞利衰落和陰影衰落，也就是我們常說的快衰落和慢衰落，有的書上稱為大尺度衰落和小尺度衰落[2]。

　　在陸地移動(dòng)通信中，我們用3種傳播機(jī)制來描述無線信號，這3種傳播機(jī)制是根據(jù)距離尺度大小來區(qū)分的：大尺度的傳播機(jī)制用來描述區(qū)域均值，它具有冪定律傳播特性，即中值信號功率與距離長度增加的某次冪成反比關(guān)系；中尺度的傳播機(jī)制描述的是陰影衰落，它是重疊在大尺度傳播特性的中值電平上的平均功率變化，當(dāng)用分貝表示時(shí)，這種變化趨向于正態(tài)分布，又稱為對數(shù)正態(tài)陰影；小尺度的傳播機(jī)制用于描述多徑衰落，它通常服從于瑞利概率密度函數(shù)，又稱為瑞利衰落。

2、傳播模型介紹

　　如前面所述，信號的傳播方式可以用3種傳播機(jī)制來描述，而無線傳播模型研究的是其中的大尺度和中尺度的信號傳播機(jī)制，考察信號在不同環(huán)境下路徑損耗以及障礙物陰影效應(yīng)所帶來的慢衰落影響，其表征的是在某種特定環(huán)境或傳播路徑下電波的傳播損耗情況。

　　2.1　各種傳播模型適用比較

　　目前應(yīng)用比較多的宏蜂窩傳播模型包括Okumara-Hata、COST231-Hata、COST231-Walfish-Ikegami （WIM）和LEE模型。如表1所示，列舉出幾種傳播模型適用范圍的區(qū)別：

表1　傳播模型適用范圍比較

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　　國內(nèi)外的有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道了TD-SCDMA系統(tǒng)應(yīng)套用的傳播模型，普遍認(rèn)為應(yīng)使用COST231-Hata傳播模型，但由于COST231-Hata模型的適用上限頻率為2000MHz，與TD-SCDMA系統(tǒng)頻段稍有差異，所以以COST231-Hata模型為基礎(chǔ)的TD-SCDMA傳播模型在頻率參數(shù)上需要進(jìn)一步校正。

　　2.2　COST231-Hata傳播模型

　　下面的章節(jié)我們詳細(xì)介紹COST231-Hata傳播模型。

　　2.2.1　適用范圍

　　模型適用范圍為[2]：

　　（1）應(yīng)用頻率在1 500－2 000 MHz之間；

　　（2）適用于小區(qū)半徑大于1 km的宏蜂窩系統(tǒng)；

　　（3）發(fā)射有效天線高度在30－200 m之間；

　　（4）接收有效天線高度在1-10 m之間。

　　2.2.2　經(jīng)驗(yàn)公式

　　COST231-Hata模型路徑損耗計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式為[3]：

　　各參數(shù)定義如下：L（dB）為路徑損耗；fc（MHz）為工作頻率；hte（m）為基站天線的有效高度；hre（m）為移動(dòng)臺天線的有效高度；d(km）為基站天線合移動(dòng)臺天線的水平距離；a（hre）為移動(dòng)臺有效天線修正因子；CM為大城市中心校正因子。

3、傳播模型校正

　　如前所述，無線傳播環(huán)境是非常復(fù)雜的，而且COST231-Hata傳播模型的頻率與TD網(wǎng)絡(luò)不盡相同，所以我們不能直接套用COST231-Hata模型，有必要進(jìn)行模型校正，以便得到一個(gè)與實(shí)際無線傳播環(huán)境相吻合的傳播模型[4]。

　　本位采用CW測試方法進(jìn)行模型校正。CW測試是通過連續(xù)波，采用全向天線發(fā)射信號，接收機(jī)在服務(wù)區(qū)內(nèi)各個(gè)方向的道路上進(jìn)行測試，以得到不同方向、距離的場強(qiáng)值。采用CW測試方法一般分為CW測試、CW數(shù)據(jù)分析與模型校正。

　　3.1　CW測試

　　3.1.1　站點(diǎn)選擇

　　CW測試的目的是為了獲得符合本地區(qū)實(shí)際環(huán)境的無線傳播模型，提高覆蓋預(yù)測的準(zhǔn)確性[5]。在進(jìn)行測試之前首先需要確定測試站址及其數(shù)量。一般在人口稠密的城市，測試站址應(yīng)不少于5個(gè)，中等規(guī)模的城市選取3個(gè)，中小城市1個(gè)就夠了。站址選擇的原則是要使它能夠覆蓋足夠多的地貌類型，這些地貌類型由數(shù)字地圖提供。測試站點(diǎn)的選取需要滿足一定的條件，如它的第一菲涅爾區(qū)必須無障礙物。在實(shí)際測試中為便于測試，可按以下標(biāo)準(zhǔn)來確定站址是否合適：

　　（1）天線高度大于20 m（可視周圍建筑物高度具體來定）；

　　（2）天線的垂直距離高于最近的障礙物5 m以上；

　　（3）周圍無太多新建的建筑物（因?yàn)?a target="_blank">電子地圖的更新是有周期的）。

　　3.1.2　測試路線選擇

　　應(yīng)選取包含各種地物類型的測試路徑作隨機(jī)驅(qū)車測試。同時(shí)，由于存在街道的波導(dǎo)效應(yīng)，在距離基站半徑3km以內(nèi)的街道上測試時(shí)，縱向和橫向的街道最好采樣同樣數(shù)量的樣本。

　　3.1.3　數(shù)據(jù)采集速度

　　數(shù)據(jù)采集的速度必須服從李氏定理[6]。

　　場強(qiáng)測試就是要獲取測試區(qū)域各測試點(diǎn)的本地均值，即要從接收信號中濾除快衰落的影響。William C.Y.Lee認(rèn)為，在2L為40個(gè)波長間隔內(nèi)，采集36或最多50個(gè)抽樣點(diǎn)能有效去除快衰落的影響。由此可以得出合理的車速，設(shè)車速為v，測試設(shè)備每秒n個(gè)采樣點(diǎn)，波長為λ，則有：

　　由λf=C，其中發(fā)射功率f取2150 MHz，C為光速，可以得到λ=0.14 m。設(shè)采樣周期為20 ms，代入（3），則車速為20.16～28.08km/h。

　　3.2　CW數(shù)據(jù)分析

　　數(shù)據(jù)處理主要包括以下3個(gè)方面：

　　（1）濾除信號強(qiáng)度異常數(shù)據(jù)點(diǎn)：由于設(shè)備異常或其他原因，采集得到的數(shù)據(jù)中可能存在一些信號異常點(diǎn)，例如接收機(jī)斷線。

　　（2）濾除近場數(shù)據(jù)點(diǎn)：這部分信號強(qiáng)度受建筑物形狀及街道走向的影響很大，需要濾除。

　　（3）修正GPS誤差。

　　3.3　模型校正

　　3.3.1　COST231-Hata中小城市傳播模型

　　TD-SCDMA系統(tǒng)的頻率COST231-Hata模型不是完全匹配，下面我們針對頻率參數(shù)對TD-SCDMA系統(tǒng)傳播模型進(jìn)行修正，以得到其在2010-2025MHz[7]頻段上的傳播模型。傳播模型的其他參數(shù)的校正可以類推。

　　以COST231-Hata中小城市傳播模型為例（式1中Cm取0），則損耗為：

　　我們所要校正的主要是基于截距的校正因子K1（dB）和基于log10fc的校正因子K2，開始可選擇該頻率上的缺省值進(jìn)行設(shè)置，也可以是其它地方類似地形的校正參數(shù)；然后以該模型進(jìn)行無線傳播預(yù)測，并將預(yù)測值與路測數(shù)據(jù)作比較，得到一個(gè)差值；再根據(jù)所得差值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果反過來修改模型參數(shù)。經(jīng)過不斷的迭代處理，直到預(yù)測值與路測數(shù)據(jù)的均方差及標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到最小，則此時(shí)得到的模型各參數(shù)值就是所需的校正值。

　　3.3.2　最小二乘法

　　上面小節(jié)中所利用的原理為最小二乘法原型[6]，理論如下：

　　平面直線(即一元回歸)配合，設(shè)理論直線為y=a+bx，有n組實(shí)測值為(x1，y1)，　(x2，y2)，…，(xn，yn)，它們在平面坐標(biāo)上呈近直線分布。

　　最小二乘法原理指出：若各實(shí)測值與理論值之差的平方和為最小，那么，這條理論直線就是最能反映實(shí)測值的回歸直線。

　　用偏導(dǎo)數(shù)法求出回歸系數(shù)a及b，容易得出：

　　解方程（5）及（6），求出回歸系數(shù)a及b。實(shí)用中都是先求出系數(shù)b后，再代入a=y-bx，求出a。其中a和b即為模型中的K值。

　　3.3.3　校正過程分析

　　對于中小城市的COST231-Hata模型，首先我們定義以下參數(shù)：L為理論損耗值；L1為實(shí)際損耗值；△L=L1-L為實(shí)際值與理論值的差值；K1為基于截距的修正因子；K2為基于lgfc的修正因子。

　　經(jīng)系統(tǒng)的采樣計(jì)算后，得到關(guān)于頻率的矩陣lgf(n)為：

　　實(shí)際值與理論值的差值矩陣△L(n)為：

　　定義修正因子向量K=（K1，K2），　則有

　　則K=△L(n)/A，可以根據(jù)4.3.2的介紹求得向量K的最小二乘解，進(jìn)而得到修正后的TD-SCDMA系統(tǒng)傳播模型損耗值公式為：

　　一般，傳播模型有多個(gè)校正參數(shù)，可以仿照上述方法進(jìn)行計(jì)算，區(qū)別在于矩陣的維數(shù)上，本文不再展開。

　　3.3.4　校正結(jié)果分析

　　在分析所設(shè)模型與實(shí)測數(shù)據(jù)的擬合程度時(shí)，需要到預(yù)測值和實(shí)際路測值的統(tǒng)計(jì)平均差Mean Error、預(yù)測值和路測數(shù)據(jù)的均方差RMS Error以及預(yù)測值和路測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差Std.Dev.Error。

　　其具體含義為：設(shè)X1i為某測試點(diǎn)的預(yù)測值，X2i為該點(diǎn)的實(shí)測值，令yt=X1i-X2i，N為總測試點(diǎn)數(shù)，可以得到下面結(jié)論[6]：

　　可見，當(dāng)=0時(shí)，RMS Error=Std.Dev.Error,模型校正的結(jié)果就是要使得RMS Error和Std.Dev.Error的值最小，并由此來判斷模型的結(jié)果和實(shí)際環(huán)境的擬和情況。

　　移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的工程經(jīng)驗(yàn)證明：在準(zhǔn)平坦地形條件下，Std.Dev.Error不大于8 dB；丘陵地形條件下，Std.Dev.Error不大于11 dB，可認(rèn)為該模型是可用的。

4、結(jié)束語

　　傳播模型的準(zhǔn)確性對TD-SCDMA無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃有著至關(guān)重要的作用，而網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的好壞又影響著網(wǎng)絡(luò)的性能及建設(shè)成本，因此我們應(yīng)該認(rèn)真做好傳播模型的校正，為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供良好的基礎(chǔ)。隨著TD-SCDMA商用進(jìn)程的進(jìn)一步推進(jìn)，TD傳播模型校正以及無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的方法和流程將越來越完善。

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