TD-SCDMA无线传播模型校正

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0、引言
　　TD-SCDMA标准于1998年提交国际电联，并于2000年5月在土耳其伊斯坦布尔召开的国际电联大会上，被接纳并成为第三代移动通信系统三大主流标准之一。2006年1月20日，信息产业部颁布，TD-SCDMA为我国通信行业标准，标志着这一标准技术方案已经成熟，是具有里程碑意义的事件，此后TD商用的进程被迅速推进，从五城市网络测试到规模放号，再到友好用户测试等等，TD商用的大幕，已被缓缓拉开。
　　在TD飞速发展的时刻，网络规划成为研究热点。网络规划很大程度上决定了网络的结构，对网络投资以及服务质量起着决定性作用，是网络发展的基础。移动通信的基础设备成本非常巨大，尤其是无线接入部分，TD要在竞争中发展，就要设法降低成本；而网络的质量是网络发展的重中之重，再好的业务，没有网络质量作支撑，也是无法实现的。信号质量是衡量网络质量的关键因素，主要取决于发射端和接收端之间的传播条件，路径损耗则是体现传播条件的关键指标，而无线传播模型是预测路径损耗的有效工具。
　　在移动通信系统中，由于移动台不断运动，且实际传播环境复杂多样，电波传播具有多样性和复杂性，严格的理论分析很难实现。直接运用电磁理论计算的确定性模型，由于计算量很大，只适合微蜂窝或微微蜂窝的模型预测。目前传播模型一般通过电磁理论推算和实测数据相结合的方式获得，即针对各个地区不同的地理环境进行测试，通过分析与计算等手段对传播模型的参数进行校正，以提高预测的准确性。
　　传播模型的校正有两种方法[1]，一种是通用的CW（连续波）测试方法，一种是导频测试方法。导频测试法一般是利用已有TD-SCDMA基站发射的导频信号进行测试，由于它导频强度一般不大，覆盖半径较小，难以全面反映无线传播环境；另外，现有条件下大部分地区还没有TD网络可供利用，因此本文选用CW测试方法进行TD无线传播模型校正测试。
　　本文使用业界普遍认可的COST231-Hata模型，通过CW测试方法，使用最小二乘法对TD系统的频率参数进行校正。目前发表的文章多集中在WCDMA模型的校正，本文从另一个角度进行TD模型的校正研究，为网络规划提供良好的基础。
1、无线电波的衰落
　　空间中电波的传播由于阻挡、距离等多种因素使得其必然存在传播损耗，即衰落。其中最主要的有瑞利衰落和阴影衰落，也就是我们常说的快衰落和慢衰落，有的书上称为大尺度衰落和小尺度衰落[2]。
　　在陆地移动通信中，我们用3种传播机制来描述无线信号，这3种传播机制是根据距离尺度大小来区分的：大尺度的传播机制用来描述区域均值，它具有幂定律传播特性，即中值信号功率与距离长度增加的某次幂成反比关系；中尺度的传播机制描述的是阴影衰落，它是重叠在大尺度传播特性的中值电平上的平均功率变化，当用分贝表示时，这种变化趋向于正态分布，又称为对数正态阴影；小尺度的传播机制用于描述多径衰落，它通常服从于瑞利概率密度函数，又称为瑞利衰落。
2、传播模型介绍
　　如前面所述，信号的传播方式可以用3种传播机制来描述，而无线传播模型研究的是其中的大尺度和中尺度的信号传播机制，考察信号在不同环境下路径损耗以及障碍物阴影效应所带来的慢衰落影响，其表征的是在某种特定环境或传播路径下电波的传播损耗情况。
　　2.1　各种传播模型适用比较
　　目前应用比较多的宏蜂窝传播模型包括Okumara-Hata、COST231-Hata、COST231-Walfish-Ikegami （WIM）和LEE模型。如表1所示，列举出几种传播模型适用范围的区别：

表1　传播模型适用范围比较

　　国内外的有关文献报道了TD-SCDMA系统应套用的传播模型，普遍认为应使用COST231-Hata传播模型，但由于COST231-Hata模型的适用上限频率为2000MHz，与TD-SCDMA系统频段稍有差异，所以以COST231-Hata模型为基础的TD-SCDMA传播模型在频率参数上需要进一步校正。
　　2.2　COST231-Hata传播模型
　　下面的章节我们详细介绍COST231-Hata传播模型。
　　2.2.1　适用范围
　　模型适用范围为[2]：
　　（1）应用频率在1 500－2 000 MHz之间；
　　（2）适用于小区半径大于1 km的宏蜂窝系统；
　　（3）发射有效天线高度在30－200 m之间；
　　（4）接收有效天线高度在1-10 m之间。
　　2.2.2　经验公式
　　COST231-Hata模型路径损耗计算的经验公式为[3]：
　　
　　各参数定义如下：L（dB）为路径损耗；fc（MHz）为工作频率；hte（m）为基站天线的有效高度；hre（m）为移动台天线的有效高度；d(km）为基站天线合移动台天线的水平距离；a（hre）为移动台有效天线修正因子；CM为大城市中心校正因子。
3、传播模型校正
　　如前所述，无线传播环境是非常复杂的，而且COST231-Hata传播模型的频率与TD网络不尽相同，所以我们不能直接套用COST231-Hata模型，有必要进行模型校正，以便得到一个与实际无线传播环境相吻合的传播模型[4]。
　　本位采用CW测试方法进行模型校正。CW测试是通过连续波，采用全向天线发射信号，接收机在服务区内各个方向的道路上进行测试，以得到不同方向、距离的场强值。采用CW测试方法一般分为CW测试、CW数据分析与模型校正。
　　3.1　CW测试
　　3.1.1　站点选择
　　CW测试的目的是为了获得符合本地区实际环境的无线传播模型，提高覆盖预测的准确性[5]。在进行测试之前首先需要确定测试站址及其数量。一般在人口稠密的城市，测试站址应不少于5个，中等规模的城市选取3个，中小城市1个就够了。站址选择的原则是要使它能够覆盖足够多的地貌类型，这些地貌类型由数字地图提供。测试站点的选取需要满足一定的条件，如它的第一菲涅尔区必须无障碍物。在实际测试中为便于测试，可按以下标准来确定站址是否合适：
　　（1）天线高度大于20 m（可视周围建筑物高度具体来定）；
　　（2）天线的垂直距离高于最近的障碍物5 m以上；
　　（3）周围无太多新建的建筑物（因为电子地图的更新是有周期的）。
　　3.1.2　测试路线选择
　　应选取包含各种地物类型的测试路径作随机驱车测试。同时，由于存在街道的波导效应，在距离基站半径3km以内的街道上测试时，纵向和横向的街道最好采样同样数量的样本。
　　3.1.3　数据采集速度
　　数据采集的速度必须服从李氏定理[6]。
　　场强测试就是要获取测试区域各测试点的本地均值，即要从接收信号中滤除快衰落的影响。William C.Y.Lee认为，在2L为40个波长间隔内，采集36或最多50个抽样点能有效去除快衰落的影响。由此可以得出合理的车速，设车速为v，测试设备每秒n个采样点，波长为λ，则有：
　　
　　由λf=C，其中发射功率f取2150 MHz，C为光速，可以得到λ=0.14 m。设采样周期为20 ms，代入（3），则车速为20.16～28.08km/h。
　　3.2　CW数据分析
　　数据处理主要包括以下3个方面：
　　（1）滤除信号强度异常数据点：由于设备异常或其他原因，采集得到的数据中可能存在一些信号异常点，例如接收机断线。
　　（2）滤除近场数据点：这部分信号强度受建筑物形状及街道走向的影响很大，需要滤除。
　　（3）修正GPS误差。
　　3.3　模型校正
　　3.3.1　COST231-Hata中小城市传播模型
　　TD-SCDMA系统的频率COST231-Hata模型不是完全匹配，下面我们针对频率参数对TD-SCDMA系统传播模型进行修正，以得到其在2010-2025MHz[7]频段上的传播模型。传播模型的其他参数的校正可以类推。
　　以COST231-Hata中小城市传播模型为例（式1中Cm取0），则损耗为：
　　
　　我们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，开始可选择该频率上的缺省值进行设置，也可以是其它地方类似地形的校正参数；然后以该模型进行无线传播预测，并将预测值与路测数据作比较，得到一个差值；再根据所得差值的统计结果反过来修改模型参数。经过不断的迭代处理，直到预测值与路测数据的均方差及标准差达到最小，则此时得到的模型各参数值就是所需的校正值。
　　3.3.2　最小二乘法
　　上面小节中所利用的原理为最小二乘法原型[6]，理论如下：
　　平面直线(即一元回归)配合，设理论直线为y=a+bx，有n组实测值为(x1，y1)，　(x2，y2)，…，(xn，yn)，它们在平面坐标上呈近直线分布。
　　最小二乘法原理指出：若各实测值与理论值之差的平方和为最小，那么，这条理论直线就是最能反映实测值的回归直线。
　　
　　用偏导数法求出回归系数a及b，容易得出：
　
　　解方程（5）及（6），求出回归系数a及b。实用中都是先求出系数b后，再代入a=y-bx，求出a。其中a和b即为模型中的K值。
　　3.3.3　校正过程分析
　　对于中小城市的COST231-Hata模型，首先我们定义以下参数：L为理论损耗值；L1为实际损耗值；△L=L1-L为实际值与理论值的差值；K1为基于截距的修正因子；K2为基于lgfc的修正因子。
　　经系统的采样计算后，得到关于频率的矩阵lgf(n)为：
　　
　　实际值与理论值的差值矩阵△L(n)为：
　　
　　定义修正因子向量K=（K1，K2），　则有
　　
　　则K=△L(n)/A，可以根据4.3.2的介绍求得向量K的最小二乘解，进而得到修正后的TD-SCDMA系统传播模型损耗值公式为：
　　
　　一般，传播模型有多个校正参数，可以仿照上述方法进行计算，区别在于矩阵的维数上，本文不再展开。
　　3.3.4　校正结果分析
　　在分析所设模型与实测数据的拟合程度时，需要到预测值和实际路测值的统计平均差Mean Error、预测值和路测数据的均方差RMS Error以及预测值和路测数据的标准差Std.Dev.Error。
　　其具体含义为：设X1i为某测试点的预测值，X2i为该点的实测值，令yt=X1i-X2i，N为总测试点数，可以得到下面结论[6]：
　　
　　可见，当=0时，RMS Error=Std.Dev.Error,模型校正的结果就是要使得RMS Error和Std.Dev.Error的值最小，并由此来判断模型的结果和实际环境的拟和情况。
　　移动通信网络规划的工程经验证明：在准平坦地形条件下，Std.Dev.Error不大于8 dB；丘陵地形条件下，Std.Dev.Error不大于11 dB，可认为该模型是可用的。
4、结束语
　　传播模型的准确性对TD-SCDMA无线网络的规划有着至关重要的作用，而网络规划的好坏又影响着网络的性能及建设成本，因此我们应该认真做好传播模型的校正，为网络规划提供良好的基础。随着TD-SCDMA商用进程的进一步推进，TD传播模型校正以及无线网络规划的方法和流程将越来越完善。
　　参考文献
　　1　李毅.WCDMA无线传播模型校正与分析[J]，电信工程技术与标准化，2006.9：45-49
　　2　中兴通信《CDMA网络规划与优化》编写组.CDMA网络规划与优化[M].北京：电子工业出版社，2005.11：6-20
　　3　韦泉，苏文莉，帅丹.TD-SCDMA无线网络的预规划[J]，移动通信，2006.5：69-72
　　4　彭木根，王文博.3G无线资源管理与网络规划优化[M].北京：人民邮电出版社，2006.1：281-284
　　5　严彬.WCDMA无线网络规划中的传播模型校正[J].电信工程技术与标准化，2006.7：43-47
　　6　蒋招金.3G无线传播模型校正[J].邮电设计技术，2006.5(5)：24-27
　　7　李世鹤.TD-SCDMA第三代移动通信系统标准[M].北京：人民邮电出版社，2004.9：119