DTMB單頻網規劃中電波傳播模型的選取與校正

李彩偉，張曉林，于志堅，李 鈾

(1.北京航空航天大學數字電視國家重點實驗室，北京 100191;2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094)

單頻網因其諸多優點成為地面數字電視覆蓋網絡優先選擇的組網形式，比如頻譜利用率高、功率小等［1］。目前我國處于基于地面數字電視傳輸標準DTMB［2］單頻網網絡建設的過程中，電波傳播模型的準確程度與網絡規劃的好壞密不可分，然而不同的傳播模型有不同的適用范圍，不同的地形、地物、地貌對電波傳播的影響不同，因此沒有普遍適用的模型。在實際規劃中，只有基于實際的無線環境進行現場測試，將路徑損耗實測數據與預測值對比，依據一定準則選取一種傳播模型，并采用一定的算法對選取的模型進行校正，從而使適用于該規劃區的無線傳播模型具有理論可靠性，該模型能夠較準確地反映規劃區無線傳播環境特點，能較準確地預測路徑損耗和場強值，進而更加科學地規劃設計國標地面數字電視覆蓋網絡。

1 現場測試方法

1.1 連續波測試理論

實測數據可以通過連續波測試和現網測試獲得，相比現網測試，連續波測試頻率和環境選擇方便，不易產生其他電波干擾和天線增益不同引起的測試誤差，實測數據具有較高的準確性［3］。無線信號在傳播過程中會受到空間傳播損耗、陰影衰落、快衰落等多種衰減，接收信號包絡可以表示為

式中:x為傳播距離;r0(x)為瑞利衰落信號;m(x)為本地均值，即慢衰落和空間傳播損耗的合成，是連續波測試期望測得的數據，估計式為

式中:2L為平均采樣區間長度，又稱本征長度。其取值長短影響到測試數據均值與實際本地均值的逼近程度。在本征長度為40個波長，采樣36～50個樣點時，可使測試數據均值與實際本地均值之差小于1 dB［4］。

對于國標地面數字電視網絡，假設其中心頻率為600 MHz，波長 λ 為0.5 m，則有

設定這個值是與距離相關的采樣門限值T，就可以得到測試車輛的移動速度v、前臺測試設備的采樣速率R和T的關系為

假定前臺設備采樣速率R為50個/s，即20 ms測量一組瞬時接收功率，則對車速的要求

在測試中，數據采集應該按照上述標準來設置前臺設備的采樣率和相應的車速，盡量保持勻速行駛。

1.2 測試臺站的選擇

根據測試臺站的數目及選擇站址的原則［3］，選擇3個臺站，如圖1所示。

圖1 測試站點分布圖(截圖)

A發射臺傳播環境屬于市區環境，其天線高度為345 m，故近距離內不會存在嚴重的遮擋;B，C發射臺屬于郊區環境，通過實地觀察，周圍100 m內主要分布有30～50 m的建筑物，滿足測試臺站的選取原則。

1.3 測試區域的選取

不同傳播環境對電波的傳播特性的影響各不相同，因此需要對不同的環境類別分別進行測量及模型校正［5］。規劃區域屬于比較復雜的大型城市和郊區結合的傳播環境，因此，在進行測試時主要將區域分為普通城區和郊區兩部分。

1.4 測試線路的確定

為了提高測試數據的準確性，需要按照預先規劃好的測試路線進行路測。根據規劃測試路線應考慮的幾個方面［6］，在進行測試時，測試車輛勻速圍繞測試站點從近到遠按照環形測試路線行駛。選定的部分測試路線如圖2所示。

圖2 國標地面數字電視外場測試線路示意圖(截圖)

1.5 路測數據處理

車載測試數據包括路測時間、路測點經緯度、瞬時接收功率和誤碼率等信息，首先濾除時間信息和經緯度信息不存在或者不合理的無效測試點，然后濾除接收功率瞬時值大于-30 dBm或小于-100 dBm的測試點。此外，由于無線信道包括了快衰落和慢衰落兩部分，測試得到的瞬時接收功率包含了快衰落和慢衰落的瞬時功率值。為平均快衰落(統計區間為40 λ時陰影衰落影響可以忽略)，對落在統計區間的所有瞬時接收功率進行算術平均得到每個測試接收點的接收功率均值。第i個測試接收點的接收功率均值為

式中:Ni是落在第i個統計區間的瞬時接收功率個數。

第i個測試接收點的路徑損耗為

式中:EIRPt為發射臺有效發射功率;Pt為發射臺發射功率;Gt為發射天線增益;Lb為發射臺線路損耗;Gr為接收天線增益;Lother為人體和車輛穿透損耗。

2 無線電波模型的選取

常見的5種可以應用于VHF/UHF頻段地面數字電視覆蓋網絡鏈路預算的電波傳播模型有ITU-R P.370模型、ITU-R P.1546 模型、ITU-R P.526 模型、Okumura-Hata模型及 COST231-Hata 模型［7-8］。

圖5 各測試接收點實測功率與預測功率曲線圖

經統計計算，各個模型下預測功率值與實測功率值之間的均方誤差分別為σoku-hata=10.234，σcost231=8.412，σ1546=8.694=14.658。其中選取COST231-Hata模型得到的預測功率值與實測功率值之間的均方誤差最小，因此選取COST231-Hata模型進行電波模型校正。

為了提高驗證的可靠性，在單點B站發射和單點C站發射情況下對郊區地區進行了測試和仿真，并計算和對比測試數據的均方誤差。

3 電波模型的校正

3.1 校正原理

本文采用最小二乘法算法對模型進行校正。設N個測試接收點與發射機的距離分別為{d1，d2，…，dN}，各個測試接收點的實際傳播損耗為{L1，L2，…，LN}，電波傳播模型預測的傳播損耗為{Lp1，Lp2，…，LpN}，實際問題轉化為用處理得到的實測路徑損耗數據校正COST231-Hata模型中某些系數，使式(8)取最小值，即鏈路損耗的預測值和實測值之間的平方誤差最小。

COST231-Hata模型路徑損耗計算的經驗公式為

式中:d為發射臺與接收機之間的距離，單位為km;fc為工作頻率，單位為MHz;ht為發射天線高度，單位為m;hr為接收天線高度，單位為m;α(hr)為接收天線高度校正因子，單位為dB，其公式為

Cm為大城市中心校正因子，單位為dB，其表達式為

將式(9)變換為

由式(12)可以看到，K2，K3，K4，K5，α(hr)與工作頻率fc、有效的臺站天線高度ht、傳播距離d和接收機距地面的高度hr有關。對于每一次外場測試，fc，hr和ht為一個定值，測試數據主要隨著傳播距離d的改變而變化，因此主要針對衰減常數因子K1和距離衰減系數K5進行校正。

對傳播距離d取對數，得到lg di，使迭代校正過程簡化為線性迭代，即

模型校正的問題轉化為求K1，K5使式(8)取最小值的問題，為驗證校正后的模型能否符合實際測試環境［10-11］，定義鏈路損耗預測值的均方誤差為

在fc，hr和ht不變情況下，經化簡整理，式(12)的通式可以表示為

因此利用MATLAB對實測數據進行一次多項式最小二乘擬合，得到最小二乘法解a′，b′，計算校正后的K1值和K5值，得到校正后的傳播模型損耗公式為

式中:K1+a′-a即校正后的K1值;K5+b′-b即校正后的 K5值;K2，K3，K4保持不變。

3.2 校正結果及分析

分別對市區及郊區環境下的電波傳播模型進行校正，校正后的參數如表1所示。

利用校正后傳播模型再次進行鏈路預算仿真，并對校正前后鏈路損耗的預測值與實測值之間的均方誤差進行統計計算，結果如表2所示。

表1 模型參數

表2 模型校正前后統計結果

對于校正結果的誤差，業界普遍認為［12］，如果校正結束時的均方誤差小于8 dB，說明校正的模型基本符合了實際測試環境，否則需要重新分析從路側到校正的整個過程。通過上述統計結果證明，校正后的路徑損耗預測值與實測值的均方誤差小于8 dB，校正后模型到達了電波模型校正的預期要求，該模型更接近實測值、更準確，對與該城市具有相似類型的傳播環境的地區具有良好的普遍適用性。

4 小結

本文從測試臺站、測試區域、測試路線以及實測數據的處理方法等幾個方面介紹了基于連續波測試理論進行現場測試的過程，通過對實測數據和不同傳播模型下ICS telecom仿真的預測數據進行統計計算得出COST231-Hata模型適用于該規劃地區，這與COST231-Hata適用于人口稠密的大城市地區結論相符。為了進一步提高預測的準確度，采用最小二乘法校正算法對該模型進行校正，得到兩種傳播環境(市區、郊區)下的電波校正模型，校正后的鏈路損耗預測值與實測值的均方差誤小于8 dB，證明了校正模型的有效性。使用該模型將極大提高該規劃地區的單頻網網絡規劃的準確性和可靠性。

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