3G/4G移動通信衰減模型優(yōu)化仿真*

趙旭東，楊存順，邱 濤

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

移動通信空口電磁衰減模型的主要目的是通過理論仿真計(jì)算，使網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃人員能合理規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的基站覆蓋范圍和數(shù)目，并結(jié)合運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和實(shí)際業(yè)務(wù)的種類優(yōu)化，提升移動通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可靠性及適用性，最終提升移動通信用戶的感知[1]。電磁衰減模型分為自由空間傳播損耗模型和路徑傳播損耗損耗模型兩類。前者著重于由于地面波自然擴(kuò)散而引起的衰減；后者著重于傳播環(huán)境中包括的各種障礙物等對電磁波的吸收、散射、繞射或反射等作用引起的傳播損耗[2-5]。

本文主要聚焦研究針對空曠環(huán)境下的移動通信空口電磁衰減模型，在Okumura-Hata 模型和Cost231-Hata 模型的基礎(chǔ)上，提出了一種針對4G 通信頻段的衰減模型。該衰減模型通過調(diào)整Cost231-Hata 模型的頻率、距離和常數(shù)衰減因子，提升了預(yù)測衰減值的準(zhǔn)確性，為4G 移動通信空口網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供了一種較為準(zhǔn)確的預(yù)測模型。

1 常見電磁衰減模型

1.1 Okumura-Hata 模型

Okumura-Hata 模型是日本科學(xué)家奧村在傳統(tǒng)Hata 電磁衰減模型的基礎(chǔ)上，基于東京近郊大量實(shí)測數(shù)據(jù)得出的一種適用于900 MHz 移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

式中：f為工作頻率；ht為基站天線有效高度；hr為移動臺天線有效高度；d為基站天線與移動臺天線水平距離；?(hr)為移動臺天線修正因子；Ccell為小區(qū)類型校正因子。

該經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦m用于：

（1）頻率范圍150～1 500 MHz；

（2）基站天線高度30～200 m；

（3）移動臺高度1～10 m；

（4）距離1～20 km。

圖1 顯示了以WCDMA 為例的典型區(qū)域Okumra-Hata 模型計(jì)算得出的衰減值。

圖1 WCDMA 制式下Okumra-Hata 模型典型區(qū)域衰減值

1.2 COST231-Hata 模型

COST231-Hata 模型是歐洲研究委員會COST-231 陸地移動無線電發(fā)展傳播模型小組在Okumura-Hata 模型基礎(chǔ)上提出的一種傳播模型。該模型修改部分參數(shù)項(xiàng)，使覆蓋頻率提升至2 000 MHz。

式中：f為工作頻率；ht為基站天線有效高度；hr為移動臺天線有效高度；d為基站天線與移動臺天線水平距離；?(hr)為環(huán)境修正因子；Cm為城區(qū)類型校正因子。

該經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦m用于：

（1）頻率范圍1 500～2 000 MHz；

（2）基站天線高度30～200 m；

（3）移動臺高度1～10 m；

（4）距離1～20 km。

圖2 顯示了以WCDMA 為例的典型區(qū)域Cost231-Hata 模型計(jì)算得出的衰減值。

圖2 WCDMA 制式下Cost231-Hata 模型典型區(qū)域衰減值

2 4G 移動通信衰減模型

2.1 4G 移動通信衰減模型建立

我國三大運(yùn)營商4G 移動通信頻段主要包括band1、band3、band39、band40 和band41（38），頻率覆蓋1 710～2 690 MHz。由于Okumra-Hata 和COST231-Hata 模型僅適用于2 000 MHz 以內(nèi)通信頻段的衰減估算，因此基于COST-231 模型提出了一種用于適用于國內(nèi)4G 移動通信頻段的空口衰減模型。

通過分析COST231-Hata 模型得出，電磁波在自由空間的傳輸損耗因子主要分為3 個(gè)部分，即頻率因子、距離因子和常數(shù)矯正因子。因此，通過給這3 個(gè)因子引入新的變量，結(jié)合大量實(shí)測數(shù)據(jù)優(yōu)化因子值，可達(dá)到模型矯正的目的。

初始模型為：式中：k1為與頻率相關(guān)校正參數(shù)；k2為與距離相關(guān)校正參數(shù)；k3為常數(shù)校正參數(shù)。

2.2 模型新增參數(shù)值校正

基于連續(xù)波采樣測試，計(jì)算出測試區(qū)域的參考信號接收電平本地均值，再利用本地均值對模型新增參數(shù)加以校正，以提升衰減模型預(yù)測值的準(zhǔn)確性。

電磁衰減包含快衰落和慢衰落?？焖ヂ渲饕啥鄰絺鞑ザa(chǎn)生，信號幅度變化明顯，不利于確定模型參數(shù)。慢衰落主要受氣象條件、電路長度、地形等因素影響，與接收機(jī)所處位置和距離緊密相關(guān)，屬于短期信號電平中值。因此，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理上采用李氏定理獲取本地均值，實(shí)現(xiàn)消除快衰落、保留慢衰落[6]。

式中，2l為平均采樣區(qū)間長度。根據(jù)李氏定理，當(dāng)取40 個(gè)波長、采樣點(diǎn)為30～50 個(gè)時(shí)，能有效消除快衰落、保留慢衰落，從而找出本地環(huán)境對信號傳播的慢衰落變化趨勢，達(dá)到模型校正的目的。

基于在郊區(qū)空曠環(huán)境下大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出4G 移動通信衰減模型中的參數(shù)值為：

代入式（7），得出4G 移動通信衰減模型為：

3 模型仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)環(huán)境

分別針對FDD-LTE band3 和TDD-LTE band41（38）進(jìn)行仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，選取的試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)環(huán)境詳細(xì)信息如表1 所示。

表1 LTE 試驗(yàn)信息

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和處理

依據(jù)李氏定理，單個(gè)測試點(diǎn)采用40 個(gè)波長的采樣區(qū)間長度和40 個(gè)采樣點(diǎn)，計(jì)算均值后得出不同距離下實(shí)測參考信號強(qiáng)度（Reference Signal Receiving Power，RSRP），見表2。

表2 路測手機(jī)測試RSRP 信息

試驗(yàn)設(shè)備在5 MHz 單載波單通道模式下、60 W 總射頻輸出功率中，包含RSRP發(fā)射功率約為26 dB，計(jì)算公式如下：

式中：RSRPpower為參考信號發(fā)射功率；LTEpower為LTE 基站發(fā)射總功率；N為試驗(yàn)系統(tǒng)空口通道個(gè)數(shù)；Nrb為帶寬下RB 數(shù)量。

基于提出的4G 移動通信衰減模型，路測手機(jī)接收信號強(qiáng)度計(jì)算方法為：

式中：RSRPue為路測手機(jī)接收的參考信號強(qiáng)度；RSRPpower為試驗(yàn)通信設(shè)備的參考信號發(fā)射功率；LM為電磁信號的空口衰減值。

基于式（14），通過MATLAB 建模分析，結(jié)合郊區(qū)空曠環(huán)境下的實(shí)測數(shù)據(jù)，得出分析結(jié)果如 圖3 和圖4 所示。

如圖3和圖4所示，自由空間衰減模型和Cost231-Hata 模型預(yù)測衰減值均與實(shí)測值有較大差值，而提出的Cost231-Hata 4G 模型預(yù)測值誤差值最大為 2.44 dB，對4G 移動通信中的高于2 000 MHz 頻段的空口網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

圖3 FDD-LTE 制式下多種模型衰減曲線

圖4 TDD-LTE 制式下多種模型衰減曲線

4 結(jié)語

本文提出了一種基于Cost231-Hata 的移動通信空口衰減模型，頻率適用范圍擴(kuò)展到1 500～ 2 690 MHz，提高了對移動通信4G 頻段空口衰減預(yù)測的準(zhǔn)確性，提升了移動通信空口規(guī)劃和維修保障的工作效能。