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《上海信息化雜志》2014年第十二期

一、基于無線傳播模型校正的新方法

通過理論研究和實(shí)際測(cè)試，產(chǎn)生了一種基于無線傳播模型校正的固定站覆蓋范圍評(píng)估方法。該方法的基本工作原理是通過移動(dòng)信號(hào)源發(fā)射和固定監(jiān)測(cè)站接收的相關(guān)數(shù)據(jù)來校正固定站所處位置的傳播模型參數(shù)，根據(jù)更為精確和符合實(shí)際情況的傳播模型來計(jì)算固定站覆蓋范圍，測(cè)試系統(tǒng)總體框架如圖2所示。該方法結(jié)合了兩個(gè)傳統(tǒng)方法中的優(yōu)點(diǎn)并加以改進(jìn)而成。通過外信號(hào)源的移動(dòng)發(fā)射和固定監(jiān)測(cè)站的接收，獲得校正傳播模型需要的數(shù)據(jù)。并結(jié)合校正后的傳播模型和實(shí)測(cè)電平數(shù)據(jù)，繪制固定站的覆蓋范圍。該測(cè)試方法主要解決了困擾傳統(tǒng)固定站覆蓋評(píng)估方法中的自動(dòng)測(cè)試、精確計(jì)算和覆蓋繪制等難題。

自動(dòng)化CW測(cè)試系統(tǒng)。一般情況下，采用CW發(fā)射機(jī)作為傳播模型校正的信號(hào)源。本測(cè)試方法搭建了一套經(jīng)過校準(zhǔn)的CW寬帶發(fā)射系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要通過功率計(jì)的校準(zhǔn)，使得由寬帶發(fā)射機(jī)（內(nèi)置信號(hào)源和功放）、天線和饋線組成的發(fā)射系統(tǒng)在測(cè)試頻點(diǎn)的EIRP功率為1W，即30dBm。該校準(zhǔn)的理論公式為：P=P信號(hào)源+G內(nèi)置功放+L電纜+G天線。其中P信號(hào)源為發(fā)射機(jī)信號(hào)源功率，單位為dBm；G內(nèi)置功放為發(fā)射機(jī)內(nèi)置功放增益，單位為dB；L電纜為電纜損耗，單位為dB；G天線為天線增益，單位為dB。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，為保證天線口功率為30dBm，在重要無線電業(yè)務(wù)頻段，測(cè)得發(fā)射系統(tǒng)參數(shù)校正。同時(shí)，發(fā)射系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制軟件都與GPS相連。通過GPS的時(shí)間信息，將發(fā)射機(jī)所在位置的經(jīng)緯度和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)到的電平值進(jìn)行關(guān)聯(lián)，自動(dòng)生成時(shí)間、經(jīng)緯度和電平值的數(shù)據(jù)記錄，供后期數(shù)據(jù)分析所用。

傳播模型校正原理。基于無線電電波傳播路徑可逆原理，可以將覆蓋距離的問題等效于傳播損耗的研究。因此，通過測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)電波傳播模型的修正，可以得到適用于固定站實(shí)際地理環(huán)境的傳播模型，為計(jì)算覆蓋距離打好基礎(chǔ)。在自由空間傳播模型的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了許多適用于城市環(huán)境的無線傳播模型。各個(gè)無線傳播模型都有其適用的頻率范圍和地理環(huán)境，表2總結(jié)了常用的無線傳播模型。選擇合適的傳播模型往往受到兩個(gè)條件的約束，即測(cè)試頻點(diǎn)和適用環(huán)境。在固定站覆蓋范圍測(cè)試中，測(cè)試頻點(diǎn)往往在100MHz到2GHz之間選取，城市中的固定站往往處于高樓密布環(huán)境。因此，最適合選取基于Okumura-Hata的傳播模型作為模型校正的基礎(chǔ)。模型校正的原理如圖4所示。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，算出pi和bi，代入x的估計(jì)值的表達(dá)式，即可得出所求的系數(shù)值。對(duì)于f的系數(shù)，可以同理求得。對(duì)于ClLoss，在以上系數(shù)均已經(jīng)校正完畢的情況下，依據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。模型校正的計(jì)算過程可以在模型校正軟件中進(jìn)行。

繞射模型的應(yīng)用。無線電波在空中的損耗一般由路徑損耗、慢衰落和快衰落構(gòu)成。通過上述的傳播模型校正原理，我們可以較為精確地計(jì)算出大尺度的路徑損耗，并且在校正實(shí)測(cè)中，通過符合李氏定理的測(cè)試要求，去除快衰落的影響。但是，城市中高樓林立，慢衰落的影響必須要考慮在模型中。因此，新方法引進(jìn)了描述慢衰落的電波傳播繞射模型——Deygout模型對(duì)菲涅耳區(qū)被阻擋的情況進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，用于增加Hata模型的校正精度。Deygout模型通過尋找發(fā)射和接收鏈路上菲涅爾區(qū)中最突出的點(diǎn)，把該點(diǎn)作為第一干擾，然后再分析被該點(diǎn)分成的兩端中的干擾點(diǎn)，依次類推直至沒有干擾點(diǎn)出現(xiàn)，最后將結(jié)果進(jìn)行加權(quán)。該模型的損耗計(jì)算可以在EMC軟件中直接完成。通過準(zhǔn)確的三維電子地圖，在菲涅耳區(qū)被阻擋的情況下，本方法先通過Deygout模型計(jì)算繞射損耗，再將此補(bǔ)償至實(shí)測(cè)電平值用于Hata模型的校正，這樣能比傳播模型理論計(jì)算更為精確地繪制出覆蓋區(qū)域邊界（見圖5）。

二、實(shí)際測(cè)試情況

測(cè)試頻點(diǎn)選擇及參數(shù)設(shè)置。通過對(duì)測(cè)試頻率及周圍頻段進(jìn)行掃描分析，避開合法臺(tái)站頻率，共選擇了五個(gè)底噪情況良好測(cè)試頻率：153.5MHz、396.5MHz、990MHz、1760MHz、2401MHz。分別代表了V/UHF，900M/1800M和2.4GHz幾個(gè)重要的無線電業(yè)務(wù)頻段。測(cè)試過程中的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表3所示。測(cè)試路徑規(guī)劃和采集要求。根據(jù)上海道路情況，通過測(cè)試軟件繪制，對(duì)某一固定監(jiān)測(cè)站的測(cè)試路徑圖規(guī)劃，如圖6所示。同時(shí)，為了消除快衰落對(duì)信號(hào)采集的影響，車載信號(hào)源的移動(dòng)速度必須符合李氏定律要求，即40波長(zhǎng)，采樣50個(gè)樣點(diǎn)，可使測(cè)試數(shù)據(jù)與本地均值之差小于1dB。因此，最大測(cè)試車速計(jì)算公式為。模型校正。以153.5MHz為例，圖7和圖8分別顯示了校正前后的模型計(jì)算曲線與實(shí)測(cè)電平值曲線接近程度。紅色曲線為路測(cè)收集的實(shí)測(cè)電平值數(shù)據(jù)曲線，綠色曲線為模型計(jì)算的電平值數(shù)據(jù)曲線。校正前后的均值差從12.5dB下降到了5.5dB，明顯改善了模型計(jì)算的準(zhǔn)確程度，使其更符合實(shí)際情況下的測(cè)試值，為下一步覆蓋區(qū)域的繪制打下了良好基礎(chǔ)。覆蓋范圍繪制。通過在模型軟件中調(diào)用校正參數(shù)后的Okumura-Hata模型和deygout模型，繪制出在153.5MHz頻點(diǎn)上測(cè)試的固定監(jiān)測(cè)站覆蓋范圍約為半徑6公里，具體覆蓋如圖9所示。與傳統(tǒng)的固定監(jiān)測(cè)站覆蓋范圍評(píng)估方法相比，基于傳播模型校正的新方法具有三個(gè)主要優(yōu)勢(shì)，即更準(zhǔn)確的固定監(jiān)測(cè)站覆蓋范圍計(jì)算、更有效率的自動(dòng)化測(cè)試過程和更為標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試方法。只要選擇符合固定站周邊實(shí)際情況的傳播模型，就能對(duì)各種類型和地貌的固定監(jiān)測(cè)站進(jìn)行覆蓋范圍測(cè)試，便于標(biāo)準(zhǔn)化和推廣。

作者：徐弘良