李彩偉，張曉林，于志堅(jiān)，李 鈾

(1.北京航空航天大學(xué)數(shù)字電視國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191;2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)

單頻網(wǎng)因其諸多優(yōu)點(diǎn)成為地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先選擇的組網(wǎng)形式，比如頻譜利用率高、功率小等［1］。目前我國(guó)處于基于地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)DTMB［2］單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的過程中，電波傳播模型的準(zhǔn)確程度與網(wǎng)絡(luò)規(guī)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(duì)電波傳播的影響不同，因此沒有普遍適用的模型。在實(shí)際規(guī)劃中，只有基于實(shí)際的無線環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，將路徑損耗實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值對(duì)比，依據(jù)一定準(zhǔn)則選取一種傳播模型，并采用一定的算法對(duì)選取的模型進(jìn)行校正，從而使適用于該規(guī)劃區(qū)的無線傳播模型具有理論可靠性，該模型能夠較準(zhǔn)確地反映規(guī)劃區(qū)無線傳播環(huán)境特點(diǎn)，能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)路徑損耗和場(chǎng)強(qiáng)值，進(jìn)而更加科學(xué)地規(guī)劃設(shè)計(jì)國(guó)標(biāo)地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)絡(luò)。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法

1.1 連續(xù)波測(cè)試?yán)碚?/h3>

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以通過連續(xù)波測(cè)試和現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試獲得，相比現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試，連續(xù)波測(cè)試頻率和環(huán)境選擇方便，不易產(chǎn)生其他電波干擾和天線增益不同引起的測(cè)試誤差，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性［3］。無線信號(hào)在傳播過程中會(huì)受到空間傳播損耗、陰影衰落、快衰落等多種衰減，接收信號(hào)包絡(luò)可以表示為

式中:x為傳播距離;r0(x)為瑞利衰落信號(hào);m(x)為本地均值，即慢衰落和空間傳播損耗的合成，是連續(xù)波測(cè)試期望測(cè)得的數(shù)據(jù)，估計(jì)式為

式中:2L為平均采樣區(qū)間長(zhǎng)度，又稱本征長(zhǎng)度。其取值長(zhǎng)短影響到測(cè)試數(shù)據(jù)均值與實(shí)際本地均值的逼近程度。在本征長(zhǎng)度為40個(gè)波長(zhǎng)，采樣36～50個(gè)樣點(diǎn)時(shí)，可使測(cè)試數(shù)據(jù)均值與實(shí)際本地均值之差小于1 dB［4］。

對(duì)于國(guó)標(biāo)地面數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)其中心頻率為600 MHz，波長(zhǎng) λ 為0.5 m，則有

設(shè)定這個(gè)值是與距離相關(guān)的采樣門限值T，就可以得到測(cè)試車輛的移動(dòng)速度v、前臺(tái)測(cè)試設(shè)備的采樣速率R和T的關(guān)系為

假定前臺(tái)設(shè)備采樣速率R為50個(gè)/s，即20 ms測(cè)量一組瞬時(shí)接收功率，則對(duì)車速的要求

在測(cè)試中，數(shù)據(jù)采集應(yīng)該按照上述標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)置前臺(tái)設(shè)備的采樣率和相應(yīng)的車速，盡量保持勻速行駛。

1.2 測(cè)試臺(tái)站的選擇

根據(jù)測(cè)試臺(tái)站的數(shù)目及選擇站址的原則［3］，選擇3個(gè)臺(tái)站，如圖1所示。

圖1 測(cè)試站點(diǎn)分布圖(截圖)

A發(fā)射臺(tái)傳播環(huán)境屬于市區(qū)環(huán)境，其天線高度為345 m，故近距離內(nèi)不會(huì)存在嚴(yán)重的遮擋;B，C發(fā)射臺(tái)屬于郊區(qū)環(huán)境，通過實(shí)地觀察，周圍100 m內(nèi)主要分布有30～50 m的建筑物，滿足測(cè)試臺(tái)站的選取原則。

1.3 測(cè)試區(qū)域的選取

不同傳播環(huán)境對(duì)電波的傳播特性的影響各不相同，因此需要對(duì)不同的環(huán)境類別分別進(jìn)行測(cè)量及模型校正［5］。規(guī)劃區(qū)域?qū)儆诒容^復(fù)雜的大型城市和郊區(qū)結(jié)合的傳播環(huán)境，因此，在進(jìn)行測(cè)試時(shí)主要將區(qū)域分為普通城區(qū)和郊區(qū)兩部分。

1.4 測(cè)試線路的確定

為了提高測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要按照預(yù)先規(guī)劃好的測(cè)試路線進(jìn)行路測(cè)。根據(jù)規(guī)劃測(cè)試路線應(yīng)考慮的幾個(gè)方面［6］，在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)試車輛勻速圍繞測(cè)試站點(diǎn)從近到遠(yuǎn)按照環(huán)形測(cè)試路線行駛。選定的部分測(cè)試路線如圖2所示。

圖2 國(guó)標(biāo)地面數(shù)字電視外場(chǎng)測(cè)試線路示意圖(截圖)

1.5 路測(cè)數(shù)據(jù)處理

車載測(cè)試數(shù)據(jù)包括路測(cè)時(shí)間、路測(cè)點(diǎn)經(jīng)緯度、瞬時(shí)接收功率和誤碼率等信息，首先濾除時(shí)間信息和經(jīng)緯度信息不存在或者不合理的無效測(cè)試點(diǎn)，然后濾除接收功率瞬時(shí)值大于-30 dBm或小于-100 dBm的測(cè)試點(diǎn)。此外，由于無線信道包括了快衰落和慢衰落兩部分，測(cè)試得到的瞬時(shí)接收功率包含了快衰落和慢衰落的瞬時(shí)功率值。為平均快衰落(統(tǒng)計(jì)區(qū)間為40 λ時(shí)陰影衰落影響可以忽略)，對(duì)落在統(tǒng)計(jì)區(qū)間的所有瞬時(shí)接收功率進(jìn)行算術(shù)平均得到每個(gè)測(cè)試接收點(diǎn)的接收功率均值。第i個(gè)測(cè)試接收點(diǎn)的接收功率均值為

式中:Ni是落在第i個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)間的瞬時(shí)接收功率個(gè)數(shù)。

第i個(gè)測(cè)試接收點(diǎn)的路徑損耗為

式中:EIRPt為發(fā)射臺(tái)有效發(fā)射功率;Pt為發(fā)射臺(tái)發(fā)射功率;Gt為發(fā)射天線增益;Lb為發(fā)射臺(tái)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(yīng)用于VHF/UHF頻段地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)絡(luò)鏈路預(yù)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(cè)試接收點(diǎn)實(shí)測(cè)功率與預(yù)測(cè)功率曲線圖

經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，各個(gè)模型下預(yù)測(cè)功率值與實(shí)測(cè)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(yù)測(cè)功率值與實(shí)測(cè)功率值之間的均方誤差最小，因此選取COST231-Hata模型進(jìn)行電波模型校正。

為了提高驗(yàn)證的可靠性，在單點(diǎn)B站發(fā)射和單點(diǎn)C站發(fā)射情況下對(duì)郊區(qū)地區(qū)進(jìn)行了測(cè)試和仿真，并計(jì)算和對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)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(duì)模型進(jìn)行校正。設(shè)N個(gè)測(cè)試接收點(diǎn)與發(fā)射機(jī)的距離分別為{d1，d2，…，dN}，各個(gè)測(cè)試接收點(diǎn)的實(shí)際傳播損耗為{L1，L2，…，LN}，電波傳播模型預(yù)測(cè)的傳播損耗為{Lp1，Lp2，…，LpN}，實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為用處理得到的實(shí)測(cè)路徑損耗數(shù)據(jù)校正COST231-Hata模型中某些系數(shù)，使式(8)取最小值，即鏈路損耗的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值之間的平方誤差最小。

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

式中:d為發(fā)射臺(tái)與接收機(jī)之間的距離，單位為km;fc為工作頻率，單位為MHz;ht為發(fā)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(dá)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(tái)站天線高度ht、傳播距離d和接收機(jī)距地面的高度hr有關(guān)。對(duì)于每一次外場(chǎng)測(cè)試，fc，hr和ht為一個(gè)定值，測(cè)試數(shù)據(jù)主要隨著傳播距離d的改變而變化，因此主要針對(duì)衰減常數(shù)因子K1和距離衰減系數(shù)K5進(jìn)行校正。

對(duì)傳播距離d取對(duì)數(shù)，得到lg di，使迭代校正過程簡(jiǎn)化為線性迭代，即

模型校正的問題轉(zhuǎn)化為求K1，K5使式(8)取最小值的問題，為驗(yàn)證校正后的模型能否符合實(shí)際測(cè)試環(huán)境［10-11］，定義鏈路損耗預(yù)測(cè)值的均方誤差為

在fc，hr和ht不變情況下，經(jīng)化簡(jiǎn)整理，式(12)的通式可以表示為

因此利用MATLAB對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次多項(xiàng)式最小二乘擬合，得到最小二乘法解a′，b′，計(jì)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(jié)果及分析

分別對(duì)市區(qū)及郊區(qū)環(huán)境下的電波傳播模型進(jìn)行校正，校正后的參數(shù)如表1所示。

利用校正后傳播模型再次進(jìn)行鏈路預(yù)算仿真，并對(duì)校正前后鏈路損耗的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的均方誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表1 模型參數(shù)

表2 模型校正前后統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對(duì)于校正結(jié)果的誤差，業(yè)界普遍認(rèn)為［12］，如果校正結(jié)束時(shí)的均方誤差小于8 dB，說明校正的模型基本符合了實(shí)際測(cè)試環(huán)境，否則需要重新分析從路側(cè)到校正的整個(gè)過程。通過上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果證明，校正后的路徑損耗預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的均方誤差小于8 dB，校正后模型到達(dá)了電波模型校正的預(yù)期要求，該模型更接近實(shí)測(cè)值、更準(zhǔn)確，對(duì)與該城市具有相似類型的傳播環(huán)境的地區(qū)具有良好的普遍適用性。

4 小結(jié)

本文從測(cè)試臺(tái)站、測(cè)試區(qū)域、測(cè)試路線以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理方法等幾個(gè)方面介紹了基于連續(xù)波測(cè)試?yán)碚撨M(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的過程，通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和不同傳播模型下ICS telecom仿真的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出COST231-Hata模型適用于該規(guī)劃地區(qū)，這與COST231-Hata適用于人口稠密的大城市地區(qū)結(jié)論相符。為了進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度，采用最小二乘法校正算法對(duì)該模型進(jìn)行校正，得到兩種傳播環(huán)境(市區(qū)、郊區(qū))下的電波校正模型，校正后的鏈路損耗預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)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(guī)劃地區(qū)的單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的準(zhǔn)確性和可靠性。

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