胡正，陳褒丹，任佳，樊雨沛，汪煉

（1. 海南大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570228；2. 勃艮第大學(xué)LE2I實(shí)驗(yàn)室，法國(guó) 第戎 21078）

1 引言

隨著通過(guò)瓊州海峽的大型船只數(shù)量逐年增多，隨之而來(lái)的船舶污染日益嚴(yán)重，因此急需一種智能化的船舶監(jiān)管手段，提高對(duì)船舶的監(jiān)管效率。

使用電信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶的聯(lián)網(wǎng)[1-2]是海上船聯(lián)網(wǎng)覆蓋最有效的方法。但長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE,long term evolution）網(wǎng)絡(luò)存在基站覆蓋范圍小、設(shè)備和終端成本高、可用頻譜資源緊缺等問(wèn)題，限制了海上船聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展[3]。2016年6月，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT, narrowband Internet of things）標(biāo)準(zhǔn)得到了RAN全會(huì)通過(guò)，代表著無(wú)線通信產(chǎn)業(yè)核心協(xié)議的完成，該標(biāo)準(zhǔn)得到了無(wú)線通信行業(yè)內(nèi)的大力支持。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)以上行傳輸為主，系統(tǒng)帶寬只有200 kHz，主要用于物聯(lián)網(wǎng)終端的信息檢測(cè)和上傳，很好地解決了目前頻譜資源不足的問(wèn)題。利用NB-IoT部署船聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將具備廣覆蓋、廣連接、時(shí)延敏感度低、設(shè)備功耗小、模塊成本低等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。瓊州海峽船聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管的要求是網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大，主要監(jiān)控船舶方位、航線、航速、污水排放、壓載水等數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)量小，對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、網(wǎng)速要求很低，非常適合建設(shè)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。

針對(duì) NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的覆蓋問(wèn)題，文獻(xiàn)[6]對(duì)NB-IoT的技術(shù)特點(diǎn)和性能進(jìn)行了綜述，并對(duì)NB-IoT和2G、MTC/eMTC、Wi-Fi、Lora、4G等網(wǎng)絡(luò)的各方面性能進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析，得出NB-IoT網(wǎng)絡(luò)最適合用于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)論。文獻(xiàn)[7]對(duì) NB-IoT上行、下行的傳輸速率進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析，得出有效的傳輸帶寬和傳輸速率范圍。文獻(xiàn)[8]分析了 NB-IoT上行傳輸能力，得到各種參數(shù)下的最大傳輸速率，并對(duì)最大路徑損耗（覆蓋范圍）進(jìn)行了定量計(jì)算。文獻(xiàn)[9]分析了信道估計(jì)質(zhì)量和信道相干時(shí)間對(duì)上行鏈路覆蓋的影響，對(duì)2種極端信道條件下的上行覆蓋性能進(jìn)行了分析和仿真，并與 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了仿真的結(jié)論。但是，目前對(duì)NB-IoT的研究還沒(méi)有針對(duì)海上覆蓋的特點(diǎn)做出相應(yīng)的仿真分析，也沒(méi)有針對(duì)海上特征對(duì)相應(yīng)的傳播模型做出優(yōu)化改進(jìn)。

本文針對(duì)電磁波海上傳輸存在障礙物少、反射系數(shù)大、降雨頻繁等特點(diǎn)，基于通用標(biāo)準(zhǔn)傳播模型（SPM, standard propagation model）提出一種改進(jìn)的電磁波傳播模型，利用瓊州海峽海岸現(xiàn)有基站對(duì)海上 NB-IoT覆蓋進(jìn)行鏈路預(yù)算和覆蓋仿真。NB-IoT海上覆蓋的研究，對(duì)于加強(qiáng)瓊州海峽海事監(jiān)管、交通與環(huán)境監(jiān)測(cè)、搜救和維護(hù)水上安全有著重要的意義。

2 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

2.1 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃步驟

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃是實(shí)際網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的前提，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際建設(shè)及優(yōu)化有重要的意義。對(duì)于一個(gè)新系統(tǒng)，需要對(duì)它的覆蓋特性和容量進(jìn)行規(guī)劃，經(jīng)過(guò)反復(fù)覆蓋仿真和修改規(guī)劃，達(dá)到覆蓋要求后，導(dǎo)出符合規(guī)劃要求的基站信息及參數(shù)，形成最終的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案。圖 1為 NB-IoT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的主要步驟。

圖1 NB-IoT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的主要步驟

2.2 NB-IoT部署方式

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)帶寬只有200 kHz，其子幀結(jié)構(gòu)與LTE相同。支持在已建成LTE網(wǎng)絡(luò)頻段上帶內(nèi)（in-band）、保護(hù)帶（guard-band）部署，以及在已用網(wǎng)絡(luò)頻段外獨(dú)立（stand-alone）部署[10]，不會(huì)占用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源，能夠更好地保障船聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)與LTE業(yè)務(wù)的獨(dú)立性。

1) in-band是指在LTE的載波上傳輸，占用其一個(gè)物理資源塊（PRB, physical resource block），如圖2所示。但是，in-band模式需要減小下行功率來(lái)降低和LTE網(wǎng)絡(luò)的相互干擾，同時(shí)，由于NB-IoT使用LTE頻段內(nèi)的資源，會(huì)減少LTE 網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量。

圖2 in-band部署

2) guard-band是指在LTE保護(hù)帶上部署，但與LTE帶寬的間隔要在100 kHz以上，如圖3所示。該部署方式能有效地利用保護(hù)帶的資源。然而，guard-band模式仍需減小下行功率來(lái)降低和LTE網(wǎng)絡(luò)的相互干擾，因此其覆蓋半徑也會(huì)隨之降低。

圖3 guard-band部署

3) stand-alone是指在LTE頻段范圍外獨(dú)立部署，如圖4所示。由于與LTE網(wǎng)絡(luò)是相互獨(dú)立的，因此不需要考慮和 LTE系統(tǒng)的相互干擾，與 in-band和guard-band模式相比，stand-alone下行功率約高13 dB。

圖4 stand-alone部署

NB-IoT在LTE基礎(chǔ)上增加了同步信號(hào)，分別為窄帶主同步信號(hào)（NPSS, narrowband primary synchronization signal）、窄帶次同步信號(hào)（NSSS,narrowband secondary synchronization signal）和窄帶參考信號(hào)（NRS, narrowband reference signal）。表1是NB-IoT的物理信道。相比于LTE網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT信道狀態(tài)信息（CSI, channel state information）的上報(bào)機(jī)制和物理混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求或指示信道（PHICH, physical hybrid ARQ indicator channel）、上行共享信道（PUCCH, physical uplink control channel）、物理控制格式指示信道（PCFICH, physical control format indication channel）3個(gè)信道被省略，下行沒(méi)有控制域。由于瓊州海峽NB-IoT業(yè)務(wù)以上行為主，因此本文主要關(guān)注窄帶物理上行共享信道（NPUSCH, narrowband physical uplink shared channel）的覆蓋情況。

表1 NB-IoT的物理信道

3 海面?zhèn)鞑ツＰ脱芯?/h2>

電波傳播模型是用來(lái)預(yù)測(cè)電磁波傳播損耗的模型，其模型參數(shù)受地貌、環(huán)境等因素影響很大，因此需要針對(duì)不同區(qū)域使用不同的傳播模型參數(shù)。準(zhǔn)確的傳播模型可以用來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鏈路預(yù)算和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。

經(jīng)典的電磁波傳播模型有 Okumura模型、Okumura-Hata模型、COST231-Hata模型等。Okumura模型是Okumura使用在日本東京收集的數(shù)據(jù)，建立的無(wú)線電傳播模型。該模型是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其傳輸損耗參數(shù)Lm(f,d)來(lái)自統(tǒng)計(jì)測(cè)試的曲線，沒(méi)有精確的數(shù)值，使用起來(lái)不方便。因此，Hata基于Okumura模型，建立了數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)描述傳輸損耗參數(shù)曲線Lm(f,d)，提出了Okumura-Hata傳播模型，但是該模型僅適用于城市地區(qū)，且使用的頻率范圍限于 150 ～1 500 MHz[11]。COST231-Hata 模型基于Okumura-Hata模型發(fā)展而來(lái)，是Okumura- Hata模型的補(bǔ)充，適用于1 500 ～ 2 000 MHz頻段的傳輸損耗計(jì)算[12]。2012年，Dalela[13]在印度西部進(jìn)行全球微波互聯(lián)接入（WiMAX, worldwide interoperability for microwave access）傳輸?shù)?.3 GHz實(shí)驗(yàn)，基于線性迭代調(diào)整方法，使用大量測(cè)量數(shù)據(jù)調(diào)整COST231-Hata模型的參數(shù)，與原始COST-231 Hata模型相比，調(diào)諧模型的均方根誤差減少了14.4 dB。2014年，Martine等[14]基于CAST231 Hata模型，提出了通用SPM，適用于GMS900/1800、CDMA200和LTE網(wǎng)絡(luò)的電磁波路徑損耗預(yù)測(cè)。但這些模型只適用于陸地電磁波的傳輸損耗計(jì)算。

在海上電磁波傳播模型的研究方面，文獻(xiàn)[15-18]在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上比較了 Okumura-Hata模型、Longley-Rice模型和基于拋物方程的模型，得出Longley-Rice模型比較適合電磁波的海上傳播，但是在傳輸?shù)那?6 km，傳播模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)仍有差距。2017年，張利軍等[19]將Hata、Longley-Rice等模型與海面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較，得出在L波段上，實(shí)測(cè)的傳輸損耗與Hata模型更為接近，但實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大部分仍要大于Hata模型。2017年，Popoola等[20]采集了某地近?；镜慕邮招盘?hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并與傳播模型對(duì)比，結(jié)果表明 SPM 比 Okumura-Hata、COST 231-Hata和Longley- Rice等模型更加符合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，但具有高均方根誤差（RMSE, root mean square error）。2016年，陳星[21]基于海上測(cè)試路徑損耗數(shù)據(jù)，對(duì)SPM的參數(shù)進(jìn)行了手動(dòng)校正，使其更加符合實(shí)際測(cè)試結(jié)果，但是傳播模型沒(méi)有針對(duì)海面?zhèn)鬏斕攸c(diǎn)做出對(duì)應(yīng)優(yōu)化，而且手動(dòng)校正精確度也有待提高。

忽略SPM地貌損耗、衍射、移動(dòng)臺(tái)高度增益的影響，可以把電磁波傳輸環(huán)境視為平坦地區(qū)[14]，這和海面的傳輸環(huán)境非常相似。但是，電磁波海上傳播還需考慮以下 3個(gè)問(wèn)題：1) 海面大多時(shí)候比較平靜，障礙物很少，但是反射系數(shù)大，電磁波反射損耗比較嚴(yán)重；2) 針對(duì)特定海域必須對(duì)模型的參數(shù)做出相應(yīng)修正；3) 海上降雨較多，雨衰對(duì)電磁波的損耗也比較嚴(yán)重。因此，需要針對(duì)瓊州海峽海面特點(diǎn)，提出一種基于SPM的改進(jìn)傳播模型。

3.1 SPM

SPM是基于COST231-Hata模型提出的，用于CDMA和LTE網(wǎng)絡(luò)頻段的信道傳輸損耗預(yù)測(cè)。SPM模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(1)所示。

其中，各參數(shù)的意義如表2所示。

表2 SPM各參數(shù)的意義

海面地貌環(huán)境類型可以看作rural地區(qū)，由經(jīng)典Hata模型公式可知

其中，fc為電磁波頻率。衍射、移動(dòng)臺(tái)高度增益的影響可以忽略，模型參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值如表3所示。

表3 SPM參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值

初始化參數(shù)A1～A7，Hm=5 m，fc=1 800 MHz，SPM在Hb分別為30 m、100 m、200 m時(shí)的仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)基站高度Hb不變時(shí)，傳播損耗Ls隨基站與移動(dòng)臺(tái)直線傳輸距離d的增大而增大，即信號(hào)的衰減率隨著d的增大而減少；當(dāng)直線傳輸距離d相同時(shí)，傳播損耗Ls隨著基站天線Hb的增加而減少。

圖5 SPM的仿真結(jié)果

3.2 SPM的改進(jìn)

3.2.1 雨衰

降雨對(duì)于頻率 1 GHz以上的電磁波的傳播影響比較大，雨滴可以吸收一部分電磁波能量，并且電磁波受其影響會(huì)發(fā)生散射。雨滴對(duì)電磁波的吸收與散射造成的電波衰減叫作雨衰[22]。雨滴的直徑和信號(hào)波長(zhǎng)的比值對(duì)電磁波的雨衰有很大影響，雨滴的直徑與電磁波的波長(zhǎng)（1.5 mm）越接近，電磁波的衰減越大。另外，雨滴的直徑和降雨強(qiáng)度有著重要的關(guān)系。

本文采用 HPM（high power microwave）[23]模型來(lái)計(jì)算雨衰對(duì)電磁波的損耗，適合 1～350 GHz頻段的電磁波傳播損耗計(jì)算，具體計(jì)算方法如下。

設(shè)kH和aH為水平方向的回歸系數(shù)，kV和aV為垂直方向的回歸系數(shù)。由頻率fc擬合式[24]可得

則指數(shù)β和k的表達(dá)式為

其中，τ為極化傾角（水平極化時(shí)τ=0°，垂直極化時(shí)τ=90°，圓極化時(shí)τ=45°），θ為路徑仰角。由于海面上地貌比較平坦，本文設(shè)τ為0°（水平極化），θ為 20°。

設(shè)kRβ為傳播路線各點(diǎn)的降雨衰減率，傳輸距離為h，降雨衰減與路線各點(diǎn)降雨衰減率kRβ的關(guān)系為

其中，Lh為雨衰，R為降雨概率超過(guò)0.01%的地區(qū)的年平均降雨量，稱為降雨強(qiáng)度。降雨強(qiáng)度可以反映某個(gè)地區(qū)的描述降雨情況，用單位時(shí)間的降雨深度表示，單位為mm/h。根據(jù)文獻(xiàn)[25]，瓊州海峽年平均降雨強(qiáng)度R為74.22 mm/h。綜合式(3)～式(9)可以看出，降雨引起的總衰減Lh隨著電磁波頻率fc的升高和降雨強(qiáng)度R的增大而增大。

3.2.2 反射損耗

反射損耗是影響電磁波在海面?zhèn)鞑サ囊粋€(gè)重要因素，而 SPM 沒(méi)有考慮反射損耗。在海面電磁波傳播的前5 km，海面上的信號(hào)可以看作由直射波和反射波組成，采用反射模型[26]來(lái)計(jì)算信號(hào)的反射損耗，如圖6所示。

圖6 海面反射模型

設(shè)海面為平坦的傳播環(huán)境，基站高度為Hb，移動(dòng)臺(tái)天線高度為Hm，基站和移動(dòng)臺(tái)間的直線傳輸距離為d（沿水平方向），電磁波波長(zhǎng)為λ，設(shè)Er是接收?qǐng)鰪?qiáng)，Ef是自由空間場(chǎng)強(qiáng)，令可以得到

當(dāng)Hb=200 m，Hm=5 m，fc=4 000 MHz時(shí)，反射衰落損耗仿真曲線如圖7所示。由圖7可以看出，反射模型和SPM（如圖5所示）差異很大，電磁波在傳播的前15 km內(nèi)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)損耗峰值，并立即回落，電磁波傳輸至15 km時(shí)，路徑損耗為160 dB左右，且達(dá)到損耗峰值的次數(shù)隨著信號(hào)傳輸距離的增大而減小，如傳輸前5 km內(nèi)出現(xiàn)7個(gè)峰值，在傳輸5～15 km只出現(xiàn)2個(gè)峰值。這是因?yàn)殡S著基站和移動(dòng)臺(tái)距離d的增大，直射與反射的路徑差Δd不斷變小，反射損耗對(duì)于信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸苍絹?lái)越小。

圖7 反射衰落損耗仿真曲線

綜上，在 SPM 的基礎(chǔ)上，加入降雨衰減、反射損耗模型的影響，得到基于 SPM 的改進(jìn)模型，如式(12)所示。

其中，L為海面?zhèn)鞑p耗，Ls為SPM 傳播損耗，Lh為雨衰，Lr為反射損耗，a和b為修正參數(shù)，d為基站與移動(dòng)臺(tái)的直線距離。當(dāng)電磁波頻率fc=2 015 MHz，Hb=40 m，Hm=1.5 m時(shí)，SPM曲線和改進(jìn)SPM仿真曲線分別如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可以看出，SPM和改進(jìn)的SPM仿真結(jié)果差別較大，圖9在傳輸?shù)那? km內(nèi)受反射模型影響，曲線出現(xiàn)很大波動(dòng)。當(dāng)傳輸距離d為5 km時(shí)，SPM路徑損耗為120 dB左右，改進(jìn)SPM為117 dB左右；當(dāng)傳輸距離d為35 km時(shí)，SPM路徑損耗為152 dB左右，改進(jìn)SPM路徑損耗為145 dB左右。

圖8 SPM仿真曲線

圖9 改進(jìn)SPM仿真曲線

4 海面測(cè)試與模型校正

4.1 海面CW測(cè)試

電磁波傳播模型與地形關(guān)系密切，經(jīng)典傳播模型的參數(shù)通常會(huì)存在誤差，連續(xù)波（CW, continuous wave）測(cè)試數(shù)據(jù)可以用來(lái)校正模型的參數(shù)[27]。CW測(cè)試是傳播模型校正的基礎(chǔ)，其測(cè)試數(shù)據(jù)由實(shí)際測(cè)試點(diǎn)的經(jīng)緯度和場(chǎng)強(qiáng)組成。通過(guò)測(cè)試海上某一確定的通信載波頻段并和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可保證該頻率下的傳播模型結(jié)果的準(zhǔn)確性。

測(cè)試設(shè)備如下：發(fā)射設(shè)備包括信號(hào)發(fā)射機(jī)、功率放大器、發(fā)射機(jī)天線、連接饋線；接收設(shè)備包括信號(hào)接收機(jī)、接收機(jī)天線、后臺(tái)分析軟件等；輔助設(shè)備包括測(cè)試船舶、全向天線支架、船載電源、多孔插座、皮尺、Hub、照相機(jī)以及筆記本電腦上相應(yīng)的測(cè)試軟件。海上CW測(cè)試平臺(tái)如圖10所示，測(cè)試設(shè)備參數(shù)如表4所示。

圖10 海上CW測(cè)試平臺(tái)

表4 測(cè)試設(shè)備參數(shù)

本文聯(lián)合大唐移動(dòng)公司在瓊州海峽海海面進(jìn)行CW測(cè)試，測(cè)試地點(diǎn)從海南省?？谑忻捞m區(qū)海甸島出發(fā)，深入瓊州海峽。實(shí)際測(cè)試電磁波頻率fc= 2 015 MHz，Hb=40 m，Hm=1.5 m。根據(jù)海上CW 測(cè)試的數(shù)據(jù)，得到的距離-傳輸損耗曲線如圖11所示。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，信號(hào)受到反射損耗的影響，在傳播的前5 km內(nèi)波動(dòng)很大，當(dāng)傳輸距離d= 3 km左右時(shí)，存在路徑損耗峰值，之后回落；當(dāng)傳輸距離d= 5 km時(shí)，路徑損耗約為115 dB，之后趨于穩(wěn)定上升趨勢(shì)；當(dāng)傳輸距離d=35 km時(shí)，路徑損耗最大，約為140 dB。

圖11 實(shí)測(cè)傳播損耗數(shù)據(jù)

4.2 改進(jìn)SPM的校正

4.2.1 基于WLS的校正算法

在傳播模型的校正過(guò)程中，通常釆用 LS（least square）算法[28]進(jìn)行分析校正，但是經(jīng)典 LS算法需要滿足總體回歸函數(shù)中的隨機(jī)誤差項(xiàng)必須有相同的方差。但是在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中，隨機(jī)誤差項(xiàng)ei的方差是不同的，因此要對(duì)每一個(gè)隨機(jī)誤差項(xiàng)進(jìn)行加權(quán)估計(jì)。

WLS（weighted least squares）算法[29]是加權(quán)最小二乘法，其最小方差表達(dá)式如式(13)所示。

WLS算法根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性不同，給每一個(gè)數(shù)據(jù)分配不同的權(quán)重，因此該算法比經(jīng)典LS算法具有更高的精度。利用 CW 測(cè)試的數(shù)據(jù)，通過(guò)WLS算法對(duì)改進(jìn)SPM傳播損耗式，得到預(yù)測(cè)模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差值ei，設(shè)為權(quán)重變量，yi的測(cè)量精度越高wi越大，反之則wi越小。利用該方法可以校正傳播模型的參數(shù)，使其模型曲線和CW數(shù)據(jù)更加吻合。

根據(jù)WLS的原理，提出一個(gè)基于WLS算法的SPM校正算法，由式(1)可知，對(duì)于不同區(qū)域的地貌特性，需要對(duì)參數(shù)A1～A7進(jìn)行校正，以符合本地區(qū)的傳播環(huán)境。

設(shè)

則

設(shè)K表示加權(quán)的殘差平方和，可得

要使加權(quán)的殘差平方和最小，則

利用矩陣法可得

由式(19)可求出c1和c2的值，由于 lgHb、diffraction、Hm、clutter是固定值，因此其對(duì)應(yīng)的系數(shù)A3～A7保持原始值不變，故可以求出A1和A2的值。

令

故SPM可以表示為

其中，c1-T是校正后的A1，c2-T2是校正后的A2，該校正方法的計(jì)算精度要好于LS算法，且復(fù)雜度低。海面的地貌較為平坦，可以視為開(kāi)闊地，因此參數(shù)clutter 對(duì)電磁波傳播影響可以忽略。

4.2.2 改進(jìn)模型的校正

根據(jù)第4.2.1節(jié)的校正算法，使用Matlab 2016a軟件，其校正的圖形界面如圖12所示。將CW測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Matlab，設(shè)置Hb、A3～A7、diffraction等參數(shù)，通過(guò)校正計(jì)算，系數(shù)A1和A2的校正值會(huì)出現(xiàn)在圖12對(duì)應(yīng)的窗口。

圖12 傳播模型校正界面

系數(shù)校正后得到的SPM 模型曲線和改進(jìn)SPM曲線分別如圖13和圖14所示。將圖13和圖14的仿真結(jié)果與系數(shù)未校正的圖8和圖9對(duì)比，可以看出路徑損耗曲線發(fā)生了明顯變化。SPM在傳輸距離為5 km時(shí)，校正前（如圖8所示）路徑損耗約為120 dB，校正后（如圖13所示）路徑損耗約為103 dB；在傳輸距離為35 km時(shí)，校正前（如圖8所示）路徑損耗約為152 dB，校正后（如圖13所示）路徑損耗約為129 dB。改進(jìn)SPM在傳輸距離約為5 km時(shí)，校正前（如圖9所示）路徑損耗約為117 dB；校正后（如圖14所示）路徑損耗約為110 dB；在傳輸距離為35 km時(shí)，校正前（如圖9所示）路徑損耗約為145 dB，校正后（如圖14所示）路徑損耗約為132 dB。

5 路徑損耗仿真與覆蓋仿真

5.1 路徑損耗仿真

將校正前的 SPM 和改進(jìn)模型以及校正后的SPM和改進(jìn)模型與CW數(shù)據(jù)對(duì)比，分別如圖15(a)～圖15(d)所示。從圖15可以看出，校正后的改進(jìn)模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的曲線更符合，但是修正參數(shù)a和b的值設(shè)置不準(zhǔn)確，導(dǎo)致其在傳輸相同距離時(shí)路徑損耗值有差異。經(jīng)多次調(diào)整仿真，當(dāng)修正參數(shù)a=b=5時(shí)，改進(jìn)模型與 CW 數(shù)據(jù)對(duì)比如圖 15(e)所示，可以看出，該模型曲線與CW測(cè)試數(shù)據(jù)較符合，可以用于瓊州海峽電磁波路徑損耗的預(yù)測(cè)。

圖13 系數(shù)校正后的SPM仿真曲線

圖14 系數(shù)校正后的改進(jìn)SPM仿真曲線

圖15 不同模型與CW數(shù)據(jù)對(duì)比

5.2 鏈路級(jí)仿真與覆蓋仿真

鏈路預(yù)算（link budget）是在滿足通信要求的前提下，通過(guò)對(duì)信號(hào)傳播過(guò)程中的各種參數(shù)和損耗計(jì)算，得出傳播過(guò)程中的最大損耗。根據(jù)校正后的傳播模型得到基站的覆蓋范圍，并對(duì)系統(tǒng)的覆蓋能力進(jìn)行估計(jì)[30]。

NB-IoT上行鏈路預(yù)算如式(23)所示。

NB-IoT下行鏈路預(yù)算如式(24)所示。

其中，各參數(shù)的意義如表5所示，鏈路預(yù)算參數(shù)值如表6所示。

NB-IoT的部署方式采用 stand-alone，將各參數(shù)值代入上下行鏈路預(yù)算式(23)和式(24)，分別得到上行和下行最大傳輸損耗結(jié)果，如表6所示。由鏈路預(yù)算結(jié)果可知， NB-IoT網(wǎng)絡(luò)由于受到上行 NPUSCH信道限制，最大允許路徑損耗為133.1 dB。將最大允許路徑損耗數(shù)值代入校正后的改進(jìn)SPM式(22)中，可以求得最大覆蓋半徑為26.8 km。

表5 鏈路預(yù)算參數(shù)意義

鏈路級(jí)仿真參數(shù)如表6所示，導(dǎo)頻和調(diào)制解調(diào)方式（OFDM）均和LTE系統(tǒng)一致，調(diào)制方式為BPSK。NB-IoT占用帶寬為180 kHz，設(shè)本次仿真NB-IoT終端數(shù)量最大為100，仿真結(jié)果如圖16～圖18所示。

表6 鏈路預(yù)算參數(shù)值

圖16表示在終端數(shù)為20的情況下，塊錯(cuò)誤率（BLER, block error ratio）和信噪比（SNR, signal-noise ratio）之間的關(guān)系。結(jié)果表明，隨著接收SNR的增加，BLER降低（即信道傳輸條件更好）。并且隨著傳輸帶寬的增加，在相同SNR的情況下，BLER降低。圖中Tx time表示發(fā)送時(shí)間。

圖16 不同帶寬下BLER和SNR的關(guān)系

圖 17表示在具有不同數(shù)量的調(diào)制與編碼策略（MCS, modulation and coding scheme）和資源單元（RU, resource unit）的情況下，SNR與重復(fù)次數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，當(dāng)提高重復(fù)次數(shù)時(shí)，可以正確地解碼具有更差信道傳輸條件的信息（SNR更低）。此外，還可以看到，當(dāng)MCS數(shù)量一定時(shí)，增加RU數(shù)量，SNR隨之降低；當(dāng)RU數(shù)量一定時(shí)，增加MCS數(shù)量，SNR隨之提高。

圖18表示在不同終端數(shù)量的情況下，BLER與SNR的關(guān)系?？梢钥吹?，在相同SNR情況下，隨著接入終端數(shù)量的增加，BLER升高（即信道傳輸條件更差）。但是在終端數(shù)量為100且SNR接近-2 dB時(shí)，BLER低于10-1，依然可以正常傳輸數(shù)據(jù)，滿足瓊州海峽NB-IoT覆蓋需求。

表7 規(guī)劃基站信息

圖17 不同數(shù)量RU下SNR和重復(fù)次數(shù)的關(guān)系

圖18 不同終端數(shù)量下BLER和SNR的關(guān)系

根據(jù)覆蓋區(qū)域的特點(diǎn)，使用目前海南?？诤蛷V東徐聞現(xiàn)有的 4個(gè)基站實(shí)現(xiàn)對(duì)瓊州海峽的NB-IoT覆蓋。利用FORSK公司的Atoll軟件對(duì)瓊州海峽進(jìn)行模擬覆蓋仿真，基站經(jīng)緯度、方位角等信息如表7所示，電磁波頻率設(shè)為2 015 MHz，基站天線為全向MIMO（4×4）天線，掛高50 m。圖19為瓊州海峽基站最優(yōu)覆蓋。設(shè)置信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)閾值為-95 dBm，信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋如圖 20所示，圖20中Legend窗口為信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域圖例，場(chǎng)強(qiáng)覆蓋統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表 8所示。從表 8可以看出，當(dāng)基站信號(hào)覆蓋強(qiáng)度為-90 dBm時(shí)，覆蓋面積為總面積的96.05%；當(dāng)基站信號(hào)覆蓋強(qiáng)度為-95 dBm時(shí)，覆蓋面積為總面積的99.91%，可以滿足海上通信需求。

圖19 瓊州海峽基站最優(yōu)覆蓋

圖20 瓊州海峽信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋

表8 信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋統(tǒng)計(jì)結(jié)果

設(shè)置 NB-IoT終端數(shù)量為 100，移動(dòng)速度為30 km/h（約為航速16節(jié)），設(shè)置最大上下行速率為250 kbit/s，最小上下行速率為2.2 kbit/s。對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行MonteCarlo仿真，仿真結(jié)果如下：終端連通率為100%，終端最大上行傳輸速率為231 kbit/s，有效傳輸速率為189 kbit/s；終端最大下行傳輸速率為236 kbit/s，有效傳輸速率為200 kbit/s，終端上下行速率均滿足NB-IoT通信需求。

通過(guò)鏈路級(jí)仿真和覆蓋仿真，結(jié)果表明規(guī)劃的4個(gè)基站可以滿足對(duì)瓊州海峽的覆蓋要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)往船只的監(jiān)管。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)電磁波海上傳播的特點(diǎn)，在SPM的基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的海面?zhèn)鞑ツＰ停瑫r(shí)提出一種基于WLS算法的模型校正算法，利用瓊州海峽海面 CW 測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)傳播模型參數(shù)進(jìn)行校正?；谛Ｕ蟮膫鞑ツＰ?，利用海南?？诤蛷V東徐聞現(xiàn)有的4個(gè)基站對(duì)瓊州海峽NB-IoT覆蓋進(jìn)行路徑損耗仿真、鏈路級(jí)仿真和覆蓋仿真，結(jié)果表明利用規(guī)劃的4個(gè)基站可以完成對(duì)瓊州海峽的覆蓋，并且覆蓋信號(hào)較強(qiáng)，可以有效地解決海事部門對(duì)來(lái)往船只的監(jiān)管需求，對(duì)于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實(shí)際部署具有指導(dǎo)意義。