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        無線傳播及其校正原理

        2020-07-26 10:57:30吳闊趙佳佳肖峰
        理論與創(chuàng)新 2020年11期
        關(guān)鍵詞:無線通信

        吳闊 趙佳佳 肖峰

        【摘 ?要】無線通信系統(tǒng)的性能會(huì)不同程度上受到無線信道的制約,以往中所使用的傳播模型通常會(huì)將實(shí)際的傳播模型條件進(jìn)行一番簡(jiǎn)化,所以,在當(dāng)前具有復(fù)雜性的傳播環(huán)境下,模型的精確度極低。本文首先概述了無線電波的傳播,其次,對(duì)無線通信電波傳播模型進(jìn)行了分析矯正。

        【關(guān)鍵詞】無線通信;電波傳播;模型矯正;CW測(cè)試

        引言

        在通信系統(tǒng)中,信道占有極其重要的位置。根據(jù)傳輸媒質(zhì),可將信道分成有線信道和無線信道兩種。無線信道直接決定著無線通信系統(tǒng)的性能。實(shí)際中,電磁波常常會(huì)在無線信道中遭到散射、反射、移動(dòng)臺(tái)的速度、信號(hào)的傳輸帶寬等諸多因素的影響。因此,相較于有線信道,無線信道缺乏其的固定性和易于預(yù)測(cè)性,存在著很大的隨意性和分析困難性。所以,在無線通信系統(tǒng)研究工作中,無線信道的模型矯正一直都是其發(fā)展主題。

        在移動(dòng)通信領(lǐng)域中,對(duì)無線電波的傳播損耗預(yù)測(cè)一般是采用傳播模型來進(jìn)行的。準(zhǔn)確的無線傳播模型對(duì)于保證無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案的合理性具有十分重要的意義,它是無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作的重要基礎(chǔ)和主要依據(jù)。

        1.無線電波的傳播方式與傳播損耗

        通信網(wǎng)規(guī)劃與建設(shè)過程中,從頻段的明確、頻率的分配、無線電波的覆蓋范圍、計(jì)算機(jī)通信概率、系統(tǒng)間的電磁干擾到無線設(shè)備參數(shù)的明確均應(yīng)借助于對(duì)電波傳播特性的研究與據(jù)此實(shí)施的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)。無線電波的傳播方式具體有:直達(dá)波;地波或表面波;對(duì)流層反射波,而在宏蜂窩無線壞境中,由于存在非常多的樓字以及其他遮擋物,使得無線電波的傳播變得非常復(fù)雜,接收機(jī)接收到的信號(hào)通常是以下幾種波的疊加:

        (1)直射波:是指無線電波直接沿自由空間傳播,不受任何阻擋;

        (2)反射波:是指無線電波在傳播的過程中遇到了物理尺寸遠(yuǎn)大于其波長(zhǎng)的物體,電波在物體表面發(fā)生了反射,反射波可能增強(qiáng)也可能減弱信號(hào)的強(qiáng)度;

        (3)銜射(繞射)波:是指無線電波在傳播的過程中遇到了物理尺寸與其波長(zhǎng)可比的或小于其波長(zhǎng)的障礙物或縫隙時(shí),電波仍然可以繼續(xù)傳播,只是它的能量和傳播方向?qū)l(fā)生改變。

        移動(dòng)通信系統(tǒng)所在的無線環(huán)境是非常復(fù)雜的,無線電波從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間通常包含了所有的傳播方式,也就是說它是一種綜合了所有傳播方式的復(fù)雜環(huán)境,因此對(duì)于這種綜合無線環(huán)境的傳播特性的研究也就變得十分地困難和復(fù)雜。隨著接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間距離的不斷增大,無線電波的傳播損耗也將發(fā)生變化,這種變化通常包含三種:中值損耗、慢衰落、快衰落 。

        考慮到上述三種損耗和衰落的特點(diǎn),目前,對(duì)于路徑損耗的預(yù)測(cè),只考慮中值損耗。也就是由于慢衰落和快衰落是隨時(shí)間和地物等因素變化而變化的,不具有普遍實(shí)用的特點(diǎn),所以在無線電波損耗的預(yù)測(cè)中通常不考慮他們。

        2.傳播模型校正關(guān)鍵問題分析與建議

        通常采用測(cè)試連續(xù)波的方式來進(jìn)行模型校正,也就是CW測(cè)試。即將發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率和頻率固定,在起周圍進(jìn)行車載采樣測(cè)試,經(jīng)過篩選得到足夠多的合理的路徑損耗測(cè)試數(shù)據(jù)。然后用這些數(shù)據(jù)對(duì)傳播模型公式中的各個(gè)系數(shù)進(jìn)行聯(lián)合求解,求解的條件就是校正后模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間誤差、均方差、標(biāo)準(zhǔn)方差達(dá)到要求。經(jīng)過校正的傳播模型將會(huì)比較好的反映當(dāng)?shù)責(zé)o線傳播環(huán)境,符合當(dāng)?shù)責(zé)o線傳播環(huán)境的實(shí)際情況。

        通常的模型校正的過程中主要包含以下幾項(xiàng)比較重要的內(nèi)容。

        2.1數(shù)字地圖的選擇

        首先,數(shù)字地圖應(yīng)該滿足一定的精度要求,精度越高模型校正的準(zhǔn)確度也就越高,相應(yīng)的運(yùn)算量也就越高。另外,還要注意地圖的時(shí)效性,由于目前我國(guó)大多數(shù)城市的建設(shè)速度都非???,使得數(shù)字地圖的更新的周期也就相應(yīng)地縮短了,因此必須關(guān)注數(shù)字地圖的時(shí)效性。如果所選地圖的地貌信息與實(shí)際情況出入過大的話,模型校正的準(zhǔn)確程度也將大大降低。

        2.2發(fā)射站點(diǎn)選擇

        為保證獲得的數(shù)據(jù)能夠真實(shí)地反映當(dāng)?shù)氐臒o線傳播環(huán)境,在選擇站點(diǎn)的時(shí)候應(yīng)把握如下原則:

        (1)大型城市應(yīng)選擇4~5個(gè)站點(diǎn),一般中小型城市,選擇3個(gè)或以下站點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,特大城市則視情況來定;

        (2)根據(jù)城市的地貌分布和路況,劃出相應(yīng)的幾塊典型區(qū)域,發(fā)射站點(diǎn)應(yīng)盡量靠近所在區(qū)域的中心位置;

        (3)站點(diǎn)應(yīng)是局部地區(qū)的相對(duì)高點(diǎn),站點(diǎn)周邊100米內(nèi)避免明顯大型障礙物,站點(diǎn)應(yīng)高于周圍建筑平均高度10米以上,一個(gè)站點(diǎn)的覆蓋半徑應(yīng)該在3km左右,站點(diǎn)應(yīng)盡可能大的覆蓋校正地貌,且分部合理,保證測(cè)試區(qū)域內(nèi)每種地貌內(nèi)的合理采樣點(diǎn)在4000個(gè)左右。

        2.3路線選擇

        為保證所獲得數(shù)據(jù)的全面性和真實(shí)性。測(cè)試時(shí)的線路選擇也需要認(rèn)真考慮。

        (1)深入地貌內(nèi)部;

        (2)與發(fā)射站點(diǎn)的距離要大于200m;

        (3)縱向和橫向的街道應(yīng)采集同樣數(shù)量的場(chǎng)強(qiáng)樣本;

        (4)不要選擇高速公路或很寬闊平直的街道,而應(yīng)盡量選擇窄小的街道;

        (5)在確保數(shù)據(jù)全面的條件下,盡量避免線路的重復(fù)。

        2.4數(shù)據(jù)采集

        數(shù)據(jù)采集是模型校正能否準(zhǔn)確的基礎(chǔ)條件,如果所采集的路測(cè)數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確的反映當(dāng)?shù)貙?shí)際情況,那么即使完成了模型校正也只是數(shù)學(xué)意義上的校正,這樣的校正出來的模型是沒有辦法應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作中的。

        采集到的路測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)包含經(jīng)度、緯度和場(chǎng)強(qiáng)等信息。

        2.5數(shù)據(jù)篩選

        在路測(cè)過程中往往會(huì)采集到一些不符合模型校正要求的需濾除數(shù)據(jù),為了防止這些數(shù)據(jù)對(duì)模型校正的影響,在校正之前必須濾除它們,這就是數(shù)據(jù)篩選。以下是幾種典型的需濾除數(shù)據(jù)。

        (1)高架橋上和隧道中的數(shù)據(jù)。這兩種地方無線電波的傳播特性與傳播模型的應(yīng)用條件不符。

        (2)遠(yuǎn)距數(shù)據(jù)。距離發(fā)射機(jī)比較遠(yuǎn)時(shí),接收到的信號(hào)強(qiáng)度太低,因接收機(jī)靈敏度的影響,其測(cè)量值往往不準(zhǔn)確;且對(duì)于測(cè)試信號(hào),底噪在遠(yuǎn)端接收信號(hào)中的比例比較大,不利于模型校正,因此遠(yuǎn)端的測(cè)試點(diǎn)應(yīng)予以濾除。

        (3)近距數(shù)據(jù)。在距離發(fā)射機(jī)較近的區(qū)域,電波基本以視距傳播,這不符合傳播模型所定義的電波傳播條件,因此這類測(cè)試數(shù)據(jù)也不能用于傳播模型校準(zhǔn)。

        (4)街道波導(dǎo)效應(yīng)數(shù)據(jù)。由于電波傳播測(cè)試一般是在街道上測(cè)試的,但對(duì)于街道,存在著“波導(dǎo)效應(yīng)”(“街道效應(yīng)”),即:當(dāng)信號(hào)源發(fā)射來的電波信號(hào)的傳播方向和測(cè)量點(diǎn)所處街道走向的夾角很小時(shí),接受信號(hào)的強(qiáng)度相較于普通情況下會(huì)有很明顯的加強(qiáng),使得平行于傳播方向的信號(hào)強(qiáng)度比垂直于傳播方向的信號(hào)強(qiáng)度高出10dB左右。

        (5)街道彎角效應(yīng)數(shù)據(jù)。由于衍射和反射損耗,電波在街道轉(zhuǎn)彎處信號(hào)會(huì)突然發(fā)生嚴(yán)重陷落。

        2.6評(píng)估校正結(jié)果評(píng)估

        校正是一個(gè)不斷調(diào)整的過程,評(píng)估該校正結(jié)果是否符合要求的標(biāo)準(zhǔn)主要有:

        (1)預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值之間誤差的均值最小化,盡量接近0。

        (2)預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值之間誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差最小化,應(yīng)小于6-8dB。

        (3)預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值之間誤差與各變量之間的相關(guān)性最小。

        3.展望

        目前,對(duì)于傳統(tǒng)媒體來說,找準(zhǔn)自己的定位,大力投入新媒體,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型極為重要。實(shí)踐證明,整合多媒體的傳播優(yōu)勢(shì)與效果,走廣播資源加網(wǎng)絡(luò)支持的合作之路,更能加快其發(fā)展。而準(zhǔn)確簡(jiǎn)潔的傳播模型也對(duì)未來城市建設(shè)提供了非常大的幫助。我相信,未來無線電波的發(fā)展廣泛而光明,而今天所驗(yàn)證的電波傳播模型正確性也會(huì)對(duì)未來發(fā)展出一份力。

        參考文獻(xiàn)

        [1]尚永濤曹梁文朱俊志賀香雨肖宇.無線電波在空間的傳播損耗建模[J].電腦與電信,2019.6,25-28

        [2]邵立杰.AIS海上電波傳播模型研究[D].大連海事大學(xué),2014

        [3]賈儒.淺談無線電波傳播中受到空間環(huán)境的影響[J].通訊世界,2019.4,131-132

        [4]李華福.移動(dòng)通信系統(tǒng)中無線電波傳播特性及高頻段傳播模型研究[D].云南師范大學(xué),2018

        作者簡(jiǎn)介:吳闊(1999.07-),男,河北省孟村回族自治縣,本科在讀,主要研究工科通信方面。

        趙佳佳(1998-), 女, 河北省秦皇島市, 本科在讀,主要研究數(shù)字化。

        肖峰(1998-),男,河北省容城縣,本科在讀,主要研究計(jì)算機(jī)信息科學(xué)。

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