LTE FDD傳播模型校正

曾發龍+羅帆

【摘要】通過對友誼路局等3個密集市區和設計院等3個一般市區的實際CW路測，并對測試數據進行過濾和篩選，采用迭代擬合及均方差最小的方法，校正2.1G LTE FDD的Cost-231-哈塔經驗傳播模型的C0和C1參數，得到適合規劃區域的2.1G LTE FDD密集市區和一般市區的傳播模型。通過校正后的傳播模型，計算密集市區和一般市區的覆蓋半徑及站間距，以指導LTE網絡建設。

【關鍵詞】LTE FDDCost-231-哈塔路測傳播模型

中圖分類號：TN929.5文獻標識碼：B文章編號：1006-1010(2014)-08-0022-05

LTE FDD Propagation Model Calibration

ZENG Fa-long, LUO Fan

(Hubei Posts and Telecommunications Planning and Design Co., Ltd., Wuhan 430023, China)

[Abstract] By the actual CW drive test for three dense urban areas (such as Friendship Railway Administration) and three general areas (such as Design Institute) and filtering the test data, C0 and C1 in Cost-231-Hata propagation model of 2.1G LTE FDD are calibrated by using the iterative fitting and mean square deviation, and then a propagation model suitable for both dense urban areas and general areas of 2.1G LTE FDD is acquired. After the calibration for the propagation model, the coverage radii and station distance of dense urban areas and general areas are calculated to guide the LTE network construction.

[Key words]LTE FDDCost-231-Hatadrive testpropagation model

隨著4G牌照的發放，移動通信由3G向4G網絡發展的序幕已經拉開，如何運用有效的資金建設一張具有競爭性的網絡，通過4G移動網絡為用戶提供更高速的數據業務，是目前運營商關注的焦點。建設具有競爭性的網絡，不管是3G還是4G，無線傳播模型都是移動通信網建設和小區規劃的基礎，傳播模型的選擇和模型變量的準確性都會影響到基站站間距及基站數量的規劃，直接影響到運營商的網絡投資。不同地理環境的差異，導致無線傳播環境也不相同，因此找到適合本地環境的無線傳播模型就顯得尤為重要。僅根據經驗公式而不考慮當地無線環境差異的影響，會導致所建成的網絡覆蓋不足，或由于覆蓋重疊過大而造成干擾加重、掉線或影響網絡下載速率等質量問題。為了保證投資效益的最大化和網絡的質量，運營商越來越重視傳播模型能夠反映當地無線環境的特性。

通常采用的方法是：通過模擬基站與路測來校正經驗傳播模型，并采用校正后的傳播模型來規劃和建設一張高質量、高覆蓋的無線網絡。

1 LTE FDD經驗傳播模型

無線傳播模型主要有奧村模型[1]和哈塔模型[2]。哈塔模型主要適用在2G范圍，根據不同的使用頻率范圍，又將哈塔傳播模型分為奧村-哈塔傳播模型和Cost-231-哈塔傳播模型。前者適用的頻率范圍為150—1 500MHz，后者適用的頻率范圍為2GHz。

考慮到LTE網絡建設的工作頻段為：1 920—1 935MHz（上行，基站收、移動臺發）和2 110—2 125MHz（下行，基站發、移動臺收）。根據LTE FDD使用的頻段范圍，主要是對Cost-231-哈塔傳播模型進行校正。Cost-231-哈塔經驗傳播模型[3]根據場景又分為城市和非城市兩種，具體經驗公式如下：

L=C0+(C1-C2×lg(Hb))×lg(Rd/1000)+C3×lg(fc)-

C4×lg(Hb)-a(hm)（1）

（1）城市Cost-231-哈塔模型

式（1）中，C0=49.3，C1=44.9，C2=6.55，C3=33.9，C4=13.82；Rd為基站與移動臺間的距離，單位為m；fc為頻段的中心頻點，單位為MHz；Hb為基站天線實際海拔高度與基站沿傳播方向實際距離內的平均地面海拔高度差，單位為m；hm為移動臺天線高出地表的高度，單位為m；a(hm)為有效天線修正因子，a(hm)=3.2(lg(11.75hm))2-4.97(fc≥300MHz)。

（2）非城市Cost-231-哈塔模型

式（1）中，C0=46.3，C1=44.9，C2=6.55，C3=33.9，C4=13.82；Rd、fc、Hb、hm意思與城市Cost-231-哈塔模型中一致；a(hm)=1.1(lg(fc)-0.7)hm-[1.56lg(fc)-0.8]。

在上述的經驗公式[4]中，影響傳播的主要因素包括：工作頻段、收發天線間的距離、基站天線安裝的高度/移動臺天線高度、地理環境（如地形地貌）等。這些因素在經驗傳播模型的路徑損耗公式中以變量形式反映。不同地區的地理環境、建筑物的高度等因素對傳播影響的程度也不相同，因此經驗傳播模型在具體環境下應用時，對應的變量也不同。為準確地預測本地的傳播路徑損耗，需找到能反映本地特點的傳播模型的合理變量[5]。

2 經驗傳播模型變量校正的原理與步驟

經驗傳播模型變量校正的原理為：模擬基站發射信號，通過車載測試得到相應的路徑損耗測試數據，再通過數據過濾和篩選并采用適當的擬合方法，用測試數據對經驗傳播模型公式的關鍵變量項進行擬合，使得校正后公式的預測值和實測數據誤差方差最小。通過校正后的傳播模型對當地路徑損耗預測的準確性會大幅提高，能較好地反映無線環境特性。具體分為以下三步[6]進行：

（1）數據準備：準備數字地圖、路測發射機、接收機和相關天線饋線。先對數字地圖進行校正，然后設計測試方案，選擇測試點和測試路線并進行路測，同時記錄本地的測試信號場強和GPS等數據。

（2）路測數據后處理：對路測數據進行電平和距離篩選、過濾處理，得到可用于傳播模型校正的路徑損耗數據。

（3）模型校正：通過Atoll仿真軟件對過濾后的數據進行擬合迭代，校正經驗傳播模型中的主要變量，保證校正后模型預測值和實測值誤差最小。一般傳播模型校正流程如圖1所示：

圖1傳播模型校正流程圖

3 模擬基站及路測數據

模擬基站主要由信號發生器、功率放大器和發射天線構成。信號發生器產生中心頻率為2 117MHz、信號強度為1dBm的測試CW信號。功率放大器將CW信號進行功率放大，放大系數為40，即將輸入功率為1dBm測試信號放大為輸出功率40dBm，再通過增益為4.5dB的發射天線進行發射。

為了校正密集市區和一般市區的傳播模型，在密集市區和一般市區選擇6個站點進行模擬并測試，其測試結果如圖2和圖3所示。

4 數據處理及模型校正

為保證校正數據的合理性，在經驗模型變量校正之前，先對上述路測數據進行過濾。校正時最好選擇中間數值，較大或較小的數值均會影響校正結果，故將場強大于-40dBm和小于-100dBm的數據濾除，同時將距離大于1 500m和小于100m的數據濾除。再運用Atoll仿真軟件對其變量進行擬合校正，校正后輸出結果為：

（1）密集市區推薦傳播模型

式（1）中，C0=49.23，C1=57.70，C2=6.55，C3=33.9，C4=13.82。

（2）一般市區推薦傳播模型

式（1）中，C0=46.03，C1=49.02，C2=6.55，C3=33.9，C4=13.82。

5 校正后傳播模型預測和實測數據的比對

為驗證校正后傳播模型變量的合理性，采用校正后的傳播模型對測試的路徑衰耗進行預測，并和實測的路徑衰耗數據進行比較，具體結果如圖4和圖5所示（紅線為預測數據，黑線為實測數據）。

通過對預測損耗數據和實測損耗數據的均方差計算，密集市區校正后預測損耗和路測實際損耗的均方差為7.35；一般市區校正后預測損耗和路測實際損耗的均方差為6.87，其誤差的均方差小于8dB，因此變量校正的結果是可行的。

6 LTE FDD校正后傳播模型預測的基站

覆蓋半徑

根據上述校正的傳播模型和LTE的系統參數[7]，計算2.1G FDD LTE上下行鏈路的室內覆蓋半徑如表1所示。

若采用標準的Cost-231-哈塔經驗傳播模型計算，則密集市區和一般市區都為城區，其計算的基站站距均為0.39km，按照基站覆蓋的面積計算基站數量分別為校正后數量的2倍和4倍，這樣會大大浪費建設投資并影響網絡的質量。因此，運營商在4G移動網絡建設前進行適當的傳播模型校正是十分必要的。

參考文獻：

[1] Okumura T, Ojmori E, Fukuda K. Field Strength and Its Variability in VHF and UHF Land Mobile Service[J]. Review Electrical Communication Laboratory, 1968,16: 9-10.

[2] Hata, Masaharu. Empirical Formular for Propagation Loss in Land Mobile Radio Services[A]. IEEE Transactions on Vehicular Technology[C]. 1980: 3-7.

[3] Theodore S Rappaport. Wireless Communcations Principles and Practice[M]. 北京: 清華大學出版社, 1999.

[4] 張良德. 無線傳播模型研究[J]. 信息通信, 2011(3): 18-19.

[5] 張良德. 密集市區傳播模型研究[A]. 2008年“ICT助力兩型社會建設”學術研討會論文集[C]. 2008.

[6] 肖開宏,等. LTE無線網絡規劃與設計[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2012.

[7] 程鴻雁,朱晨鳴,王太峰,等. FDD-LTE無線網絡規劃與設計[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2012.★

作者簡介

曾發龍：高級工程師，現任職于湖北郵電規劃設計有限公司，主要從事無線G網、C網和WCDMA網的規劃和設計工作。

羅帆：工程師，現任職于湖北郵電規劃設計有限公司，主要從事無線G網、C網和WCDMA網的規劃和設計工作。

3 模擬基站及路測數據

模擬基站主要由信號發生器、功率放大器和發射天線構成。信號發生器產生中心頻率為2 117MHz、信號強度為1dBm的測試CW信號。功率放大器將CW信號進行功率放大，放大系數為40，即將輸入功率為1dBm測試信號放大為輸出功率40dBm，再通過增益為4.5dB的發射天線進行發射。

為了校正密集市區和一般市區的傳播模型，在密集市區和一般市區選擇6個站點進行模擬并測試，其測試結果如圖2和圖3所示。

4 數據處理及模型校正

為保證校正數據的合理性，在經驗模型變量校正之前，先對上述路測數據進行過濾。校正時最好選擇中間數值，較大或較小的數值均會影響校正結果，故將場強大于-40dBm和小于-100dBm的數據濾除，同時將距離大于1 500m和小于100m的數據濾除。再運用Atoll仿真軟件對其變量進行擬合校正，校正后輸出結果為：

（1）密集市區推薦傳播模型

式（1）中，C0=49.23，C1=57.70，C2=6.55，C3=33.9，C4=13.82。

（2）一般市區推薦傳播模型

式（1）中，C0=46.03，C1=49.02，C2=6.55，C3=33.9，C4=13.82。

5 校正后傳播模型預測和實測數據的比對

為驗證校正后傳播模型變量的合理性，采用校正后的傳播模型對測試的路徑衰耗進行預測，并和實測的路徑衰耗數據進行比較，具體結果如圖4和圖5所示（紅線為預測數據，黑線為實測數據）。

通過對預測損耗數據和實測損耗數據的均方差計算，密集市區校正后預測損耗和路測實際損耗的均方差為7.35；一般市區校正后預測損耗和路測實際損耗的均方差為6.87，其誤差的均方差小于8dB，因此變量校正的結果是可行的。

6 LTE FDD校正后傳播模型預測的基站

覆蓋半徑

根據上述校正的傳播模型和LTE的系統參數[7]，計算2.1G FDD LTE上下行鏈路的室內覆蓋半徑如表1所示。

若采用標準的Cost-231-哈塔經驗傳播模型計算，則密集市區和一般市區都為城區，其計算的基站站距均為0.39km，按照基站覆蓋的面積計算基站數量分別為校正后數量的2倍和4倍，這樣會大大浪費建設投資并影響網絡的質量。因此，運營商在4G移動網絡建設前進行適當的傳播模型校正是十分必要的。

參考文獻：

[1] Okumura T, Ojmori E, Fukuda K. Field Strength and Its Variability in VHF and UHF Land Mobile Service[J]. Review Electrical Communication Laboratory, 1968,16: 9-10.

[2] Hata, Masaharu. Empirical Formular for Propagation Loss in Land Mobile Radio Services[A]. IEEE Transactions on Vehicular Technology[C]. 1980: 3-7.

[3] Theodore S Rappaport. Wireless Communcations Principles and Practice[M]. 北京: 清華大學出版社, 1999.

[4] 張良德. 無線傳播模型研究[J]. 信息通信, 2011(3): 18-19.

[5] 張良德. 密集市區傳播模型研究[A]. 2008年“ICT助力兩型社會建設”學術研討會論文集[C]. 2008.

[6] 肖開宏,等. LTE無線網絡規劃與設計[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2012.

[7] 程鴻雁,朱晨鳴,王太峰,等. FDD-LTE無線網絡規劃與設計[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2012.★

作者簡介

曾發龍：高級工程師，現任職于湖北郵電規劃設計有限公司，主要從事無線G網、C網和WCDMA網的規劃和設計工作。

羅帆：工程師，現任職于湖北郵電規劃設計有限公司，主要從事無線G網、C網和WCDMA網的規劃和設計工作。

3 模擬基站及路測數據

模擬基站主要由信號發生器、功率放大器和發射天線構成。信號發生器產生中心頻率為2 117MHz、信號強度為1dBm的測試CW信號。功率放大器將CW信號進行功率放大，放大系數為40，即將輸入功率為1dBm測試信號放大為輸出功率40dBm，再通過增益為4.5dB的發射天線進行發射。

為了校正密集市區和一般市區的傳播模型，在密集市區和一般市區選擇6個站點進行模擬并測試，其測試結果如圖2和圖3所示。

4 數據處理及模型校正

為保證校正數據的合理性，在經驗模型變量校正之前，先對上述路測數據進行過濾。校正時最好選擇中間數值，較大或較小的數值均會影響校正結果，故將場強大于-40dBm和小于-100dBm的數據濾除，同時將距離大于1 500m和小于100m的數據濾除。再運用Atoll仿真軟件對其變量進行擬合校正，校正后輸出結果為：

（1）密集市區推薦傳播模型

式（1）中，C0=49.23，C1=57.70，C2=6.55，C3=33.9，C4=13.82。

（2）一般市區推薦傳播模型

式（1）中，C0=46.03，C1=49.02，C2=6.55，C3=33.9，C4=13.82。

5 校正后傳播模型預測和實測數據的比對

為驗證校正后傳播模型變量的合理性，采用校正后的傳播模型對測試的路徑衰耗進行預測，并和實測的路徑衰耗數據進行比較，具體結果如圖4和圖5所示（紅線為預測數據，黑線為實測數據）。

通過對預測損耗數據和實測損耗數據的均方差計算，密集市區校正后預測損耗和路測實際損耗的均方差為7.35；一般市區校正后預測損耗和路測實際損耗的均方差為6.87，其誤差的均方差小于8dB，因此變量校正的結果是可行的。

6 LTE FDD校正后傳播模型預測的基站

覆蓋半徑

根據上述校正的傳播模型和LTE的系統參數[7]，計算2.1G FDD LTE上下行鏈路的室內覆蓋半徑如表1所示。

若采用標準的Cost-231-哈塔經驗傳播模型計算，則密集市區和一般市區都為城區，其計算的基站站距均為0.39km，按照基站覆蓋的面積計算基站數量分別為校正后數量的2倍和4倍，這樣會大大浪費建設投資并影響網絡的質量。因此，運營商在4G移動網絡建設前進行適當的傳播模型校正是十分必要的。

參考文獻：

[1] Okumura T, Ojmori E, Fukuda K. Field Strength and Its Variability in VHF and UHF Land Mobile Service[J]. Review Electrical Communication Laboratory, 1968,16: 9-10.

[2] Hata, Masaharu. Empirical Formular for Propagation Loss in Land Mobile Radio Services[A]. IEEE Transactions on Vehicular Technology[C]. 1980: 3-7.

[3] Theodore S Rappaport. Wireless Communcations Principles and Practice[M]. 北京: 清華大學出版社, 1999.

[4] 張良德. 無線傳播模型研究[J]. 信息通信, 2011(3): 18-19.

[5] 張良德. 密集市區傳播模型研究[A]. 2008年“ICT助力兩型社會建設”學術研討會論文集[C]. 2008.

[6] 肖開宏,等. LTE無線網絡規劃與設計[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2012.

[7] 程鴻雁,朱晨鳴,王太峰,等. FDD-LTE無線網絡規劃與設計[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2012.★

作者簡介

曾發龍：高級工程師，現任職于湖北郵電規劃設計有限公司，主要從事無線G網、C網和WCDMA網的規劃和設計工作。

羅帆：工程師，現任職于湖北郵電規劃設計有限公司，主要從事無線G網、C網和WCDMA網的規劃和設計工作。