3G/4G移動通信衰減模型優化仿真*

趙旭東，楊存順，邱 濤

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

移動通信空口電磁衰減模型的主要目的是通過理論仿真計算，使網絡規劃人員能合理規劃區域內的基站覆蓋范圍和數目，并結合運營商網絡設備和實際業務的種類優化，提升移動通信網絡的穩定性、可靠性及適用性，最終提升移動通信用戶的感知[1]。電磁衰減模型分為自由空間傳播損耗模型和路徑傳播損耗損耗模型兩類。前者著重于由于地面波自然擴散而引起的衰減；后者著重于傳播環境中包括的各種障礙物等對電磁波的吸收、散射、繞射或反射等作用引起的傳播損耗[2-5]。

本文主要聚焦研究針對空曠環境下的移動通信空口電磁衰減模型，在Okumura-Hata 模型和Cost231-Hata 模型的基礎上，提出了一種針對4G 通信頻段的衰減模型。該衰減模型通過調整Cost231-Hata 模型的頻率、距離和常數衰減因子，提升了預測衰減值的準確性，為4G 移動通信空口網絡優化提供了一種較為準確的預測模型。

1 常見電磁衰減模型

1.1 Okumura-Hata 模型

Okumura-Hata 模型是日本科學家奧村在傳統Hata 電磁衰減模型的基礎上，基于東京近郊大量實測數據得出的一種適用于900 MHz 移動通信網絡規劃設計的經驗模型。

式中：f為工作頻率；ht為基站天線有效高度；hr為移動臺天線有效高度；d為基站天線與移動臺天線水平距離；?(hr)為移動臺天線修正因子；Ccell為小區類型校正因子。

該經驗模型適用于：

（1）頻率范圍150～1 500 MHz；

（2）基站天線高度30～200 m；

（3）移動臺高度1～10 m；

（4）距離1～20 km。

圖1 顯示了以WCDMA 為例的典型區域Okumra-Hata 模型計算得出的衰減值。

圖1 WCDMA 制式下Okumra-Hata 模型典型區域衰減值

1.2 COST231-Hata 模型

COST231-Hata 模型是歐洲研究委員會COST-231 陸地移動無線電發展傳播模型小組在Okumura-Hata 模型基礎上提出的一種傳播模型。該模型修改部分參數項，使覆蓋頻率提升至2 000 MHz。

式中：f為工作頻率；ht為基站天線有效高度；hr為移動臺天線有效高度；d為基站天線與移動臺天線水平距離；?(hr)為環境修正因子；Cm為城區類型校正因子。

該經驗模型適用于：

（1）頻率范圍1 500～2 000 MHz；

（2）基站天線高度30～200 m；

（3）移動臺高度1～10 m；

（4）距離1～20 km。

圖2 顯示了以WCDMA 為例的典型區域Cost231-Hata 模型計算得出的衰減值。

圖2 WCDMA 制式下Cost231-Hata 模型典型區域衰減值

2 4G 移動通信衰減模型

2.1 4G 移動通信衰減模型建立

我國三大運營商4G 移動通信頻段主要包括band1、band3、band39、band40 和band41（38），頻率覆蓋1 710～2 690 MHz。由于Okumra-Hata 和COST231-Hata 模型僅適用于2 000 MHz 以內通信頻段的衰減估算，因此基于COST-231 模型提出了一種用于適用于國內4G 移動通信頻段的空口衰減模型。

通過分析COST231-Hata 模型得出，電磁波在自由空間的傳輸損耗因子主要分為3 個部分，即頻率因子、距離因子和常數矯正因子。因此，通過給這3 個因子引入新的變量，結合大量實測數據優化因子值，可達到模型矯正的目的。

初始模型為：式中：k1為與頻率相關校正參數；k2為與距離相關校正參數；k3為常數校正參數。

2.2 模型新增參數值校正

基于連續波采樣測試，計算出測試區域的參考信號接收電平本地均值，再利用本地均值對模型新增參數加以校正，以提升衰減模型預測值的準確性。

電磁衰減包含快衰落和慢衰落。快衰落主要由多徑傳播而產生，信號幅度變化明顯，不利于確定模型參數。慢衰落主要受氣象條件、電路長度、地形等因素影響，與接收機所處位置和距離緊密相關，屬于短期信號電平中值。因此，在試驗數據處理上采用李氏定理獲取本地均值，實現消除快衰落、保留慢衰落[6]。

式中，2l為平均采樣區間長度。根據李氏定理，當取40 個波長、采樣點為30～50 個時，能有效消除快衰落、保留慢衰落，從而找出本地環境對信號傳播的慢衰落變化趨勢，達到模型校正的目的。

基于在郊區空曠環境下大量的試驗數據，得出4G 移動通信衰減模型中的參數值為：

代入式（7），得出4G 移動通信衰減模型為：

3 模型仿真及試驗驗證

3.1 試驗環境

分別針對FDD-LTE band3 和TDD-LTE band41（38）進行仿真和試驗驗證，選取的試驗設備和試驗環境詳細信息如表1 所示。

表1 LTE 試驗信息

3.2 試驗數據分析和處理

依據李氏定理，單個測試點采用40 個波長的采樣區間長度和40 個采樣點，計算均值后得出不同距離下實測參考信號強度（Reference Signal Receiving Power，RSRP），見表2。

表2 路測手機測試RSRP 信息

試驗設備在5 MHz 單載波單通道模式下、60 W 總射頻輸出功率中，包含RSRP發射功率約為26 dB，計算公式如下：

式中：RSRPpower為參考信號發射功率；LTEpower為LTE 基站發射總功率；N為試驗系統空口通道個數；Nrb為帶寬下RB 數量。

基于提出的4G 移動通信衰減模型，路測手機接收信號強度計算方法為：

式中：RSRPue為路測手機接收的參考信號強度；RSRPpower為試驗通信設備的參考信號發射功率；LM為電磁信號的空口衰減值。

基于式（14），通過MATLAB 建模分析，結合郊區空曠環境下的實測數據，得出分析結果如 圖3 和圖4 所示。

如圖3和圖4所示，自由空間衰減模型和Cost231-Hata 模型預測衰減值均與實測值有較大差值，而提出的Cost231-Hata 4G 模型預測值誤差值最大為 2.44 dB，對4G 移動通信中的高于2 000 MHz 頻段的空口網絡優化具有較強的指導意義。

圖3 FDD-LTE 制式下多種模型衰減曲線

圖4 TDD-LTE 制式下多種模型衰減曲線

4 結語

本文提出了一種基于Cost231-Hata 的移動通信空口衰減模型，頻率適用范圍擴展到1 500～ 2 690 MHz，提高了對移動通信4G 頻段空口衰減預測的準確性，提升了移動通信空口規劃和維修保障的工作效能。