基于LTE系统的传播模型及模型校正算法研究(3)

基于ＬＴＥ系统的传播模型及模型校正算法研究第１章绪论１．１论文选题的背景移动通信技术始于２０世纪２０年代，大致经历了５个阶段发展【ｌ】：第一阶段为２０世纪２０年代初期到５０年代初【ｌＪ，主要应用于的船舶和军事方面，采用了短波频以及的电子管技术，直至末期才出现ＶＨＦｌ５０ＭＨＺ的ＭＴＳ（单工汽车公用移动电话系统）：第二阶段为５０年代到６０年代［１ｌ，这时频带扩展为ＵＨＦ４５０ＭＨＺ，在移动环境适用，移动电话以及公用电话网的的接续问题得以解决；第三阶段为７０年代到８０年代初期，频带扩展至８００ＭＨＺ，美国的贝尔实验室提出了了蜂窝系统的概念Ｉｌｌ；第四阶段为８０年代初期到９０年代中则１１，第二代的数字移动通信得以发展，个人通信业务得到重视，频带扩展到了９００ＭＨＺ～１９００ＭＨＺ，各种移动通信手段在市场兴起，各显神通；第五阶段为９０年代中期至今【ｌＪ，数据通信以多媒体业务得以发展。数字移动通信系统从２０世纪８０年代开始发展，先后经历了模拟蜂窝移动通信系统、数字蜂窝移动通信系统、第三代移动通信系统以及后３Ｇ移动通信１２１，现在日益成熟。ＡＭＰＳ和ＴＡＣＳ是第一代移动通信网的代表，但是其保密性差、设备价格高、系统容量小造成了该通信系统的的局限性１２Ｊ；第二代移动通行系统以北美的Ｉｓ．５４、欧洲的ＧＳＭ以及日本的ＰＤＣ为代表，不仅克服了第一代的的局限性而且满足了通信网综合化的需求：随着经济社会的发展，为了满足信息个人化、业务多样化，为了达到全球统一标准、全球无缝覆盖，第三代移动通信系统ＩＭＴ－２０００产生【２】，其实现了更高的质量服务、保密性能和频谱效率。移动通信的飞速的发展以及移动网络同互联网的高速融合，使得移动通信网络宽带化的需求变得日益迫切，第三代移动通信虽然是在传输速率上有所提高，但由于其为标准不同的区域性通信系统，仍然无法满足未来多媒体业务高速发展带来的需求。在各种发展需求的驱动下，３ＧＰＰ（３ｒｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｐａｒｔｎｅｒｓｈｉｐｐｒｏｊｅＣｔ）在第三代移动通信３Ｇ（３ｒｄＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ）的基础上，提出了其长期演进系统ＬＴＥ（１０ｎｇｔｅｒｍｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）１３１，用来提供更高的带宽、更低的时延和更好的服务质量（ｑｕａｌｉｔｙｏｆＳｅｒｖｉｅｅ，ＱｏＳ）保障，ＬＴＥ通信技术应运而生。ＬＴＥ（ＬｏｎｇＴｅｒｍＥｖｏｌｕｔｉｏｎ）系统是３ＧＰＰ自２００４年１１月启动的ＵＭＴＳ技术的长期演进项引３ｌ。ＬＴＥ包括ＦＤＤ方式的ＬＴＥ以及ＴＤＤ方式的ＬＴＥ，而基于基于ＬＴＥ系统的传播模型及模型校正算法研究ＴＤＤ方式的ＬＴＥ根据演进的路线不同分为ＬＴＥＴＤＤｌ和ＬＴＥＴＤＤ２【４Ｊ。我国自２００５年开始推动ＬＴＥ的ＴＤＤ方案即ＬＴＥＴＤＤ２方式的研究，该方案被３ＧＰＰ接受，之后经过我国大力推动以及多方的共同努力，两种ＴＤＤ方式目前已经融合为一种，即ＴＤ．ＬＴＥｌ４１。５Ｇ（５ｔｈ．ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）是第五代移动通信，５Ｇ通信技术由日本的ＮＴＴ公司在２００１年作为概念提出，该技术现在还处于研发阶段，没有具体的标准。韩国三星电子在２０１３年五月宣布开发出首个基于５Ｇ技术的移动传输网络，该网络以ＮｏＬＡ（ＮｏｍａｄｉｃＬｏｃａｌＡｒｅａＷｉｒｅｌｅｓｓＡｃｃｅｓｓ）作为技术基础【５】，使得手机的无线下载速度可以达到１０Ｇｂｐｓ，这样ＤＶＤ制式的高清电影下载仅需要数秒的时间，５Ｇ网络的技术突破将给全球无线网络带来新的活力，其商用价值不可估量。我国的５Ｇ概念是在中国的国际通信大会上提出的，目前我国也着力于５Ｇ系统的前期研发当中，国家的８６３计划“第五代移动通信（５Ｇ）系统前期研究开发（一期）”【６】是为了面向２０２０年移动通信应用需求，这表明我国提出信息消费和“宽带中国”战略，并已着手５Ｇ系统技术研发和战略布局。ＴＤ－－ＬＴＥ作为ＴＤ—ＳＣＤＭＡ标准的后续演进技术，无论是物理层的技术、网络结构、调度算法等都与２Ｇ／３Ｇ系统差异很大。作为ＴＤ．ＳＣＤＭＡ的演进技术，ＴＤ—ＬＴＥ继承了ＴＤ—ＳＣＤＭＡ产业基础和技术优势【７】，成为我国新时期的科技创新又一重大成果，确立了中国在新一轮信息产业国际标准和产业竞争中的重要地位，得到了中国政府及国内外产业的广泛支持【ｇＪ。对于ＴＤ．ＬＴＥ这样缺少商用基础和可借鉴经验的移动通信网络的建设，无线网络规划是一个挑战【６】，而在无线网络规划的过程中，传播模型可以用于预测从发射端到接收端的路径损耗中值，虽然经典的传播模型具有较好的普遍适用性，但是具体情况下的传播环境是多变的，这对路径损耗的预测显得不够精准，所以需要对经典传播模型的路损公式进行校准或者自己建立的新的传播模型公式进行校正【７ｌ，以提供更加精确的预测结果，为接下来的链路预算分析、覆盖规划以及容量规划奠定好基础。１．２国内外研究现状一般把无线信道传播模型分为大尺度的损耗传播模型和小尺度的衰落传播模型１９】。大尺度的损耗传播模型表示发射机和接收机之间长距离过程上的平均场强的变化，这是由路径损耗以及阴影衰落效应所引起的，接收信号功率电平值会随着距离变化。大尺度模型主要用于预测平均场强以及估计无线信号的覆盖范围，例如用于电信运营商的无线网络规划设计、覆盖分析等。在实际的传播模型中，根据覆盖的区域的大小来看室外传播模型可以分为两２基于ＬＴＥ系统的传播模型及模型校正算法研究类：宏蜂窝传播模型以及微蜂窝传播模型【９１，其中宏蜂窝模型包括：Ｌｏｎｇｌｅｙ．Ｒｉｃｅ模型、Ｄｕｒｋｉｎ模型、Ｏｋｕｍｕｒａ模型、Ｈａｔａ模型、Ｗａｌｆｉｓｃｈ．Ｂｅｒｔｏｎｉ、ＣＯＳＴ２３１－ＷＩ模型、ＬＥＥ模型、Ｅｇｌｉ传播模型、Ｃａｒｅｙ传播模型、Ｂｅｒｔｏｎｉ—Ｘｉａ模型，微蜂窝传播模型包括：双线模型、经验模型、准３维ＵＴＤ模型、ＬＥＥ微蜂窝模型、宽带ＰＣＳ微蜂窝模型【８］。上述经典的传播模型大多是由国外的专家以及学者总结得出，具有很强的普遍适用性，然而对于具体情况下的路径损耗预测却相当的不准确【９１。我国的地理传播环境有自己的特点，所以需要对经典的传播模型进行校正，这样既可以充分利用经典的传播模型对路径损耗趋势预测比较准确的优点，也可以客服具体环境下的不足。目前传播模型的校正常用的方法是通过车载路测【１０】，得到本地的路径损耗测试数据，通过软件对数据进行拟合，根据一般传播模型公式，对其各个系数及各种地理因子进行校正，使得校正后的预测值与实际数据误差在规定准则范围内。路测是网络规划和优化过程中的一项基本并且重要的手段【¨１。路测是利用测试终端、仪表及测试车辆等工具，沿着选定好的路线进行网络参数以及通话质量测定的测试形式，是通过实际用户的角度去了解和分析网络的质量。目前国内外路测软件的种类比较多，国外的路测产品厂家主要以Ｅｒｉｃｓｓｏｎ、Ａｇｉｌｅｎｔ、ＮＥＭＯ为代表，而国内的主要的路测厂家以鼎利、日讯、烽火等为代表【１２】。作为业界领先的无线网络规划和优化的设备，爱立信的ＴＥＭＳ系列产品经过了多年商用网络的实际检验，被公认为是性能最成熟，表现最为稳定的产品，虽深受业界的专业测试人士的认可。ＴＥＭＳＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ是业界内领先的空中接口测试的工具，主要用于无线网络的诊断、分析、优化及网络维护的工作【坦】。ＴＥＭＳＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ把数据的收集、实时分析和后处理三种功能融汇在一起，为网络运营商的日常规划和优化的工作提供了一套完整的解决方案，ＴＥＭＳＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ支持所有主流网络技术。它是部署新网络及确保同现网络无缝集成的最佳选择。通过ＴＥＭＳＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ，运营商能够到更高的语音质量、更好的网络使用率、更成功的通话接通率、及更良好的服务性斛１２］。【９１。但Ｔｅｍｓ系列其因为操作的不方便，价格的昂贵等多种因素，始终无法在国内得到广泛的应用ＡｉｒＷｉｓｄｏｍ的路测系统产品，针对目前的无线网络优化现状，提出了支持ＧＳＭ、ＷＣＤＭＡ、ＴＤ—ＳＣＤＭＡ等多种制式的无线网络优化系统应用解决方案，这些方案已经被广泛地应用于网络运营商、代维商等的日常网络规划与网络优化中【ｌ引。ＡｉｒＷｉｓｄｏｍ中无线网络的路测和模测，采用地图、报表以及图形等数据表Ｏ基于ＬＴＥ系统的传播模型及模型校正算法研究现形式，提供包括数据的过滤、统计和诊断等数据分析手段。ＡｉｒＷｉｓｄｏｍ通过挖掘海量的数据，快速定位无线网络所存在的问题，准确地分析问题产生的原因，从而帮助用户全面地解决无线网络的优化问题。法国ＦＯＲＳＫ公司开发的Ａｔｏｌｌ无线网络规划软件ｌＩ２Ｉ，它是ＦＯＲＳＫ公司的核心产品。２０００年，３Ｇ版本的Ａｔｏｌｌ是市场上的第一个３Ｇ无线网络规划的工具。因此Ａｔｏｌｌ无论在２Ｇ还是３Ｇ网络的规划，技术上是相当的成熟的。经过校正后的传播模型的路损预测准确性得到提升，从而能够更好地反映本地区的传播环境特点，并且对覆盖范围的预测更加准确，这就使得链路预算以及网络覆盖更加精准。尽管这些无线网规网优软件得到了广泛的应用，但是网规网优的软件不具备数据处理的功能，其用于模型校准的算法多为经典模型，不一定适用于当地传播环境，没有环境自适应的效果，并且其售价昂贵，成本过高。现有的模型校正方案都是在经典的传播模型的基础上，进行系数的校正，从而使得校正后的传播模型匹配当地的传播环境，目前３Ｇ传播模型普遍采用ＳＰＭ模型ＳＰＭ（ＳｔａｎｄａｒｄＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎＭｏｄｅｌ）通用传播模型，ＳＰＭ模型是建立在Ｃｏｓｔ２３１－－Ｈａｔａ模型的基础上，现己被广泛应用在移动通信设计的领域中［１３Ｉ。现有的模型校正方法大多数是采取普通的拟合校正法对７个Ｋ系数进行调整，普通的拟合校正法是在经典传播模型的基础上【¨Ｉ，首先对处理后的路测数据进行拟合，再根据拟合公式来调整经典传播模型路损公式中各个系数，使得改传播模型的预测数据曲线与实测数据拟合曲线尽可能重合，这样得到的ＳＰＭ新的路损公式就为校正后的预测模型。另一个传播模型校正方法是一元校正法ｌ¨】，其降低了计算复杂度也为低成本校正法，其只考虑距离因子系数以及跟频率有关的常熟系数，并不考虑因地物所引起的地貌损耗或者绕射损耗等因子，用一元一次线性最ｄ，－－乘法对模型的ｋｌ、ｋ２两个系数进行校正。拟合校正法由于需要进行数据拟合，拟合的方法不同，校正后的误差分析结果也会大不相同。而一元校正法虽然降低了计算复杂度，但是由于地物信息的复杂，实际应用价值并不高。１．３课题研究的意义一般在进行无线网络规划设计时，通常根据计算机的模拟软件进行模拟仿真预测，即通信系统的静态或作者动态仿真，以提高网络规划设计的合理性、有基于ＬＴＥ系统的传播模型及模型校正算法研究效性以及准确度，从而减少网规过程中的资源浪费，提高资源利用率，达到节省成本的效果。然而在利用计算机的模拟软件进行仿真分析时，仿真结果的准确性很大程度上依赖于模拟中所使用的无线传播模型是否能有效的匹配当地的无线传播环境，所以在进行系统级仿真前，必须要进行传播模型的校正，从而得到一个与当地无线传播环境相匹配的传播模型。而我们所使用的经典传播模型是是根据大量的实际测试数据的统计，遵循数据变化的规律总结出来的。对于差异较大的传播环境区域，传播模型必须要根据无线传播环境的变化进行调整的，而模型校正算法的选择会直接影响到校正后模型的准确性，所以对无线电波传播模型及模型校正算法的研究显得非常重要。１．４论文研究内容本文第一章主要对论文的研究背景、研究现状以及研究意义进行探讨，第二章对无线传播环境以及电波传播原理进行概述，然后针对现有的经典传播模型进行仿真分析，根据基于ｍａｔｌａｂ仿真的传播模型结果进行分析，得到最适合ＬＴＥ系统所使用的经典传播模型。第三章对传播模型校正步骤及链路预算理论进行简述，对ＣＷ数据处理步骤进行了仿真演示。第四章为基于实测数据的传播模型校正，包括路测设备参数设置、ＣＷ数据的详细处理、提出了改进的传播模型校正算法以及基于改进算法的模型校正软件的开发。第五章为校正结果的分析，包括改进校正算法的实际验证结果，模型校正软件的校正结果分析以及链路预算表的计算。模型校正结果分析是对校正后的模型误差进行分析，链路预算分析，即在校正好的传播模型基础上根据收发端的参数设置进行计算，从而得到上下行链路预算表。第六章为论文的总结与展望。