丁　滔　重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士研究生在讀何桂立　中國信息通信研究院西部分院院長

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室內(nèi)傳播模型校正方法研究

丁滔重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士研究生在讀
何桂立中國信息通信研究院西部分院院長

摘要在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃以及無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中，電磁波的傳播模型得到了廣泛的運用。本文基于經(jīng)驗統(tǒng)計型傳播模型提出了一種傳播模型校正方法，包括數(shù)據(jù)測試、數(shù)據(jù)處理，以及數(shù)據(jù)與經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷臄M合的方法。

關(guān)鍵詞傳播模型校正室內(nèi)傳播模型CW測試

1　引言

電磁波傳播模型在無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)劃以及無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中具有較大作用。在處理無線網(wǎng)絡(luò)問題時，通過電磁波傳播模型可以預(yù)測出終端接收的信號強度。電磁波傳播模型可以分為經(jīng)驗統(tǒng)計型傳播模型和確定型傳播模型。

確定型模型通過運用復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程將傳播環(huán)境以及電磁波與障礙物的相互作用表現(xiàn)出來。在運用確定型模型進(jìn)行校正的時候，計算復(fù)雜程度以及負(fù)載非常高。

經(jīng)驗統(tǒng)計型模型通過數(shù)學(xué)公式將電磁波在傳播過程中所遇到的障礙對傳播的影響表現(xiàn)出來。這些公式是通過大量數(shù)據(jù)測試所統(tǒng)計出來的。在運用到新場景的時候，需要運用在新場景中進(jìn)行測試所得到的數(shù)據(jù)對傳播模型進(jìn)行校正，模型校正的計算負(fù)載比較低。校正出的傳播模型能準(zhǔn)確地展示新場景的傳播環(huán)境特性。

考慮到確定型模型計算負(fù)載偏高以及經(jīng)驗統(tǒng)計型模型能準(zhǔn)確地展示出傳播場景的傳播環(huán)境特性，所以本文主要基于經(jīng)驗統(tǒng)計型傳播模型進(jìn)行研究，并提出了一種可行的傳播模型校正方法。

2　室內(nèi)傳播模型介紹

室內(nèi)是一個非常重要的無線通信應(yīng)用場景。所以在研究室內(nèi)的發(fā)生通信時，對攜帶信息的電磁波的傳播方式進(jìn)行研究就顯得非常重要。電磁波傳播模型能夠具體展現(xiàn)出電磁波在不同環(huán)境中的傳播特性。已有室內(nèi)無線傳播模型相對于已有室外無線傳播模型較少，目前經(jīng)驗型室內(nèi)傳播模型有Keenan-Motley、ITU-R P.1238、對數(shù)距離路徑損耗、衰減因子等幾種較為經(jīng)典的傳播模型。但由于對數(shù)距離路徑損耗模型偏差較大，所以很少使用，而其他3個模型在實際工作中都有所采用。

下面將簡單介紹Keenan-Motley、ITU-RP.1238和衰減因子這3種較為常用的室內(nèi)傳播模型。

（1）Keenan-Motley模型

Keenan-Motley模型在自由空間傳播模型的基礎(chǔ)上增加了墻壁和地板的穿透損耗。模型所使用的公式（1）為：

其中，L表示路徑損耗值，單位dB；f表示頻率，單位MHz；d表示移動通信終端與設(shè)備之間的距離，單位m；P為墻壁損耗參考值；W為墻壁數(shù)目。

（2）衰減因子模型

衰減因子傳播模型包括建筑物類型影響以及阻擋物引起的變化。這一模型靈活性強，衰減因子模型如公式（2）所示：

其中，L表示路徑損耗值，單位dB；d表示移動通信終端與設(shè)備之間的距離，單位m；d0表示移動通信終端與設(shè)備之間參考距離，單位m；nSF表示同層測試的指數(shù)值；FAF表示建筑物特定數(shù)目樓層的衰減因子。

（3）ITU-RP.1238模型

ITU-RP.1238建議書中所描述的模型考慮了穿過多層樓板的損耗，以便考慮樓層之間諸如頻率重復(fù)使用這樣的一些特性?；灸Ｐ腿绻剑?）所示：

其中，L表示路徑損耗值，單位dB；f表示頻率，單位MHz；d表示移動通信終端與設(shè)備之間的距離，單位m；N表示距離損耗系數(shù)；Lf表示樓層穿透因子，單位dB；n表示移動通信終端與設(shè)備之間的樓板數(shù)量。

由于以上3種模型都是根據(jù)大量測試所總結(jié)出的經(jīng)驗得來，并不能直接運用到現(xiàn)實的場景中，需要在實際場景中對路徑損耗值進(jìn)行測量，根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行校正，才能得出符合所涉及到室內(nèi)場景的傳播模型。

3　數(shù)據(jù)測量及處理

在傳播模型校正過程中，準(zhǔn)確豐富的測量數(shù)據(jù)是得到與實際場景相符合的傳播模型的前提。在實際的場強測試中，要針對所處場景的實際無線環(huán)境進(jìn)行連續(xù)波測試，即CW測試。

3.1CW測試

CW測試是在模型校正過程中較為常用的一種路徑損耗測試方法。該測試主要通過將模擬信號設(shè)定到指定頻點及功率，通過天線發(fā)射出去，經(jīng)過一定距離傳播后，由接收平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。CW測試法所采集得到的數(shù)據(jù)能夠體現(xiàn)出被測地點周圍環(huán)境對電磁波傳播過程中路徑損耗的影響程度。

由于電磁波在傳播過程中會有慢衰落和快衰落，而傳播模型需要保留慢衰落，平滑快衰落。根據(jù)William C. Y. Lee博士所提出的測量準(zhǔn)則可以確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，該測量準(zhǔn)則為在測試信號的40個波長內(nèi)必須滿足有36～50個采樣點，這樣就可以使校正后的傳播模型滿足保留慢衰落，平滑快衰落這一目標(biāo)。

3.2數(shù)據(jù)處理

根據(jù)發(fā)射天線與數(shù)據(jù)采集時的接收天線之間的距離，將采樣數(shù)據(jù)分成若干組，按組對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

由于在任何的測量中都不可避免地存在誤差，為了提高測量的精度，必須盡可能地消除或者減小誤差。測量中的誤差按照產(chǎn)生的原因可以分為隨機誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差。在處理數(shù)據(jù)時，可以根據(jù)不同類型的誤差對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

由統(tǒng)計學(xué)和概率論可知，減少隨機誤差最有效的一種方法是對被測數(shù)據(jù)進(jìn)行多次測量，取平均值。所以，為了測量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，在進(jìn)行測量時需要在一個采樣點上進(jìn)行多次測量。系統(tǒng)誤差可能是測量裝置或者測量方法所引起的，所以為了減小系統(tǒng)誤差，在進(jìn)行CW測試前，需要對測量儀器儀表進(jìn)行校正。在處理數(shù)據(jù)時，消除系統(tǒng)誤差的基本方法有交換法、替代法、正負(fù)補償法、對稱法和周期法這5種，可以根據(jù)不同的情況選擇不同的方法。引起粗大誤差的主要原因有兩點：一是測試人員引起，二是客觀外界條件引起。粗大誤差的數(shù)值比較大，會對測量結(jié)果產(chǎn)生明顯的歪曲，所以一旦發(fā)現(xiàn)粗大誤差的測量值，需要將其從測量結(jié)果中剔除掉。判別出大誤差的準(zhǔn)則有3δ準(zhǔn)則（萊以特準(zhǔn)則）、羅曼若夫斯基準(zhǔn)則、格羅布準(zhǔn)則和狄克松準(zhǔn)則。而在實際的工作中，常常使用3δ準(zhǔn)則對粗大誤差進(jìn)行判別。

4　傳播模型校正

4.1選擇傳播模型

上文介紹了3種比較常用的經(jīng)驗型室內(nèi)傳播模型，經(jīng)過研究可知Keenan-Motley模型是在自由空間傳播模型的基礎(chǔ)上增加了墻壁和地板的穿透損耗。但Keenan-Motley模型沒有考慮到多徑的影響，且僅把穿透損耗僅僅作為是墻壁數(shù)目和墻壁損耗參考值的乘積，而且對所有的墻壁取相同的穿透損耗，不是很準(zhǔn)確。所以，在本次研究中將不會選擇Keenan-Motley模型作為被校正傳播模型。

由衰減因子模型的表達(dá)式可知，其路徑損耗值只與發(fā)射和接收天線之間的距離有關(guān)，與發(fā)射天線所發(fā)射出的信號頻率無關(guān)，與本文所介紹的CW測試法所測出與頻率相關(guān)路徑損耗值不相符。所以，本文不選衰減因子模型作為被校正傳播模型。

ITU-R P.1238模型用于典型的室內(nèi)環(huán)境，并具有較低的環(huán)境相關(guān)性，也考慮了在室內(nèi)多墻體以及多樓層的影響。所以，本文將選擇ITU-R P.1238模型作為被校正傳播模型進(jìn)行校正及研究。

4.2模型校正

ITU-R P.1238模型的表達(dá)式為：

其中，Lf為樓層穿透因子，在校正過程中，將Lf與公式（4）中的“-28”看作為常數(shù)，表示為K2；因為CW測試所得數(shù)據(jù)為在某一指定頻率下所測試出的數(shù)據(jù)，所以公式（4）中頻率f為已知常量，即20log（f）是一個常數(shù)，可以用C來代替；將lg（d）當(dāng)作一個自變量，用x代替，N用K1代替，則公式（4）可以表示為：

由公式（5）可知，L（dB）與X線性相關(guān)。使用最小二乘法對公式（5）進(jìn)行線性擬合，便可得出K1與K2的值，完成對傳播模型的校正。該數(shù)據(jù)測試及模型校正流程如圖1所示。

圖1　數(shù)據(jù)測試及模型校正流程

4.3試驗及校正結(jié)果

筆者對某工廠一個車間內(nèi)頻率為2350MHz的電磁波傳播模型進(jìn)行預(yù)測，這個頻點可以代表TD-LTE傳播制式的工作頻率，圖2所示為其車間平面圖。其中，黑色區(qū)域為儀表放置及工人工作區(qū)域，空白區(qū)域為過道或休息區(qū)域。該車間長12m，寬5m。

圖2　某車間平面圖

頻率為2350MHz的電磁波，其波長為0.13m，40個波長的距離為5.2m，在該車間內(nèi)進(jìn)行CW測試時，測試總長度為80個波長的長度，即10.4m，每隔一個波長的距離（即0.13m）選擇一個采樣點，本次測試選擇80個采樣點，在每個采樣點上進(jìn)行20次測試。測試時需要在該車間內(nèi)不同的位置進(jìn)行測試，這樣測試出的數(shù)據(jù)才能充分地反映該車間電磁波傳播的情況。對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，再結(jié)合數(shù)據(jù)對ITU-RP.1238模型進(jìn)行擬合。

將lg（d）當(dāng)作為一個整體，一個自變量，則擬合出的傳播模型為：

采樣數(shù)據(jù)與擬合后的結(jié)果如圖3所示。

將公式（6）中的X還原為lg（d），則公式（6）可以改寫為公式（7），即：

公式（7）就是最后校正完成的該車間在2350MHz頻率下電磁波的傳播模型，圖4為距離d與路徑損耗的直觀關(guān)系圖。從圖4可以得知，路徑損耗隨著距離的增長呈非線性變化。

4.4校正結(jié)果分析

對傳播模型進(jìn)行校正的主要目的是通過使用測量值對原始傳播模型進(jìn)行擬合，使傳播模型的系數(shù)能夠得到最優(yōu)化的線性回歸。

圖3　lg（d）與路徑損耗關(guān)系圖

圖4　距離與路徑損耗關(guān)系

在分析校正后模型與實際測試數(shù)據(jù)的擬合程度時，需要運用校正后模型與實際測試數(shù)據(jù)的平均差Mean Error、校正后模型與實際測試數(shù)據(jù)的均方根誤差RMS Error、校正后模型與實際測試數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差Std. Dev. Error以及校正后模型與實際測試數(shù)據(jù)的互相關(guān)系數(shù)Corr. Coeff。

常用模型校正結(jié)果分析判別準(zhǔn)則有以下3點：

（1）校正后模型與實際測試數(shù)據(jù)的平均差Mean Error＜1dB。

（2）校正后模型與實際測試數(shù)據(jù)的均方根誤差RMS Error＜8dB。

（3）互相關(guān)系數(shù)Corr. Coeff在0.6～1之間。

運用MATLAB可以計算出此次模型擬合的平均差Mean Error為0.2536dB，均方根誤差RMS Error為0.5993dB，互相關(guān)系數(shù)Corr. Coeff為0.9698。根據(jù)模型校正結(jié)果分析判別準(zhǔn)則可知本次校正后模型擬合程度較高。

5　結(jié)束語

室內(nèi)傳播模型研究相對于室外傳播模型研究較少，但隨著通信技術(shù)的發(fā)展，許多無線通信過程都是在室內(nèi)發(fā)生。研究室內(nèi)傳播模型對研究室內(nèi)無線通信以及室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃有著重要的意義。

本文提出了一種對室內(nèi)傳播模型進(jìn)行校正的方法，該方法包括在數(shù)據(jù)測量時采樣點的選擇，測量數(shù)據(jù)的處理以及運用測量數(shù)據(jù)與已有經(jīng)驗型傳播模型擬合的方法，并通過實踐及仿真證明，使用該方法校正后的傳播模型符合模型校正結(jié)果分析判別準(zhǔn)則。

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中創(chuàng)信測技術(shù)專欄

Research on the Method of Indoor Radio Wave Propagation Model Calibration

AbstractThe radio propagation model is widely used in wireless network planning and wireless network optimization. In this paper，we presented a method of indoor radio wave propagation model calibration based on empirical model. This method include data test，data processing and a way to fitting the data and the empirical model.

Key wordspropagation model calibration，indoor wave propagation，CW test

收稿日期：（2015-12-17）