4G移动通信城市环境电波传播特性测量与建模

摘 要

本文将从4G移动通信城市环境电波传播特性的测量原理作为出发点,浅要探讨了路径损耗的测试方法、测试模型的提取技术.希望能为我国4G时代的来临和4G移动通信的发展提供一些参考依据.

【关 键 词 】4G 电波传播特性 测试 建模

1.电波传播特性的测量原理

通常来说,电波传播特性都与发射天线高度、发射天线位置以及城市中环境对路径的损耗有莫大的关系.而城市环境中线路损PL被定义为PL（d）等于PtGtGr/Pr（d）.此定义式中,Pt是型号的发送功率；Gt和Gr分别是发射天线增益和接收天线增益；d则为天线收发之间的实际距离；而Pr（d）是指当天线收发的实际距离是d的情况下接收信号的功率大小.

故而,根据上述定义式来看,Gt和Gr分作收发天线增益乘以信号源的发送功率Pt,随后将所得结果除以Pr（d）代表的此采样点的接收信号的功率大小就能将此采样点实际情况下的路径损耗PL计算出.其中,Pt、Gt和Gr通常都是已知的参量,所以城市环境中电波传播的路径损耗PL的测试结果关键在于Pr（d）代表的信号接收功能大小和d代表的实际距离.

但是在城市的实际环境中进行电波特性的测量过程中,往往会因为车辆行驶、建筑物密度、人流变化、树木阴影以及高架路桥等引起电波的散射、折射、反射变化,Pr（d）动态随机的波动会很大,进而导致了实际无线信道在城市环境中远距离的电波传播损耗的情况下又受到了短距离随机阴影衰落的影响.

故而,在实际进行城市环境电波特性测试的过程中一定要将测试设备的采集速率规定在限定范围内,测试车的行动速度要保持在可控范围内,且高频率波段的测量还需要采样率更高的测量设备.

2.路径损耗的测试方法

2.1 线路损耗的测量系统

现阶段,4G移动通信城市环境电波特性测量的过程中,线路损耗的测量系统通常包含了发射端和接收端两个重要组成部分.而这两个组成部分又是又各自不同的构建组成.首先,测量系统中的发射端主要是由功率放大器、信号发生器以及发射天线共同组成.具体来说,信号发生器通过产生3.5GHzCW信号被功率放大器放大到一个可以进行测量的范围.而测量系统中的接收端又是通过控制计算机、频谱分析仪和GPS接收机等相关设备组成.频谱分析仪具有采样率高和噪声低的特点,可以进行输入信号功率大小的测量.而GPS接收机则可以分析出采样地点的具体地理位置.在实际进行测量的过程中,地理位置的信息与接收信号功率大小的实际测量结果往往是利用虚拟仪器测控技术进行采样同步、自动采样、自动储存.

2.2 线路损耗的测试环境

4G时代来临,4G通信技术首先是在大中型城市进行尝试性运营.故而,线路损耗的测试环境选择也应当根据实际情况选择.一般来说,依据国际上常用的场景分类方法,测量环境可以选取我国上海、北京、广州等城市的热点地区,主要是以NLOS为主.在确定了测试环境和测试主体之后,测试人员务必充分掌握测试华景的概况.例如测试环境中的场景、频率、发射天线的高度、接收天线的高度、发射功率、发射接收天线、建筑物的密度、建筑物的高度、建筑物的种类、阴影环境以及测量范围等.

2.3 线路损耗的测试线路

线路损耗的测试路线是由测试环境的选择而形成的.通常来说,测量路线应当包含各种不同的地形地貌环境.测量接受的采样周期通常定位10ms,而测试车的速度大致保持在20迈～35迈之间.在具体测量过程中一定要对多个不同路段的不同时间段进行反复多次的测量,确保测量之后的数据统计和分析更准确、更有效.

3.测试模型的提取技术

3.1 测量模型中的数据预处理

基于测试环境自身庞杂多样的情况,为了确保测量结果准确有效,就必须排除一些主客观因素的影响对测量模型中的数据预处理.通常来说,数据进行预处理首先要将进场数据点去除.这是由于受到天线的垂直波瓣宽度的限制,进场数据点的采样型号往往会受到周围环境中建筑物的影响.其次,接收信号的异常点也应当去除.在测试过程中,由于一些主客观因素的阻碍,一些采样点的型号强度会产生异常.故而,一个合理科学的工程阈值能够有效去除异常数据.再其次,由于GPS受到一些干扰,在获取卫星定位的时候偶尔会造成坐标显示异常.这种情况下就需要设定一个合理科学的工程阈值寻找出地理坐标的异常点,再根据实际情况进行地理坐标异常点的修正.此外,GPS测量获取的地理数据务必要依据卫星地图中的参考位置进行地理位置信息校准.最后,对于40个波长内的数据样本要依据李氏采样定力进行平均处理,以消除衰落影响.

3.2 4G移动通信城市环境电波传播特性测试的建模

根据上文中路径损耗PL定义式可以得到路径损耗的理论模型,即PL（d）等于A+10nlg（d/do）+X.而A等于20lg{4πdo/λ}代表了自由空间损耗,其中λ指的是发射信号波长、do是指参考距离、d代表的是基站和测量地点之间的剧、n代表的则是路径损耗指数.与此同时,式中X是阴影衰落.

所以,通过PL（d）等于A+10nlg（d/do）+X和A等于20lg{4πdo/λ}我们可以得出一元函数公式PL（d）等于APL+10nlgd+X以及关于路径损耗字数n和空间损耗A的常数项APL等于A-10nlgdo.进而,4G移动通信城市环境电波传播特性测试的模型就可以通过小二乘法离合预处理过后的相关测试数据d和PL（d）将阴影衰落反差和路径损耗指数等反应慢衰落阐述提取出来.

最后,通过最小二乘法原理来看,一旦预期回归差与各个实际测量值的平方和最小,这个理论直线就能充分反映出实际测量值的回归直线,也就是公式PL（d）等于APL+10nlgd+X.

3.结语

本文通过4G移动通信城市环境电波特性测量与建模探讨了测量理论、方法以及模型中数据提取的相关技术.但是在实际进行测量和建模的过程中,由于环境、地形地貌等复杂因素的影响,传播测试的模型会有一定的差异.所以,在进行测量和建模的过程中还应当扩大测量范围,以获取更加精准的模型,努力为4G移动通信的建设保驾护航.