DTMB单频网规划中电波传播模型的选取与校正

李彩伟，张晓林，于志坚，李 铀

(1.北京航空航天大学数字电视国家重点实验室，北京 100191;2.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094)

单频网因其诸多优点成为地面数字电视覆盖网络优先选择的组网形式，比如频谱利用率高、功率小等［1］。目前我国处于基于地面数字电视传输标准DTMB［2］单频网网络建设的过程中，电波传播模型的准确程度与网络规划的好坏密不可分，然而不同的传播模型有不同的适用范围，不同的地形、地物、地貌对电波传播的影响不同，因此没有普遍适用的模型。在实际规划中，只有基于实际的无线环境进行现场测试，将路径损耗实测数据与预测值对比，依据一定准则选取一种传播模型，并采用一定的算法对选取的模型进行校正，从而使适用于该规划区的无线传播模型具有理论可靠性，该模型能够较准确地反映规划区无线传播环境特点，能较准确地预测路径损耗和场强值，进而更加科学地规划设计国标地面数字电视覆盖网络。

1 现场测试方法

1.1 连续波测试理论

实测数据可以通过连续波测试和现网测试获得，相比现网测试，连续波测试频率和环境选择方便，不易产生其他电波干扰和天线增益不同引起的测试误差，实测数据具有较高的准确性［3］。无线信号在传播过程中会受到空间传播损耗、阴影衰落、快衰落等多种衰减，接收信号包络可以表示为

式中:x为传播距离;r0(x)为瑞利衰落信号;m(x)为本地均值，即慢衰落和空间传播损耗的合成，是连续波测试期望测得的数据，估计式为

式中:2L为平均采样区间长度，又称本征长度。其取值长短影响到测试数据均值与实际本地均值的逼近程度。在本征长度为40个波长，采样36～50个样点时，可使测试数据均值与实际本地均值之差小于1 dB［4］。

对于国标地面数字电视网络，假设其中心频率为600 MHz，波长 λ 为0.5 m，则有

设定这个值是与距离相关的采样门限值T，就可以得到测试车辆的移动速度v、前台测试设备的采样速率R和T的关系为

假定前台设备采样速率R为50个/s，即20 ms测量一组瞬时接收功率，则对车速的要求

在测试中，数据采集应该按照上述标准来设置前台设备的采样率和相应的车速，尽量保持匀速行驶。

1.2 测试台站的选择

根据测试台站的数目及选择站址的原则［3］，选择3个台站，如图1所示。

图1 测试站点分布图(截图)

A发射台传播环境属于市区环境，其天线高度为345 m，故近距离内不会存在严重的遮挡;B，C发射台属于郊区环境，通过实地观察，周围100 m内主要分布有30～50 m的建筑物，满足测试台站的选取原则。

1.3 测试区域的选取

不同传播环境对电波的传播特性的影响各不相同，因此需要对不同的环境类别分别进行测量及模型校正［5］。规划区域属于比较复杂的大型城市和郊区结合的传播环境，因此，在进行测试时主要将区域分为普通城区和郊区两部分。

1.4 测试线路的确定

为了提高测试数据的准确性，需要按照预先规划好的测试路线进行路测。根据规划测试路线应考虑的几个方面［6］，在进行测试时，测试车辆匀速围绕测试站点从近到远按照环形测试路线行驶。选定的部分测试路线如图2所示。

图2 国标地面数字电视外场测试线路示意图(截图)

1.5 路测数据处理

车载测试数据包括路测时间、路测点经纬度、瞬时接收功率和误码率等信息，首先滤除时间信息和经纬度信息不存在或者不合理的无效测试点，然后滤除接收功率瞬时值大于-30 dBm或小于-100 dBm的测试点。此外，由于无线信道包括了快衰落和慢衰落两部分，测试得到的瞬时接收功率包含了快衰落和慢衰落的瞬时功率值。为平均快衰落(统计区间为40 λ时阴影衰落影响可以忽略)，对落在统计区间的所有瞬时接收功率进行算术平均得到每个测试接收点的接收功率均值。第i个测试接收点的接收功率均值为

式中:Ni是落在第i个统计区间的瞬时接收功率个数。

第i个测试接收点的路径损耗为

式中:EIRPt为发射台有效发射功率;Pt为发射台发射功率;Gt为发射天线增益;Lb为发射台线路损耗;Gr为接收天线增益;Lother为人体和车辆穿透损耗。

2 无线电波模型的选取

常见的5种可以应用于VHF/UHF频段地面数字电视覆盖网络链路预算的电波传播模型有ITU-R P.370模型、ITU-R P.1546 模型、ITU-R P.526 模型、Okumura-Hata模型及 COST231-Hata 模型［7-8］。

图5 各测试接收点实测功率与预测功率曲线图

经统计计算，各个模型下预测功率值与实测功率值之间的均方误差分别为σoku-hata=10.234，σcost231=8.412，σ1546=8.694=14.658。其中选取COST231-Hata模型得到的预测功率值与实测功率值之间的均方误差最小，因此选取COST231-Hata模型进行电波模型校正。

为了提高验证的可靠性，在单点B站发射和单点C站发射情况下对郊区地区进行了测试和仿真，并计算和对比测试数据的均方误差。

3 电波模型的校正

3.1 校正原理

本文采用最小二乘法算法对模型进行校正。设N个测试接收点与发射机的距离分别为{d1，d2，…，dN}，各个测试接收点的实际传播损耗为{L1，L2，…，LN}，电波传播模型预测的传播损耗为{Lp1，Lp2，…，LpN}，实际问题转化为用处理得到的实测路径损耗数据校正COST231-Hata模型中某些系数，使式(8)取最小值，即链路损耗的预测值和实测值之间的平方误差最小。

COST231-Hata模型路径损耗计算的经验公式为

式中:d为发射台与接收机之间的距离，单位为km;fc为工作频率，单位为MHz;ht为发射天线高度，单位为m;hr为接收天线高度，单位为m;α(hr)为接收天线高度校正因子，单位为dB，其公式为

Cm为大城市中心校正因子，单位为dB，其表达式为

将式(9)变换为

由式(12)可以看到，K2，K3，K4，K5，α(hr)与工作频率fc、有效的台站天线高度ht、传播距离d和接收机距地面的高度hr有关。对于每一次外场测试，fc，hr和ht为一个定值，测试数据主要随着传播距离d的改变而变化，因此主要针对衰减常数因子K1和距离衰减系数K5进行校正。

对传播距离d取对数，得到lg di，使迭代校正过程简化为线性迭代，即

模型校正的问题转化为求K1，K5使式(8)取最小值的问题，为验证校正后的模型能否符合实际测试环境［10-11］，定义链路损耗预测值的均方误差为

在fc，hr和ht不变情况下，经化简整理，式(12)的通式可以表示为

因此利用MATLAB对实测数据进行一次多项式最小二乘拟合，得到最小二乘法解a′，b′，计算校正后的K1值和K5值，得到校正后的传播模型损耗公式为

式中:K1+a′-a即校正后的K1值;K5+b′-b即校正后的 K5值;K2，K3，K4保持不变。

3.2 校正结果及分析

分别对市区及郊区环境下的电波传播模型进行校正，校正后的参数如表1所示。

利用校正后传播模型再次进行链路预算仿真，并对校正前后链路损耗的预测值与实测值之间的均方误差进行统计计算，结果如表2所示。

表1 模型参数

表2 模型校正前后统计结果

对于校正结果的误差，业界普遍认为［12］，如果校正结束时的均方误差小于8 dB，说明校正的模型基本符合了实际测试环境，否则需要重新分析从路侧到校正的整个过程。通过上述统计结果证明，校正后的路径损耗预测值与实测值的均方误差小于8 dB，校正后模型到达了电波模型校正的预期要求，该模型更接近实测值、更准确，对与该城市具有相似类型的传播环境的地区具有良好的普遍适用性。

4 小结

本文从测试台站、测试区域、测试路线以及实测数据的处理方法等几个方面介绍了基于连续波测试理论进行现场测试的过程，通过对实测数据和不同传播模型下ICS telecom仿真的预测数据进行统计计算得出COST231-Hata模型适用于该规划地区，这与COST231-Hata适用于人口稠密的大城市地区结论相符。为了进一步提高预测的准确度，采用最小二乘法校正算法对该模型进行校正，得到两种传播环境(市区、郊区)下的电波校正模型，校正后的链路损耗预测值与实测值的均方差误小于8 dB，证明了校正模型的有效性。使用该模型将极大提高该规划地区的单频网网络规划的准确性和可靠性。

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