LTE FDD传播模型校正

曾发龙+罗帆

【摘要】通过对友谊路局等3个密集市区和设计院等3个一般市区的实际CW路测，并对测试数据进行过滤和筛选，采用迭代拟合及均方差最小的方法，校正2.1G LTE FDD的Cost-231-哈塔经验传播模型的C0和C1参数，得到适合规划区域的2.1G LTE FDD密集市区和一般市区的传播模型。通过校正后的传播模型，计算密集市区和一般市区的覆盖半径及站间距，以指导LTE网络建设。

【关键词】LTE FDDCost-231-哈塔路测传播模型

中图分类号：TN929.5文献标识码：B文章编号：1006-1010(2014)-08-0022-05

LTE FDD Propagation Model Calibration

ZENG Fa-long, LUO Fan

(Hubei Posts and Telecommunications Planning and Design Co., Ltd., Wuhan 430023, China)

[Abstract] By the actual CW drive test for three dense urban areas (such as Friendship Railway Administration) and three general areas (such as Design Institute) and filtering the test data, C0 and C1 in Cost-231-Hata propagation model of 2.1G LTE FDD are calibrated by using the iterative fitting and mean square deviation, and then a propagation model suitable for both dense urban areas and general areas of 2.1G LTE FDD is acquired. After the calibration for the propagation model, the coverage radii and station distance of dense urban areas and general areas are calculated to guide the LTE network construction.

[Key words]LTE FDDCost-231-Hatadrive testpropagation model

随着4G牌照的发放，移动通信由3G向4G网络发展的序幕已经拉开，如何运用有效的资金建设一张具有竞争性的网络，通过4G移动网络为用户提供更高速的数据业务，是目前运营商关注的焦点。建设具有竞争性的网络，不管是3G还是4G，无线传播模型都是移动通信网建设和小区规划的基础，传播模型的选择和模型变量的准确性都会影响到基站站间距及基站数量的规划，直接影响到运营商的网络投资。不同地理环境的差异，导致无线传播环境也不相同，因此找到适合本地环境的无线传播模型就显得尤为重要。仅根据经验公式而不考虑当地无线环境差异的影响，会导致所建成的网络覆盖不足，或由于覆盖重叠过大而造成干扰加重、掉线或影响网络下载速率等质量问题。为了保证投资效益的最大化和网络的质量，运营商越来越重视传播模型能够反映当地无线环境的特性。

通常采用的方法是：通过模拟基站与路测来校正经验传播模型，并采用校正后的传播模型来规划和建设一张高质量、高覆盖的无线网络。

1 LTE FDD经验传播模型

无线传播模型主要有奥村模型[1]和哈塔模型[2]。哈塔模型主要适用在2G范围，根据不同的使用频率范围，又将哈塔传播模型分为奥村-哈塔传播模型和Cost-231-哈塔传播模型。前者适用的频率范围为150—1 500MHz，后者适用的频率范围为2GHz。

考虑到LTE网络建设的工作频段为：1 920—1 935MHz（上行，基站收、移动台发）和2 110—2 125MHz（下行，基站发、移动台收）。根据LTE FDD使用的频段范围，主要是对Cost-231-哈塔传播模型进行校正。Cost-231-哈塔经验传播模型[3]根据场景又分为城市和非城市两种，具体经验公式如下：

L=C0+(C1-C2×lg(Hb))×lg(Rd/1000)+C3×lg(fc)-

C4×lg(Hb)-a(hm)（1）

（1）城市Cost-231-哈塔模型

式（1）中，C0=49.3，C1=44.9，C2=6.55，C3=33.9，C4=13.82；Rd为基站与移动台间的距离，单位为m；fc为频段的中心频点，单位为MHz；Hb为基站天线实际海拔高度与基站沿传播方向实际距离内的平均地面海拔高度差，单位为m；hm为移动台天线高出地表的高度，单位为m；a(hm)为有效天线修正因子，a(hm)=3.2(lg(11.75hm))2-4.97(fc≥300MHz)。

（2）非城市Cost-231-哈塔模型

式（1）中，C0=46.3，C1=44.9，C2=6.55，C3=33.9，C4=13.82；Rd、fc、Hb、hm意思与城市Cost-231-哈塔模型中一致；a(hm)=1.1(lg(fc)-0.7)hm-[1.56lg(fc)-0.8]。

在上述的经验公式[4]中，影响传播的主要因素包括：工作频段、收发天线间的距离、基站天线安装的高度/移动台天线高度、地理环境（如地形地貌）等。这些因素在经验传播模型的路径损耗公式中以变量形式反映。不同地区的地理环境、建筑物的高度等因素对传播影响的程度也不相同，因此经验传播模型在具体环境下应用时，对应的变量也不同。为准确地预测本地的传播路径损耗，需找到能反映本地特点的传播模型的合理变量[5]。

2 经验传播模型变量校正的原理与步骤

经验传播模型变量校正的原理为：模拟基站发射信号，通过车载测试得到相应的路径损耗测试数据，再通过数据过滤和筛选并采用适当的拟合方法，用测试数据对经验传播模型公式的关键变量项进行拟合，使得校正后公式的预测值和实测数据误差方差最小。通过校正后的传播模型对当地路径损耗预测的准确性会大幅提高，能较好地反映无线环境特性。具体分为以下三步[6]进行：

（1）数据准备：准备数字地图、路测发射机、接收机和相关天线馈线。先对数字地图进行校正，然后设计测试方案，选择测试点和测试路线并进行路测，同时记录本地的测试信号场强和GPS等数据。

（2）路测数据后处理：对路测数据进行电平和距离筛选、过滤处理，得到可用于传播模型校正的路径损耗数据。

（3）模型校正：通过Atoll仿真软件对过滤后的数据进行拟合迭代，校正经验传播模型中的主要变量，保证校正后模型预测值和实测值误差最小。一般传播模型校正流程如图1所示：

图1传播模型校正流程图

3 模拟基站及路测数据

模拟基站主要由信号发生器、功率放大器和发射天线构成。信号发生器产生中心频率为2 117MHz、信号强度为1dBm的测试CW信号。功率放大器将CW信号进行功率放大，放大系数为40，即将输入功率为1dBm测试信号放大为输出功率40dBm，再通过增益为4.5dB的发射天线进行发射。

为了校正密集市区和一般市区的传播模型，在密集市区和一般市区选择6个站点进行模拟并测试，其测试结果如图2和图3所示。

4 数据处理及模型校正

为保证校正数据的合理性，在经验模型变量校正之前，先对上述路测数据进行过滤。校正时最好选择中间数值，较大或较小的数值均会影响校正结果，故将场强大于-40dBm和小于-100dBm的数据滤除，同时将距离大于1 500m和小于100m的数据滤除。再运用Atoll仿真软件对其变量进行拟合校正，校正后输出结果为：

（1）密集市区推荐传播模型

式（1）中，C0=49.23，C1=57.70，C2=6.55，C3=33.9，C4=13.82。

（2）一般市区推荐传播模型

式（1）中，C0=46.03，C1=49.02，C2=6.55，C3=33.9，C4=13.82。

5 校正后传播模型预测和实测数据的比对

为验证校正后传播模型变量的合理性，采用校正后的传播模型对测试的路径衰耗进行预测，并和实测的路径衰耗数据进行比较，具体结果如图4和图5所示（红线为预测数据，黑线为实测数据）。

通过对预测损耗数据和实测损耗数据的均方差计算，密集市区校正后预测损耗和路测实际损耗的均方差为7.35；一般市区校正后预测损耗和路测实际损耗的均方差为6.87，其误差的均方差小于8dB，因此变量校正的结果是可行的。

6 LTE FDD校正后传播模型预测的基站

覆盖半径

根据上述校正的传播模型和LTE的系统参数[7]，计算2.1G FDD LTE上下行链路的室内覆盖半径如表1所示。

若采用标准的Cost-231-哈塔经验传播模型计算，则密集市区和一般市区都为城区，其计算的基站站距均为0.39km，按照基站覆盖的面积计算基站数量分别为校正后数量的2倍和4倍，这样会大大浪费建设投资并影响网络的质量。因此，运营商在4G移动网络建设前进行适当的传播模型校正是十分必要的。

参考文献：

[1] Okumura T, Ojmori E, Fukuda K. Field Strength and Its Variability in VHF and UHF Land Mobile Service[J]. Review Electrical Communication Laboratory, 1968,16: 9-10.

[2] Hata, Masaharu. Empirical Formular for Propagation Loss in Land Mobile Radio Services[A]. IEEE Transactions on Vehicular Technology[C]. 1980: 3-7.

[3] Theodore S Rappaport. Wireless Communcations Principles and Practice[M]. 北京: 清华大学出版社, 1999.

[4] 张良德. 无线传播模型研究[J]. 信息通信, 2011(3): 18-19.

[5] 张良德. 密集市区传播模型研究[A]. 2008年“ICT助力两型社会建设”学术研讨会论文集[C]. 2008.

[6] 肖开宏,等. LTE无线网络规划与设计[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2012.

[7] 程鸿雁,朱晨鸣,王太峰,等. FDD-LTE无线网络规划与设计[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2012.★

作者简介

曾发龙：高级工程师，现任职于湖北邮电规划设计有限公司，主要从事无线G网、C网和WCDMA网的规划和设计工作。

罗帆：工程师，现任职于湖北邮电规划设计有限公司，主要从事无线G网、C网和WCDMA网的规划和设计工作。

3 模拟基站及路测数据

模拟基站主要由信号发生器、功率放大器和发射天线构成。信号发生器产生中心频率为2 117MHz、信号强度为1dBm的测试CW信号。功率放大器将CW信号进行功率放大，放大系数为40，即将输入功率为1dBm测试信号放大为输出功率40dBm，再通过增益为4.5dB的发射天线进行发射。

为了校正密集市区和一般市区的传播模型，在密集市区和一般市区选择6个站点进行模拟并测试，其测试结果如图2和图3所示。

4 数据处理及模型校正

为保证校正数据的合理性，在经验模型变量校正之前，先对上述路测数据进行过滤。校正时最好选择中间数值，较大或较小的数值均会影响校正结果，故将场强大于-40dBm和小于-100dBm的数据滤除，同时将距离大于1 500m和小于100m的数据滤除。再运用Atoll仿真软件对其变量进行拟合校正，校正后输出结果为：

（1）密集市区推荐传播模型

式（1）中，C0=49.23，C1=57.70，C2=6.55，C3=33.9，C4=13.82。

（2）一般市区推荐传播模型

式（1）中，C0=46.03，C1=49.02，C2=6.55，C3=33.9，C4=13.82。

5 校正后传播模型预测和实测数据的比对

为验证校正后传播模型变量的合理性，采用校正后的传播模型对测试的路径衰耗进行预测，并和实测的路径衰耗数据进行比较，具体结果如图4和图5所示（红线为预测数据，黑线为实测数据）。

通过对预测损耗数据和实测损耗数据的均方差计算，密集市区校正后预测损耗和路测实际损耗的均方差为7.35；一般市区校正后预测损耗和路测实际损耗的均方差为6.87，其误差的均方差小于8dB，因此变量校正的结果是可行的。

6 LTE FDD校正后传播模型预测的基站

覆盖半径

根据上述校正的传播模型和LTE的系统参数[7]，计算2.1G FDD LTE上下行链路的室内覆盖半径如表1所示。

若采用标准的Cost-231-哈塔经验传播模型计算，则密集市区和一般市区都为城区，其计算的基站站距均为0.39km，按照基站覆盖的面积计算基站数量分别为校正后数量的2倍和4倍，这样会大大浪费建设投资并影响网络的质量。因此，运营商在4G移动网络建设前进行适当的传播模型校正是十分必要的。

参考文献：

[1] Okumura T, Ojmori E, Fukuda K. Field Strength and Its Variability in VHF and UHF Land Mobile Service[J]. Review Electrical Communication Laboratory, 1968,16: 9-10.

[2] Hata, Masaharu. Empirical Formular for Propagation Loss in Land Mobile Radio Services[A]. IEEE Transactions on Vehicular Technology[C]. 1980: 3-7.

[3] Theodore S Rappaport. Wireless Communcations Principles and Practice[M]. 北京: 清华大学出版社, 1999.

[4] 张良德. 无线传播模型研究[J]. 信息通信, 2011(3): 18-19.

[5] 张良德. 密集市区传播模型研究[A]. 2008年“ICT助力两型社会建设”学术研讨会论文集[C]. 2008.

[6] 肖开宏,等. LTE无线网络规划与设计[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2012.

[7] 程鸿雁,朱晨鸣,王太峰,等. FDD-LTE无线网络规划与设计[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2012.★

作者简介

曾发龙：高级工程师，现任职于湖北邮电规划设计有限公司，主要从事无线G网、C网和WCDMA网的规划和设计工作。

罗帆：工程师，现任职于湖北邮电规划设计有限公司，主要从事无线G网、C网和WCDMA网的规划和设计工作。

3 模拟基站及路测数据

模拟基站主要由信号发生器、功率放大器和发射天线构成。信号发生器产生中心频率为2 117MHz、信号强度为1dBm的测试CW信号。功率放大器将CW信号进行功率放大，放大系数为40，即将输入功率为1dBm测试信号放大为输出功率40dBm，再通过增益为4.5dB的发射天线进行发射。

为了校正密集市区和一般市区的传播模型，在密集市区和一般市区选择6个站点进行模拟并测试，其测试结果如图2和图3所示。

4 数据处理及模型校正

为保证校正数据的合理性，在经验模型变量校正之前，先对上述路测数据进行过滤。校正时最好选择中间数值，较大或较小的数值均会影响校正结果，故将场强大于-40dBm和小于-100dBm的数据滤除，同时将距离大于1 500m和小于100m的数据滤除。再运用Atoll仿真软件对其变量进行拟合校正，校正后输出结果为：

（1）密集市区推荐传播模型

式（1）中，C0=49.23，C1=57.70，C2=6.55，C3=33.9，C4=13.82。

（2）一般市区推荐传播模型

式（1）中，C0=46.03，C1=49.02，C2=6.55，C3=33.9，C4=13.82。

5 校正后传播模型预测和实测数据的比对

为验证校正后传播模型变量的合理性，采用校正后的传播模型对测试的路径衰耗进行预测，并和实测的路径衰耗数据进行比较，具体结果如图4和图5所示（红线为预测数据，黑线为实测数据）。

通过对预测损耗数据和实测损耗数据的均方差计算，密集市区校正后预测损耗和路测实际损耗的均方差为7.35；一般市区校正后预测损耗和路测实际损耗的均方差为6.87，其误差的均方差小于8dB，因此变量校正的结果是可行的。

6 LTE FDD校正后传播模型预测的基站

覆盖半径

根据上述校正的传播模型和LTE的系统参数[7]，计算2.1G FDD LTE上下行链路的室内覆盖半径如表1所示。

若采用标准的Cost-231-哈塔经验传播模型计算，则密集市区和一般市区都为城区，其计算的基站站距均为0.39km，按照基站覆盖的面积计算基站数量分别为校正后数量的2倍和4倍，这样会大大浪费建设投资并影响网络的质量。因此，运营商在4G移动网络建设前进行适当的传播模型校正是十分必要的。

参考文献：

[1] Okumura T, Ojmori E, Fukuda K. Field Strength and Its Variability in VHF and UHF Land Mobile Service[J]. Review Electrical Communication Laboratory, 1968,16: 9-10.

[2] Hata, Masaharu. Empirical Formular for Propagation Loss in Land Mobile Radio Services[A]. IEEE Transactions on Vehicular Technology[C]. 1980: 3-7.

[3] Theodore S Rappaport. Wireless Communcations Principles and Practice[M]. 北京: 清华大学出版社, 1999.

[4] 张良德. 无线传播模型研究[J]. 信息通信, 2011(3): 18-19.

[5] 张良德. 密集市区传播模型研究[A]. 2008年“ICT助力两型社会建设”学术研讨会论文集[C]. 2008.

[6] 肖开宏,等. LTE无线网络规划与设计[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2012.

[7] 程鸿雁,朱晨鸣,王太峰,等. FDD-LTE无线网络规划与设计[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2012.★

作者简介

曾发龙：高级工程师，现任职于湖北邮电规划设计有限公司，主要从事无线G网、C网和WCDMA网的规划和设计工作。

罗帆：工程师，现任职于湖北邮电规划设计有限公司，主要从事无线G网、C网和WCDMA网的规划和设计工作。