室内传播模型校正方法研究

丁　滔　重庆邮电大学通信与信息工程学院硕士研究生在读何桂立　中国信息通信研究院西部分院院长



室内传播模型校正方法研究

丁滔重庆邮电大学通信与信息工程学院硕士研究生在读
何桂立中国信息通信研究院西部分院院长

摘要在无线网络规划以及无线网络优化中，电磁波的传播模型得到了广泛的运用。本文基于经验统计型传播模型提出了一种传播模型校正方法，包括数据测试、数据处理，以及数据与经验模型的拟合的方法。

关键词传播模型校正室内传播模型CW测试

1　引言

电磁波传播模型在无线网络系统规划以及无线网络优化中具有较大作用。在处理无线网络问题时，通过电磁波传播模型可以预测出终端接收的信号强度。电磁波传播模型可以分为经验统计型传播模型和确定型传播模型。

确定型模型通过运用复杂的数学方程将传播环境以及电磁波与障碍物的相互作用表现出来。在运用确定型模型进行校正的时候，计算复杂程度以及负载非常高。

经验统计型模型通过数学公式将电磁波在传播过程中所遇到的障碍对传播的影响表现出来。这些公式是通过大量数据测试所统计出来的。在运用到新场景的时候，需要运用在新场景中进行测试所得到的数据对传播模型进行校正，模型校正的计算负载比较低。校正出的传播模型能准确地展示新场景的传播环境特性。

考虑到确定型模型计算负载偏高以及经验统计型模型能准确地展示出传播场景的传播环境特性，所以本文主要基于经验统计型传播模型进行研究，并提出了一种可行的传播模型校正方法。

2　室内传播模型介绍

室内是一个非常重要的无线通信应用场景。所以在研究室内的发生通信时，对携带信息的电磁波的传播方式进行研究就显得非常重要。电磁波传播模型能够具体展现出电磁波在不同环境中的传播特性。已有室内无线传播模型相对于已有室外无线传播模型较少，目前经验型室内传播模型有Keenan-Motley、ITU-R P.1238、对数距离路径损耗、衰减因子等几种较为经典的传播模型。但由于对数距离路径损耗模型偏差较大，所以很少使用，而其他3个模型在实际工作中都有所采用。

下面将简单介绍Keenan-Motley、ITU-RP.1238和衰减因子这3种较为常用的室内传播模型。

（1）Keenan-Motley模型

Keenan-Motley模型在自由空间传播模型的基础上增加了墙壁和地板的穿透损耗。模型所使用的公式（1）为：

其中，L表示路径损耗值，单位dB；f表示频率，单位MHz；d表示移动通信终端与设备之间的距离，单位m；P为墙壁损耗参考值；W为墙壁数目。

（2）衰减因子模型

衰减因子传播模型包括建筑物类型影响以及阻挡物引起的变化。这一模型灵活性强，衰减因子模型如公式（2）所示：

其中，L表示路径损耗值，单位dB；d表示移动通信终端与设备之间的距离，单位m；d0表示移动通信终端与设备之间参考距离，单位m；nSF表示同层测试的指数值；FAF表示建筑物特定数目楼层的衰减因子。

（3）ITU-RP.1238模型

ITU-RP.1238建议书中所描述的模型考虑了穿过多层楼板的损耗，以便考虑楼层之间诸如频率重复使用这样的一些特性。基本模型如公式（3）所示：

其中，L表示路径损耗值，单位dB；f表示频率，单位MHz；d表示移动通信终端与设备之间的距离，单位m；N表示距离损耗系数；Lf表示楼层穿透因子，单位dB；n表示移动通信终端与设备之间的楼板数量。

由于以上3种模型都是根据大量测试所总结出的经验得来，并不能直接运用到现实的场景中，需要在实际场景中对路径损耗值进行测量，根据测量得到的数据对模型进行校正，才能得出符合所涉及到室内场景的传播模型。

3　数据测量及处理

在传播模型校正过程中，准确丰富的测量数据是得到与实际场景相符合的传播模型的前提。在实际的场强测试中，要针对所处场景的实际无线环境进行连续波测试，即CW测试。

3.1CW测试

CW测试是在模型校正过程中较为常用的一种路径损耗测试方法。该测试主要通过将模拟信号设定到指定频点及功率，通过天线发射出去，经过一定距离传播后，由接收平台对数据进行采集。CW测试法所采集得到的数据能够体现出被测地点周围环境对电磁波传播过程中路径损耗的影响程度。

由于电磁波在传播过程中会有慢衰落和快衰落，而传播模型需要保留慢衰落，平滑快衰落。根据William C. Y. Lee博士所提出的测量准则可以确保测量数据的准确性，该测量准则为在测试信号的40个波长内必须满足有36～50个采样点，这样就可以使校正后的传播模型满足保留慢衰落，平滑快衰落这一目标。

3.2数据处理

根据发射天线与数据采集时的接收天线之间的距离，将采样数据分成若干组，按组对采样数据进行处理。

由于在任何的测量中都不可避免地存在误差，为了提高测量的精度，必须尽可能地消除或者减小误差。测量中的误差按照产生的原因可以分为随机误差、系统误差和粗大误差。在处理数据时，可以根据不同类型的误差对数据进行处理。

由统计学和概率论可知，减少随机误差最有效的一种方法是对被测数据进行多次测量，取平均值。所以，为了测量数据更加准确，在进行测量时需要在一个采样点上进行多次测量。系统误差可能是测量装置或者测量方法所引起的，所以为了减小系统误差，在进行CW测试前，需要对测量仪器仪表进行校正。在处理数据时，消除系统误差的基本方法有交换法、替代法、正负补偿法、对称法和周期法这5种，可以根据不同的情况选择不同的方法。引起粗大误差的主要原因有两点：一是测试人员引起，二是客观外界条件引起。粗大误差的数值比较大，会对测量结果产生明显的歪曲，所以一旦发现粗大误差的测量值，需要将其从测量结果中剔除掉。判别出大误差的准则有3δ准则（莱以特准则）、罗曼若夫斯基准则、格罗布准则和狄克松准则。而在实际的工作中，常常使用3δ准则对粗大误差进行判别。

4　传播模型校正

4.1选择传播模型

上文介绍了3种比较常用的经验型室内传播模型，经过研究可知Keenan-Motley模型是在自由空间传播模型的基础上增加了墙壁和地板的穿透损耗。但Keenan-Motley模型没有考虑到多径的影响，且仅把穿透损耗仅仅作为是墙壁数目和墙壁损耗参考值的乘积，而且对所有的墙壁取相同的穿透损耗，不是很准确。所以，在本次研究中将不会选择Keenan-Motley模型作为被校正传播模型。

由衰减因子模型的表达式可知，其路径损耗值只与发射和接收天线之间的距离有关，与发射天线所发射出的信号频率无关，与本文所介绍的CW测试法所测出与频率相关路径损耗值不相符。所以，本文不选衰减因子模型作为被校正传播模型。

ITU-R P.1238模型用于典型的室内环境，并具有较低的环境相关性，也考虑了在室内多墙体以及多楼层的影响。所以，本文将选择ITU-R P.1238模型作为被校正传播模型进行校正及研究。

4.2模型校正

ITU-R P.1238模型的表达式为：

其中，Lf为楼层穿透因子，在校正过程中，将Lf与公式（4）中的“-28”看作为常数，表示为K2；因为CW测试所得数据为在某一指定频率下所测试出的数据，所以公式（4）中频率f为已知常量，即20log（f）是一个常数，可以用C来代替；将lg（d）当作一个自变量，用x代替，N用K1代替，则公式（4）可以表示为：

由公式（5）可知，L（dB）与X线性相关。使用最小二乘法对公式（5）进行线性拟合，便可得出K1与K2的值，完成对传播模型的校正。该数据测试及模型校正流程如图1所示。

图1　数据测试及模型校正流程

4.3试验及校正结果

笔者对某工厂一个车间内频率为2350MHz的电磁波传播模型进行预测，这个频点可以代表TD-LTE传播制式的工作频率，图2所示为其车间平面图。其中，黑色区域为仪表放置及工人工作区域，空白区域为过道或休息区域。该车间长12m，宽5m。

图2　某车间平面图

频率为2350MHz的电磁波，其波长为0.13m，40个波长的距离为5.2m，在该车间内进行CW测试时，测试总长度为80个波长的长度，即10.4m，每隔一个波长的距离（即0.13m）选择一个采样点，本次测试选择80个采样点，在每个采样点上进行20次测试。测试时需要在该车间内不同的位置进行测试，这样测试出的数据才能充分地反映该车间电磁波传播的情况。对测试数据进行处理后，再结合数据对ITU-RP.1238模型进行拟合。

将lg（d）当作为一个整体，一个自变量，则拟合出的传播模型为：

采样数据与拟合后的结果如图3所示。

将公式（6）中的X还原为lg（d），则公式（6）可以改写为公式（7），即：

公式（7）就是最后校正完成的该车间在2350MHz频率下电磁波的传播模型，图4为距离d与路径损耗的直观关系图。从图4可以得知，路径损耗随着距离的增长呈非线性变化。

4.4校正结果分析

对传播模型进行校正的主要目的是通过使用测量值对原始传播模型进行拟合，使传播模型的系数能够得到最优化的线性回归。

图3　lg（d）与路径损耗关系图

图4　距离与路径损耗关系

在分析校正后模型与实际测试数据的拟合程度时，需要运用校正后模型与实际测试数据的平均差Mean Error、校正后模型与实际测试数据的均方根误差RMS Error、校正后模型与实际测试数据的标准差Std. Dev. Error以及校正后模型与实际测试数据的互相关系数Corr. Coeff。

常用模型校正结果分析判别准则有以下3点：

（1）校正后模型与实际测试数据的平均差Mean Error＜1dB。

（2）校正后模型与实际测试数据的均方根误差RMS Error＜8dB。

（3）互相关系数Corr. Coeff在0.6～1之间。

运用MATLAB可以计算出此次模型拟合的平均差Mean Error为0.2536dB，均方根误差RMS Error为0.5993dB，互相关系数Corr. Coeff为0.9698。根据模型校正结果分析判别准则可知本次校正后模型拟合程度较高。

5　结束语

室内传播模型研究相对于室外传播模型研究较少，但随着通信技术的发展，许多无线通信过程都是在室内发生。研究室内传播模型对研究室内无线通信以及室内无线网络规划有着重要的意义。

本文提出了一种对室内传播模型进行校正的方法，该方法包括在数据测量时采样点的选择，测量数据的处理以及运用测量数据与已有经验型传播模型拟合的方法，并通过实践及仿真证明，使用该方法校正后的传播模型符合模型校正结果分析判别准则。

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中创信测技术专栏

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）