3G/4G移动通信衰减模型优化仿真*

赵旭东，杨存顺，邱 涛

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

移动通信空口电磁衰减模型的主要目的是通过理论仿真计算，使网络规划人员能合理规划区域内的基站覆盖范围和数目，并结合运营商网络设备和实际业务的种类优化，提升移动通信网络的稳定性、可靠性及适用性，最终提升移动通信用户的感知[1]。电磁衰减模型分为自由空间传播损耗模型和路径传播损耗损耗模型两类。前者着重于由于地面波自然扩散而引起的衰减；后者着重于传播环境中包括的各种障碍物等对电磁波的吸收、散射、绕射或反射等作用引起的传播损耗[2-5]。

本文主要聚焦研究针对空旷环境下的移动通信空口电磁衰减模型，在Okumura-Hata 模型和Cost231-Hata 模型的基础上，提出了一种针对4G 通信频段的衰减模型。该衰减模型通过调整Cost231-Hata 模型的频率、距离和常数衰减因子，提升了预测衰减值的准确性，为4G 移动通信空口网络优化提供了一种较为准确的预测模型。

1 常见电磁衰减模型

1.1 Okumura-Hata 模型

Okumura-Hata 模型是日本科学家奥村在传统Hata 电磁衰减模型的基础上，基于东京近郊大量实测数据得出的一种适用于900 MHz 移动通信网络规划设计的经验模型。

式中：f为工作频率；ht为基站天线有效高度；hr为移动台天线有效高度；d为基站天线与移动台天线水平距离；∂(hr)为移动台天线修正因子；Ccell为小区类型校正因子。

该经验模型适用于：

（1）频率范围150～1 500 MHz；

（2）基站天线高度30～200 m；

（3）移动台高度1～10 m；

（4）距离1～20 km。

图1 显示了以WCDMA 为例的典型区域Okumra-Hata 模型计算得出的衰减值。

图1 WCDMA 制式下Okumra-Hata 模型典型区域衰减值

1.2 COST231-Hata 模型

COST231-Hata 模型是欧洲研究委员会COST-231 陆地移动无线电发展传播模型小组在Okumura-Hata 模型基础上提出的一种传播模型。该模型修改部分参数项，使覆盖频率提升至2 000 MHz。

式中：f为工作频率；ht为基站天线有效高度；hr为移动台天线有效高度；d为基站天线与移动台天线水平距离；∂(hr)为环境修正因子；Cm为城区类型校正因子。

该经验模型适用于：

（1）频率范围1 500～2 000 MHz；

（2）基站天线高度30～200 m；

（3）移动台高度1～10 m；

（4）距离1～20 km。

图2 显示了以WCDMA 为例的典型区域Cost231-Hata 模型计算得出的衰减值。

图2 WCDMA 制式下Cost231-Hata 模型典型区域衰减值

2 4G 移动通信衰减模型

2.1 4G 移动通信衰减模型建立

我国三大运营商4G 移动通信频段主要包括band1、band3、band39、band40 和band41（38），频率覆盖1 710～2 690 MHz。由于Okumra-Hata 和COST231-Hata 模型仅适用于2 000 MHz 以内通信频段的衰减估算，因此基于COST-231 模型提出了一种用于适用于国内4G 移动通信频段的空口衰减模型。

通过分析COST231-Hata 模型得出，电磁波在自由空间的传输损耗因子主要分为3 个部分，即频率因子、距离因子和常数矫正因子。因此，通过给这3 个因子引入新的变量，结合大量实测数据优化因子值，可达到模型矫正的目的。

初始模型为：式中：k1为与频率相关校正参数；k2为与距离相关校正参数；k3为常数校正参数。

2.2 模型新增参数值校正

基于连续波采样测试，计算出测试区域的参考信号接收电平本地均值，再利用本地均值对模型新增参数加以校正，以提升衰减模型预测值的准确性。

电磁衰减包含快衰落和慢衰落。快衰落主要由多径传播而产生，信号幅度变化明显，不利于确定模型参数。慢衰落主要受气象条件、电路长度、地形等因素影响，与接收机所处位置和距离紧密相关，属于短期信号电平中值。因此，在试验数据处理上采用李氏定理获取本地均值，实现消除快衰落、保留慢衰落[6]。

式中，2l为平均采样区间长度。根据李氏定理，当取40 个波长、采样点为30～50 个时，能有效消除快衰落、保留慢衰落，从而找出本地环境对信号传播的慢衰落变化趋势，达到模型校正的目的。

基于在郊区空旷环境下大量的试验数据，得出4G 移动通信衰减模型中的参数值为：

代入式（7），得出4G 移动通信衰减模型为：

3 模型仿真及试验验证

3.1 试验环境

分别针对FDD-LTE band3 和TDD-LTE band41（38）进行仿真和试验验证，选取的试验设备和试验环境详细信息如表1 所示。

表1 LTE 试验信息

3.2 试验数据分析和处理

依据李氏定理，单个测试点采用40 个波长的采样区间长度和40 个采样点，计算均值后得出不同距离下实测参考信号强度（Reference Signal Receiving Power，RSRP），见表2。

表2 路测手机测试RSRP 信息

试验设备在5 MHz 单载波单通道模式下、60 W 总射频输出功率中，包含RSRP发射功率约为26 dB，计算公式如下：

式中：RSRPpower为参考信号发射功率；LTEpower为LTE 基站发射总功率；N为试验系统空口通道个数；Nrb为带宽下RB 数量。

基于提出的4G 移动通信衰减模型，路测手机接收信号强度计算方法为：

式中：RSRPue为路测手机接收的参考信号强度；RSRPpower为试验通信设备的参考信号发射功率；LM为电磁信号的空口衰减值。

基于式（14），通过MATLAB 建模分析，结合郊区空旷环境下的实测数据，得出分析结果如 图3 和图4 所示。

如图3和图4所示，自由空间衰减模型和Cost231-Hata 模型预测衰减值均与实测值有较大差值，而提出的Cost231-Hata 4G 模型预测值误差值最大为 2.44 dB，对4G 移动通信中的高于2 000 MHz 频段的空口网络优化具有较强的指导意义。

图3 FDD-LTE 制式下多种模型衰减曲线

图4 TDD-LTE 制式下多种模型衰减曲线

4 结语

本文提出了一种基于Cost231-Hata 的移动通信空口衰减模型，频率适用范围扩展到1 500～ 2 690 MHz，提高了对移动通信4G 频段空口衰减预测的准确性，提升了移动通信空口规划和维修保障的工作效能。