無(wú)線傳播及其校正原理

吳闊　趙佳佳　肖峰

【摘 ?要】無(wú)線通信系統(tǒng)的性能會(huì)不同程度上受到無(wú)線信道的制約，以往中所使用的傳播模型通常會(huì)將實(shí)際的傳播模型條件進(jìn)行一番簡(jiǎn)化，所以，在當(dāng)前具有復(fù)雜性的傳播環(huán)境下，模型的精確度極低。本文首先概述了無(wú)線電波的傳播，其次，對(duì)無(wú)線通信電波傳播模型進(jìn)行了分析矯正。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線通信;電波傳播;模型矯正;CW測(cè)試

引言

在通信系統(tǒng)中，信道占有極其重要的位置。根據(jù)傳輸媒質(zhì)，可將信道分成有線信道和無(wú)線信道兩種。無(wú)線信道直接決定著無(wú)線通信系統(tǒng)的性能。實(shí)際中，電磁波常常會(huì)在無(wú)線信道中遭到散射、反射、移動(dòng)臺(tái)的速度、信號(hào)的傳輸帶寬等諸多因素的影響。因此，相較于有線信道，無(wú)線信道缺乏其的固定性和易于預(yù)測(cè)性，存在著很大的隨意性和分析困難性。所以，在無(wú)線通信系統(tǒng)研究工作中，無(wú)線信道的模型矯正一直都是其發(fā)展主題。

在移動(dòng)通信領(lǐng)域中，對(duì)無(wú)線電波的傳播損耗預(yù)測(cè)一般是采用傳播模型來(lái)進(jìn)行的。準(zhǔn)確的無(wú)線傳播模型對(duì)于保證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案的合理性具有十分重要的意義，它是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作的重要基礎(chǔ)和主要依據(jù)。

1.無(wú)線電波的傳播方式與傳播損耗

通信網(wǎng)規(guī)劃與建設(shè)過(guò)程中，從頻段的明確、頻率的分配、無(wú)線電波的覆蓋范圍、計(jì)算機(jī)通信概率、系統(tǒng)間的電磁干擾到無(wú)線設(shè)備參數(shù)的明確均應(yīng)借助于對(duì)電波傳播特性的研究與據(jù)此實(shí)施的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)。無(wú)線電波的傳播方式具體有：直達(dá)波;地波或表面波;對(duì)流層反射波，而在宏蜂窩無(wú)線壞境中，由于存在非常多的樓字以及其他遮擋物，使得無(wú)線電波的傳播變得非常復(fù)雜，接收機(jī)接收到的信號(hào)通常是以下幾種波的疊加：

（1）直射波：是指無(wú)線電波直接沿自由空間傳播，不受任何阻擋;

（2）反射波：是指無(wú)線電波在傳播的過(guò)程中遇到了物理尺寸遠(yuǎn)大于其波長(zhǎng)的物體，電波在物體表面發(fā)生了反射，反射波可能增強(qiáng)也可能減弱信號(hào)的強(qiáng)度;

（3）銜射（繞射）波：是指無(wú)線電波在傳播的過(guò)程中遇到了物理尺寸與其波長(zhǎng)可比的或小于其波長(zhǎng)的障礙物或縫隙時(shí)，電波仍然可以繼續(xù)傳播，只是它的能量和傳播方向?qū)l(fā)生改變。

移動(dòng)通信系統(tǒng)所在的無(wú)線環(huán)境是非常復(fù)雜的，無(wú)線電波從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間通常包含了所有的傳播方式，也就是說(shuō)它是一種綜合了所有傳播方式的復(fù)雜環(huán)境，因此對(duì)于這種綜合無(wú)線環(huán)境的傳播特性的研究也就變得十分地困難和復(fù)雜。隨著接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間距離的不斷增大，無(wú)線電波的傳播損耗也將發(fā)生變化，這種變化通常包含三種：中值損耗、慢衰落、快衰落 。

考慮到上述三種損耗和衰落的特點(diǎn)，目前，對(duì)于路徑損耗的預(yù)測(cè)，只考慮中值損耗。也就是由于慢衰落和快衰落是隨時(shí)間和地物等因素變化而變化的，不具有普遍實(shí)用的特點(diǎn)，所以在無(wú)線電波損耗的預(yù)測(cè)中通常不考慮他們。

2.傳播模型校正關(guān)鍵問(wèn)題分析與建議

通常采用測(cè)試連續(xù)波的方式來(lái)進(jìn)行模型校正，也就是CW測(cè)試。即將發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率和頻率固定，在起周圍進(jìn)行車載采樣測(cè)試，經(jīng)過(guò)篩選得到足夠多的合理的路徑損耗測(cè)試數(shù)據(jù)。然后用這些數(shù)據(jù)對(duì)傳播模型公式中的各個(gè)系數(shù)進(jìn)行聯(lián)合求解，求解的條件就是校正后模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間誤差、均方差、標(biāo)準(zhǔn)方差達(dá)到要求。經(jīng)過(guò)校正的傳播模型將會(huì)比較好的反映當(dāng)?shù)責(zé)o線傳播環(huán)境，符合當(dāng)?shù)責(zé)o線傳播環(huán)境的實(shí)際情況。

通常的模型校正的過(guò)程中主要包含以下幾項(xiàng)比較重要的內(nèi)容。

2.1數(shù)字地圖的選擇

首先，數(shù)字地圖應(yīng)該滿足一定的精度要求，精度越高模型校正的準(zhǔn)確度也就越高，相應(yīng)的運(yùn)算量也就越高。另外，還要注意地圖的時(shí)效性，由于目前我國(guó)大多數(shù)城市的建設(shè)速度都非?？?，使得數(shù)字地圖的更新的周期也就相應(yīng)地縮短了，因此必須關(guān)注數(shù)字地圖的時(shí)效性。如果所選地圖的地貌信息與實(shí)際情況出入過(guò)大的話，模型校正的準(zhǔn)確程度也將大大降低。

2.2發(fā)射站點(diǎn)選擇

為保證獲得的數(shù)據(jù)能夠真實(shí)地反映當(dāng)?shù)氐臒o(wú)線傳播環(huán)境，在選擇站點(diǎn)的時(shí)候應(yīng)把握如下原則：

（1）大型城市應(yīng)選擇4～5個(gè)站點(diǎn)，一般中小型城市，選擇3個(gè)或以下站點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，特大城市則視情況來(lái)定;

（2）根據(jù)城市的地貌分布和路況，劃出相應(yīng)的幾塊典型區(qū)域，發(fā)射站點(diǎn)應(yīng)盡量靠近所在區(qū)域的中心位置;

（3）站點(diǎn)應(yīng)是局部地區(qū)的相對(duì)高點(diǎn)，站點(diǎn)周邊100米內(nèi)避免明顯大型障礙物，站點(diǎn)應(yīng)高于周圍建筑平均高度10米以上，一個(gè)站點(diǎn)的覆蓋半徑應(yīng)該在3km左右，站點(diǎn)應(yīng)盡可能大的覆蓋校正地貌，且分部合理，保證測(cè)試區(qū)域內(nèi)每種地貌內(nèi)的合理采樣點(diǎn)在4000個(gè)左右。

2.3路線選擇

為保證所獲得數(shù)據(jù)的全面性和真實(shí)性。測(cè)試時(shí)的線路選擇也需要認(rèn)真考慮。

（1）深入地貌內(nèi)部;

（2）與發(fā)射站點(diǎn)的距離要大于200m;

（3）縱向和橫向的街道應(yīng)采集同樣數(shù)量的場(chǎng)強(qiáng)樣本;

（4）不要選擇高速公路或很寬闊平直的街道，而應(yīng)盡量選擇窄小的街道;

（5）在確保數(shù)據(jù)全面的條件下，盡量避免線路的重復(fù)。

2.4數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是模型校正能否準(zhǔn)確的基礎(chǔ)條件，如果所采集的路測(cè)數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確的反映當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，那么即使完成了模型校正也只是數(shù)學(xué)意義上的校正，這樣的校正出來(lái)的模型是沒(méi)有辦法應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作中的。

采集到的路測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)包含經(jīng)度、緯度和場(chǎng)強(qiáng)等信息。

2.5數(shù)據(jù)篩選

在路測(cè)過(guò)程中往往會(huì)采集到一些不符合模型校正要求的需濾除數(shù)據(jù)，為了防止這些數(shù)據(jù)對(duì)模型校正的影響，在校正之前必須濾除它們，這就是數(shù)據(jù)篩選。以下是幾種典型的需濾除數(shù)據(jù)。

（1）高架橋上和隧道中的數(shù)據(jù)。這兩種地方無(wú)線電波的傳播特性與傳播模型的應(yīng)用條件不符。

（2）遠(yuǎn)距數(shù)據(jù)。距離發(fā)射機(jī)比較遠(yuǎn)時(shí)，接收到的信號(hào)強(qiáng)度太低，因接收機(jī)靈敏度的影響，其測(cè)量值往往不準(zhǔn)確;且對(duì)于測(cè)試信號(hào)，底噪在遠(yuǎn)端接收信號(hào)中的比例比較大，不利于模型校正，因此遠(yuǎn)端的測(cè)試點(diǎn)應(yīng)予以濾除。

（3）近距數(shù)據(jù)。在距離發(fā)射機(jī)較近的區(qū)域，電波基本以視距傳播，這不符合傳播模型所定義的電波傳播條件，因此這類測(cè)試數(shù)據(jù)也不能用于傳播模型校準(zhǔn)。

（4）街道波導(dǎo)效應(yīng)數(shù)據(jù)。由于電波傳播測(cè)試一般是在街道上測(cè)試的，但對(duì)于街道，存在著“波導(dǎo)效應(yīng)”（“街道效應(yīng)”），即：當(dāng)信號(hào)源發(fā)射來(lái)的電波信號(hào)的傳播方向和測(cè)量點(diǎn)所處街道走向的夾角很小時(shí)，接受信號(hào)的強(qiáng)度相較于普通情況下會(huì)有很明顯的加強(qiáng)，使得平行于傳播方向的信號(hào)強(qiáng)度比垂直于傳播方向的信號(hào)強(qiáng)度高出10dB左右。

（5）街道彎角效應(yīng)數(shù)據(jù)。由于衍射和反射損耗，電波在街道轉(zhuǎn)彎處信號(hào)會(huì)突然發(fā)生嚴(yán)重陷落。

2.6評(píng)估校正結(jié)果評(píng)估

校正是一個(gè)不斷調(diào)整的過(guò)程，評(píng)估該校正結(jié)果是否符合要求的標(biāo)準(zhǔn)主要有：

（1）預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值之間誤差的均值最小化，盡量接近0。

（2）預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值之間誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差最小化，應(yīng)小于6-8dB。

（3）預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值之間誤差與各變量之間的相關(guān)性最小。

3.展望

目前，對(duì)于傳統(tǒng)媒體來(lái)說(shuō)，找準(zhǔn)自己的定位，大力投入新媒體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型極為重要。實(shí)踐證明，整合多媒體的傳播優(yōu)勢(shì)與效果，走廣播資源加網(wǎng)絡(luò)支持的合作之路，更能加快其發(fā)展。而準(zhǔn)確簡(jiǎn)潔的傳播模型也對(duì)未來(lái)城市建設(shè)提供了非常大的幫助。我相信，未來(lái)無(wú)線電波的發(fā)展廣泛而光明，而今天所驗(yàn)證的電波傳播模型正確性也會(huì)對(duì)未來(lái)發(fā)展出一份力。

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作者簡(jiǎn)介：吳闊（1999.07-），男，河北省孟村回族自治縣，本科在讀，主要研究工科通信方面。

趙佳佳（1998-）， 女， 河北省秦皇島市， 本科在讀，主要研究數(shù)字化。

肖峰（1998-），男，河北省容城縣，本科在讀，主要研究計(jì)算機(jī)信息科學(xué)。