CN102131219B - 行道树遮挡下移动通信3g/4g电波传播损耗npl模型及网络优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了行道树遮挡下移动通信3G/4G电波传播损耗NPL模型及网络优化方法，所述行道树遮挡下移动通信3G/4G电波传播损耗NPL模型包括四类行道树，所述第一、二、三类行道树树叶非常浓密，对电波能量吸收程度很大；第四类行道树：树叶稀疏，树高5米左右，树龄约5年，对电波能量吸收程度很小；本发明还涉及行道树遮挡下移动通信3G/4G电波传播损耗NPL模型的网络优化方法，它包括以下步骤：(1)设定基站距离，所述基站不宜距离行道树过近，入射角宜控制在10～30°之间；(2)计算行道树覆盖的链路预算，应该预留一定的解调门限性能恶化余量；(3)自动频率校正：基站根据接收到的手机信号的频偏，调整基站接收频率。本发明有利于优化移动通信网络有效覆盖、降低掉话率。

Description

行道树遮挡下移动通信3G/4G电波传播损耗NPL模型及网络优化方法

技术领域

本发明涉及第三代和***移动通信***3G/4G，具体地说，是一种高密度多叶行道树遮挡下移动通信3G/4G电波传播损耗NPL模型及网络优化方法。

背景技术

在陆地移动通信***设计和无线信道传播特性模型的研究中，通常仅考虑城市建筑群、地形、地物等因素对电波传输的影响，忽略了行道树浓密树叶对电磁波的吸收作用。近年来，人们越来越重视城市绿化问题，各种高密度多叶行道树不断出现在城市的街道两边，改善了人居环境。研究结果表明，浓密的树叶不仅能够降低大气噪声、吸收粉尘，还具有吸收电磁能量的作用。但是，对于移动通信的组网设计者来说，他们更多地关注基站的选址和小区的电波覆盖情况，不考虑行道树对电波的吸收和衰减作用。而恰恰正是这些细小之处，在很大程度上，影响了移动通信的质量。

随着第三代移动通信***(3G)的大规模建设和***移动通信***(4G)标准的制定，在不久的将来，移动视频业务和移动数据业务将逐渐在整体移动通信业务中占据主导地位，而浓密的树叶对电磁波的吸收必然会影响移动视频的清晰度和手机上网速率。当前，***移动通信***(4G)的国际标准也正在ITU制定和讨论之中。在不久的将来，4G不但能够兼容3G的业务，提供更宽的带宽，而且用户容量大、无线上网速率快。毫无疑问，浓密的树叶对电磁波的吸收必然会影响用户对4G手机上网速率的满意程度，而这一点却没有引起移动通信专家的足够重视。

目前，在移动通信***的规划设计中，传播损耗预测通常采用Okumura模型、Hata模型、COST-231/Walfisf/Ikegami模型，室内路径损耗采用COST-231模型，多径信道的冲击响应模型则采用Clarke模型。为了计算移动信道的传播损耗，需要求出电场强度中值。为此，可将地形分为中等起伏地形和不规则地形。将地物分为开阔地、郊区和市区。在计算中等起伏地区基本损耗中值A_m(f，d)后，根据基站天线高度增益因子H_b(h_b，d)和移动台天线高度增益因子H_m(h_m，f)进行修正。除此之外，还要考虑不规则地形的影响，通过丘陵地修正因子K_h、孤立山岳修正因子K_js、斜坡地形修正因子K_sp、水陆混合路径修正因子K_s进行修正。这样，任意地形的接收信号功率中值P_pc可通过中等起伏地区接收信号功率中值P_p和地形地物修正因子K_T来计算，具体如下：

K_T=K_mr+Q₀+Q_r+K_h+K_hf+K_js+K_sp+K_s                (3)

由此可见，在移动信道传播损耗模型的设计和计算中，从来没有考虑行道树浓密树叶对电磁波的吸收作用，这是目前该领域的不足之处。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种高密度多叶行道树遮挡下移动通信3G/4G电波传播损耗NPL模型及网络优化方法，有利于优化移动通信网络有效覆盖、降低掉话率、提高移动视频业务的清晰度、稳定手机上网速率与提升业务质量。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

1、本发明涉及行道树遮挡下移动通信3G/4G电波传播损耗NPL模型，包括四类行道树：

(1)第一类行道树：树叶非常浓密，阳光不能透射，树干很高大，在25米以上，树龄20年左右，对电波能量吸收程度很大；

第一类行道树遮挡下，电波传播损耗L_NPL-1计算模型如下：

L_NPL-1=55.2+351gf+(56-6.21gh_b)1gd-11.81gh_b-A(h_m)+L_st-1

A(h_m)=(2.11gf-1.1)h_m-1.31gf+1.2

其中L_st-1是第一类行道树遮挡下电波传播损耗的平均值；

(2)第二类行道树：树叶比较浓密，树高15--25米，树龄15年左右，对电波能量吸收程度比较大；

第二类行道树遮挡下，电波传播损耗L_NPL-2计算模型如下：

L_NPL-2=51.2+351gf+(56-6.21gh_b)1gd-11.81gh_b-A(h_m)+L_st-2-2[1g(f/32)²]

其中L_st-2是第二类行道树遮挡下电波传播损耗的平均值；

(3)第三类行道树：树叶浓密，树高10--15米，树龄10年左右，对电波能量吸收程度比较大；

第三类行道树遮挡下，电波传播损耗L_NPL-3计算模型如下：

L_NPL-3=18+51.21gf+(56-6.21gh_b)1gd-11.81gh_b-A(h_m)-5.2(1gf)²+L_st-3

其中L_st-3是第三类行道树遮挡下电波传播损耗的平均值；

(4)第四类行道树：树叶稀疏，树高约5米，树龄5年左右，对电波能量吸收程度很小；

进一步，所述电波传播损耗模型的各类行道树采用链路预算。

2、本发明还涉及行道树遮挡下移动通信3G/4G电波传播损耗NPL模型的网络优化方法，包括以下步骤：

(1)设定基站距离，所述基站不宜距离行道树过近，入射角宜控制在10～30°之间；

(2)计算行道树覆盖的链路预算，应该预留一定的解调门限性能恶化余量；

(3)自动频率校正：基站根据接收到的手机信号的频偏，调整基站接收频率，抵消多普勒效应导致的上行频率偏移；同时相应对下行发信频率设置相同的偏移量，保证与手机的正常通信。

进一步，所述基站到行道树的距离应结合站点半径进行设置，一般控制在1/5～1/2R覆盖半径之间，该距离不小于200米。

所述的行道树遮挡下移动通信3G/4G的网络优化方法，其特征在于，所述基站到行道树的垂直距离一般应控制在200米以上。

本发明中的功率控制可以分为内环功率控制和外环功率控制。内环功率控制又可分为开环和闭环两种，目的是让发射机通过最小的功率获得可接受的通话质量，最大限度地减少干扰。内环功率控制是通过控制物理信道的发射功率，使接收SIR收敛于目标SIR。WCDMA***是通过估计接收到的E_b/N₀，发出相应的功率调整指令。E_b/N₀与SIR具有一定的对应关系。考虑到行道树浓密树叶对电波功率的吸收情况，对于12.2Kbps的语音业务，E_b/N₀值为5dB，在码片速率为3.84Mcps的情况下，处理增益为25dB，所以SIR为-20dB，即载干比C/I>-20dB。

本发明的有益效果是，本发明不仅能够解决行道树对电波吸收造成的视频中断现象，而且降低了越区切换(包括通话状态的切换和起呼状态的切换)的失败率。如果在网络规划设计时能够合理地控制站间距及基站离行道树的距离，保证基站覆盖交叠区域，关闭外环功控，顺序配置切换关系，并且对切换参数进行合理设置以保证快速平滑切换。实际测试结果表明，采用本发明，可以实现以下覆盖目标：

覆盖边缘场强：可使95％区域达到-90dBm；接通率：覆盖区内的95％位置，99％的时间移动台可接入网络；通话质量：浓密树阴下可达到95％区域通话质量优于3级；视频效果：浓密树阴下移动视频的连续播放率大于98％，即中断时间小于2％；掉话率：浓密树阴覆盖下平均掉话率应小于1％。

在浓密树阴覆盖中，建议采用数字光纤直放站，它与普通光纤直放站的区别在于：(1)可实现灵活的组网方式，每基站小区所带远端数字光纤直放站远大于普通光纤直放站的数量；(2)能够实现上下行链路平衡；(3)具有上行噪声抑制功能。

本发明虽然是针对3G网络的，但是对未来4G网络的规划、设计、建设和网络优化同样具有十分重要的意义。

具体实施方式：

为了使本发明的创作特征、技术手段与达成目的易于明白理解，以下结合具体实施例进一步阐述本发明。

实施例：

本发明涉及行道树遮挡下移动通信3G/4G电波传播损耗NPL模型，包括四类行道树：

(1)第一类行道树：树叶非常浓密，阳光不能透射，树高在25米以上，树龄20年左右，对电波能量吸收程度很大；

第一类行道树遮挡下，电波传播损耗L_NPL-1计算模型如下：

L_NPL-1=55.2+351gf+(56-6.21gh_b)1gd-11.81gh_b-A(h_m)+L_st-1

A(h_m)=(2.11gf-1.1)h_m-1.31gf+1.2

其中L_st-1是第一类行道树遮挡下电波传播损耗的平均值；

(2)第二类行道树：树叶比较浓密，树高15--25米，树龄15年左右，对电波能量吸收程度比较大；

第二类行道树遮挡下，电波传播损耗L_NPL-2计算模型如下：

L_NPt-2=51.2+351gf+(56-6.21gh_b)1gd-11.81gh_b-A(h_m)+L_st-2-2[1g(f/32)²]

其中L_st-2是第二类行道树遮挡下电波传播损耗的平均值；

(3)第三类行道树：树叶浓密，树高10--15米，树龄10年左右，对电波能量吸收程度比较大；

笫三类行道树遮挡下，电波传播损耗L_NPL-3计算模型如下：

L_NPL-3=18+51.21gf+(56-6.21gh_b)1gd-11.81gh_b-A(h_m)-5.2(1gf)²+L_st-3

其中L_st-3是第三类行道树遮挡下电波传播损耗的平均值；

(4)第四类行道树：树叶稀疏，树高约5米，树龄5年左右，对电波能量吸收程度很小；

进一步，所述电波传播损耗模型的各类行道树采用链路预算。

所述链路预算：在上述模型的基础上，链路预算参数如下：

链路预算参数

本发明还涉及行道树遮挡下移动通信3G/4G电波传播损耗NPL模型的网络优化方法，包括以下步骤：

(1)设定基站距离，所述基站不宜距离行道树过近，入射角宜控制在10～30°之间；

(2)计算行道树覆盖的链路预算，应该预留一定的解调门限性能恶化余量；

(3)自动频率校正：基站根据接收到的手机信号的频偏，调整基站接收频率，抵消多普勒效应导致的上行频率偏移；同时相应对下行发信频率设置相同的偏移量，保证与手机的正常通信。

进一步，基站到行道树的距离应结合站点半径进行设置，一般控制在1/5～1/2R覆盖半径之间，该距离不小于200米。

上述的行道树遮挡下移动通信3G/4G的网络优化方法，其特征在于，基站到行道树的垂直距离一般应控制在200米以上。

本发明中的功率控制可以分为内环功率控制和外环功率控制。内环功率控制又可分为开环和闭环两种，目的是让发射机通过最小的功率获得可接受的通话质量，最大限度地减少干扰。内环功率控制是通过控制物理信道的发射功率，使接收SIR收敛于目标SIR。WCDMA***是通过估计接收到的E_b/N₀，发出相应的功率调整指令。E_b/N₀与SIR具有一定的对应关系。考虑到行道树浓密树叶对电波功率的吸收情况，对于12.2Kbps的语音业务，E_b/N₀值为5dB，在码片速率为3.84Mcps的情况下，处理增益为25dB，所以SIR为-20dB，即载干比C/I>-20dB。

生物电磁学研究表明，树叶中含有大量的水、核酸、蛋白质和电解质，这些物质对外加电磁场具有一定的选择性吸收作用。而非磁性物质的电特性包括介电特性和导电特性，分别通过宏观参数ε和σ表征。对于行道树浓密树叶而言，麦克斯韦第一方程可表示为：

$\▿\×\stackrel{\→}{H}=\mathrm{\σ}\stackrel{\→}{E}+\mathrm{j\ω}{\mathrm{\ϵ}}_0{\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_r\stackrel{\→}{E}=\mathrm{j\ω}{\mathrm{\ϵ}}_0({\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_r+\frac{\mathrm{\σ}}{\mathrm{j\ω}{\mathrm{\ϵ}}_0})\stackrel{\→}{E}=\mathrm{j\ω}{\mathrm{\ϵ}}_0{\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_{\mathrm{re}}\stackrel{\→}{E}---\left(4\right)$

单位体积吸收的平均功率为：

$p=\frac{1}{2}{\mathrm{\ω\ϵ}}_0\frac{\mathrm{\σ}+{\mathrm{\ω\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{\mathrm{\ω}{\mathrm{\ϵ}}_0}{E}_m^2---\left(5\right)$

由此可见，树叶对电磁波的吸收程度，与电场强度、介电特性和导电特性等参数有关。用户在高密度多叶的行道树下通过手机上网或收看视频信号，必然会产生额外的功率损耗。这个损耗到底有多大，对接收信号功率中值的影响是多少，对手机上网速度和手机视频信号清晰度的影响程度如何，目前仍然没有引起足够的重视，具体体现在移动通信电波传播损耗的计算模型中没有考虑到树叶的吸收问题。而这个问题对于优化移动通信网络有效覆盖、降低掉话率、提高移动视频业务的清晰度、稳定手机上网速率、提升业务质量等各个方面都具有十分重要的意义。

实际测试结果表明，考虑到梳状窗口效应，本发明不仅能够解决行道树对电波吸收造成的视频中断现象，而且降低了越区切换(包括通话状态的切换和起呼状态的切换)的失败率。如果在网络规划设计时能够合理地控制站间距及基站离行道树的距离，保证基站覆盖交叠区域，关闭外环功控，顺序配置切换关系，并且对切换参数进行合理设置以保证快速平滑切换。实际测试结果表明，采用本发明，可以实现以下覆盖目标：

1.覆盖边缘场强：可使95％区域达到-90dBm；

2.接通率：覆盖区内的95％位置，99％的时间移动台可接入网络；

3.通话质量：浓密树阴下可达到95％区域通话质量优于3级；

4.视频效果：浓密树阴下移动视频的连续播放率大于98％，即中断时间小于2％；

5.掉话率：浓密树阴覆盖下平均掉话率应小于1%。在浓密树阴覆盖中，建议采用数字光纤直放站，它与普通光纤直放站的区别在于：(1)可实现灵活的组网方式，每基站小区所带远端数字光纤直放站远大于普通光纤直放站的数量；(2)能够实现上下行链路平衡；(3)具有上行噪声抑制功能。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.行道树遮挡下移动通信3G/4G电波传播损耗NPL模型的计算方法的网络优化方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)设定基站距离，所述基站不宜距离行道树过近，入射角宜控制在10～30°之间；

(2)计算行道树覆盖的链路预算，应该预留一定的解调门限性能恶化余量；

(3)自动频率校正：基站根据接收到的手机信号的频偏，调整基站接收频率，抵消多普勒效应导致的上行频率偏移；同时相应对下行发信频率设置相同的偏移量，保证与手机的正常通信；

所述行道树遮挡下移动通信3G/4G电波传播损耗NPL模型的计算方法包括四类行道树：

(1)第一类行道树：树叶非常浓密，阳光不能透射，树干高度在25米以上，树龄20年左右，对电波能量吸收程度很大；

第一类行道树遮挡下，电波传播损耗L_NPL-1计算模型如下：

L_NPL-1＝55.2+35lgf+(56-6.2lgh_b)lgd-11.8lgh_b-A(h_m)+L_st-1

A(h_m)＝(2.1lgf-1.1)h_m-1.3lgf+1.2

其中L_st-1是第一类行道树遮挡下电波传播损耗的平均值；

(2)第二类行道树：树叶比较浓密，树高15--25米，树龄15年左右，对电波能量吸收程度比较大；

第二类行道树遮挡下，电波传播损耗L_NPL-2计算模型如下：

L_NPL-2＝51.2+35lgf+(56-6.2lgh_b)lgd-11.8lgh_b-A(h_m)+L_st-2-2[lg(f/32)²]

其中L_st-2是第二类行道树遮挡下电波传播损耗的平均值；

(3)第三类行道树：树叶浓密，树高10--15米，树龄10年左右，对电波能量吸收程度比较大；

第三类行道树遮挡下，电波传播损耗L_NPL-3计算模型如下：

L_NPL-3＝18+51.2lgf+(56-6.2lgh_b)lgd-11.8lgh_b-A(h_m)-5.2(lgf)²+L_st-3

其中L_st-3是第三类行道树遮挡下电波传播损耗的平均值；

(4)第四类行道树：树叶稀疏，树高约5米，树龄5年左右，对电波能量吸收程度很小；

所述电波传播损耗模型的各类行道树采用链路预算。

2.根据权利要求1所述的网络优化方法，其特征在于，所述基站到行道树的距离应结合站点半径进行设置，一般控制在1/5～1/2R覆盖半径之间，该距离不小于200米。

3.根据权利要求1所述的网络优化方法，其特征在于，所述基站到行道树的垂直距离一般应控制在200米以上。