基于重邮实际测试的电波传播测试与分析

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基于重邮实际测试的电波传播测试与分析

摘要：虽然5G基站如火如荼的建设，但是目前我国移动通信网络仍处于LTE时代。与2G、3G移动通信网络相比,4G网络采用新增的高频段(2.6GHz)进行无线传播,而高频段4G网络覆盖范围明显低于现网2G、3G网络，通过对重邮的LTE实际电波传播测试与分析对5G基站建设、网络优化具有一定参考意义。因此,为了更好的保证工程建设中投资的有效性和合理性,在网络建设初期需对网络网络传播模型校正,以提供更加准确的预测结果,为后续无线网规网优工作奠定良好的基础。介绍了移动环境下阴影衰落的概念以及正确测试方法；分析校园内各种不同环境下阴影衰落的分布规律；掌握在室内环境下场强的正确测试方法,理解建筑物穿透损耗的概念,分析建筑物穿透损；通过软件Cellular-Z实地测量,学习分析 LTE 网络中网络覆盖参数,测试方法及评价标准。通过对传播模型校正技术的分析和理解,并结合实际环境的数据对理论模型进行验证校正,并对校正方法和校正结果进行验证拟合。

关键字：移动环境、阴影衰落、建筑物穿透损耗、网络覆盖参数

I. INTRODUCTION

本文介绍了移动环境下阴影衰落的概念以及正确测试方法；分析校园内各种不同环境下阴影衰落的分布规律；掌握在室内环境下场强的正确测试方法,理解建筑物穿透损耗的概念,分析建筑物穿透损；通过实地测量,学习分析 LTE 网络中网络覆盖参数,测试方法及评价标准.利用场强仪实地测量信号场强数据，研究具体现实环境下阴影衰落分布规律，以及具体的分布参数如何；研究在校园内电波传播规律与现有模型的吻合程度，测试值与模型预测值的预测误差如何；研究建筑物穿透损耗的变化规律；测试在校园环境下不同场景（室内/室外开阔地/室外街道/高度差异）下，LTE 网络的 RSRP、RSRQ、SINR，分析各参数分布及变化趋势。

II. 理论

1.阴影衰落

在无线信道里，造成慢衰落的最主要原因是建筑物或其他物体对电波的遮挡。在测量过程中，不同测量位置遇到的建筑物遮挡情况不同，因此接收功率不同，这样就会观察到衰落现象。在阴影衰落的情况下，移动台被建筑物遮挡，它所收到的信号是各种绕射、反射、散射波的合成。所以，在距基站距离相同的地方，由于阴影效应的不同，他们收到的信号功率有可能相差很大，理论和测试表明，对任意的 d值，特定位置的接收功率为随机对数正态分布即：

其中，为0均值的高斯分布随机变量，单位为dB，标准偏差为，单位也是dB。

对数正态分布描述了在传播路径上，具有相同的 T-R 距离时，不同的随机阴影效应。这样利用高斯分布可以方便的分析阴影的随机效应。它的概率密度函数是：。

   应用于阴影衰落时，上式中的 x 表示某一次测量得到的接受功率，m 表示以dB表示的接收功率的均值或中值，表示接收功率的标准差，单位为dB。阴影衰落的标准差同地形、建筑物类型、建筑物密度等有关，在市区的150MHz频段其典型值是5dB。

2.大尺度路径衰落

在移动通信系统中，路径损耗是影响通信质量的一个重要因素。大尺度平均路径损耗：用于测量发射机和接收机之间信号的平均衰落，定义为有效发射功率和平均接受功率之间的（dB）差值，根据理论和测试的传播模型，无论室内或室外信道，平均接受信号功率随距离对数衰减，这种模型已被广泛的使用。对任意的传播距离。大尺度平均路径损耗表示为：

即平均接收功率为：

其中，n为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速度；为近地参考距离；d为发射机与接收机(T-R)之间的距离。决定路径损耗大小的首要因素是距离，此外，它还与接收点的电波传播条件密切相关。为此，我们引进路径损耗中值的概念。中值是使实测数据中一半大于它而另一半小于它的一个数值（对于正态分布中值就是均值）。人们根据不同的地形地貌条件，归纳总结出各种电波传播模型。

3.其他模型

其他重要的模型包括自由空间模型,布灵顿模型,EgLi 模型, Okumura-Hata 模型.

   4. 建筑物的穿透损耗定义

建筑物的穿透损耗大小对于研究室内无线信道具有重要意义。穿透损耗又称大楼效应，一般指建筑物一楼内的中值电场强度和室外附近街道上中值电场强度之差。发射机位于室外，接收机位于室内，电波从室外进入到室内，产生建筑物的穿透损耗，由于建筑物存在屏蔽和吸收作用，室内场强一定小于室外的场强，造成传输损耗。室外至室内建筑物的穿透损耗定义为：室外测量的信号平均场强减去在同一位置室内测量的信号平均场强，用公式表示为：

是穿透损耗，单位dB，是在室内所测的每一点的功率，单位，共 M 个点，Pi 是在室外所测的每一点的功率，单位，共N个点。

5.LTE 网络的覆盖性能

LTE 无线关键性能指标主要分为六类：覆盖类、呼叫建立类、呼叫保持类、移动性管理类、时延类和系统资源类。其中覆盖类指标包括 RSRP、RSRQ 和覆盖率。

1) RSRP

RSRP 是衡量系统无线网络覆盖率的重要指标。RSRP 是一个表示接收信号强度的绝对值，一定程度上可反映移动台距离基站的远近，因此这个 KPI 值可以用来度量小区覆盖范围大小。RSRP 是承载小区参考信号 RE 上的线性平均功率。统计对象：网格、片区、本地网；室外、室内数据采集：采用路测方式对该指标进行测量，在统计对象覆盖范围内进行测试，使用路测仪表或扫频仪记录测量到的小区参考信号的RSRP 值。计算公式：通过测量输出统计对象的参考信号 RSRP 分布图及统

计图。

2) RSRQ

实际系统覆盖情况由 RSRQ 确定，RSRQ 定义为小区参考信号功率相对小区所有信号功率（RSSI）的比值。对于 LTE 系统来说，当系统覆盖范围、用户数、边缘速率等网络要求确定后，我们基于链路

预算和业务模型设定的小区参考信号 EPRE 就为一个常数，其他信道功率基于此值设定。所以，获得参考信号 RSRQ，一定程度上就可以确定小区其他信道的 SNR。统计对象：网格、片区、本地网；室外、室内数据采集：采用路测方式对该指标进行测量，在统计对象覆盖范围内进行测试，使用路测仪表或扫频仪记录测量到的小区参考信号的RSRQ 值。计算公式：通过测量输出统计对象的参考信号 RSRQ 分布图及统计图。

3) RSSI

此符号内接收的所有信号（包括导频信号和数据信号，邻域干扰信号，噪声信号等）的平均功率。它是接收信号强度和无限传输层的可选部分的指示，以确定链路的质量以及是否增加广播传输强度。

4) SINR

SINR 是指接收到的参考信号的信号干扰噪声比。表示接收导频信号的信号质量所关注测量频率带宽内的小区，小区的参考信号的无线资源的信号干扰噪声比。他代表接收导频信号的信号质量。统计对象：网格、片区、本地网；室外、室内数据采集：采用路测方式对该指标进行测量，在统计对象覆盖范围内进行测试，使用路测仪表或扫频仪记录测量到的小区参考信号的SINR 值。计算公式：通过测量输出统计对象的参考信号 SINR 分布图及统计图。

5) 覆盖率

无线网络的覆盖率，反映了网络的可用性。它的定义如下：覆盖率=满足要求的样点数 F/片区总样点数 N，F＝RSRP≥R 且 RSRQ≥S，其中，RSRP 表示下行导频信号接收功率；SINR 表示接收导频信

号的信号质量；RSRP≥R 和 RSRQ≥S 表示是否满足条件，R 和 S 是RSRP 和 RSRQ 在计算中的阈值，一般设置为 R=-105dBm，。如果RSRP≥R 和 RSRQ≥S 都满足，则 F 取值 1，若有一个不满足或都不满足，则 F 取值 0。计算之前首先排除测试中的异常点，异常点指的是 RSRP 或 RSRQ 的取值远远超出正常范围之外。

测试点	RSRP取值范围	SINR取值范围
极好	RSRP>-85dBm	SINR>25dB
好	RSRP=-85~-95dBm	SINR:16~25dB
中	RSRP=-95~-105dBm	SINR:11~15dB
差	RSRP=-105~-115dBm	SINR:3~10dB
极差	RSRP<-115dBm	SINR<3dB

III. IN

3、实际测试与理论模型对比：

三教前小广场(较开阔地形)
  

结论：RSRP 表示下行导频信号接收功率极强但是SINR 表示的接收导频信号的信号质量非常差，这是因为三教小广场开阔，地理位置重要，基站密度高导致同频干扰、用户量过多（周一56节下课）导致干扰，降低SINR指标

千喜鹤食堂（封闭式环境）
     

实验结论：在封闭的环境下，由于墙壁对射线的阻挡，穿透损耗较大，故信噪比较差，由于食堂的人流量较大，此食堂距离基站较近，故RSRP较好。

二教1楼走廊与教室（窗墙对比）
实测线路地图-二教一楼

   

结果分析：
总体上说，二教一楼教室的信号强度稍大于二教一楼走廊，这是由于二教一楼走廊仅有一个两米宽的过道，因此遮挡严重，信号强度很弱。可以看出二教一楼教室的信号强度稍大，因为二教一楼教室的遮挡物较少一面是墙另一面是玻璃窗；建筑物较低，比较空旷，因此信号衰减小，信号强度较高。

建筑物的穿透损耗=6.8718 (db)

实测线路地图-二教一&四楼教室内（移动端高低对比）

二教四楼教室的信号强度大于二教一楼教室，这是由于二教一楼教室位置较低且窗外有许多绿化植被，因此反射严重，信号强度很弱。可以看出二教四楼教室的信号强度稍大，因为二教四楼教室的位置更高且距离基站位置更近，四周遮挡物较少，比较空旷，因此信号衰减小，信号强度较高。

宿舍23A-千喜鹤食堂（室外道路）

  

结论分析：为什么23A-千喜鹤的信号强度不是很优良？因为虽然23A-千喜鹤测试路线是室外无遮挡的环境，但是是在山腰上面，而基站是在山顶，测试路线一直处在基站的非视距阴影区，而且路线两侧还有许多建筑物和植被，由于多次经过建筑物表面的反射会造成信号能量的浪费。

绘制正太分布拟合图：统计不同区间内数据的分布直方图，再在根据平均值和标准差进行正太分布的拟合。

原始值：s=normpdf(x,mean1,std1);

修改x后的直方图：s=normpdf(x,0.9*mean1,std1);

                                          

   

IV. CONCLUSION

较开阔地形结论：RSRP 表示下行导频信号接收功率极强但是SINR 表示的接收导频信号的信号质量非常差，这是因为三教小广场开阔，地理位置重要，基站密度高导致同频干扰、用户量过多（周一56节下课）导致干扰，降低SINR指标

室内：实验结论：在封闭的环境下，由于墙壁对射线的阻挡，穿透损耗较大，故信噪比较差，由于食堂的人流量较大，此食堂距离基站较近，故RSRP较好。

穿墙对比：总体上说，二教一楼教室的信号强度稍大于二教一楼走廊，这是由于二教一楼走廊仅有一个两米宽的过道，因此遮挡严重，信号强度很弱。可以看出二教一楼教室的信号强度稍大，因为二教一楼教室的遮挡物较少一面是墙另一面是玻璃窗；建筑物较低，比较空旷，因此信号衰减小，信号强度较高。

  高低不同：二教四楼教室的信号强度大于二教一楼教室，这是由于二教一楼教室位置较低且窗外有许多绿化植被，因此反射严重，信号强度很弱。可以看出二教四楼教室的信号强度稍大，因为二教四楼教室的位置更高且距离基站位置更近，四周遮挡物较少，比较空旷，因此信号衰减小，信号强度较高。
  室外街道：为什么23A-千喜鹤的信号强度不是很优良？因为虽然23A-千喜鹤测试路线是室外无遮挡的环境，但是是在山腰上面，而基站是在山顶，测试路线一直处在基站的非视距阴影区，而且路线两侧还有许多建筑物和植被，由于多次经过建筑物表面的反射会造成信号能量的浪费。

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