理论教育 简化与混合模型的优化

简化与混合模型的优化

时间:2023-06-20 理论教育 版权反馈
【摘要】:简化或混合模型可能代表射线模型复杂度和其他如Hata-like模型的过于简单之间的非常有力的折中。简化这个词是指进程逐步简化,它通常从一个完整的射线模型或从一组测量数据出发,完成一个简化模型的开发。不幸的是,一个内在复杂的传播过程可以简化为简单的模型,但是都是在损害任意参数增长的情况下产生的,它往往需要用测量或RT模拟来确定。

简化与混合模型的优化

简化或混合模型可能代表射线模型复杂度和其他如Hata-like模型的过于简单之间的非常有力的折中。简化这个词是指进程逐步简化,它通常从一个完整的射线模型或从一组测量数据出发,完成一个简化模型的开发。所需的输入数据库往往过于简化,随之而来的是成本和处理成本的降低。混合这个词是指事实上虽然简化,但是统计要素必须引入确定性方法。不幸的是,一个内在复杂的传播过程可以简化为简单的模型,但是都是在损害任意参数增长的情况下产生的,它往往需要用测量或RT模拟来确定。我们注意到有趣的是,室内环境有些简化模型(见参考文献[LoCo05],[WWWW04])较复杂的三维RT工具经常会有更好的准确性。这可能是由于简化模型相对于依赖建筑的CAD规划的传统的射线模型,其目前固有的测量校准允许它们考虑凌乱的环境(家具等)的影响。原则上,相对于常规射线模型,一个好的简化模型可以保证良好的精度,大幅削减计算时间,虽然输出往往局限于场强和衰落统计。因此,这些模型都适合简单预测,包括大量的试运行,如移动电台规划和部署评估所需的大量数据。

参考文献[BCFF02]描述了一个城市环境中场预测的简化模型。该模型来自于城市环境中的传播观察,因不同的机制可能会出现不同的传播方式,即两个终端之间直线路径的视距传播、沿街道和建筑物周围的角落的横向非视距传播和建筑屋顶之上的纵向非视距传播。对于视距传播,作者采用了著名的两线传输模型(包括直接和地面反射射线),而对于两个非视距部分他们开发了新的模型,这种新模型受益于城市布局的统计特性。然后总的路径损耗模型被定义为这些组件的加权和,该模型也适用于波动场估计。阻塞率定义为一个发射机和接收机连接受阻的可能性,它确定了视距和非视距地区的边界。然后,假设其对两个平面的场强传播作用相互独立,每一个均可以用均值和标准差已知的高斯随机变量建模。有了这个假设,场强和其标准差及其距离可以由包含一些环境参数(qμLATμVERT)的简单公式得出,这些参数取决于所考虑地区的合成拓扑特性(如平均建筑高度、街道平均宽度等),像往常一样,这些参数单位为dB。该参数值必须从城市地图及测量或RT模拟中提取。比较在慕尼黑947MHz(COST 231盲试验)下测量的各路径损耗与距离,图4.24a是其模型预测:一致性良好,我们可以看到,纵向和横向的结果符合预期,等于每个其他的在650m左右距离的值。图4.24b报告了作为距离的函数的接收场标准差。从这些数字我们可以得出这样的结论:一旦根据实际的环境调整涉及的参数值,扩展模型能够与平均路径损耗和标准差的实验值匹配良好。值得强调的是,该模型不需要具体的建筑数据库。

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图4.24 路径损耗和场强与距离的标准差的测量和仿真

参考文献[WWWW04]提出了一个新的半确定性模型,用于预测室内和室外环境。该模型的目的是只考虑每个场景的主要路径,与完整射线模型相比,减少其对输入数据库精度的依赖性。该模型需要对测量或引用数据进行简单的校准。该模型本身可以分为两步。

1.主要路径的测定

确定主导路径是最重要的任务。对于室内场景,参考文献[WLGB97]和[WoLa98]详细解释了其算法并在图4.25中与一个光线跟踪模型进行了比较。该模型能够确定通常把大部分功率转移到RX的“不妨碍路径”。同样的原理也可以用于城市的情况。图4.26显示的是一个城市的例子(如香港,含地形)。主导路径描述了主要的传播方向(或房间通过走廊(室内)),即确定主要能量通道。它不需要计算任何单个反射或衍射系数。这些作用被包含在路径“参数”(例如波导因素,这取决于场景的反射损耗和墙壁距离)中。可以在2.5维(城市环境,见图4.26)水平面(2维模式)或者三维(室内)情况下确定这些路径。因此,在城市环境下,波也可以在屋顶上以及都市街道中进行传播。

2.沿路径的路径损耗(经验)预测

经验预测沿路径的路径损耗取决于路径长度d(路径损耗比例为n×logd)、参数的数目、在互动点选择路径的角度及模型的具体参数(波导效应,解释如上)。这些参数可以由测量自动校准。在室内和室外环境比较新模型对磁场强度的预测的测量结果。一旦校准,与RT预测(错误标准差室内约4dB和室外为6~8dB)相比,其达到的精度将非常好,而且计算时间非常少。慕尼黑COST 231盲测试方案(2000年建筑物,10m的分辨率,8.7km2区域)在2GHz的电脑上的计算时间少于30s。

参考文献[ZVRK04]解释了一种简单的经验统计模型公式化城市微单元路径损耗与距离。进行5.3MHz的MIMO测量活动,基站位于赫尔辛基市的街道中间通道的一个约10m的位置,视距和非视距情况的两个路径损耗公式通过使用最小二乘法进行数据拟合得出。而BS配备了一个有4个双偏振元素均匀线阵。用MT测量直线路线,用约80λ的滑动窗口对测量结果进行平均得出快衰落,然后确定每个MT位置的MIMO子信道功率。视距公式是一个简单的Hata-like公式:

PLd1)=40.3+23.4×logd1(dB);σLoS=2.6(dB)式中,d1是视距距离;σLoS是路径损耗的标准差。

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图4.25 在室内场景射线追踪与主导路径追踪实例(www.daowen.com)

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图4.26 室外场景(香港城市)主导路径追踪实例

有趣的是该PL指数(=2.3)比在自由空间(=2)的要大。非视距计算公式为

PLd1d2)=PLd1)+10nj×logd1-W/2(dB);σLoS=3.1(dB)

式中,d1是基站到最近的十字路口的视距距离;d2是从十字路口到MT的距离;nj是一个随机绘制路径的损耗指数,其均值为2.33,标准差为0.3;W是主要的街道(基站所在位置)的宽度。

参考文献[HeKu05]比较了几种不同的确定性简化模型,它是在UMTS的城市微单元超高位置环境下进行的,即基站安装在至少100m的高度。也就是说,所比较的模型有COST-WI、平边、Maciel-Xia-Bertoni和参考自由空间方程。由于视距仰角可以相当高,Maciel-Xia-Berton在小距离下预测误差较大,而COST-W1则性能良好。结合Maciel-Xia-Berton和COST-W1提出了一种混合模型,从前者到后者仰角超过0.15°。9.2节将有更详细的介绍(见参考文献[HeKu05])。

简化模型的应用几乎是强制性的,它必须得到一般结果而不是只针对特定的拓扑结构。参考文献[Fusc04]把简化的Hata-like模型应用于DVB系统的创新覆盖解决方案。通过手持终端高品质的接收能力在数字视频广播中是非常重要的指标。

令人遗憾的是,初步的评估和实地实验表明,基于现有的发射站的再利用得到的这一指标不能令人满意。因此,必须研究新的部署策略。特别地,这项工作显示了通过在传统的DVB网络部署中,添加一些城市和郊区同频转发来改善城市环境覆盖率强大的可能性。

可以利用单频的灵活性,DFDM传输技术。结果表明,单是增加了额外的城市的发射机的传统规制,在发射机站的最小功率应该达到95kW以实现在半径为5km的图形城区的覆盖率PC≥0.95。通过采用一种新的,包含24个城区Txs(每一个发射功率是8W),10个效区Txs(30W)和3个额外城区Txs 5.845kW的更加分散的覆盖解决方案,可以得到一样的覆盖率,节省了几乎90%的全部发射功率。结果覆盖图如图4.27所示。

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图4.27 采用新部署方案的半径为5km的图形城区的覆盖图

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