無線傳播與網絡規(guī)劃 課件 (羅偉) 第5-8章 無線網絡規(guī)劃與優(yōu)化方法-無線電波傳播仿真方法

第5章

無線網絡規(guī)劃與優(yōu)化方法1

無線網絡規(guī)劃與優(yōu)化方法2無線通信系統(tǒng)網絡規(guī)劃與設計工作中，覆蓋范圍與系統(tǒng)容量是最重要的兩個因素，通常稱之為2C（Coverage與Capacity）。在實際工程實踐中，這二者可以相互補償，也可以相互折中，例如可以通過犧牲容量來換取覆蓋范圍的擴大，反之亦可。無線網絡建設的成本與此二者因素密切相關。一般來說，在宏蜂窩系統(tǒng)規(guī)劃設計中，覆蓋優(yōu)先于容量；如果要兼顧覆蓋與容量，則應當考慮加入微蜂窩系統(tǒng)。在微蜂窩網絡設計中，干擾抑制與消除是一項重要任務。目前室內系統(tǒng)如皮蜂窩等主要用于容量提升。

§5.1

網絡規(guī)劃概述3在無線網絡建設與部署的過程中：網絡規(guī)劃是指為了達到預定目標而事先提出的一套系統(tǒng)的有根據(jù)的設想和做法，它是一種總體設想和粗略設計；而網絡設計是指在規(guī)劃的基礎上，為滿足實際工程目標而采取的具體方案；網絡優(yōu)化則是指在系統(tǒng)或工程已實際建成的情況下，根據(jù)實際需求調整部分系統(tǒng)參數(shù)或修正小部分設計方案，來提高系統(tǒng)性能。這三者之間分工不同，但具體的界限又不能嚴格區(qū)分。網絡規(guī)劃一般是指在初始階段對移動通信中網絡工程的粗略估計與布局的考慮；網絡設計則主要負責在初步規(guī)劃的基礎上對正式運營的不同制式移動通信蜂窩網進行工程設計。移動通信系統(tǒng)建設是高投入，技術復雜并且結構龐大的系統(tǒng)工程。通信系統(tǒng)的正常工作，不僅需要物理層設計與網絡層協(xié)議，也必須有從宏觀與整體充分利用物理層與網絡層的移動網絡平臺，構成完整的移動網絡系統(tǒng)。

§5.1

網絡規(guī)劃概述

5.1.1預測模型的選擇4無線網絡規(guī)劃的前提是明確該區(qū)域網絡建設的系統(tǒng)需求，包括預算、服務區(qū)域范圍、系統(tǒng)需求的相等性、載波及信道數(shù)、頻率復用方案、競爭因子、軟硬件設備特性和地方政府政策與規(guī)劃等。在此基礎上，首先應當選擇正確的預測模型。目前可用于工程的預測模型根據(jù)收發(fā)信機位置信息特征可以分為三類：區(qū)域-區(qū)域模型：用于基站位置和終端位置不確定的情況，可以在服務區(qū)建設通用系統(tǒng)時采用該模型；點-區(qū)域模型：適用于已知基站位置而移動端位置不確定的情況；點-點模型：適用于基站和移動端位置都確定的情況。

§5.1

網絡規(guī)劃概述

5.1.1預測模型的選擇5宏蜂窩系統(tǒng)的設計中，一般選擇形式簡單并且精度相對較高的預測模型，同時要檢查模型的有效性，如輸入輸出文件的格式與標準等，確保該模型能夠滿足網規(guī)要求。1.宏蜂窩系統(tǒng)在微蜂窩系統(tǒng)中，市區(qū)的建筑物結構、街區(qū)的特殊地形地貌是影響預測模型的關鍵因素。簡易的預測模型中，可以嘗試采用方塊結構來模擬普通樓體，并重點分析沿街建筑物布局。所選擇的預測模型要能夠準確預估由于建筑物產生的繞射損耗。2.微蜂窩系統(tǒng)目前較為常用的室內預測模型是Lee室內模型，該模型的輸入信息包括建筑物內外結構與布局，以及建筑物材質特性。由于墻壁材料的種類不同，對于信號衰落影響很大，所以充分掌握同一樓層、不同樓層、建筑物內部與外部的墻壁材料信息。3.室內蜂窩（皮蜂窩）

§5.1

網絡規(guī)劃概述

5.1.2規(guī)劃目標6無線網絡規(guī)劃的目標包括網絡覆蓋、網絡容量、服務質量的提升，以及對于建設成本的控制。1.網絡覆蓋2.網絡容量網絡覆蓋主要用覆蓋率和穿透損耗等指標來描述。覆蓋率分為面積覆蓋率與人口覆蓋率，是描述通信業(yè)務在不同服務區(qū)覆蓋效果的重要指標。面積覆蓋率的定義是在指定區(qū)域內滿足一定覆蓋門限條件的區(qū)域面積與總指定區(qū)域面積之比，而人口覆蓋率指在服務區(qū)內滿足一定門限要求的區(qū)域內人口數(shù)與服務區(qū)人口總數(shù)之比。對于整體無線網絡，采用網絡容量評估能滿足各類業(yè)務與用戶規(guī)模。對于穿透無線通信網絡，描述網絡容量的指標包括同時調度用戶數(shù)、平均吞吐量、邊緣吞吐量、VoIP用戶數(shù)、同時在線用戶數(shù)等。

§5.1

網絡規(guī)劃概述

5.1.2規(guī)劃目標73.服務質量4.成本目標從3G移動通信系統(tǒng)的部署開始，無線網絡服務質量成為重要的網絡規(guī)劃目標。其關鍵評估指標包括接入成功率、忙時擁塞率、無線信道呼損、塊誤碼率、切換成功率、掉話率等。服務質量與網絡覆蓋及網絡容量關系密切。在確保網絡覆蓋、網絡容量、服務質量三項網絡性能能夠達標的基礎上，也需要綜合考慮無線網絡中遠期發(fā)展與現(xiàn)有網絡資源情況，以可持續(xù)發(fā)展的思想為指導進行長期規(guī)劃，通過充分利用現(xiàn)網資源降低網絡建設成本。

§5.1

網絡規(guī)劃概述

5.1.2規(guī)劃內容與流程8

§5.2

網絡規(guī)劃流程

5.2.1網絡規(guī)劃準備階段91.項目分工及計劃無線網絡規(guī)劃工作包含數(shù)據(jù)分析、軟件仿真、實地勘測、無線信號測試等。負責人應根據(jù)網絡規(guī)劃項目的目標，確定工作內容，安排工作進度計劃，選擇項目組成員，使項目組成員在項目開始前對各自的工作目標、工作內容、時間節(jié)點等有清楚的認識。

2.工具和軟件無線網絡規(guī)劃可能需要的工具和軟件包括定位儀器、數(shù)碼相機、紙質地圖和電子地圖、規(guī)劃軟件等。如果需要做連續(xù)波測試，還需要準備相關的發(fā)射機和接收終端等。

§5.2

網絡規(guī)劃流程

5.2.1網絡規(guī)劃準備階段103.規(guī)劃區(qū)域調研、基礎資料收集資料收集與分析的目的是對網絡覆蓋區(qū)域、市場需求、業(yè)務規(guī)劃等方面充分了解，作為規(guī)劃設計的輸入。調研的內容包括規(guī)劃區(qū)的人口情況、經濟狀況、地理信息、市場情況、現(xiàn)有無線網絡運行情況等。具體的資料信息如下。（1）人口組成和特點（2）經濟狀況（3）地形、地貌、建筑（4）現(xiàn)有網絡情況資料（5）區(qū)域劃分4.市場定位和業(yè)務預測根據(jù)網絡建設的需求，需要準確把握運營商的發(fā)展計劃，結合前期相關業(yè)務信息，對當前無線網絡確定合理的市場定位。結合服務區(qū)內不同區(qū)域的功能、建筑物及用戶分布特點，進行區(qū)域劃分，并確定各個區(qū)域的基本覆蓋需求，質量標準及業(yè)務類型。

§5.2

網絡規(guī)劃流程

5.2.2網絡預規(guī)劃階段11在網絡預規(guī)劃階段，主要工作包括明確網絡預規(guī)劃目標、資源預估以及為形成站點部署指導建議書。因此需要從策略分析、規(guī)劃目標取定、覆蓋規(guī)劃、容量規(guī)劃和效益預分析等幾個環(huán)節(jié)開展網絡預規(guī)劃。1.連續(xù)波（CW）測試2.測試數(shù)據(jù)處理3.傳播模型校正4.鏈路預算5.覆蓋預規(guī)劃6.容量預規(guī)劃7.站址預規(guī)劃

§5.2

網絡規(guī)劃流程

5.2.2網絡預規(guī)劃階段121.連續(xù)波（CW）測試根據(jù)電波傳播理論，無線電信號在較遠距離（幾十個波長以上）上經歷的慢衰落，一般服從對數(shù)正態(tài)分布。一般在40個波長的空間距離上對接收場強平均值進行采樣，從而得到對應的均值包絡。此局部均值通常與特定地點的平均值進行比較。CW測試的目的是獲取一定區(qū)域的局部均值，進而校正傳播模型。圖5.2CW測試執(zhí)行過程

§5.2

網絡規(guī)劃流程

5.2.2網絡預規(guī)劃階段132.測試數(shù)據(jù)處理現(xiàn)場測試完成后，測試數(shù)據(jù)需要經過預處理、地理平均及數(shù)據(jù)偏移修正3步進行分析處理。首先預處理對不合理數(shù)據(jù)進行過濾，并離散化測試數(shù)據(jù)。不合理數(shù)據(jù)主要來源于定位誤差和收到嚴重遮擋的情況。然后地理平均處理對測試數(shù)據(jù)進行地理化平均，獲得特定測量范圍的區(qū)域均值。最后數(shù)據(jù)偏移修正是對位置出現(xiàn)偏移的數(shù)據(jù)點進行修正。實測路徑與電子地圖可能會出現(xiàn)偏差，導致測試數(shù)據(jù)偏移電子地圖上的路線，導致數(shù)據(jù)地理屬性出現(xiàn)錯誤，所以需要人工對相關數(shù)據(jù)進行修正處理。

§5.2

網絡規(guī)劃流程

5.2.2網絡預規(guī)劃階段143.傳播模型校正經過對測試數(shù)據(jù)的處理后，借助于網絡規(guī)劃仿真工具間可以對CW測試數(shù)據(jù)進行聯(lián)合校正，從而得到通用的無線傳播模型。一般來說，傳播模型的預測值與實測數(shù)據(jù)必然存差異，而且該差異與地形地貌的方差大小有關。根據(jù)經驗，模型校正中要求誤差均值小于2，標準方差小于8dB（城市）或11dB（農村）即可。圖5.3模型校正流程

§5.2

網絡規(guī)劃流程

5.2.2網絡預規(guī)劃階段154.鏈路預算鏈路預算的目的是預估在本地區(qū)域各種工程參數(shù)條件下最大允許路徑損耗，進而對目標區(qū)域的基站配置進行估算。在鏈路分析中，計算對象主要包括基本配置參數(shù)、收發(fā)信機參數(shù)、附加損耗及傳播模型。（1）基本配置參數(shù)上下行時隙配置、特殊時隙配置、系統(tǒng)總帶寬、發(fā)射天線數(shù)、接收天線數(shù)、天線使用方式等。（2）收發(fā)信機參數(shù)發(fā)射功率、天線增益、接頭及饋線損耗、多天線分集增益、波束賦形增益、熱噪聲密度、接收機噪聲系數(shù)、干擾余量、人體損耗、目標SNR等，（3）附加損耗建筑物穿透損耗和陰影衰落余量。市區(qū)建筑物穿透損耗典型值通常取15～20dB。在城區(qū)環(huán)境下陰影衰落余量通常取8.3dB。

§5.2

網絡規(guī)劃流程

5.2.2網絡預規(guī)劃階段165.覆蓋預規(guī)劃覆蓋目標可以采用務類型、覆蓋區(qū)域、覆蓋概率等指標來表征。（1）業(yè)務類型當前網絡系統(tǒng)中，以分組域（PS）業(yè)務為主。不同PS業(yè)務的覆蓋能力不同，首先應明確邊緣用戶的數(shù)據(jù)速率目標。同時考慮不同目標數(shù)據(jù)速率的解調門限，其相對應的覆蓋半徑也不盡相同。（2）覆蓋區(qū)域根據(jù)覆蓋區(qū)域的地理環(huán)境，進行覆蓋規(guī)劃時，應從面覆蓋、線覆蓋及點覆蓋多方面進行分析，從而確定不同建設的覆蓋需求。面覆蓋主要針對各個主要覆蓋區(qū)域，在建設初期包括主要城區(qū)與部分郊區(qū)，在后期可以拓展至各個縣城與重點鄉(xiāng)鎮(zhèn)。線覆蓋主要面對連接各個城區(qū)的高速公路與鐵路。點覆蓋針對需要重點考慮的數(shù)據(jù)業(yè)務熱點區(qū)域。

§5.2

網絡規(guī)劃流程

5.2.2網絡預規(guī)劃階段175.覆蓋預規(guī)劃（2）覆蓋區(qū)域表5.4各類通信場景的覆蓋率要求覆蓋區(qū)域場景補充說明面覆蓋率（%）邊緣覆蓋率（%）密集市區(qū)室內（3km/h）9585一般市區(qū)室內（3km/h）9075郊區(qū)室內（3km/h）8565農村車內（120km/h）9075高速公路車內（120km/h）9075鐵路車內（120km/h）9075

§5.2

網絡規(guī)劃流程

5.2.2網絡預規(guī)劃階段185.覆蓋預規(guī)劃（3）目標區(qū)域類型分類根據(jù)經驗，一般將目標區(qū)域分為密集市區(qū)、一般市區(qū)、郊區(qū)、農村、鐵路、高速公路。（4）覆蓋參數(shù)目前無線網絡建設以數(shù)據(jù)業(yè)務為主要目標，場景包括密集城區(qū)、一般市區(qū)、郊區(qū)及室內。進行鏈路預算時需要充分考慮建筑物與植被引起的穿透損耗。另一方面，在郊區(qū)、農村、高速公路及鐵路等高速場景下，建筑物較為稀疏，這些場景的終端主要是高速運動的移動臺，并且需要考慮車體的穿透損耗。在我國，當前主流動車組與高鐵的穿透損耗達到24dB以上，運動速度120km/h以上，因此對于高鐵沿線的覆蓋設計需要特別考慮車體損耗與多普勒效應。根據(jù)不同覆蓋場景的業(yè)務需求與用戶密度，覆蓋率參數(shù)可以參照表5.4。最終，結合覆蓋目標與鏈路預算結果，可以預估出實現(xiàn)各類場景完全覆蓋所需的最小基站數(shù)。

§5.2

網絡規(guī)劃流程

5.2.2網絡預規(guī)劃階段196.容量預規(guī)劃目前我國移動通信發(fā)展處于LTE與5G網絡共存狀態(tài)。以TD-LTE系統(tǒng)為例：LTE基于調度算法與完全共享的原則，在網絡設計中更多考慮數(shù)據(jù)業(yè)務的承載，采用鏈路自適應方式進行資源分配。在容量規(guī)劃方面綜合考慮用戶信道質量與當前小區(qū)總體資源，動態(tài)調整用戶資源分配，并通過選擇性調度方法獲得較高的頻譜效率。通過系統(tǒng)仿真與實測數(shù)據(jù)分析，根據(jù)小區(qū)吞吐量與小區(qū)邊緣吞吐量來估計網絡規(guī)模。因為TD-LTE支持多種帶寬的靈活配置，所以為了承載大容量的數(shù)據(jù)與語音業(yè)務，一般采用大帶寬進行組網部署。

§5.2

網絡規(guī)劃流程

5.2.2網絡預規(guī)劃階段206.容量預規(guī)劃TD-LTE的容量規(guī)劃目標包括：（1）最大系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量；（2）用戶體驗到最高速率；（3）支持最大用戶數(shù)目。具體的容量指標見表5.5。表5.5LTE容量指標參數(shù)定義用戶數(shù)調度用戶數(shù)在同一個TTI中被調度（傳輸數(shù)據(jù)）的用戶數(shù)連接用戶數(shù)建立了RRC連接的用戶數(shù)激活用戶數(shù)在一定的時間間隔內，在隊列中有數(shù)據(jù)的用戶VoIP用戶數(shù)進行語音通信的用戶數(shù)吞吐量平均吞吐量（Mbit/s）L1忙時吞吐量邊緣吞吐量（Mbit/s）邊緣用戶統(tǒng)計的L1忙時吞吐量

§5.2

網絡規(guī)劃流程

5.2.3網絡詳細規(guī)劃階段21無線網絡詳細規(guī)劃階段的主要任務是以覆蓋規(guī)劃和容量規(guī)劃的結果為指導，進行基站站址規(guī)劃和無線參數(shù)規(guī)劃，并通過模擬仿真對規(guī)劃設計的效果進行驗證。此外，還需進行投資預算及整體效益評價，從而驗證規(guī)劃設計方案的合理性。1.站址規(guī)劃2.無線參數(shù)規(guī)劃3.仿真模擬預測4.投資估算、經濟評價

§5.3

網絡覆蓋預估22網絡覆蓋預估是無線網絡規(guī)劃的基礎。在該環(huán)節(jié)，應根據(jù)無線傳播模型以及通信系統(tǒng)對路徑損耗的要求，進行基站數(shù)目的預估。一般情況下，首先以理想白板模型（即理想電波傳播環(huán)境）進行站點數(shù)估算，然后根據(jù)實際通信場景再在特殊位置進行基站補充部署，如圖5.4所示。其中，MAPL為最大允許路損（MaxAllowedPathLoss），EIRP為等效全向輻射功率（EffectiveIsotropicRadiationPower）。

§5.3

網絡覆蓋預估23表5.6常用無線傳播模型傳播模型應用場景Okumura-Hata1.頻率范圍：150~1000MHz2.小區(qū)半徑：1~20km3.基站天線掛高：30~200m4.終端天線高度：1~10mCOST231-Hata1.頻率范圍：1500~2000MHz2.小區(qū)半徑：1~20km3.基站天線掛高：30~200m4.終端天線高度：1~10mSPM此模型由路測數(shù)據(jù)經模型校正后得到

§5.3

網絡覆蓋預估24結合相關參數(shù)如發(fā)射功率與接收靈敏度可以計算出最大允許路徑損耗，下行鏈路預算的原理如圖5.5所示。根據(jù)電波傳播原理，傳播路徑損耗包括穿透損耗、身體損耗以及線纜損耗都是靜態(tài)的。而天線增益與MIMO增益可以為信號的損耗進行補償，從而提高最大允許路徑損耗。在覆蓋設計中需要對下行鏈路預算保留余量，確保不僅覆蓋能滿足規(guī)劃目標，而且即使在小區(qū)負載較大或者某區(qū)域慢衰落大于平均值時也能保障正常通信。下行鏈路預算可以表示為

5.3.1下行鏈路預算

§5.3

網絡覆蓋預估251.下行等效全向輻射功率下行等效全向輻射功率指單個基站的發(fā)射功率，從基站天線的角度反映總的輻射水平。以LTE系統(tǒng)為例，由于采用了OFDMA多址方式，所以接收機靈敏度在不同帶寬有所差別。在鏈路預算中，需要將單個RE看作是計算的統(tǒng)一標準。插入損耗主要來自射頻器件接頭，所以可以統(tǒng)一取3dB。這樣，下行等效全向輻射功率可以表示為

5.3.1下行鏈路預算2.基站最大發(fā)射功率基站最大的發(fā)射功率由射頻單元（RRU）的型號以及相關配置決定。對于典型宏站場景，小區(qū)最大發(fā)射功率為2×20W（46dBm）。

§5.3

網絡覆蓋預估263.天線增益在LTE系統(tǒng)中，定向基站天線增益為15dBi，全向基站天線增益在8~11dBi范圍內。在分集模式下，2天線與4天線的理論分集增益分別為3dB與6dB。在Beamforming模式下，8單元天線賦形增益為9dB。但是實際網絡中的分集增益往往會略小于理論值。除了以上增益，一些特殊算法的應用也會產生系統(tǒng)性能增益。小區(qū)間干擾協(xié)調（InterCellInterferenceCoordination,ICIC)算法增益的典型值取2dB，自適應調制編碼（AdaptiveModulationandCoding,AMC）和HARQ增益的典型值取1dB。

5.3.1下行鏈路預算4.干擾余量鏈路預算中需要充分考慮干擾余量，用來補償鄰區(qū)干擾。干擾余量的設計目標一般是為了對抗底噪提升，其與傳播環(huán)境、站間距、發(fā)射功率及頻率復用有關。在50%鄰區(qū)負載的情況下，一般令干擾余量為3~4dB。

§5.3

網絡覆蓋預估275.陰影衰落余量陰影衰落一般符合正太分布特征，會導致小區(qū)邊緣覆蓋率的下降。為了達到目標覆蓋率，需要引入與陰影衰落相關的陰影衰落余量。該余量與小區(qū)邊緣覆蓋率和慢衰落的標準偏差相關，隨著覆蓋率目標的提升而相應增大。此標準偏差來自對不同簇類型的測量，基本代表距離基站一定范圍內射頻信號的強度的變化。因此標準偏差與實際的傳播環(huán)境密切相關，一般取值范圍為6~8dB。通常平坦地形（例如鄉(xiāng)村等開闊地帶）的標準偏差值低于市區(qū)。

5.3.1下行鏈路預算6.損耗無線系統(tǒng)中的損耗主要來自饋線損耗、人體損耗與穿透損耗。饋線損耗特指基站射頻線纜與接頭的損耗，其與工作頻段和線長相關，如表5.8所示。在通話狀態(tài)下，終端近距離與人體接觸，會導致人體生物組織吸收而造成的人體損耗，一般取3dB。當用戶位于室內或者交通工具上時，信號會受到反射和吸收，從而產生穿透損耗。這種損耗的影響因素非常復雜，包括建筑物結構與材料、來波方向及工作頻率等。實際無線網絡中，穿透損耗的補償由大量實測經驗給出，并且有運營商統(tǒng)一制定。

§5.3

網絡覆蓋預估287.接收機靈敏度接收機靈敏度是在工作帶寬內，不考慮外部干擾與噪聲，為滿足業(yè)務質量要求而必須的最小接收信號水平，可以表示為

5.3.1下行鏈路預算接收機靈敏度=背景噪聲＋接收機噪聲系數(shù)＋要求的SINR

不同速率的SINR仿真結果舉例

§5.3

網絡覆蓋預估29上行鏈路的損耗與余量設計原理如圖5.7所示，可見上行鏈路預算的原理和下行鏈路預算基本一致。但是上行鏈路預算需要考慮以下問題（1）發(fā)射功率：LTE系統(tǒng)中，終端最大發(fā)射功率為23dBm。（2）發(fā)射帶寬：終端的帶寬與調度給終端的RB數(shù)量有關。（3）天線增益：終端天線為全向天線，所以天線增益一般為0dBi。（4）上行接收機靈敏度。（5）上行干擾余量：與UE的位置分布相關，通常取3~4dB。

5.3.2

上行鏈路預算

§5.3

網絡覆蓋預估30基站覆蓋面積與蜂窩組網方式和小區(qū)配置有關。令小區(qū)半徑與站間距分別為R與D，典型三扇區(qū)與全向基站的覆蓋方式如圖5.8和圖5.9所示。

5.3.3基站覆蓋面積計算定向站面積計算全向站面積計算

§5.3

網絡覆蓋預估31基站數(shù)目的預估是無線網絡規(guī)劃的重要內容，對于網絡建設質量與成本具有重要意義。根據(jù)工程經驗，規(guī)劃區(qū)域的基站數(shù)目N表示為

5.3.4基站數(shù)量計算表5.12常規(guī)通信場景下基站數(shù)量舉例區(qū)域類型與覆蓋要求密集市區(qū)（三扇區(qū)）一般市區(qū)（三扇區(qū)）郊區(qū)（三扇區(qū)）區(qū)域面積36.95km2325.93km2236.68km2連續(xù)覆蓋業(yè)務的小區(qū)半徑0.30km0.52km1.26km連續(xù)覆蓋業(yè)務的基站面積0.18km20.52km23.05km2基站數(shù)量205個627個78個

§5.4

網絡優(yōu)化32

5.4.1網絡優(yōu)化概念網絡優(yōu)化是指對現(xiàn)有無線網絡進行優(yōu)化與維護，實現(xiàn)無線網絡質量與用戶滿意度提升的工作。通過對已運行網絡性能的分析（包括話務數(shù)據(jù)、現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)及硬件設備），查找追溯影響網絡質量的因素，通過對相關工程參數(shù)的修正、網絡結構的優(yōu)化以及設備配置的調整等手段確保無線網絡正常運行，使無線網絡資源充分利用并獲得最佳效益。隨著5G移動通信網絡的逐步部署，當前無線通信網絡呈現(xiàn)出異構網特征。這種多制式多系統(tǒng)長期共存的狀態(tài)使得無線網絡優(yōu)化面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，因此需要不斷進行網絡優(yōu)化建設，提高網絡質量，為國民經濟發(fā)展服務。

§5.4

網絡優(yōu)化33

5.4.2網絡優(yōu)化目標網絡優(yōu)化的意義在于通過提升網絡質量來有效滿足客戶需求和提升客戶感知。在我國不斷深化改革和移動互聯(lián)網競爭愈發(fā)激烈的環(huán)境下，無線網絡運營面臨諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)通信行業(yè)發(fā)展增速趨于緩慢，并且受到移動互聯(lián)網等新興行業(yè)的挑戰(zhàn)，IPv6、光網絡及云計算等新技術、新產品和新業(yè)務不斷推出，通信市場飽和度增加，全球業(yè)務競爭加劇，導致無線網絡的營銷維護等成本增加。另一方面，運營商網絡的集約化運營維護體系成為必然的發(fā)展趨勢，外部競爭環(huán)境促使運營商在網絡維護和資源管理方面進一步提升效率，后端網絡質量和服務保障競爭以及新網絡新業(yè)務的發(fā)展對無線網絡維護能力的多元化、運維體系以及網絡安全提出新要求。無線網絡優(yōu)化是移動通信網絡運營過程中非常重要的關鍵階段，對通信系統(tǒng)的性能和資源利用效率具有重要作用，其主要目標包括：快速適應網絡的動態(tài)變化；提升建設后的網絡運營最佳效益；覆蓋、容量和質量需要平衡；提高網絡服務等級和用戶滿意度。

§5.4

網絡優(yōu)化34

5.4.3網絡優(yōu)化類型1．工程優(yōu)化工程優(yōu)化通常在無線網絡建設的初期進行，其目的是改善網絡規(guī)劃的缺陷，并解決基本網絡問題，確保網絡的正常使用。工程優(yōu)化是網絡建設中大幅度提升網絡質量的關鍵階段，直接影響到服務區(qū)的用戶體驗。2.專題網絡優(yōu)化在網絡正常商用后，為了針對性提升網絡性能、改善網絡質量、加強用戶感知，需要采用專題網絡優(yōu)化對特定場景與需求進行優(yōu)化。這種優(yōu)化要求對現(xiàn)網數(shù)據(jù)進行全面采集，綜合考慮系統(tǒng)性能、話務統(tǒng)計、網絡參數(shù)和用戶投訴等數(shù)據(jù)，通過深入分析找到影響網絡質量的根本原因，進而指定和實施相應的優(yōu)化方案，從而提升網絡質量與用戶滿意度。3.運維期網絡優(yōu)化運維期網絡優(yōu)化指在網絡建成后，為了保障網絡的正常運行而進行的長期持續(xù)維護。這個過程在該無線網絡運行期間都要保持進行。運維期網絡優(yōu)化的內容包括后臺KPI分析、設備故障告警處理、客戶投訴處理、路測以及撥打測試發(fā)現(xiàn)并解決網絡中存在的問題等。

§5.4

網絡優(yōu)化35

5.4.4網絡優(yōu)化總體流程

§5.4

網絡優(yōu)化36

5.4.5室外宏覆蓋優(yōu)化方案1.室外宏站覆蓋優(yōu)化方案室外宏站覆蓋優(yōu)化的主要任務是消除現(xiàn)網中的覆蓋空洞、弱覆蓋，越區(qū)覆蓋和導頻污染。覆蓋空洞可以視為一種弱覆蓋，而越區(qū)覆蓋和導頻污染都可歸納為交叉覆蓋。該場景下，網絡優(yōu)化的對象主要有消除弱覆蓋和交叉覆蓋。解決覆蓋問題的手段比較多，主要包括調整天線下傾角與方位角、調整基站發(fā)射功率、調節(jié)基站天線掛高，如果以上方法效果均不理想，則需要進行基站的升級或者新增部署。該場景下，進行覆蓋優(yōu)化時，需要遵循以下基本原則：（1）先優(yōu)化RSRP，后優(yōu)化PDCCHSINR。（2）優(yōu)先優(yōu)化弱覆蓋、越區(qū)覆蓋，然后再優(yōu)化導頻污染。（3）優(yōu)先調整基站天線的工程參數(shù)，然后考慮遷站及加站，最后考慮調整發(fā)射功率和波瓣寬度。

§5.4

網絡優(yōu)化37

5.4.5室外宏覆蓋優(yōu)化方案2.熱點覆蓋優(yōu)化方案（1）高端寫字樓場景（2）商場及購物中心場景（3）高層住宅場景（4）校園場景（5）高速鐵路優(yōu)化方案（6）地鐵覆蓋優(yōu)化方案本章小結本章對無線通信網絡規(guī)劃與優(yōu)化的基本理論和方法進行闡述。首先給出網絡規(guī)劃的定義，并與網絡優(yōu)化進行比較，介紹了網絡規(guī)劃的目標、主要內容及簡要流程。然后對網絡規(guī)劃流程中的準備工作、預規(guī)劃及詳細規(guī)劃三項內容進行詳細介紹。以LTE網絡為例，對網絡覆蓋預估的中的上行與下行鏈路預算方法進行闡述，并給出了基站覆蓋面積和基站數(shù)量的預估方法。最后對網絡優(yōu)化技術進行介紹，包括網絡優(yōu)化的概念、目標、類型以及總體流程，并給出幾種典型室外宏站覆蓋場景下的網絡優(yōu)化原則。第5章

無線網絡基站系統(tǒng)39

§6.1

5G基站系統(tǒng)概述40第五代移動通信系統(tǒng)（簡稱5G）是新一代蜂窩移動通信技術。與前幾代移動通信網絡相比，5G網絡的性能具有飛躍性發(fā)展。其下行峰值數(shù)據(jù)傳輸速率可達20Gbps，而上行峰值數(shù)據(jù)傳輸速率超過10Gbps。網絡時延被大大降低，網絡架構也得到簡化，從而使得端到端延遲小于5毫秒。5G將為用戶帶來超越光纖的傳輸速度（MobileBeyondGiga）、超越工業(yè)總線的實時能力（Real-TimeWorld）以及全空間的連接（All-OnlineEverywhere），進而有力促進社會信息化的發(fā)展。圖6.15G系統(tǒng)應用場景

§6.1

5G基站系統(tǒng)概述

6.1.15G網絡架構41圖6.25G網絡架構示意圖5G的網絡架構主要包括5G接入網（NG-RAN）和5G核心網（5GC），如圖2.2所示。其中NG屬于無線網和核心網的接口，而Xn屬于無線網節(jié)點之間的接口。

§6.1

5G基站系統(tǒng)概述

6.1.25G接入網組網方式425G接入網中包含獨立部署組網(SA)和非獨立部署組網(NSA)兩種組網方式。1.SA組網SA組網獨立部署包括Option2和Option4/4a等幾種接入網組網方案，如圖6.3所示。其中虛線表示控制面，實線表示用戶面。Option2為NR基站獨立于LTE，直接連接5GC。Option4/4a采用NR基站作為控制面錨點，而LTE基站僅承擔用戶面轉發(fā)功能，適用于NR頻段低于LTE的場景。Option2逐漸被接受為SA組網優(yōu)選方案。

圖6.3SA組網結構示意圖

§6.1

5G基站系統(tǒng)概述

6.1.25G接入網組網方式432.NSA組網非獨立部署包括Option3/3a/3x，Option7/7a/7x，Option3/3a/3x和Option7/7a/7x等幾種接入網組網方案，如圖6.4所示，均采用LIE作為控制面錨點，用戶通過LTE基站接入EPC或5GC，而NR基站僅承擔用戶面轉發(fā)功能，適用于LTE頻段低、覆蓋大于NR的場景。NSAOption3x逐漸被接受為NSA組網優(yōu)選方案。圖6.4NSA組網結構示意圖

§6.1

5G基站系統(tǒng)概述

6.1.25G接入網組網方式442.NSA組網非獨立部署包括Option3/3a/3x，Option7/7a/7x，Option3/3a/3x和Option7/7a/7x等幾種接入網組網方案，如圖6.4所示，均采用LIE作為控制面錨點，用戶通過LTE基站接入EPC或5GC，而NR基站僅承擔用戶面轉發(fā)功能，適用于LTE頻段低、覆蓋大于NR的場景。NSAOption3x逐漸被接受為NSA組網優(yōu)選方案。圖6.4NSA組網結構示意圖

§6.2

基站主設備45無線基站的主設備主要由基帶單元（BBU）、射頻模塊及配套設備組成，如表6.2所示。基站主設備功能說明功能模塊BBU基帶處理單元射頻模塊RRU與AAU等配套設備DCDU4G直流配電單元EPU5G直流配電單元交流轉直流AC/DC轉換模塊機柜/機框室內宏機柜室內小容量機柜室內機柜其他類室外/室內電源模塊交流防雷盒表6.2無線基站主設備基本組成模塊

§6.2

基站主設備

6.2.1射頻模塊46目前5G射頻模塊主要包括射頻拉遠單元（RRU）與有源天線系統(tǒng)（AAU）兩種設備。RRU是傳統(tǒng)的中射頻模塊，包括調制/解調、數(shù)據(jù)壓縮、射頻信號與基帶信號的放大等功能，在4G通信基站中具有重要地位?？紤]到射頻前端的小型化和高效率設計需求，在RRU與基站天線的基礎上開發(fā)出了AAU這種新型一體化有源天線系統(tǒng)。AAU將部分物理層處理功能、射頻模塊與無源天線結合成為一個獨立的設備，并架設于塔頂，其端口與基帶處理單元通過光纜等方式直接連接。AAU設備在5G通信系統(tǒng)中的微基站和室內基站中得到了廣泛的應用和部署。

§6.2

基站主設備

6.2.1射頻模塊47表6.3RRU功能模塊模塊名稱主要功能CPRI接口接收BBU發(fā)送的下行基帶數(shù)據(jù)，并向BBU發(fā)送上行基帶數(shù)據(jù)，實現(xiàn)RRU與BBU的通信供電處理將輸入的48V電源轉換為RRU各模塊需要的電源電壓TRX接收通道將接收信號下變頻至中頻信號，并進行放大處理、模數(shù)轉換(A/D轉換)；發(fā)射通道完成下行信號濾波、數(shù)模轉換(D/A轉換)射頻信號上變頻至發(fā)射頻段；反饋通道協(xié)助完成下行功率控制、數(shù)字預失真DPD及駐波測量PA對來自TRx的小功率射頻信號進行放大LNA對來自天線的接收信號進行放大濾波器使射頻通道接收與發(fā)射信號復用，并對接收信號和發(fā)射信號進行濾波圖6.5RRU邏輯結構示意圖

§6.2

基站主設備

6.2.1射頻模塊486.6

AAU功能模塊示意圖AAU主要功能包括:（1）向BBU接收并發(fā)送下行/上行基帶數(shù)據(jù)，與BBU進行通信。（2）與天饋系統(tǒng)連接，接收通道將來自天線的上行射頻信號下變頻至中頻，然后進行放大處理和模數(shù)轉換；發(fā)射通道對下行信號進行濾波與數(shù)模轉換，然后上變頻至發(fā)射頻段。（3）射頻通道對發(fā)射與接收信號實現(xiàn)復用，使得接收與發(fā)射信號公用天線通道，并對收發(fā)信號進行濾波處理。（4）根據(jù)通信制式要求對信號進行波束賦形處理。

§6.2

基站主設備

6.2.2基帶處理單元49在當前的5G系統(tǒng)中，對基站設備進行了重構，將原來LTE系統(tǒng)中BBU的部分物理層處理模塊轉移至RRU，然后又將RRU與天饋系統(tǒng)融合為AAU。另一方面，將BBU拆分為CU與DU，使得每個基站擁有獨立的DU，而多個站點共用同一個CU進行集中式管理，如圖6.7所示。圖6.7BBU架構的演進

§6.2

基站主設備

6.2.2基帶處理單元501.BBU邏輯結構下面以華為公司產品BBU5900為例介紹BBU的邏輯結構。該BBU5900采用模塊化設計，由基帶子系統(tǒng)、主控傳輸子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)、鐘子系統(tǒng)、風扇模塊和電源模塊組成，如圖6.8所示。圖6.8典型BBU產品的邏輯結構示意圖

§6.2基站主設備

6.2.2基帶處理單元511.BBU安裝BBU安裝需要考慮站址的具體環(huán)境，確保BBU性能的穩(wěn)定正常。具體的安裝場景如下。圖6.9BBU室內安裝場景圖6.10BBU安裝于機房內部場景

§6.3

天饋系統(tǒng)52天饋系統(tǒng)是無線基站的重要組成部分，作為無線信號的收發(fā)前端，對于網絡性能具有重要影響，同時也是無線網絡規(guī)劃和優(yōu)化的主要內容之一?；咎祓佅到y(tǒng)主要包括天線、饋線、支撐結構，以及一些連接器和保護裝備，如圖6.11所示。天饋系統(tǒng)的主要模塊和器件的功能見表6.4。

圖6.11無線基站天饋系統(tǒng)結構示意圖53

6.3.1基站天線基本參數(shù)表6.5典型基站天線電氣性能參數(shù)表作為移動通信系統(tǒng)中的射頻核心組件，天線具有輻射和接收電磁波的重要功能，其性能的優(yōu)劣直接決定著整個移動通信網絡的信號傳播質量。常規(guī)雙極化基站天線的主要性能參數(shù)包括電路參數(shù)和輻射參數(shù)。電路參數(shù)主要考慮輸入阻抗、電壓駐波比和端口隔離度等；輻射參數(shù)主要考慮輻射方向圖、增益、交叉極化比等。

§6.3

天饋系統(tǒng)

6.3.2基站天線結構1.基站天線單元與其他種類天線產品不同，基站天線單元根據(jù)加工方式與原理主要可以分為微帶天線、印刷電路板振子、壓鑄振子及鈑金沖壓振子，如表6.8所示。綜合考慮性能與成本，目前4G與5G網絡中常用的基站天線單元形式為壓鑄振子和鈑金沖壓振子，而印刷電路板振子也在部分場合投入使用。表6.8各類基站天線單元比較方案優(yōu)點缺點質量控制點微帶天線（1）成本較低（2）振子形式簡單（3）易與微帶饋電網絡一體化（1）帶寬較窄（2）輻射參數(shù)優(yōu)化較困難（3）裝配精度難以保證（4）功率容量較小（1）基板的強度（2）塑料支撐的穩(wěn)定性和耐久性印刷電路板振子（1）尺寸精度高（2）頻段較寬（3）設計周期短（1）無源互調性能較差（2）在低頻段面積較大（1）基板互調特性（2）銅皮處理工藝壓鑄振子（1）設計自由度大（2）結構一致性好（3）生產效率高（4）成品可靠性高（1）設計周期長，模具費用高，初期投入大（2）結構工藝設計要求高（3）成本相對較高（1）力學設計（2）合金工藝（3）表面毛刺和涂覆鈑金沖壓振子（1）連續(xù)模一次沖壓成型（2）低頻段成本較高（1）振子輻射口徑面過大（2）對焊接工藝要求高（3）設計自由度相對較?。?）板材厚度（2）結構穩(wěn)定性（3）不同金屬的鉚接控制

§6.3

天饋系統(tǒng)

6.3.2基站天線結構2.基站天線陣列與饋電網絡為了得到較高的增益以及波束賦形性能，基站天線必須采用陣列天線形式。常見無源基站天線由若干個直線陣列組成，而每個直線陣列均包含若干天線單元。表6.9各類饋電網絡方案的對比方案優(yōu)點缺點質量控制點空氣微帶線饋電網絡（1）成本低（2）插損小（3）設計自由度較大（1）穩(wěn)定性和一致性差（2）寄生輻射較大（3）多個輻射指標相互矛盾（1）底板強度（2）天線防水設計（3）塑料支撐的耐久性印刷電路板微帶線饋電網絡（1）精度高，穩(wěn)定性好，指標一致性好（2）便于大批量生產（3）設計自由度大（1）成本高、損耗大（2）無源互調性能較差同印刷電路板振子同軸電纜饋電網絡（1）穩(wěn)定性好（2）無寄生輻射（3）布線自由度較大（1）成本較高，焊點多（2）設計自由度?。?）電纜質量（2）布線（3）焊接

§6.3

天饋系統(tǒng)

6.3.2基站天線結構3.電調下傾天線的饋電網絡電調天線下傾角的調整與掃描需要通過饋電網絡來實現(xiàn)，即采用移相器來代替固定的饋電結構，如圖6.15所示。連續(xù)電調天線通過移相器控制輸入天線內不同振子單元的信號相位的辦法來控制天線主輻射方向，其原理如圖6.16所示。圖6.15移相器控制波束下傾角原理示意圖圖6.16移相器原理示意圖

§6.3

天饋系統(tǒng)

6.3.2基站天線結構4.多頻基站天線多工作頻率相近的小頻率比天線：由高頻輻射單元和低頻單元分別組成線陣，然后再進行SidebySide排布；高低頻輻射單元采用共軸嵌套的方式，將尺寸較小的高頻單元嵌套于尺寸較大的低頻單元內。工作頻帶相距很遠的大頻率比天線：可應用于Sub-6G頻段和毫米波頻段集成設備上，是未來無線通信的必然發(fā)展趨勢。這種天線的實現(xiàn)方式主要包括高階模式的組合、高低頻天線共口徑設計及多模復合傳輸線等方法。

§6.3

天饋系統(tǒng)58

6.3.3有源基站天線系統(tǒng)1.移動通信有源天線結構相對于傳統(tǒng)的有源TRx與基站天線分離的架構方式，移動通信系統(tǒng)中的有源天線是指系統(tǒng)級有源收發(fā)陣列和無源天線陣列的集成，如圖6.19所示。有源天線包括三大子模塊：收發(fā)單元陣列、無源合分路網絡無源天線陣列。圖6.17移動通信有源天線結構示意圖

§6.3

天饋系統(tǒng)59

6.3.3有源基站天線系統(tǒng)2.有源基站天線的特點

§6.3

天饋系統(tǒng)60

6.3.3有源基站天線系統(tǒng)3.有源天線的典型應用有源基站天線與3D-MIMO、3DMU-MIMO以及3D小區(qū)間多點協(xié)作傳輸（3D-CoMP)等無線通信技術的充分融合，將有力推動移動通信系統(tǒng)的發(fā)展。

§6.3

天饋系統(tǒng)61

6.3.4基站天線選型與架設1.基站天線選擇原則（1）市區(qū)環(huán)境市區(qū)環(huán)境中，站址密集，要求單站覆蓋范圍較小，盡量減小覆蓋交疊區(qū)域，從而提升頻率復用率。表6.10市區(qū)環(huán)境基站天線選擇原則基站天線指標具體要求極化方式雙極化水平半功率波束寬度60°～65°增益15~18dBi或10～12dBi下傾角3°～15°零點填充不作要求

§6.3

天饋系統(tǒng)62

6.3.4基站天線選型與架設1.基站天線選擇原則（2）農村環(huán)境農村環(huán)境中基站分布稀疏，話務量較小，但是要求實現(xiàn)大面積覆蓋。表6.11農村環(huán)境基站天線選擇原則基站天線指標具體要求極化方式垂直極化或雙極化水平半功率波束寬度90°或120°部分區(qū)域可以采用全向天線增益16~18dBi（定向天線）11dBi（全向天線）下傾角預置3°或5°零點填充大于15%

§6.3

天饋系統(tǒng)63

6.3.4基站天線選型與架設1.基站天線選擇原則（3）公路環(huán)境公路環(huán)境中用戶高速移動，話務量較低，需要重點考慮帶狀覆蓋問題。由于公路環(huán)境差別很大，需要根據(jù)實際情況進行基站建設。表6.12公路環(huán)境基站天線選擇原則基站天線指標具體要求極化方式垂直極化方向圖特征高增益定向天線覆蓋公路沿線全向天線覆蓋公路及附近村莊增益17~22dBi（定向天線）11dBi（全向天線）前后比定向天線的前后比不宜太高

§6.3

天饋系統(tǒng)64

6.3.4基站天線選型與架設1.基站天線選擇原則（4）山區(qū)環(huán)境在山區(qū)環(huán)境中，山體和植被對電磁波傳播的遮擋較為嚴重，覆蓋難度大。因此需要對該環(huán)境進行廣域覆蓋，將基站設置在山頂上、山腰間、山腳下或山區(qū)里的合適位置。表6.13山區(qū)環(huán)境基站天線選擇原則基站天線指標具體要求極化方式垂直極化或雙極化方向圖特征盆地和地形起伏較小區(qū)域用全向天線山腰采用定向天線增益15～18dBi（定向天線）9~11dBi（全向天線）預置下傾角與零點填充山頂建站時，需要進行零點填充和預置下傾角

§6.3

天饋系統(tǒng)65

6.3.4基站天線選型與架設2.基站天線的架設與安裝（1）天線支架安裝在室外宏站場景下，天線需要安裝于支架上，在設計與施工過程中需要注意以下幾點：天線支架安裝平面和抱桿必須嚴格垂直于水平面。做好防雷擊措施，天線支架應處于避雷針保護范圍。支架與鐵塔平臺應牢固地固定，同時要允許后期網絡優(yōu)化時天線調節(jié)。支架結構應考慮承重與風阻性能，并且不能影響天線的電氣性能。

§6.3

天饋系統(tǒng)66

6.3.4基站天線選型與架設2.基站天線的架設與安裝（2）天線安裝5G系統(tǒng)中定向板狀基站天線是宏基站設備的主流產品，安裝流程如圖6.20所示。安裝過程中需要注意的事項包括：天線中心距離鐵塔應保持以上，以確保輻射特性不受影響；通過增大天線間距來保證系統(tǒng)之間隔離度（天線隔離度應大于30dB）。

§6.3

天饋系統(tǒng)

6.3.4基站天線選型與架設3.基站天線參數(shù)調整基站天線的工程參數(shù)會直接影響到網絡覆蓋與容量，同時也是無線網絡優(yōu)化的主要對象。（1）天線高度的調整調整天線高度參數(shù)是控制小區(qū)覆蓋范圍的主要手段之一。在城區(qū)環(huán)境，由于基站數(shù)目很多，需要控制基站天線高度，否則會造成話務不均衡和系統(tǒng)內干擾，從而嚴重影響網絡質量。（2）天線俯仰角的調整在垂直面上進行天線俯仰角的調整可以使天線至本小區(qū)邊界的射線與天線至受干擾小區(qū)邊界的射線之間處于天線垂直方向圖中增益衰減變化最大的部分，從而使受干擾小區(qū)的同頻干擾及鄰頻干擾減至最小。此外下傾角的調整也可以小范圍地優(yōu)化小區(qū)半徑。（3）天線方位角的調整天線水平方位角的調整能夠保證基站的覆蓋范圍與預期設計相同，從而保證網絡正常運行，同時依據(jù)話務量與現(xiàn)網狀態(tài)進行方位角微調，能夠有效優(yōu)化網絡質量。

§6.3

天饋系統(tǒng)本章小結本章以5G移動通信系統(tǒng)中無線基站為例，詳細介紹了無線基站架構組成。首先對5G網絡的架構特點進行介紹，并給出5G系統(tǒng)的接入網組網方式。然后詳細闡述了射頻模塊與基帶處理單元這兩項最重要基站主設備的結構、功能及應用范圍，重點強調了有源集成化在當前基站設備研發(fā)設計領域的重要性。最后對基站天饋系統(tǒng)進行詳細描述，包括基站天線的基本參數(shù)與結構、有源基站天線系統(tǒng)，并結合實際無線網絡建設場景給出基站天線選型與架設的基本原則。第7章

無線通信電波測量技術69

無線通信電波測量的意義70無線電波的測量與預估是無線信道建模的重要內容：對于統(tǒng)計信道建模預估技術來說，不僅關注單個傳播路徑的損耗，還要對所有傳播路徑進行綜合分析處理。合理的信道測量方案和先進的測量技術為無線信道建模提供了良好的途徑與手段。對于確定性信道建模而言，其模型的準確性也必須通過實際的信道測量來驗證?？傊疅o線信道測量是獲得實際通信環(huán)境特征，準確建立信道模型的重要基礎?！?.1

電磁場測量原理與常用儀器

7.1.1電場強度測量原理711.電場強度測量原理

電容法是目前常用的電場強度測試方法，如圖7.1所示。其工作原理等效為如圖7.2所示的并聯(lián)或串聯(lián)電路。

對于各類應用，可以采用相應的電極，將平行板電容放置于交變電場中。在交變電場的作用下，會在電路中產生相應的交變電壓信號。因為平行板電容的尺寸遠小于低頻信號波長，所以可以將其看作一個電容偶極子。圖7.1電場強度測量原理

(a)并聯(lián)電路(b)串聯(lián)電路圖7.2電場測量等效電路圖§7.1

電磁場測量原理與常用儀器

7.1.1電場強度測量原理722.電磁干擾測量原理電磁干擾（EMI）是由于電磁干擾源引起的設備、傳輸通道或者系統(tǒng)性能的下降。依據(jù)傳播途徑，電磁干擾包括沿信號線或電源線傳播的傳導干擾與向空間中傳播的輻射干擾。電磁干擾測試指按照電磁兼容測量標準，在規(guī)范的電磁兼容實驗室里，遵照標準的測量方法對被測設備(EUT)進行測試。

圖7.3典型EMI測試接收機系統(tǒng)框圖§7.1

電磁場測量原理與常用儀器

7.1.2常用測量儀器731.寬帶場強儀測量原理寬帶場強儀又稱非選頻式場強測量儀，主要用于電磁輻射環(huán)境的測量與監(jiān)控。寬帶場強儀由探頭和處理與顯示設備構成，如圖7.4所示。其中探頭單元的常見形式包括偶極子天線組、端接肖特基檢波二極管及RC濾波器，其原理如圖7.5所示。為了獲得空間中三維極化信息，偶極子天線組由三個正交線極化天線構成。

圖7.4寬帶場強儀系統(tǒng)架構圖

圖7.5探頭原理示意圖§7.1

電磁場測量原理與常用儀器

7.1.2常用測量儀器742.選頻式場強儀選頻式測量儀器主要用于對環(huán)境中低電平電場強度進行測量，在電磁干擾與兼容領域應用比較廣泛。這種儀器在經過對接收機系統(tǒng)進行校準后，也可以用于環(huán)境電磁輻射測量。選頻指的是只針對特定頻段進行測量，只允許小頻率范圍信號進入接收機。濾除額外頻段信號后，選頻式測量儀器靈敏度遠高于寬帶場強儀。

圖7.6選頻式場強儀的基本原理圖§7.1

電磁場測量原理與常用儀器

7.1.2常用測量儀器753.測量天線無線電波測量儀器的天線作為電磁場的感應器件，對于測量系統(tǒng)的準確度具有重要意義。目前常規(guī)測量系統(tǒng)中，天線與接收機/頻譜儀是相對獨立的，即對于某接收機系統(tǒng)，可以選擇多種天線作為接收器。但是由于不同天線的頻率響應和結構特征的差別，天線選型需要慎重對待。對于寬帶場強儀等寬頻段測量設備，常用的電波測量天線有鞭狀天線、半波振子天線、對數(shù)周期天線、環(huán)行天線等。

§7.1

電磁場測量原理與常用儀器

7.1.3場強測量基本要求與注意事項761.基本要求電磁場測量是一項較為復雜的系統(tǒng)工程，在測量過程中需要遵守以下基本的要求。（1）測量環(huán)境應該滿足相關儀器的使用環(huán)境要求，并對測量環(huán)境進行記錄。（2）測量點的定位需要考慮測量結果的代表性，針對測量目的設計相應的測量方案。應當積累足夠多次的測量數(shù)據(jù)，確保測量結果的可靠性。（3）測量前應該對環(huán)境場強最大值進行預估，便于合理的選擇測量儀器。確保儀器的工作頻段、量程與響應時間等參數(shù)指標與測試對象相符。（4）對于測量過程中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)應該根據(jù)實際測量現(xiàn)場情況，基于統(tǒng)計學原則進行處理。（5）需要將電磁場測量結果建立完整的數(shù)據(jù)存檔，并對測量設備、測量方案、測試點位置、原始測量數(shù)據(jù)以及處理方法進行記錄保存。（6）如果使用寬帶測量設備進行電磁環(huán)境測量時出現(xiàn)異常結果，需要進一步采用選頻式測量儀器進行詳細復查，追蹤主要輻射源。（6）對基站等輻射源進行測量時，需要避免周邊偶發(fā)干擾源的影響。如果有不可避免的干擾輻射源，則需要明確其對測量結果的影響。

§7.1

電磁場測量原理與常用儀器

7.1.3場強測量基本要求與注意事項772.注意事項（1）測試前評估測試對象。在進行電磁場輻射測量前，為了適當?shù)倪x擇測量儀器與設計測試方案，需要充分預計輻射源的特性及可能的傳播特征。常見輻射源及其傳播特性包括：輻射源的類型和發(fā)射功率、調制特性、載波頻率、相關因子、極化方向、輻射源數(shù)目及空間位置、可能的吸收或反射物。（2）合理選擇測量設備。寬帶測量設備的特點是具有各向同性或有方向性響應的帶寬，可以應用于寬頻段電磁輻射的測量；窄帶測量設備能夠對帶寬內某特定頻譜分量進行接收和處理，所以常用于單頻或者一致頻率的電磁輻射現(xiàn)象。（3）測量參數(shù)的選擇原則。針對不同頻段的電磁波，所測量的場參數(shù)有所不同。對于30MHz以下的頻段，需要分別測量電場參數(shù)與磁場參數(shù)；在30~300MHz頻段，對工作場所進行電場參數(shù)或者磁場參數(shù)測量，對其他區(qū)域僅測量電場參數(shù)；在300MHz～300GHz頻段，只測量電場參數(shù)。

§7.2移動通信電場強度測量原理

7.2.1場強測量原理781.測量系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)中電波傳播測量一般采用自動測量系統(tǒng)，如圖7.8所示。以LTE城區(qū)宏站系統(tǒng)為例，基站架設于高層建筑物上，為了實現(xiàn)良好的覆蓋，輸出功率50w以上。圖7.8自動測量系統(tǒng)原理框圖§7.2移動通信電場強度測量原理

7.2.1場強測量原理792.測量方法（1）區(qū)間重復測量方法該方法根據(jù)長期電波測量工程經驗總結歸納而來。進行取樣區(qū)間長度設計時，既要使得該取樣區(qū)間包含足夠多的相互獨立的樣本，又要確保區(qū)間長度不能過長，導致信號電平中值明顯變化而影響統(tǒng)計結果的準確性。因此取樣區(qū)間長度可以設置為100~200m。為了消除路徑誤差、環(huán)境干擾及其他偶然因素的影響，一般需要在同一個取樣區(qū)間內進行三次以上的充分測量。（2）Lee方法一般來說，移動通信場強測量的對象是某測量點的信號強度均值，即慢衰落引起的信號起伏變化。然而移動通信系統(tǒng)中，終端接收信號是由快衰落信號與慢衰落信號的疊加而成，所以需要在測量過程中去除快衰落的影響。通常移動通信信道中快衰落信號幅度變化服從瑞利分布，而慢衰落信號的幅度則服從對數(shù)正態(tài)分布。經過理論分析，可以認為取樣區(qū)間長度為20時，快衰落成分對信號均值的影響小于1.5dB；當取樣區(qū)間為40時，其影響小于1dB。以1.11的間隔可抽取互不相關的36個樣本值，再求其均值作為該測試點的統(tǒng)計結果，即可獲得90%以上的置信度?！?.2移動通信電場強度測量原理

7.2.1場強測量原理803.三個重要測量參數(shù)（1）取樣區(qū)間長度取樣區(qū)間的長度應該足夠大，使得樣本數(shù)目達到能夠反映真實場強分布的要求，同時也應避免對額外干擾的引入。（2）樣本間隔和采樣頻率根據(jù)采樣定理，樣本間隔決定在確定的取樣區(qū)間內的采樣樣本數(shù)目。樣本數(shù)越大，所獲得的結果置信度越高，且偏差越小。（3）最少重復測量次數(shù)因為電波測量的場強是隨機的物理量，所以需要多次重復測量才能使得獲得的統(tǒng)計結果逼近真實情況。§7.2移動通信電場強度測量原理

7.2.1場強測量原理814.測量點的分布選擇根據(jù)電波傳播理論與工程經驗，固定輻射源的輻射場強值與傳播距離呈現(xiàn)對數(shù)線性關系，所以測量點的選擇應該符合距離倍增規(guī)律。令發(fā)射機位于坐標系原點處，假設發(fā)射天線為全向輻射，則可以選擇在8個傳播方向上進行測量點設置。圖7.11測量點設置分布圖§7.2移動通信電場強度測量原理

7.2.2測量數(shù)據(jù)處理方法821.場強均值計算某次實測場強曲線如圖7.12所示，表示某終端在采樣周期T內運動一段距離過程中場強隨時間的變化。圖7.12某采樣周期T內場強變化§7.2移動通信電場強度測量原理

7.2.2測量數(shù)據(jù)處理方法832.數(shù)據(jù)處理當發(fā)射機的輻射功率和天線工程參數(shù)確定的情況下，對每個測量點的取樣區(qū)間進行N次重復測量就可以得到N個采樣周期T內的N個場強均值。如果實際測量時采用連續(xù)測量，則可以按照等間隔距離設置采樣間隔。這是因為在連續(xù)測量過程中，無法對每個測量點進行重復測量，所以每個測量點對應一個場強均值。這樣接收點場強的有效值表示為§7.2移動通信電場強度測量原理

7.2.2測量數(shù)據(jù)處理方法843.傳播曲線和場強分布圖通過將替換為，則可以給出線性回歸曲線，該曲線表示某測量方向上場強均值隨傳播距離的變化特征。對于連續(xù)測量的情況，可以采用最小二乘法擬合平滑曲線來表示實際場強隨距離變化的起伏情況。依據(jù)各個傳播方向上的場強均值與傳播距離的關系，將每個測量點的場強均值標注在測量區(qū)域的數(shù)字地圖上，并根據(jù)場強間隔的要求平滑連接8個方向上的等場強點，就可以得到該測量區(qū)域的場強均值等高線圖，如圖7.14所示。圖7.14合成的測量區(qū)域場強均值等高線圖§7.3毫米波無線電波測量系統(tǒng)

85

毫米波通信是5G與未來移動通信系統(tǒng)研究與應用的重點，其相關傳播特性的建模與測量技術是大規(guī)模天線陣列、波束賦形以及超密集組網等技術的基礎。與目前采用的Sub6G頻段無線通信信道傳播機制不同，高頻段的毫米波傳播損耗明顯增大，而且該頻段傳播特性更容易受到天線、建筑物、人體及各類植被的衰落影響?！?.3毫米波無線電波測量系統(tǒng)

861.收發(fā)系統(tǒng)的寬帶化處理在毫米波頻段，常規(guī)的相對帶寬（例如10%~20%）對應著GHz級別的絕對帶寬。盡管射頻器件能夠達到帶寬指標要求，但是在無線傳播環(huán)境中毫米波將呈現(xiàn)出與較低頻段微波信號差異較大的信道特征。根據(jù)奈奎斯特采樣定律，為了在時延域得到較高的多徑分辨率，就必須拓展信號帶寬。所以在毫米波傳播測量系統(tǒng)的建立過程中，需要重點考慮可以支持高頻寬帶信號且能夠保證帶內信號具有優(yōu)良平坦度的信號發(fā)生器，同時相應的接收機也應該具備下變頻與高速采樣功能。2.動態(tài)范圍因為毫米波在傳播路徑中的損耗遠大于Sub6G頻段，所以當毫米波傳播測量系統(tǒng)應用于室外遠距離傳播場景或者室內遮擋嚴重的非視距場景時，探測信號可能會衰減至低于環(huán)境噪聲，以至于無法被接收機檢測分辨。擴大測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍，確保毫米波信號能夠在超遠距離以及復雜場景下能夠被有效檢測和分析是毫米波信道測量的重要研究內容?！?.3毫米波無線電波測量系統(tǒng)

873.三維空間角度域精度毫米波通信系統(tǒng)與MassiveMIMO充分結合形成的大規(guī)模天線陣列生成分辨率極高的三維可掃描筆狀波束。在此前提下，毫米波信道的三維角度域色散特性對于MassiveMIMO性能和技術方案的選擇具有重要影響。相應的測量方案和設備的設計與選擇需要慎重考慮空間角度域的精度問題。4.同步和校準與其他通信系統(tǒng)類似，毫米波電波測量系統(tǒng)的收發(fā)端口之間也需要高精度的同步和校準處理，從而對抗收發(fā)頻率偏移與時間偏移，保證測量的穩(wěn)定性與準確性。毫米波測量系統(tǒng)的同步方案包括硬同步法與GPS銣鐘馴服法。5.測試效率對于毫米波來說，傳播環(huán)境的細微變化都會導致接收信號的小尺度衰落，因此在測量過程中需要確保測量環(huán)境處于準靜態(tài)信道狀態(tài)。這就要求通過合理地設計測量方案和選擇高性能測試儀器來提高測量效率，使得信道測量在較短的時間內完成?！?.4電波傳播測量誤差分析與數(shù)據(jù)處理

881.測量誤差基本概念當對一個物理量進行測量時，該物理量本身具有的真實大小特征稱之為真值。測量誤差是指測量結果與真值之間的差別。測量誤差分為絕對誤差與相對誤差。絕對誤差表示為相對誤差定義為絕對誤差與真值的比值

7.4.1電波測量誤差分析§7.4電波傳播測量誤差分析與數(shù)據(jù)處理

891.測量誤差基本概念測量誤差通常被分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差。（1）系統(tǒng)誤差。當在相同測量條件下對確定物理量進行多次測量時，誤差的絕對值與符號保持不變，此時稱該誤差為系統(tǒng)誤差。或者在測量條件發(fā)生改變時，按照某特定規(guī)律變化的誤差，也可以被稱為系統(tǒng)誤差。（2）隨機誤差。保持測量條件不變，對同一物理量進行重復多次測量，如果誤差的絕對值或符號隨機變化，則該誤差稱為隨機誤差。盡管隨機誤差在測量次數(shù)較少時表現(xiàn)為不可預測，但是隨著測量次數(shù)的增加，會整體上服從一定的統(tǒng)計規(guī)律。（3）粗大誤差。在規(guī)定的實驗條件下，超出預期估計的誤差稱為粗大誤差。其產生原因可能為讀數(shù)錯誤、測量方法錯誤或儀器缺陷等。對于這種誤差，應當追溯測量系統(tǒng)嘗試消除，同時由于其偏離真值，需要對其進行刪除。

7.4.1電波測量誤差分析§7.4電波傳播測量誤差分析與數(shù)據(jù)處理

902.誤差的估計與處理（1）測量數(shù)據(jù)的數(shù)學期望與方差理論上測量數(shù)據(jù)的取值應當是連續(xù)的，但是由于實際電波測量案例中儀器最小刻度有限，所以實際測量數(shù)據(jù)都是離散狀態(tài)。對于離散數(shù)據(jù)的數(shù)學期望與方差需要進行統(tǒng)計分析。若測量數(shù)據(jù)為序列X，其包含m個離散數(shù)值。在測量次數(shù)足夠大的情況下，根據(jù)貝努力（Bernoulli）定理，事件發(fā)生的頻率收斂于它的概率P，即當測量次數(shù)時，可以用事件發(fā)生的頻率代替事件發(fā)生的概率(i=1，2，…，m)。因此測量數(shù)據(jù)序列X的數(shù)學期望為

7.4.1電波測量誤差分析§7.4電波傳播測量誤差分析與數(shù)據(jù)處理

912.誤差的估計與處理（2）有限次測量數(shù)據(jù)的數(shù)學期望和方差由以上數(shù)學期望與方差的推導過程可見，當測量數(shù)據(jù)無窮大時才可以準確地求解相關統(tǒng)計參數(shù)。然而實際電波傳播測量中，只能獲得有限次數(shù)的測量數(shù)據(jù)。將n次測量的數(shù)據(jù)作為隨機樣本，對其進行統(tǒng)計分析，可以得到測量數(shù)學期望與方差。通過對某電磁傳播現(xiàn)象進行多次獨立且等精度的測量，可以獲得一系列測量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的單次測量結果與數(shù)學期望均存在一定偏差，而且偏差的大小和方向呈現(xiàn)隨機特點。從統(tǒng)計學角度觀察，當測量對象、測量條件及被測參數(shù)確定時，這一系列測量結果的數(shù)學期望與方差是相等的

7.4.1電波測量誤差分析§7.4電波傳播測量誤差分析與數(shù)據(jù)處理

922.誤差的估計與處理（3）隨機誤差的統(tǒng)計處理隨機誤差表現(xiàn)為在相同測量條件下誤差的絕對值與符號隨機變化，其使得測量數(shù)據(jù)偏離于數(shù)學期望。如果只觀察單次測量結果會發(fā)現(xiàn)測量值的偏離沒有規(guī)律可循，但是對多次測量進行分析可以觀察到隨機誤差符合一定的統(tǒng)計規(guī)律。通過采用概率論與數(shù)理統(tǒng)計方法進行隨機誤差的分析，可以結合統(tǒng)計平均方法來削弱隨機誤差。大多數(shù)情況下，隨機誤差的產生原因來源于對測量數(shù)據(jù)影響微小且相互獨立的多種因素綜合作用，假設隨機誤差服從正態(tài)分布，則測量隨機誤差及測量數(shù)據(jù)分布的密度分別為

7.4.1電波測量誤差分析§7.4電波傳播測量誤差分析與數(shù)據(jù)處理

932.誤差的估計與處理（4）系統(tǒng)誤差處理系統(tǒng)誤差的產生原因非常復雜，而且對于測量精度的影響非常嚴重。目前尚未形成有效且通用的系統(tǒng)誤差削弱和消除方法。一般來說，針對具體的測量對象和工程問題采用相應的技術手段進行系統(tǒng)誤差處理。首先要根據(jù)測量結果分析，檢查驗證系統(tǒng)誤差是否真實存在。然后分析系統(tǒng)誤差的來源，在測量方案的設計環(huán)節(jié)盡可能消除引起系統(tǒng)誤差的要素，在測量過程中引入相關技術盡力消除或者減弱系統(tǒng)誤差的影響。最后，在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)嘗試估計和找出系統(tǒng)誤差的范圍，對于比較明確的系統(tǒng)誤差，可以對測量結果進行修正，對于難以把控的系統(tǒng)誤差，要估計出其大概范圍和對測量結果的影響程度。

7.4.1電波測量誤差分析§7.4電波傳播測量誤差分析與數(shù)據(jù)處理

941.傳統(tǒng)評定方法精密度指重復測量所獲得的結果相互接近的程度，可以用來描述測量可重復性的程度。該指標反映的是隨機誤差的大小。測量精密度越高，隨機誤差就越小，則測量數(shù)據(jù)結果越集中于某一區(qū)間范圍，測量的重復性就越好。精密度可以由測量儀器的最小測量單位來確定。準確度指測量值與真值的符合程度。其與系統(tǒng)誤差相關。準確度越高，則測量數(shù)據(jù)的平均值與真值偏離越小，那么測量結果月接近于真值。所以準確度反映了系統(tǒng)誤差對于測量的影響。因為系統(tǒng)誤差的產生原因可以追溯找到，所以準確度反映的也是儀器誤差。當測量儀器確定時，多次測量只能確定重復性的優(yōu)劣，而不能分析其準確度。儀器的精密度與準確度并無直接聯(lián)系。儀器的準確度受限于儀器自身性能和測量方案。精確度指對于測量過程的隨機誤差與系統(tǒng)誤差的綜合評定，用于判定測量結果的重復性與接近真值的程度。精確度越高，則測量結果越集中于真值附近，此時系統(tǒng)誤差與隨機誤差都比較小。盡管精密度與準確度沒有關系，但是精確度高的時候，精密度與準確度都會優(yōu)良。

7.4.2

測量結果評定§7.4電波傳播測量誤差分析與數(shù)據(jù)處理

952.現(xiàn)代評定方法現(xiàn)代評定方法采用不確定度作為測量結果的評判依據(jù)。不確定度表示測量結果可能出現(xiàn)的具有一定置信水平的誤差范圍。不確定度的產生原因非常復雜，包括測量對象、測量儀器、設施裝備、測量方案、測量環(huán)境及測量人員。（1）不確定度的計算不確定度主要由A類和B類兩項分量組成。A類分量指用統(tǒng)計方法獲得的分量，根據(jù)國際計量局發(fā)布的“實驗不確定度的規(guī)定建議書”可以采用標準差表示A類分量。B類分量指用其他方法確定的分量，其數(shù)值采用近似標準差表示（2）測量結果的表述

7.4.2

測量結果評定本章小結本章主要介紹應用于無線通信技術的電波測量技術。首先簡要介紹了電波測量中電磁場強度測量的基本原理以及常用的測量儀器，重點介紹了寬帶場強儀與選頻式場強儀，并對場強測量工作中需要重點注意的基本要求進行說明。然后針對移動通信系統(tǒng)網絡建設，詳細介紹了場強測量的原理、方法及測量數(shù)據(jù)處理方法。并且針對5G及未來移動通信系統(tǒng)中的毫米波技術，介紹了毫米波頻段電磁波測量的原理與測試設計原則。最后，針對測量數(shù)據(jù)的誤差分析與統(tǒng)計方法進行闡述，概括了電波測量中出現(xiàn)的各類誤差及其產生原因，以及處理方法。給出了對測量結果進行評定分析的方法原則。第8章

無線電波傳播仿真方法97

§8.1

統(tǒng)計建模仿真方法98

當前電波傳播特征預測模型的研究方法主要分為三種：第一種為經驗測量方法，其基于實際測量數(shù)據(jù)，利用數(shù)學統(tǒng)計方法來獲取特定區(qū)域的電波傳播預測結果。一般以圖表或者擬合公式的形式呈現(xiàn)。第二種為確定性預測方法，其依據(jù)電波傳播的波動理論對電場值的空間和時間分布進行嚴格的電磁計算。第三種方法為混合法，即前兩種方法的綜合使用。

§8.2

射線追蹤方法99

盡管可以運用于復雜媒質與環(huán)境電波傳播建模的計算電磁學方法種類繁多，但是能夠真正將計算效率與精度