An evaluation of the radio propagation models available in WinProp from AWE Communicatons

Abstract

Propagation measurements at VHF (30-88 MHz) and UHF (225-400 MHz) were conducted in Norwegian terrain in 2014 as a collaborative project between the Communication Research Centre (CRC) Ottawa, Canada, and FFI. The purpose was to gain knowledge about what requirements that must be set to a wideband waveform operating in Norwegian terrain. The main results concerning multipath propagation are to be published at Milcom 2015. To support the planning of the measurements, the prediction tool WinProp [1] from AWE Communications, Germany, was procured. This report compares measurements of path loss with predicted path loss from different propagation models implemented in WinProp. The comparisons are limited to one frequency, 312 MHz, and three geographical locations in eastern Norway. The models available in WinProp that have been compared are the empirical Okumura-Hata model and Longley-Rice area mode model (Irregular Terrain Model), and the deterministic/empirical ITU Rec P.1546 model, Longley-Rice point-to-point model (Irregular Terrain Model), Dominant Path model (AWE proprietary) and Two-Ray model (AWE proprietary). The model parameters have been selected based on best guess and without any tuning to best fit the measurements. Generally, the prediction accuracy of the different models in the terrain that has been measured is not very high. For the best fitted model over all the measurements at the three locations, the mean difference can be up to 15 dB with a standard deviation of 5 dB. However, the accuracy is better for some models at a particular location with certain characteristics. If there are mainly line-of-sight conditions, the deterministic models taking terrain features into account (Longley-Rice point-to-point, Okumura-Hata with diffraction and ITU Rec P.1546) perform best. When multipath is expected, the empirical model Longley-Rice area mode is the best choice, and also the Two-Ray empirical may be used. The accuracy of these models when selected based on the conditions mentioned above, can be approximately 2-3 dB and standard deviation 5-6 dB. The use of these models in radio planning should be used with care, honoring the fact that the selection of parameter values change the predictions with many dBs, and that multipath propagation causes a very difficult propagation environment to model. This study did not find one propagation model that was clearly the best model to use in all the terrains that were considered.

I 2014 ble det gjort radiobølgeutbredelsesmålinger i norsk terreng i VHF-frekvensområdet (30-88 MHz) og UHF (225-400 MHz). Hensikten var å kartlegge nødvendige krav som må stilles til en bredbåndsbølgeform som skal operere i norsk terreng. Dette var et samarbeidsprosjekt mellom Communication Research Centre (CRC) i Ottawa (Canada) og FFI. Hovedresultatene fra målingene angår flerbaneutbredelse og blir publisert på Milcom 2015. For å støtte disse målingene ble et prediksjonsverktøy for radiobølgeutbredelse, WinProp [1], kjøpt fra AWE Communications i Tyskland. Denne rapporten sammenligner målinger av propagasjonstap (tap av signalenergi mellom sender og mottaker) med prediktert propagasjonstap fra forskjellige modeller som er implementert i WinProp. Sammenligningene begrenser seg til én frekvens, 312 MHz, og til tre geografiske områder i Øst-Norge. Modellene som er tilgjengelige i WinProp og blitt sammenlignet, er de empiriske modellene Okumura-Hata og Longley-Rice area model (Irregular Terrain Model), og de deterministisk/empiriske ITU Rec P.1546, Longley-Rice point-to-point (Irregular Terrain Model), Dominant Path model (AWE proprietær) og Two-Ray model (AWE proprietær). De valgbare inngangsparameterne som inngår i den enkelte modell, har blitt valgt ut ifra best vurdering av det terrenget målingene ble foretatt i, og de er ikke forsøkt “tunet” til å gi best mulig overensstemmelse med målingene. Generelt er ikke prediksjonsnøyaktigheten til de forskjellige modellene særlig høy i de terrengene som er blitt målt. For den beste modellen sett over alle dataene i de tre terrengene som er blitt målt, er gjennomsnittlig differanse mellom måling og prediksjon opp til 15 dB med et standardavvik på 5 dB. Men nøyaktigheten er bedre for enkelte modeller i spesielle typer terreng. Dersom kanalforholdene er hovedsakelig frisikt, er de deterministiske modellene som tar terrengformasjoner i betraktning (Longley-Rice point-to-point, Okumura-Hata med diffraksjon og ITU Rec P.1546), best. Dersom flerbanerefleksjoner er svært sannsynlig, er den empiriske modellen Longley-Rice area mode det beste valget, med den empiriske Two-Ray modellen på en annenplass. Nøyaktigheten av disse modellene er da cirka 2-3 dB med et standardavvik på 5-6 dB. Denne studien viser at bruken av disse modellene for radioplanlegging må gjøres med forsiktighet og en viss skepsis. Valg av inngangsparametere gjør store utslag i antall dB prediktert propagasjonstap, og et flerbanemiljø er svært vanskelig å modellere på en god måte. Studien fant ingen propagasjonsmodell som var klart best blant de modellene som ble testet.