基于 GIS的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋模擬建模

朱 立, 夏 洪, 錢(qián) 敏

(東華理工大學(xué),江西撫州 344000)

基于 GIS的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋模擬建模

朱 立, 夏 洪, 錢(qián) 敏

(東華理工大學(xué),江西撫州 344000)

覆蓋優(yōu)化作為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的一個(gè)重要分支,其前提是建立一個(gè)有效的無(wú)線電傳播模式以模擬當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況。基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì) COST231-Hata經(jīng)典模型實(shí)施本地化校準(zhǔn),并融入 GIS開(kāi)發(fā)技術(shù),搭建了一個(gè)界面化的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋模擬平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了將信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值與信號(hào)傳播環(huán)境結(jié)合,使得小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度分布情況得以直觀呈現(xiàn),并為其他優(yōu)化工作提供了全程的界面支持。

覆蓋模擬;地理信息系統(tǒng);無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

隨著無(wú)線通信事業(yè)的發(fā)展,用戶(hù)群逐漸龐大、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不斷推陳出新。同時(shí),城市建設(shè)的快速更新和擴(kuò)建使網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線電傳播環(huán)境日趨復(fù)雜化 (宋俊德等,2000)。

覆蓋模擬的研究目的在于建立一個(gè)經(jīng)本地化校驗(yàn)的吻合當(dāng)?shù)匦盘?hào)傳播環(huán)境的小區(qū)覆蓋模擬模型,使優(yōu)化人員對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的覆蓋狀況有直觀的了解,可為建網(wǎng)之前的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)、后續(xù)基站布局的優(yōu)化調(diào)整、日常的網(wǎng)絡(luò)工程參數(shù)維護(hù)等工作提供信息平臺(tái)支持。

1 對(duì)信號(hào)傳播模型研究現(xiàn)狀的分析

覆蓋優(yōu)化是建立在傳播模型對(duì)電波衰減的預(yù)測(cè)結(jié)果上的。對(duì)于傳播模型,有兩個(gè)研究方向:一種是基于電磁學(xué)原理及精確數(shù)學(xué)運(yùn)算的確定性建模 (Wu et al.,2006),但由于其研究極具復(fù)雜性,應(yīng)用范圍卻十分局限;另一種為基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)性建模 (Buvaneswari et al.,2005),根據(jù)實(shí)地勘測(cè)數(shù)據(jù),量化描述某一類(lèi)地物環(huán)境因素參量和路徑損耗之間數(shù)學(xué)關(guān)系。其中,認(rèn)可度較高的有 Okumura-Hata,CCIR,COST231-Hata等。但對(duì)模型的研究或應(yīng)用,大多局限在數(shù)值估算階段,網(wǎng)絡(luò)信號(hào)相關(guān)信息以衰減曲線,或僅是數(shù)據(jù)報(bào)表的形式提交,對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況的分析與地物環(huán)境信息結(jié)合度不高,數(shù)據(jù)表現(xiàn)能力不強(qiáng)。筆者結(jié)合 GIS開(kāi)發(fā)技術(shù),建立一個(gè)符合當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境的覆蓋模擬模式,并使信號(hào)數(shù)據(jù)得以圖元、圖層的方式與地理環(huán)境匹配顯示,進(jìn)而解決圖形化分析網(wǎng)絡(luò)覆蓋的難題。

2 信號(hào)傳播模型本地化校正

對(duì)于經(jīng)典模型的校準(zhǔn),將對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,再按誤差最小原則通過(guò)曲線擬合得到校正公式。

2.1 路測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理

路測(cè)工作所獲取的數(shù)據(jù)綜合了地理信息和接收點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度。為保證模型校準(zhǔn)的可靠程度,并合理地減少計(jì)算量以提高工作效率,對(duì)路測(cè)數(shù)據(jù)做如下預(yù)處理 (朱立,2009):

(1)數(shù)據(jù)取樣。因信號(hào)強(qiáng)度將隨基站輻射源—信號(hào)接收點(diǎn) (T-R)距離的增加,而呈對(duì)數(shù)規(guī)律衰減(Wu et al.,2006),則樣本點(diǎn)的取樣工作按 T-R距離倍數(shù)遞增的原則進(jìn)行。若希望達(dá)到進(jìn)一步精度可在某些重要地形處做補(bǔ)充采樣。

(2)數(shù)據(jù)濾除。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,首先要將不合理的數(shù)據(jù)剔除,包括在基站輻射源附近的數(shù)據(jù):信號(hào)強(qiáng)度 >-30 dBm,強(qiáng)度過(guò)于敏感,不具代表性;與輻射源相距太遠(yuǎn)的數(shù)據(jù):信號(hào)強(qiáng)度 <-130 dBm,失真大,也不適合作訓(xùn)練樣本。

(3)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。小區(qū)范圍內(nèi)各處的接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)與信號(hào)衰減數(shù)據(jù)呈如下關(guān)系(Buvaneswari et al.,2005;郭俊強(qiáng)等,2008):

式中L為傳播過(guò)程中的路徑損耗,PR為接收功率,PT為基站輻射功率,G為各類(lèi)附加增益和損耗的代數(shù)和,其取值都可通過(guò)天線參數(shù)以及業(yè)界經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值獲取。這樣,便把接收臺(tái)的信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成了傳播路徑衰減,為信號(hào)損耗模型提供了可直接參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)。

2.2 最小二乘用于模型本地化校準(zhǔn)

圖 1為所研究小區(qū)的定位圖片,經(jīng)緯度標(biāo)注點(diǎn)(22°31′30.9″N,114°2′20.652″E)為該小區(qū)基站輻射源中心所在地?；镜挠嘘P(guān)參數(shù)如下:

基站信號(hào)輻射頻率為 1800 MHz;基站有效高度 (包括天線高度)為 40 m;接收臺(tái)測(cè)試天線高度為 1 m;小區(qū)區(qū)域類(lèi)型為城區(qū);T-R距離為 1.5 km范圍內(nèi)。

參比若干經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪m用環(huán)境參數(shù) (郭俊強(qiáng)等,2008;Masaharu,1980),選取 COST231-Hata為校準(zhǔn)基礎(chǔ)模型。

經(jīng)典 COST231-Hata模型公式為 (郭俊強(qiáng)等,2008):

式中 hm為路測(cè)天線高度,f為基站輻射頻率,hb為基站高度,cm為綜合修正因子,d為 T-R距離。

模型校準(zhǔn)的實(shí)質(zhì)為針對(duì)不同地形環(huán)境,使上述公式系數(shù)更具本地化特征。由于筆者是基于單站點(diǎn)的校準(zhǔn),所以 hm,f,hb和 Cm參數(shù)均為確定的。對(duì)某個(gè)既定的基站覆蓋區(qū)域來(lái)說(shuō),COST231-Hata公式即可表示為一個(gè)只跟 T-R距離 d有關(guān)的計(jì)算路徑損耗 L的函數(shù),其形式為:

筆者做的建模工作即要提出一組校準(zhǔn)系數(shù)。

記采樣數(shù)據(jù)有 N組,實(shí)際路徑損耗記為 Li,由校準(zhǔn)式 (2.3)預(yù)測(cè)路徑損耗為。根據(jù)最小二乘數(shù)值擬合原理,希望Li與間誤差在平方和程度上趨近于零,即:

即可獲取修正后的參數(shù)[K0,K1],進(jìn)而得到經(jīng)本地化校準(zhǔn)的信號(hào)傳播模型。

3 基于 GIS的小區(qū)信號(hào)覆蓋模擬

基于本地化校準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋模型,其本地性直接體現(xiàn)在當(dāng)?shù)氐匚锾卣鞯鹊乩硇畔⑸?。電子地圖是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的基礎(chǔ),能夠使網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工程的實(shí)施更因“地”制宜。筆者引入 GIS開(kāi)發(fā)技術(shù),將表征小區(qū)信號(hào)信息的相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)地理編碼匹配存儲(chǔ)為具備地物屬性的空間數(shù)據(jù),并應(yīng)客戶(hù)端需求將這樣的綜合型數(shù)據(jù)形象地反映在以數(shù)字地圖為背景的界面平臺(tái)上。

有關(guān) GIS開(kāi)發(fā),可選用了具備完善可視化圖形分析功能的地圖信息系統(tǒng)軟件 Map Info(Larry et al.,2008),用于對(duì)數(shù)字地圖的格式化處理;以及由Map Info公司提供的 ActivX控件——MapX(齊銳等,2003),用于 GIS的二次開(kāi)發(fā)。

3.1 數(shù)字地圖的獲取

經(jīng)定位下載該基站小區(qū)約 5 km2的衛(wèi)星圖片,其 jpg格式不具備任何地理空間屬性。但將柵格圖像做經(jīng)緯度配準(zhǔn)后,其成為具備地理坐標(biāo)的 tab格式的地圖文件,與地理位置相關(guān)數(shù)據(jù)建立準(zhǔn)確的關(guān)聯(lián)。

3.2 格網(wǎng)圖的創(chuàng)建

格網(wǎng)圖層的創(chuàng)建,是為將大范圍網(wǎng)絡(luò)劃分為細(xì)小的格網(wǎng)區(qū)域,用以無(wú)縫地分析小區(qū)范圍內(nèi)的信號(hào)分布情況。如此將點(diǎn)圖元轉(zhuǎn)換成區(qū)域圖元,對(duì)鄰近數(shù)據(jù)做精簡(jiǎn)整合,并為信號(hào)預(yù)測(cè)提供可填充的空白網(wǎng)格,為覆蓋模擬專(zhuān)題圖的制作準(zhǔn)備可渲染的圖元素材。

圖 2為 (5.0×10-4)0分度的格網(wǎng)圖層疊加在小區(qū)的數(shù)字地圖上,可見(jiàn)每個(gè)網(wǎng)格約為一條道路的寬度,大致符合研究精度。

這樣便基本完成了項(xiàng)目所需的 GIS準(zhǔn)備工作,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字地圖、區(qū)域劃分格網(wǎng)圖、路測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)三個(gè)圖層的有序疊加,之后的模型建立、模擬覆蓋、優(yōu)化調(diào)整等工作均在此 GIS平臺(tái)上得以開(kāi)展。

3.3 對(duì) COST231-Hata模型的本地化校準(zhǔn)

根據(jù) 2.2節(jié)的分析,本地化的信號(hào)損耗模型建立可轉(zhuǎn)化為對(duì)式 (2.5)的求解?；?Matlab的矩陣運(yùn)算思想,模型的建立即求解如下矩陣方程:

圖 1 優(yōu)化區(qū)域的電子地圖Fig.1 D igitalm ap of opt im ized region

以經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理的 347個(gè)路測(cè)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本,提取它們的路徑距離字段和信號(hào)衰減字段分別累加,得到系數(shù)矩陣:

單站點(diǎn)本地化校準(zhǔn)的信號(hào)損耗模型簡(jiǎn)化為僅含兩項(xiàng)修正因子、只與輻射源中心和采樣點(diǎn)間的T-R距離 d有關(guān)的函數(shù):

圖 2 經(jīng)格網(wǎng)劃分的小區(qū)數(shù)字地圖Fig.2 D igitalm ap after grid partition

3.4 模型參數(shù)的驗(yàn)證

以校準(zhǔn)前的 COST231-Hata和校準(zhǔn)后的COST231-Hata模型分別對(duì)小區(qū)范圍做信號(hào)傳播損耗的估測(cè) (圖 3)。通過(guò)損耗曲線的對(duì)比,明顯發(fā)現(xiàn)校準(zhǔn)前的損耗模型與現(xiàn)網(wǎng)路測(cè)數(shù)據(jù)存在較大程度上的偏差,其高估了環(huán)境中的信號(hào)衰減程度,而校準(zhǔn)后的模型與當(dāng)?shù)芈窚y(cè)值有較好的吻合。

圖 3 模型校準(zhǔn)前后的路徑損耗曲線Fig.3 The curves of path-loss of pre and post Calibrat ion

將預(yù)測(cè)值與 9 308個(gè)采樣點(diǎn)的實(shí)際路測(cè)值做誤差比較 (表 1)。

表 1 模型校準(zhǔn)前后的誤差對(duì)比Tab.1 Error comparision of p re and post Calibrat ion

所以,無(wú)論在定量的誤差分析上,還是預(yù)測(cè)曲線的直觀比對(duì)結(jié)果,都驗(yàn)證了經(jīng)過(guò)修正校準(zhǔn),所得到的模型可以更好地?cái)M合當(dāng)?shù)氐穆窚y(cè)采樣數(shù)據(jù),能更精確地表征此類(lèi)地形地貌中的電波衰減情況。

3.5 圖形化模擬小區(qū)信號(hào)覆蓋

校準(zhǔn)模型的應(yīng)用之一體現(xiàn)在對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況的直觀模擬。為增強(qiáng)數(shù)據(jù)表現(xiàn)能力,需要把信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分布的數(shù)值描述做一個(gè)圖形化的顯示。本文考慮創(chuàng)建范圍專(zhuān)題地圖,用以模擬優(yōu)化區(qū)域內(nèi)的信號(hào)覆蓋情況。覆蓋模擬結(jié)果如圖 4所示 (朱立,2009)。

圖 4 模擬網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋專(zhuān)題圖Fig.4 Coverage them atic map of network signal

各信號(hào)強(qiáng)度值分布情況如表 2所示。

表 2 基站小區(qū)的信號(hào)覆蓋專(zhuān)題圖圖解Tab.2 Illustration of coverage them atic map

對(duì)于信號(hào)覆蓋盲區(qū),要斟酌整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域進(jìn)行處理:若無(wú)其他基站負(fù)責(zé)該區(qū)域的服務(wù),則可通過(guò)放置 PHS直放站、射頻拉遠(yuǎn)技術(shù)等增強(qiáng)信號(hào)功率的方案 (Masaharu H,1980)提高盲區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度,填補(bǔ)盲區(qū);若整個(gè)地區(qū)基站分布已經(jīng)比較密集,鄰頻干擾已經(jīng)演化成較為嚴(yán)重的問(wèn)題,則需通過(guò)調(diào)整基站配置,甚至采用一些先進(jìn)的軟硬件設(shè)備進(jìn)一步降低該區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度,縮小該基站的覆蓋范圍以避免盲區(qū),提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者得到了一個(gè)在較高程度上吻合當(dāng)?shù)丨h(huán)境的損耗模型,并通過(guò)對(duì)一系列誤差指標(biāo)的分析比對(duì),驗(yàn)證了校準(zhǔn)模型的正確性和和相比于通用模型的優(yōu)勢(shì)性。最后,將修正后的模型用于對(duì)路測(cè)采樣工作無(wú)法觸及的區(qū)域做信息填充,并以專(zhuān)題圖形式給出了當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)覆蓋模擬情況的圖形化顯示。使得網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)存問(wèn)題及各項(xiàng)優(yōu)化結(jié)果能直觀地體現(xiàn)在優(yōu)化區(qū)域中,為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)廠商的運(yùn)營(yíng)決策解答了“在哪里”的關(guān)鍵性問(wèn)題。

郭俊強(qiáng),李成.2008.移動(dòng)通信[M].北京:北京大學(xué)出版社:25-42.

齊銳,屈韶琳,陽(yáng)琳赟.2003.用MapX開(kāi)發(fā)地理信息系統(tǒng)[M].北京:清華大學(xué)出版社:52-78.

宋俊德,雷紅艷,潘陽(yáng)發(fā).2000.我國(guó)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化和管理的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].通信世界,(5):18-204.

朱立.2009.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋模擬與應(yīng)用研究.碩士學(xué)位論文.武漢:華中科技大學(xué)圖書(shū)館.

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The Research of Coverage Simulation Model ing of Wireless Network Based on GIS

ZHU Li, X IA Hong, Q IAN Min
(East China University of Technology,Fuzhou,JX 344000,China)

As an important branch of network opt imization,the precondition of it is to establish an effective propagation model to simulate the local network coverage.This thesis actualized the localization tuning on COST231-Hata model according to Drive Test data,got new breakthrough in introducing GIS into the model application,established a graphical interface platfor m of ne twork coverage simulation,and finally realized the combination with signal data and geographic infor mation,making the displaying of the signal distribution performs visually.Also,it provides full-period interface support in the whole wireless-network optimization.

tuning coverage s imulation;GIS;wireless network

TN91

:A

1674-3504(2010)04-384-05

10.3969/j.issn.1674-3504.2010.04.014

2010-09-15

朱 立 (1984—),工學(xué)碩士,助教,主要研究方向:無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。