面向密集城區(qū)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋預(yù)測模型的應(yīng)用研究

黃輝，楊秀平，楊秀敏，卿曉春

（中國電信股份有限公司貴州分公司 貴陽 550001）

面向密集城區(qū)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋預(yù)測模型的應(yīng)用研究

黃輝，楊秀平，楊秀敏，卿曉春

（中國電信股份有限公司貴州分公司 貴陽 550001）

在目前密集城區(qū)CDMA無線網(wǎng)絡(luò)日趨復(fù)雜的情況下，如何使覆蓋預(yù)測與網(wǎng)絡(luò)實(shí)際充分?jǐn)M合，發(fā)揮射頻仿真工具在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的作用，是一個十分值得探討的課題。本文從密集城區(qū)的CDMA無線網(wǎng)絡(luò)入手，分別選取了統(tǒng)計(jì)型模型的Okumura-Hata模型和確定性模型的3D射線跟蹤模型進(jìn)行研究，分析了兩種模型在密集城區(qū)場景下的差異，最終在實(shí)踐的基礎(chǔ)上提出了面向密集城區(qū)的覆蓋預(yù)測模型的選取方案。

傳播模型；統(tǒng)計(jì)型模型；確定性模型；覆蓋預(yù)測；3D射線跟蹤模型；Okumura-Hata模型

1 引言

隨著中國電信CDMA無線網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展壯大，密集城區(qū)的無線網(wǎng)絡(luò)日趨復(fù)雜，如果能夠從射頻仿真的角度準(zhǔn)確地對網(wǎng)絡(luò)覆蓋做出預(yù)測，則可以為后期的射頻優(yōu)化、參數(shù)調(diào)整、站址規(guī)劃等工作提供有力的支撐，提高網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的精度和效率。同時，準(zhǔn)確的覆蓋預(yù)測分析也能夠?yàn)楹罄m(xù)的系統(tǒng)仿真平臺和自動扇區(qū)優(yōu)化平臺提供更為精確的數(shù)據(jù)源，提高系統(tǒng)仿真和自動扇區(qū)優(yōu)化的準(zhǔn)確性，使仿真結(jié)果和優(yōu)化方案更切合于網(wǎng)絡(luò)實(shí)際。

基于射頻仿真的覆蓋預(yù)測是利用三維電子地圖信息、小區(qū)配置信息、天線波束形狀等參數(shù)結(jié)合適合的傳播模型對每個小區(qū)進(jìn)行路徑損耗計(jì)算，根據(jù)路徑損耗結(jié)果對小區(qū)的覆蓋區(qū)域進(jìn)行柵格分析。在覆蓋預(yù)測的過程中，影響其準(zhǔn)確性的因素主要有以下幾點(diǎn)：

·三維電子地圖的精度和準(zhǔn)確性；

·小區(qū)配置信息和天線波束的準(zhǔn)確性；

·傳播模型和無線環(huán)境的擬合程度；

·射頻仿真參數(shù)的設(shè)置是否合理。

其中，三維電子地圖的精度和小區(qū)配置信息的準(zhǔn)確性分別取決于地圖的選擇和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理，而射頻仿真參數(shù)的設(shè)置是否合理取決于與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的吻合度。本文以傳播模型和無線環(huán)境的擬合程度為切入點(diǎn)，重點(diǎn)分析和闡述了傳播模型的選取對密集城區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋預(yù)測準(zhǔn)確性的影響。

2 無線電波傳播模型

與其他信道相比，無線信道是穩(wěn)定性最差的一種，與固定傳輸鏈路中的電波傳輸具有可控性和可預(yù)測性不同。由于電波在移動信道傳輸?shù)臅r域和空域上都有較大的波動和起伏，且這種波動和起伏具有極大的隨機(jī)性，因此移動通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和優(yōu)化都必須依靠對電波傳播特性的研究、了解和據(jù)此進(jìn)行的場強(qiáng)預(yù)測。

從理論上講，自由空間中無線電波的傳播損耗大小與傳播距離的平方及使用頻率的平方成正比，但在實(shí)際環(huán)境下還要考慮多徑傳播和地形、地貌對無線電波的影響。在實(shí)際的覆蓋預(yù)測中，一般不會一一分析各條多徑的傳播情況。這就需要通過理論研究和實(shí)際測試的方法歸納出無線傳播損耗與頻率、距離、環(huán)境、天線高度等變量的數(shù)學(xué)關(guān)系式，通常將這一數(shù)學(xué)關(guān)系式統(tǒng)稱為傳播模型。

傳播模型通常將運(yùn)行環(huán)境分為宏蜂窩、微蜂窩、微微蜂窩3種類型，它們在電波的傳播路徑和傳播損耗上均有自己的特點(diǎn)，其主要差異見表1。

從推導(dǎo)和計(jì)算方式上，可將傳播模型分為統(tǒng)計(jì)型模型、確定性模型和半確定性模型，具體介紹如下。

· 統(tǒng)計(jì)型模型：即經(jīng)驗(yàn)型模型，是根據(jù)大量的測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析后導(dǎo)出的公式，常見模型有Okumura-Hata模型、Lee模型等，多應(yīng)用在宏蜂窩場景。

· 確定性模型：是對具體的現(xiàn)場環(huán)境直接應(yīng)用電磁理論計(jì)算得到的公式，常用方法有3D射線跟蹤、幾何繞射理論等，大多數(shù)情況下應(yīng)用在微蜂窩和微微蜂窩場景。

· 半確定性模型：是基于把確定性方法應(yīng)用于一般的

市區(qū)或室內(nèi)環(huán)境中導(dǎo)出的公式。

3 統(tǒng)計(jì)型模型和確定性模型

本文重點(diǎn)對統(tǒng)計(jì)型模型和確定性模型在密集城區(qū)覆蓋預(yù)測中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，這兩種模型的主要差異見表2。

為了能夠更加深入地分析這兩種傳播模型之間的差異，選取了Okumura-Hata模型與3D射線跟蹤模型進(jìn)行對比。

3.1 Okumura-Hata模型

Okumura-Hata模型是一種被廣泛應(yīng)用的經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)型模型，是基于大量統(tǒng)計(jì)測試數(shù)據(jù)得出的以曲線圖表示的傳播模型。該模型以準(zhǔn)平坦地形大城市市區(qū)的中值場強(qiáng)或路徑損耗作為參考，以校正因子的形式分別對其他傳播環(huán)境和地形等因素進(jìn)行修正，其計(jì)算式為：

Okumura-Hata模型的應(yīng)用頻率為150～1500 MHz，是一種均勻的宏蜂窩模型，適用于小區(qū)半徑大于1 km的宏蜂窩系統(tǒng)，基站的有效天線高度為30～200 m，移動臺的有效天線高度為1～10 m。

為了便于校正傳播模型、提高傳播模型與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的擬合程度，Okumura-Hata模型一般采用下列通用模型表述方式：

其中，Kdiff為衍射或繞射損耗因子，Clutter_Offset為地貌衰減系數(shù)，用于修正不同地物、地貌對于傳播損耗的影響。

在進(jìn)行射頻仿真前，往往采用路測數(shù)據(jù)和基站相關(guān)信息對傳播模型的K系數(shù)進(jìn)行校正，并結(jié)合電子地圖的Clutter分類生成各類地物、地貌的衰減系數(shù)。在實(shí)際的校正過程中，一般要求預(yù)測損耗和路測損耗差的平均值為 0，均方差小于8。

3.2 3D射線跟蹤模型

3D射線跟蹤模型是確定性模型中應(yīng)用最為廣泛的一種，是一種典型的確定性模型，其基本原理是幾何繞射理論和標(biāo)準(zhǔn)衍射理論。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)衍射理論，高頻電磁波遠(yuǎn)場傳播特性可簡化為射線模型。因此3D射線跟蹤模型實(shí)際上是采用光學(xué)方法，考慮電波的反射、衍射和散射，結(jié)合高精度的三維電子地圖對傳播損耗進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。

表1 傳播模型按運(yùn)行環(huán)境的分類

表2 統(tǒng)計(jì)型模型與確定性模型的區(qū)別

圖1 密集城區(qū)中無線電波的傳播示意

在密集城區(qū)環(huán)境下，從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的主要傳播路徑包括直射波、在建筑物垂直面的反射波、在建筑物垂直棱上的繞射波、在建筑物水平棱上的繞射波以及高階的反射波/繞射波，具體示意如圖1所示。

圖1中，線路(1)為直射波，線路(2)為反射波，線路(3)為繞射波，線路(4)為高階反射波。3D射線跟蹤模型就是按照上述傳播特點(diǎn)，跟蹤發(fā)射源在整個立體角射線空間中的直射線，并考慮反射、折射、繞射等現(xiàn)象，找出所有從發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的有效傳播路徑，然后遍歷跟蹤構(gòu)造出的射線管徑，并記錄下其在接收點(diǎn)的場強(qiáng)或功率。遍歷完全后，累計(jì)疊加計(jì)算穿過接收點(diǎn)的射線管徑在該點(diǎn)的場強(qiáng)，最后預(yù)測出傳播環(huán)境中任何位置的接收場強(qiáng)。

在使用3D射線跟蹤模型進(jìn)行仿真時，首先需要對仿真區(qū)域進(jìn)行路測或CW測試生成該區(qū)域的射線模型，然后將模型運(yùn)用到小區(qū)路徑損耗的計(jì)算中，最終預(yù)測出仿真區(qū)域內(nèi)的覆蓋情況。

4 統(tǒng)計(jì)型模型和確定性模型的應(yīng)用

隨著城市和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，密集城區(qū)的無線環(huán)境日趨復(fù)雜，基站密度也越來越高，一個基站的覆蓋半徑往往只有幾百米甚至更小。對于這樣的傳播環(huán)境，建筑物的特征和分布對信號傳播起著關(guān)鍵作用，對接收信號強(qiáng)度有著十分重要的影響，因此選擇合適的傳播模型對于提高密集城區(qū)覆蓋預(yù)測的精度有著重要的意義。

目前，傳統(tǒng)的射頻仿真和覆蓋預(yù)測多采用Okumura-Hata模型等統(tǒng)計(jì)型模型，該類模型在密集城區(qū)環(huán)境下，特別是非視距傳輸路徑下接收信號強(qiáng)度的預(yù)測精度較差，不能有效滿足精細(xì)化網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化的需求。

為了進(jìn)一步對比統(tǒng)計(jì)型模型和確定性模型在密集城區(qū)覆蓋預(yù)測中的差異，對現(xiàn)網(wǎng)同一區(qū)域分別采用統(tǒng)計(jì)型模型Okumura-Hata模型和確定性模型3D射線跟蹤模型進(jìn)行了覆蓋預(yù)測，并將結(jié)果與現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證了不同傳播模型與密集城區(qū)現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)的擬合性能。

結(jié)合區(qū)域地物分布、站點(diǎn)密度等因素，選取了貴陽云巖區(qū)部分密集城區(qū)作為應(yīng)用評估區(qū)域，該區(qū)域相關(guān)信息見表3。

在選定區(qū)域后，選用了Okumura-Hata模型和Volcano 3D射線跟蹤模型結(jié)合5 m精度三維電子地圖對評估區(qū)域進(jìn)行了射頻仿真和覆蓋預(yù)測，如圖2、圖3所示。

表3 應(yīng)用評估區(qū)域信息

圖3 應(yīng)用評估區(qū)域三維示意

表4 Okumura-Hata模型系數(shù)及誤差

Okumura-Hata模型采用現(xiàn)網(wǎng)的DT測試數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，校正后的模型系數(shù)、誤差及地物地貌偏移（Clutter_Offset）見表 4、表 5。

3D射線跟蹤模型采用CW測試數(shù)據(jù)進(jìn)行生成和校正。選取了評估區(qū)域的兩個典型站點(diǎn)架設(shè)CW發(fā)射機(jī)，進(jìn)行CW測試。校正后的模型系數(shù)及誤差見表6。

3D射線跟蹤模型中各系數(shù)含義和取值范圍見表7。

為了比較兩種模型的覆蓋預(yù)測結(jié)果和現(xiàn)網(wǎng)的擬合程度，將兩種模型的Ec覆蓋預(yù)測圖、Ec/Io覆蓋預(yù)測圖與路測數(shù)據(jù)在同一個圖層進(jìn)行疊加對比，如圖4所示。

從圖4可以看出，3D射線跟蹤模型的覆蓋預(yù)測結(jié)果較Okumura-Hata模型更貼近于現(xiàn)網(wǎng)測試值，特別是建筑物分布密集和無線環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域（圖4中圓圈標(biāo)注處），更能反映網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況。同時，兩種模型在建筑物分布密集的非路測區(qū)域的預(yù)測結(jié)果有較大差異。

表5 地物地貌偏移

表6 3D射線跟蹤模型系數(shù)及誤差

表7 3D射線跟蹤模型系數(shù)解釋

圖4 兩種模型的覆蓋預(yù)測結(jié)果和現(xiàn)網(wǎng)的擬合程度對比

為了量化兩種覆蓋預(yù)測模型與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的擬合程度，計(jì)算覆蓋預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)網(wǎng)DT測試數(shù)據(jù)的誤差，具體偏差見表8。

表8 模型預(yù)測值與路測數(shù)據(jù)的偏差

從與路測數(shù)據(jù)的對比中發(fā)現(xiàn)，3D射線模型的覆蓋預(yù)測精度較Okumura-Hata模型提高了約4 dB。

由于路測數(shù)據(jù)往往只能反映測試道路上的覆蓋情況，為了更加充分地評估兩種覆蓋預(yù)測模型與整體網(wǎng)絡(luò)和用戶感知的擬合程度，計(jì)算覆蓋預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)網(wǎng)用戶呼叫記錄（CDT）中的相關(guān)指標(biāo)，具體誤差見表9。

表9 模型預(yù)測值與CDT的偏差

從表9可知，3D射線跟蹤模型覆蓋預(yù)測的Ec/Io各門限占比更貼近于現(xiàn)網(wǎng)用戶的CDT話單，其預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)網(wǎng)最大偏差僅為5%。

通過對兩種典型模型的對比和分析，發(fā)現(xiàn)確定性模型在密集城區(qū)的覆蓋預(yù)測中能提供更高的精度，其預(yù)測結(jié)果更貼近于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)和用戶感知。造成這種差異的主要原因如下。

·統(tǒng)計(jì)型模型只能從統(tǒng)計(jì)意義上對建筑物的影響進(jìn)行粗略估計(jì)，并通過一定的地物偏移（Clutter_Offset）考慮不同地物的影響，與確定性模型的射線跟蹤技術(shù)相比顯得不夠精細(xì)。

·在密集城區(qū)環(huán)境中，可以說每個站點(diǎn)周圍的傳播環(huán)境都是獨(dú)特的，統(tǒng)計(jì)型模型模式化的傳播鏈路預(yù)算方法在這種復(fù)雜環(huán)境中無法體現(xiàn)其對無線傳播影響的細(xì)節(jié)。

·統(tǒng)計(jì)型模型多為宏蜂窩模型，在目前站點(diǎn)密度較高的密集城區(qū)環(huán)境下，大多數(shù)小區(qū)覆蓋范圍較小，宜采用微蜂窩模型進(jìn)行覆蓋預(yù)測。

由此可見，在面向密集城區(qū)的射頻仿真中采用諸如3D射線跟蹤等的確定性模型能夠有效提高密集城市復(fù)雜環(huán)境中的覆蓋預(yù)測精度。

5 結(jié)束語

隨著城市和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，密集城區(qū)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化將對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提高和用戶感知提升有著重要的影響。目前，密集城區(qū)的無線環(huán)境日趨復(fù)雜，站點(diǎn)密度日益增大，傳統(tǒng)射頻仿真中采用統(tǒng)計(jì)型模型對密集城區(qū)進(jìn)行覆蓋預(yù)測的方法已不能滿足精細(xì)化網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化的要求。因此，在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化工作中，建議采用以下思路進(jìn)行覆蓋預(yù)測模型的選擇。

·在建筑物分布密集且非視距傳播路徑較多的密集城區(qū)，宜選用確定性模型提高覆蓋預(yù)測的精度。

· 由于確定性模型對地圖精度和校模測試等資源和投入的要求較高，對于無條件大規(guī)模采用確定性模型的區(qū)域，可采用統(tǒng)計(jì)型模型和確定性模型相結(jié)合的方案，即中心城區(qū)采用確定性模型提高覆蓋預(yù)測精度，周邊城區(qū)采用統(tǒng)計(jì)型模型提高覆蓋預(yù)測效率。

· 在郊縣、農(nóng)村等開闊區(qū)域，采用統(tǒng)計(jì)型模型進(jìn)行覆蓋預(yù)測。

1 啜鋼,高偉東,彭濤.cdma20001x無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化及無線資源管理.北京:人民郵電出版社,2007

2 Jhong Sam Lee,Leonard E Miller著.許希斌,周世東,趙明等譯.CDMA系統(tǒng)工程手冊.北京:人民郵電出版社,2001

3 黃海藝,呂春霞.射線跟蹤模型及應(yīng)用實(shí)例.現(xiàn)代電信科技,2010(11)

4 宋斌,張斌.射線追蹤模型在無線城市網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的應(yīng)用.移動通信,2009(9)

Study of Coverage Prediction Model for Dense Urban

Huang Hui,Yang Xiuping,Yang Xiumin,Qing Xiaochun
(Guizhou Branch of China Telecom Co.,Ltd.,Guiyang 550001,China)

This article selects statistical model(such as Okumura-Hata model)and deterministic model(such as 3D ray-tracing model)to study the differences of two models in the dense urban area.Then it briefly proposes the application of coverage prediction model for dense urban based practice.

propagation model,statistical model,deterministic model,coverage prediction,3D ray-tracing model,Okumura-Hata model

2012-05-20）

黃輝，碩士，中國電信股份有限公司貴州分公司無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中心主任；楊秀平，學(xué)士，現(xiàn)就職于中國電信股份有限公司貴州分公司無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中心，主要從事CDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化及網(wǎng)絡(luò)仿真等工作；楊秀敏，高級工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國電信股份有限公司貴州分公司無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中心，從事技術(shù)攻堅(jiān)帶頭及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化管理工作；卿曉春，工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國電信股份有限公司貴州分公司無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中心，從事網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化管理工作。