密集城區(qū)基站最佳間距的Monte－Carlo仿真分析

王蘭勛，李 婧，黃 坤

(1.河北大學(xué)信道估計(jì)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071000;2.河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050021)

Monte－Carlo仿真又稱隨機(jī)抽樣技巧法或系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)法，它是一種概率模擬方法。Monte－Carlo仿真是對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拍攝一定數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)快照，每一個(gè)快照按照隨機(jī)分布生成一定的移動(dòng)臺(tái)或者終端分布，通過迭代預(yù)算獲得終端與網(wǎng)絡(luò)側(cè)的連接能力，如果出現(xiàn)連接失敗則考慮多種連接失敗的可能。Monte－Carlo仿真通過對(duì)多個(gè)快照的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能獲得了解，為提供可信的規(guī)劃驗(yàn)證提供了保障。由于Monte－Carlo仿真得到的結(jié)果更加貼近與實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)情況，對(duì)頻譜資源分配、無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及優(yōu)化都有重要的指導(dǎo)意義。

1 密集城區(qū)仿真模型的建立

由于密集城區(qū)建筑物的特點(diǎn)，建筑物相對(duì)較高，其平均高度大于30 m，并且間距離相對(duì)較小，人口相對(duì)較密集，平均人口密度高于30000/km2，話務(wù)較密集。本文對(duì)某密集城區(qū)同一區(qū)域內(nèi)的天線、方向角、下傾角和傳播模型等進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置，分別設(shè)置200 m，400 m和600 m這3種不同的站間距的基站場(chǎng)景，通過仿真觀察找出合理的站間距。

1.1 天線的選擇

天線是無源器件，不能產(chǎn)生能量。天線增益只是將能量有效集中向某特定方向輻射或接收電磁波。天線的增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)區(qū)的方位角覆蓋性能好壞取決于天線的水平方向角，垂直面半功率波瓣寬度決定了距離覆蓋的均勻性，在增益一定的前提下，波瓣越寬，覆蓋越均勻。本文中天線采用65deg 18 dBi 4Tilt的天線，其水平面圖和垂直面圖如圖1所示。

圖1 65deg 18 dBi 4Tilt天線的水平面圖和垂直面圖

1.2 下傾角的選擇

天線的下傾角度和安裝天線高度的調(diào)整主要是以改變主波瓣的覆蓋距離來控制小區(qū)的覆蓋半徑。在物理優(yōu)化中，天線下傾角的調(diào)整成本低，實(shí)施簡便，作為優(yōu)選控制覆蓋的物理調(diào)整方式[1－2]。天線的下傾角有機(jī)械傾角、電子傾角、機(jī)械傾角和電子傾角兩者兼?zhèn)?種。與電子傾角相比，機(jī)械傾角在下調(diào)過程中，天線輻射圖隨機(jī)械傾角的增大而發(fā)生畸變，并逐漸在左右兩側(cè)形成兩個(gè)輻射強(qiáng)度較大的旁瓣。天線高度越高，因機(jī)械下傾角下調(diào)而形成的新的旁瓣越大，給網(wǎng)絡(luò)帶來了新的干擾。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)機(jī)械下傾角大于15°時(shí)，相鄰的基站扇區(qū)會(huì)收到該基站發(fā)出的相應(yīng)的信號(hào)。因此為了無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中通過物理調(diào)整方式有效控制小區(qū)覆蓋減小干擾，使用電子下傾角或機(jī)械傾角和電子傾角兩者兼?zhèn)涞奶炀€作為基站使用的天線。在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中，需要根據(jù)不同的地形地貌等實(shí)際環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。在本文仿真過程中，采用機(jī)械下傾角為5°，電子下傾角為4°。

1.3 傳播模型

本文采用如式(1)所示的標(biāo)準(zhǔn)傳播模型[3－4]

式中:LPath為路徑損耗(dB);K1為常量偏移與頻率相關(guān)的常數(shù);K2為距離衰減系數(shù);K3為基站天線高度修正系數(shù);K4為與衍射損耗相關(guān)的系數(shù)且必須大于0;K5為基站天線高度及距離修正系數(shù);K6為與移動(dòng)臺(tái)高度相關(guān)的系數(shù);K7為繞射修正系數(shù);f為(clutter)地物衰減修正系數(shù);d為基站與移動(dòng)臺(tái)間的距離(km);HTxeff，HRXff為基站天線和移動(dòng)臺(tái)天線的有效高度(m)。

2 系統(tǒng)仿真

Atoll是基于WCDMA的現(xiàn)代化的Monte－Carlo仿真器，包含了RRM(無線資源管理)和載波分配算法，可以對(duì)上下行鏈路進(jìn)行功率控制，載波選擇建模。

Atoll的數(shù)據(jù)庫是由一套描述網(wǎng)絡(luò)的表格組成的。用戶新建一個(gè)工程的時(shí)候，可以選擇一個(gè)模板，然后Atoll就相應(yīng)地生成一個(gè)數(shù)據(jù)庫。在UMTS模板包括的表格有基站表(sites table)、發(fā)射機(jī)表(transmitters table)、基站設(shè)備表(equipment table)、天線波瓣表(Antenna pattern table)、小區(qū)表(cells table)等。

進(jìn)行Monte－Carlo仿真的過程:1)Monte－Carlo仿真是必須根據(jù)話務(wù)地圖的，Atoll根據(jù)話務(wù)地圖中的手機(jī)用戶數(shù)量和密度，隨機(jī)地在地圖上分配手機(jī)用戶數(shù)量和密度，隨機(jī)地在地圖上分配手機(jī)用戶的位置和用戶行為。2)根據(jù)第一步產(chǎn)生的結(jié)果，對(duì)上下行進(jìn)行功率仿真。具體操作如下:

(1)導(dǎo)入地圖的3項(xiàng)基本信息，即點(diǎn)擊File—Import—選擇地圖所在文件夾—clutter文件—index文件—Clutter Classes，F(xiàn)ile—Import—選擇地圖所在文件夾—heights文件—index文件—altitudes，F(xiàn)ile—Import—選擇地圖所在文件夾—vectors文件—index文件—vectors。

(2)定義坐標(biāo)系，即點(diǎn)擊 tools—options—projections。這里可以將地圖heights文件中的projection文件用記事本打開找到中央經(jīng)線。一般使用的坐標(biāo)系為Bejing1954坐標(biāo)系。

式中：qe(mg/g)表示吸附量；Ce(mg/L)表示平衡濃度；a(mg/g)表示最大吸附量；b表示Langmuir系數(shù)，與吸附質(zhì)和吸附劑之間的親和力相關(guān)聯(lián)[9]。

(3)導(dǎo)入基站信息，即Data—雙擊Site表或者是右擊Open Table。Atoll中的表與經(jīng)常使用的Excell表的操作十分相似。在Site表中導(dǎo)入的是有關(guān)基站名稱、經(jīng)度、緯度等的相關(guān)信息。

(4)導(dǎo)入天線信息，即采用65deg 18 dBi 4Tilt的天線。

(5)導(dǎo)入transmitter扇區(qū)，即點(diǎn)擊Data—transmitters—雙擊transmitters表或者右擊Open Table。在這里導(dǎo)入方向角、下傾角等的相關(guān)數(shù)據(jù)。

(6)定義傳播模型。

(7)定義Cell小區(qū)。

(8)畫出計(jì)算區(qū)域，即點(diǎn)擊Geo—Computer Zone—右擊選擇Draw。

(9)進(jìn)行覆蓋預(yù)測(cè)，即點(diǎn)擊Data—prediction—New。這里可以進(jìn)行兩個(gè)預(yù)測(cè)分別是Coverage by Transmitters properties和 Coverage by Signal level。

(10)話務(wù)模型設(shè)置，即對(duì)話務(wù)模型的設(shè)置是Atoll仿真的重中之重。這里需要對(duì)Data—UMTS parameter中的各項(xiàng) Services，Mobility Types，Terminals，User Profiles核和Environments進(jìn)行設(shè)置。

(12)進(jìn)行仿真，即點(diǎn)擊 Data—UMTS simulations，一般進(jìn)行20次預(yù)測(cè)，將結(jié)果提交，就可以進(jìn)行predictions中的各種仿真預(yù)測(cè)了。這里主要進(jìn)行的仿真包括Service Area(Eb/Nt)Uplink Cs12.2k，Service Area(Eb/Nt)Uplink Cs64k，Service Area(Eb/Nt)Uplink Ps64k，Service Area(Eb/Nt)Uplink Ps128k，Service Area(Eb/Nt)Uplink Ps384k，Effective Service Area Cs12.2k，Effective Service Area Cs64k，Effective Service Area Ps64k，Effective Service Area Ps128k，Effective Service Area Ps384k，Handoff status，pilot pollution，Pilot Reception Analysis(Ec/Io)，Coverage by signal level，Coverage by Transmitter。

3 仿真結(jié)果比較

若采用200 m間距進(jìn)行建站，由于基站數(shù)過多，站間距過小，前向功率分配不當(dāng)，小區(qū)覆蓋未能很好地控制，造成越區(qū)覆蓋，軟切換比例過高，導(dǎo)頻污染較嚴(yán)重等現(xiàn)象;若采用600 m間距進(jìn)行建站，由于基站數(shù)量較少，站間距過大，系統(tǒng)負(fù)荷過重，容易產(chǎn)生盲區(qū)。采用400 m間距進(jìn)行建站，無論從最佳小區(qū)、軟切換比例還是導(dǎo)頻污染分析，效果都是最佳的。

如圖2最佳小區(qū)覆蓋圖所示:200 m基站間距基站分布過密集，容易造成越區(qū)覆蓋;600 m基站間距中，密集城區(qū)基站分布過疏松，容易造成覆蓋盲區(qū);400 m基站間距為最佳小區(qū)覆蓋的最佳基站間距。

圖2 3種基站間距對(duì)應(yīng)的最佳小區(qū)覆蓋圖

在切換時(shí)，用戶終端先連接一個(gè)新的小區(qū)，后斷開原來的小區(qū)。一個(gè)用戶終端可以同時(shí)與兩個(gè)或多個(gè)小區(qū)相連。衡量網(wǎng)絡(luò)容量的一個(gè)很重要的指標(biāo)就是軟切換區(qū)，通過切換仿真分析圖，可以觀察到切換鏈路的多少。如果切換鏈路過多，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，甚至?xí)霈F(xiàn)掉話現(xiàn)象。如圖3所示，200 m基站間距切換圖中，切換鏈路過多，造成了資源浪費(fèi)，并且掉話現(xiàn)象嚴(yán)重。相比較而言，400 m基站間距切換圖效果較為合理。

由于不同的地形地貌等環(huán)境的影響，不同扇區(qū)之間會(huì)產(chǎn)生信號(hào)間的干擾，產(chǎn)生導(dǎo)頻污染現(xiàn)象。如圖4所示，400 m基站間距基本無導(dǎo)頻污染，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量較好。仔細(xì)分析，在小區(qū)與小區(qū)的邊界處和基站與基站的邊界處可能會(huì)由于主導(dǎo)頻強(qiáng)度不強(qiáng)，而出現(xiàn)部分導(dǎo)頻污染。

4 結(jié)論

通過以上最佳小區(qū)、切換區(qū)域、導(dǎo)頻污染的分析，可以看出，在密集城區(qū)400 m的基站間距方案從整體網(wǎng)絡(luò)性能比較，是一個(gè)最優(yōu)選擇。通過仿真分析，可以模擬預(yù)測(cè)規(guī)劃區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。本次仿真過程中，使用的是20 m精度的電子地圖，沒有建筑物高度信息，這樣建筑物所造成的遮擋、反射等效應(yīng)不能很好地在仿真中反映[5]。因而在實(shí)際的仿真具體某個(gè)地區(qū)的仿真過程中和實(shí)際基站的建設(shè)中，還需要結(jié)合路測(cè)的數(shù)據(jù)針對(duì)各個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)于出現(xiàn)部分實(shí)際問題可以采用相應(yīng)的工程手段加以妥善解決，通過不斷地優(yōu)化調(diào)整以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的性能目標(biāo)，給出最合算的配置方案。

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