基于主傳播路徑模型的4G室內(nèi)外協(xié)同精確規(guī)劃優(yōu)化平臺(tái)

張哲+王君健+李雪靜

【摘 要】通過系統(tǒng)闡述4G室內(nèi)外混合場(chǎng)景下協(xié)同規(guī)劃優(yōu)化，借助主傳播路徑覆蓋模型，采用室內(nèi)三維建模結(jié)合數(shù)字三維地圖的方法，利用API接口調(diào)用覆蓋結(jié)果，對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行室內(nèi)外聯(lián)合覆蓋預(yù)測(cè)、立體呈現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)外一體規(guī)劃優(yōu)化。

【關(guān)鍵詞】4G 射線跟蹤模型 三維地圖 室內(nèi)外協(xié)同規(guī)劃

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-1010（2014）-20-

4G Indoor and Outdoor Collaborative Planning and Optimization Platform Based on Main Propagation Path Model

ZHANG Zhe， WANG Jun-jian， Li Xue-jing

（China Mobile Group Hebei Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050000， China）

[Abstract] The collaborative planning and optimization under 4G indoor and outdoor hybrid scenarios are described. Based on the main propagation path coverage model， indoor three-dimension modeling and three-dimension digital map are used for indoor and outdoor joint coverage prediction and three-dimension rendering of 4G network by using API interface call coverage results. Thus it achieves the indoor and outdoor integrated planning and optimization.

[Key words]4G ray tracing model 3D map indoor and outdoor collaborative planning

1 引言

由于4G頻段的覆蓋范圍只有2G的50%，如果不能實(shí)現(xiàn)對(duì)小區(qū)的精確預(yù)測(cè)，將會(huì)極大地增加運(yùn)營商成本。傳統(tǒng)規(guī)劃工具采用統(tǒng)計(jì)型模型，必須經(jīng)過大量的CW測(cè)試對(duì)模型因子校正，不同頻段需要不同校正，極大地增加了工作量，更不適合室內(nèi)預(yù)測(cè)。標(biāo)準(zhǔn)方差超過8dB，預(yù)測(cè)范圍只能在1km范圍外準(zhǔn)確，因?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)主要部署在城市區(qū)域，所以傳統(tǒng)模型已經(jīng)不能滿足網(wǎng)絡(luò)精細(xì)化規(guī)劃要求。

同時(shí)，4G網(wǎng)絡(luò)使得建筑物內(nèi)的無線通信變得越來越重要。提供無線多媒體服務(wù)（如視頻終端）不管在室內(nèi)還是室外，都依賴高質(zhì)量（QoS）服務(wù)等級(jí)。為了保證QoS等級(jí)，規(guī)劃人員在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃階段必須綜合分析室內(nèi)外無線傳播之間的相互作用。但目前無論對(duì)城市或室內(nèi)傳播模型，都僅基于某一單一的場(chǎng)景。

基于此，本文提出了對(duì)在城市和室內(nèi)這類混合場(chǎng)景下的覆蓋強(qiáng)度預(yù)測(cè)的一種新概念。這個(gè)新概念不依賴于直線傳播特性（如經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?，也不考慮數(shù)以百計(jì)的射線為一個(gè)單一的無線鏈路（如射線跟蹤），而是重點(diǎn)考慮發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間最主要的傳播路徑，提供了從城市轉(zhuǎn)換為室內(nèi)場(chǎng)景或從室內(nèi)轉(zhuǎn)換到城市場(chǎng)景的傳播特性計(jì)算方法，從而得到精確的建筑物內(nèi)部和其周邊的接收功率。頻率支持范圍為150—3 500MHz，并可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、室外多場(chǎng)景預(yù)測(cè)。標(biāo)準(zhǔn)方差小于6dB，大大提升了預(yù)測(cè)精度。同時(shí)，本文探討采用API接口，借助主控路徑模型實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋多場(chǎng)景預(yù)測(cè)，以提升運(yùn)營商規(guī)劃優(yōu)化效率、降低投資維護(hù)成本。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 射線跟蹤模型

射線跟蹤是一種被廣泛用于移動(dòng)通信和個(gè)人通信環(huán)境中的預(yù)測(cè)無線電波傳播特性的技術(shù)，可以用來辨認(rèn)出多徑信道中收發(fā)之間所有可能的射線路徑。一旦所有可能的射線被辨認(rèn)出后，就可根據(jù)電波傳播理論來計(jì)算每條射線的幅度、相位、延遲和極化，然后結(jié)合天線方向圖和系統(tǒng)帶寬就可得到接收點(diǎn)的所有射線的相干合成結(jié)果。

射線跟蹤模型原理如圖1所示：

圖1 射線跟蹤模型原理

2.2 主傳播路徑模型

射線跟蹤模型的缺點(diǎn)是對(duì)數(shù)據(jù)庫中建筑模型準(zhǔn)確性的要求很高。在射線光學(xué)預(yù)測(cè)中，角度標(biāo)準(zhǔn)將被計(jì)算評(píng)估，因此墻體的定位是非常重要的，高精度的數(shù)據(jù)庫將不易適用于大規(guī)模應(yīng)用。

另一個(gè)問題是：射線光學(xué)模型的計(jì)算時(shí)間很長，亦或進(jìn)行預(yù)處理計(jì)算時(shí)，所需要的時(shí)間也很長。

在預(yù)處理過程中的數(shù)據(jù)庫將被分為塊和段，而這些塊和段間的能見度是確定的。數(shù)據(jù)庫中包括大量的塊和段，這個(gè)處理過程需要消耗大量時(shí)間，可以從幾小時(shí)到幾天，尤其是對(duì)于某些非常大的場(chǎng)景，具體參見文獻(xiàn)[1]。

新模型的需求在對(duì)現(xiàn)有可用模型的利弊進(jìn)行分析后，對(duì)于新模型的要求如下：

（1）聚焦主傳播路徑，忽略小貢獻(xiàn)值路徑的計(jì)算。

（2）模型不應(yīng)該依賴于矢量數(shù)據(jù)庫中的每個(gè)微小細(xì)節(jié)。

（3）在有參照數(shù)據(jù)情況下，具有簡單的自動(dòng)校準(zhǔn)功能。

（4）數(shù)據(jù)庫的預(yù)處理時(shí)間要短。

基于此，主傳播路徑的算法模型（DPM）可以被細(xì)分成2個(gè)步驟：主傳播路徑的確定（幾何）；傳播路徑的路徑損耗預(yù)測(cè)。主傳播路徑的確定不是一個(gè)簡單的工作，該算法及其性能具體參見文獻(xiàn)[2]。傳播路徑的路徑損耗預(yù)測(cè)可通過以下公式計(jì)算得出：

（1）

其中，L為在傳播距離lm時(shí)的傳播路徑損耗（單位為dB）；λ為波長和Ω波導(dǎo)因子；f（φ，i）為一個(gè)函數(shù)確定的相互作用的損耗值（單位為dB），即當(dāng)傳播方向發(fā)生改變時(shí)的損耗值，前導(dǎo)傳播方向和新傳播方向之間的角度是φ。endprint

2.3 室內(nèi)覆蓋預(yù)測(cè)

在城市環(huán)境下，射線可以包括在屋頂衍射（如Walfisch-Ikegami模型），而在室內(nèi)場(chǎng)景的射線總是在Tx和Rx之間的直線上傳播。在這兩種情況下，這些直射射線并不總是占主導(dǎo)地位，它存在極大的衰減情況。

基于此模型路徑預(yù)測(cè)必將導(dǎo)致錯(cuò)誤，因?yàn)橹鄙渖渚€在最后的接收信號(hào)總功率中只占了一小部分。

射線傳播模型如圖2所示：

（a）經(jīng)驗(yàn)傳播模型使用直射路徑 （b）射線跟蹤使用多路徑 （c）DPM模型使用最相關(guān)路徑

圖2 射線傳播模型

上百個(gè)射線通過折射、反射等都可以被接收器所接收，而所有接收到的射線相疊加（在大多數(shù)情況下，非相干疊加）獲得的最后接收功率，在大多數(shù)情況下，某2條或3條射線的功率貢獻(xiàn)度就超過最后接收功率的98%，因此著眼于主路徑射線的精度就足夠了。

2.4 室外數(shù)字地圖

要實(shí)現(xiàn)精確預(yù)測(cè)，必須依據(jù)高精度數(shù)字5M地圖。

5M數(shù)字地圖應(yīng)包括：地面高層數(shù)據(jù)（Hights）、地面覆蓋類型數(shù)據(jù)（Clutter）、線狀矢量數(shù)據(jù)（Vector）、建筑物矢量數(shù)據(jù)（Buildings Vector），描述建筑物的分布、外形輪廓及高度。

2.5 數(shù)字地圖三維立體呈現(xiàn)

提前根據(jù)三維數(shù)字地圖建筑物矢量信息，獲得建筑物外形輪廓及高度，利用OpenGL技術(shù)進(jìn)行渲染，實(shí)現(xiàn)數(shù)字地圖三維立體顯示，使得網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃更加直觀。

2.6 室內(nèi)建筑電磁屬性

針對(duì)無線通信室內(nèi)覆蓋的典型場(chǎng)景，研究室內(nèi)環(huán)境下電波傳播模型。在研究中，重點(diǎn)設(shè)定不同的室內(nèi)環(huán)境，特別考慮建筑結(jié)構(gòu)和室內(nèi)陳設(shè)、障礙物對(duì)信號(hào)傳播的影響。系統(tǒng)基于室內(nèi)建筑物矢量（CAD）數(shù)據(jù)，利用CAD圖紙進(jìn)行材料分層。依據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲得國內(nèi)室內(nèi)建筑物主要材料的電磁特性，為系統(tǒng)精確預(yù)測(cè)覆蓋提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，并對(duì)材料進(jìn)行電磁屬性定義，以計(jì)算精確的覆蓋結(jié)果。

3 系統(tǒng)功能

3.1 精確覆蓋預(yù)測(cè)

系統(tǒng)引用優(yōu)化后的射線跟蹤模型（主控路徑模型），并采用API調(diào)用的方式，結(jié)合數(shù)字地圖中建筑物和地理信息，計(jì)算無線電波在各傳播路徑上的損耗，得到精確的覆蓋預(yù)測(cè)結(jié)果。

確定射線跟蹤模型，頻率范圍150—3 500MHz，適用于GSM、WCDMA、TD-SCDMA、LTE。適用三維電子地圖及室內(nèi)建筑模型，自動(dòng)校正。室內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)方差小于6dB。

3.2 室內(nèi)外聯(lián)合預(yù)測(cè)

4G主要承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，主要業(yè)務(wù)場(chǎng)景在室內(nèi)發(fā)生，室內(nèi)覆蓋規(guī)劃業(yè)務(wù)是4G部署的關(guān)鍵，系統(tǒng)能夠?qū)φ麠澖ㄖM(jìn)行全局性的建模，并利用材料庫電磁特性，可以對(duì)4G室內(nèi)覆蓋做出精確預(yù)測(cè)，給出完整的仿真結(jié)果。不同技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，難以進(jìn)入的區(qū)域的覆蓋，一目了然。進(jìn)行室內(nèi)外聯(lián)合仿真預(yù)測(cè)、評(píng)估室外站點(diǎn)對(duì)室內(nèi)的影響，從而避免干擾、減少投資。

3.3 多網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃優(yōu)化

2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)并存是運(yùn)營商面對(duì)的一個(gè)主要階段，通過對(duì)多網(wǎng)絡(luò)的覆蓋評(píng)估，可以充分發(fā)揮每一網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，使得2G承擔(dān)覆蓋、4G服務(wù)數(shù)據(jù)。

3.4 數(shù)據(jù)資源統(tǒng)一管理

網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中牽涉大量數(shù)據(jù)及報(bào)表，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分散管理，容易造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確使用錯(cuò)誤的情況發(fā)生；業(yè)務(wù)流程的分散操作造成了建設(shè)過程中效率低下，資源浪費(fèi)。系統(tǒng)采取數(shù)據(jù)庫架構(gòu)，使得網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中數(shù)據(jù)及資源統(tǒng)一管理，便于日后查詢和追蹤。對(duì)基站數(shù)據(jù)進(jìn)行了細(xì)化管理，從方位、類型、天線等多角度進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)，降低了管理成本，提升了后期優(yōu)化工程師的工作效率。

4 系統(tǒng)架構(gòu)

4.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)基于射線跟蹤（主控路徑）模型，軟件（WPlan）工作流程如圖3所示。每個(gè)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)一個(gè)工程，在仿真工程內(nèi)，仿真計(jì)算核心API結(jié)合環(huán)境模型和臺(tái)站規(guī)劃完成仿真計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果保存成文件形式，同時(shí)可以加載到可視化模塊，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行可視化顯示。仿真完成后，可導(dǎo)入實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異化評(píng)估和顯示。

圖3 軟件（WPlan）工作流程

4.2 模塊功能分解

（1）室內(nèi)外覆蓋預(yù)測(cè)

根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景提供2套API（分為Outdoor API和Indoor API），分別應(yīng)用于主城區(qū)場(chǎng)景和室內(nèi)場(chǎng)景。仿真計(jì)算模塊需實(shí)現(xiàn)：

◆整合軟件提供的環(huán)境信息和臺(tái)站信息，仿真計(jì)算出預(yù)測(cè)結(jié)果；

◆完成仿真?zhèn)鞑ニ惴ǖ倪x擇和算法參數(shù)設(shè)置；

◆完成仿真預(yù)測(cè)區(qū)域的選擇，可通過2D可視化界面選定環(huán)境中某一矩形區(qū)域或通過對(duì)話框中坐標(biāo)范圍設(shè)置來確定預(yù)測(cè)區(qū)域；

◆運(yùn)行仿真計(jì)算，完成每個(gè)發(fā)射臺(tái)站對(duì)應(yīng)的電波傳播計(jì)算；

◆運(yùn)行仿真計(jì)算，完成多個(gè)發(fā)射臺(tái)站共同作用下的覆蓋計(jì)算。

（2）可視化

可視化模塊是核心模塊，基于圖形圖像系統(tǒng)開發(fā)二維及三維可視化界面?？梢暬K在軟件系統(tǒng)中所處的邏輯關(guān)系如圖4所示：

圖4 可視化模塊邏輯關(guān)系

軟件實(shí)現(xiàn)內(nèi)容如下：

◆臺(tái)站規(guī)劃可視化：提供臺(tái)站位置的二維可視化部署；

◆仿真區(qū)域選擇2D可視化：通過鼠標(biāo)劃定矩形框確定仿真研究區(qū)域；

◆仿真結(jié)果2D（頂視）和3D可視化。

支持城區(qū)、室內(nèi)、地下模型以及各種電磁仿真分析結(jié)果的三維顯示，且支持三維場(chǎng)景下的地圖漫游、放大和縮小等功能。

（3）數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊主要用于電磁環(huán)境仿真分析軟件中各類數(shù)據(jù)的有效管理，并實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)與其他軟件的共享，支持模型管理、仿真結(jié)果管理和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)管理。

數(shù)據(jù)管理模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)3類數(shù)據(jù)的管理：模型數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以便更有效地為其他各個(gè)功能模塊提供數(shù)據(jù)支撐。endprint

◆模型數(shù)據(jù)：模型數(shù)據(jù)以文件格式保存，同工程管理中模型數(shù)據(jù)；

◆仿真數(shù)據(jù)：仿真完成之后，生成仿真結(jié)果文件；

◆實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：為了分析仿真的可靠性，需分析仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的差異，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以ASCII文本形式保存。

參考文獻(xiàn)：

[1] R Hoppe， P Wertz， F M Landstorfer， et al. Advanced Ray-Optical Wave Propagation Modelling for Urban and Indoor Scenarios[J]. Euro Trans Telecomms， 2003.

[2] G W?LFLE， F M Landstorfer. Dominant Path for the Field Strength Prediction[A]. 48th IEEE VTC[C]. Ottawa： 1998.

[3] G W?LFLE. Adaptive Propagation Models for the Planning of Wireless Communication Networks and for the Computation of the Reception Quality inside Buildings[D]. Stuttgart： University of Stuttgart， 2000.

[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[J]. 廣東通信技術(shù)， 2009（10）： 60-64.

[5] 陶業(yè)榮，張義軍，裴彬，等. 基于射線追蹤法的移動(dòng)通信信道建模分析[J]. 無線電通信技術(shù)， 2010（2）： 34-36.

[6] 童春芽. 數(shù)字城區(qū)三維建模及可視化[D]. 昆明： 昆明理工大學(xué)， 2005.

作者簡介

張哲：通信工程師，學(xué)士畢業(yè)于寧夏大學(xué)物理與電氣信息學(xué)院，河北科技大學(xué)碩士在讀，現(xiàn)任職于中國移動(dòng)通信集團(tuán)河北有限公司網(wǎng)絡(luò)部網(wǎng)優(yōu)中心，長期從事無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化工作。

王君健：通信工程師，碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)任中國移動(dòng)通信集團(tuán)河北有限公司工程管理部LTE建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理，長期從事無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)和優(yōu)化工作。

李雪靜：助理通信工程師，畢業(yè)于西南交通大學(xué)通信工程專業(yè)，現(xiàn)任職于中國移動(dòng)通信集團(tuán)河北有限公司承德分公司無線網(wǎng)優(yōu)中心，長期從事無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化工作。endprint

◆模型數(shù)據(jù)：模型數(shù)據(jù)以文件格式保存，同工程管理中模型數(shù)據(jù)；

◆仿真數(shù)據(jù)：仿真完成之后，生成仿真結(jié)果文件；

◆實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：為了分析仿真的可靠性，需分析仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的差異，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以ASCII文本形式保存。

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[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[J]. 廣東通信技術(shù)， 2009（10）： 60-64.

[5] 陶業(yè)榮，張義軍，裴彬，等. 基于射線追蹤法的移動(dòng)通信信道建模分析[J]. 無線電通信技術(shù)， 2010（2）： 34-36.

[6] 童春芽. 數(shù)字城區(qū)三維建模及可視化[D]. 昆明： 昆明理工大學(xué)， 2005.

作者簡介

張哲：通信工程師，學(xué)士畢業(yè)于寧夏大學(xué)物理與電氣信息學(xué)院，河北科技大學(xué)碩士在讀，現(xiàn)任職于中國移動(dòng)通信集團(tuán)河北有限公司網(wǎng)絡(luò)部網(wǎng)優(yōu)中心，長期從事無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化工作。

王君?。和ㄐ殴こ處?，碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)任中國移動(dòng)通信集團(tuán)河北有限公司工程管理部LTE建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理，長期從事無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)和優(yōu)化工作。

李雪靜：助理通信工程師，畢業(yè)于西南交通大學(xué)通信工程專業(yè)，現(xiàn)任職于中國移動(dòng)通信集團(tuán)河北有限公司承德分公司無線網(wǎng)優(yōu)中心，長期從事無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化工作。endprint

◆模型數(shù)據(jù)：模型數(shù)據(jù)以文件格式保存，同工程管理中模型數(shù)據(jù)；

◆仿真數(shù)據(jù)：仿真完成之后，生成仿真結(jié)果文件；

◆實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：為了分析仿真的可靠性，需分析仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的差異，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以ASCII文本形式保存。

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[6] 童春芽. 數(shù)字城區(qū)三維建模及可視化[D]. 昆明： 昆明理工大學(xué)， 2005.

作者簡介

張哲：通信工程師，學(xué)士畢業(yè)于寧夏大學(xué)物理與電氣信息學(xué)院，河北科技大學(xué)碩士在讀，現(xiàn)任職于中國移動(dòng)通信集團(tuán)河北有限公司網(wǎng)絡(luò)部網(wǎng)優(yōu)中心，長期從事無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化工作。

王君?。和ㄐ殴こ處?，碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)任中國移動(dòng)通信集團(tuán)河北有限公司工程管理部LTE建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理，長期從事無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)和優(yōu)化工作。

李雪靜：助理通信工程師，畢業(yè)于西南交通大學(xué)通信工程專業(yè)，現(xiàn)任職于中國移動(dòng)通信集團(tuán)河北有限公司承德分公司無線網(wǎng)優(yōu)中心，長期從事無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化工作。endprint