空間三維分層仿真在LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化中的應(yīng)用

韓云波，董江波，李楠，徐德平

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

1 引言

中國已正式進入LTE時代，LTE網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量決定了運營商在LTE領(lǐng)域的競爭力。LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)質(zhì)量至關(guān)重要。

目前的LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真，主要就室外宏站對其所覆蓋區(qū)域內(nèi)各柵格點的覆蓋效果進行預(yù)測，仿真時基于20 m地圖進行仿真，暫時無法對LTE室內(nèi)的覆蓋效果進行預(yù)測。

同時隨著LTE網(wǎng)絡(luò)對覆蓋預(yù)測準確性要求的提高，要求預(yù)測所用模型的準確性要更高，地圖精度也要越高。為了達到對建筑物室內(nèi)效果的預(yù)測，還需要更高精度的3D地圖，從而對空間三維上各樓層的覆蓋效果進行預(yù)測仿真。

2 技術(shù)原理和實現(xiàn)方法

為了達到LTE更加精細化的覆蓋預(yù)測仿真，仿真所用電子地圖的精度要高，內(nèi)容更加豐富和精細，故要求使用5 m精度電子地圖，且地圖需包含矢量建筑物空間信息及高度屬性信息。同時，引入射線跟蹤模型，使得覆蓋效果更加貼近實際路測效果。

5 m精度電子地圖及射線跟蹤功能的引入使得覆蓋預(yù)測結(jié)果的準確性更好，為實現(xiàn)預(yù)測室外宏站對建筑物室內(nèi)的覆蓋效果，需要引入空間三維技術(shù)，以分析建筑物不同高度層上的覆蓋效果。

下面介紹射線跟蹤原理及空間三維GIS分層仿真技術(shù)。

2.1 射線跟蹤原理

射線跟蹤模型的基本原理是分析某種場景下無線電波從發(fā)射點傳播到接收點理論上所有可能的傳播途徑，包括直射、反射、繞射等，通過接收點信號矢量疊加，計算得出接收信號場強。射線模型需要高精度的三維數(shù)字地圖，至少5 m精度，1 m精度更好。由于對地圖精度要求較高，所以用這種方法進行無線環(huán)境建模比較昂貴，一般只在密集城區(qū)使用就可以了。模型預(yù)測的準確性和數(shù)字地圖的精確性、站點工程參數(shù)如天線位置、天線高度、方向角、下傾角等設(shè)置的準確性相關(guān)較大。

由于傳統(tǒng)經(jīng)驗?zāi)Ｐ停ㄈ鏑OST231-Hata模型)不能考慮到地物(主要是建筑物)的繞射，因此其預(yù)測結(jié)果是較為規(guī)則的方向圖形狀。Volcano模型的預(yù)測結(jié)果，其中可以明顯地看到墻面反射、繞射造成的街道效應(yīng)，其預(yù)測結(jié)果顯然更加符合實際情況。

射線跟蹤模型是精確進行城區(qū)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的有效技術(shù)，在LTE的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中應(yīng)用射線追蹤模型，能夠幫助運營商準確規(guī)劃優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)，保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，在缺少成熟LTE網(wǎng)絡(luò)借鑒的情況下幫助運營商打造精品網(wǎng)絡(luò)。

2.2 分層仿真

實現(xiàn)建筑物分層仿真，是將接收機的接受天線高度調(diào)整到建筑物各樓層的高度，基于該高度進行射線跟蹤覆蓋預(yù)測仿真，覆蓋預(yù)測時會考慮信號在建筑物間的反射、繞射、折射等因素；同時基于空間三維GIS技術(shù)，將采集及經(jīng)運算分析后的數(shù)據(jù)進行表現(xiàn)、展示。三維數(shù)據(jù)相對二維數(shù)據(jù)更能表現(xiàn)出客觀實際。

三維GIS與二維GIS一樣，需要具備最基本的空間數(shù)據(jù)處理功能，如數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)操縱、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表現(xiàn)等。相比于二維GIS，三維GIS具有以下優(yōu)勢。

空間信息的展示更為直觀。相比二維GIS，三維GIS為空間信息的展示提供了更豐富、逼真的平臺，使人們將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化，人們結(jié)合自己相關(guān)的經(jīng)驗就可以理解，從而做出準確而快速的判斷。毫無疑問，三維GIS在可視化方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。

多維度空間分析功能更加強大?？臻g信

息的分析過程，往往是復(fù)雜、動態(tài)和抽象的，在數(shù)量繁多、關(guān)系復(fù)雜的空間信息面前，二維GIS的空間分析功能常具有一定的局限性，如淹沒分析、地質(zhì)分析、日照分析、空間擴散分析、通視性分析等高級空間分析功能，二維GIS是無法實現(xiàn)的。由于三維數(shù)據(jù)本身可以降維到二維，因此三維GIS自然也能包容二維GIS的空間分析功能。三維GIS強大的多維度空間分析功能，不僅是GIS空間分析功能的一次跨越，在更大程度上也充分體現(xiàn)了GIS的特點和優(yōu)越性。

分層仿真是依托射線跟蹤技術(shù)對規(guī)劃區(qū)域內(nèi)建筑物的不同樓層進行分別仿真，然后基于三維GIS技術(shù)將各層的仿真結(jié)果直觀地呈現(xiàn)出來，仿真結(jié)果為LTE公共信道覆蓋預(yù)測的結(jié)果（如RSRP、SINR等關(guān)鍵指標）。為了更好的進行三維展示，將矢量建筑物數(shù)據(jù)與分層仿真的結(jié)果疊加在一起，空間三維根據(jù)用戶需求自定義仿真結(jié)果專題圖，更加直觀地呈現(xiàn)。

3 案例分析

規(guī)劃仿真的基礎(chǔ)是電子地圖數(shù)據(jù)，基于地理信息系統(tǒng)和傳播模型模擬目標區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)情況，反映網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，所以電子地圖格式數(shù)據(jù)的準確性表達是前提。案例所使用地圖數(shù)據(jù)為Planet格式的5 m精度地圖，包括buildvetor矢量建筑物數(shù)據(jù)。

以深圳某密集城區(qū)場景為例，對規(guī)劃區(qū)域貼地層（距離地面1.5 m高度層）及站點進行仿真，覆蓋效果參見圖1所示。

圖1 仿真結(jié)果二維效果圖

圖1所示，仿真使用了5 m精度3D地圖，包含建筑物空間及高度信息，使用射線跟蹤模型時，其會根據(jù)實際建筑物的高度及邊界進行反射、繞射、折射等計算，仿真結(jié)果也體現(xiàn)出了折射、反射等所產(chǎn)生的射線狀效果。

如果用戶需要對不同高度層進行仿真，只需設(shè)置接收機的接收天線高度，這樣就可以計算得到不同仿真高度層上的覆蓋結(jié)果。

圖2 10 m高度層

圖3 10 m高度層疊加建筑物

圖2表示的是不同高度層上的仿真結(jié)果，圖3是將3D建筑物與仿真效果圖層疊加后的效果。圖2中的中心區(qū)域（紅黃綠漸變區(qū)域）對應(yīng)的樓宇高度小于20 m，隨著仿真高度的增加，該樓宇的覆蓋效果會變好，當(dāng)高度層達到20 m時，20 m已超過該建筑物的頂層高度，故仿真時已不考慮該建筑的穿透損耗，所以20 m高度層上該樓宇對應(yīng)位置的覆蓋效果會變得很好。

圖4 分層仿真結(jié)果剖面圖

圖4為規(guī)劃軟件仿真后的效果圖（立體剖面圖），基于射線跟蹤模型進行分層仿真，然后在空間三維GIS中展示分層仿真效果。

三維分層仿真的實現(xiàn)，克服了原有二維規(guī)劃仿真中僅對貼地層進行仿真的瓶頸，可對三維空間內(nèi)的柵格點進行仿真，為后續(xù)規(guī)劃建設(shè)提供了多角度分析的基礎(chǔ)。

4 技術(shù)應(yīng)用

三維分層仿真的技術(shù)實現(xiàn)方案，可用于分析評估室外宏站覆蓋室內(nèi)的效果，給出建筑物是否需要部署室分系統(tǒng)的建議。下面介紹室外覆蓋建筑物室內(nèi)的三維分析統(tǒng)計算法，結(jié)合此算法給出室分部署建議。

（1）通過分析建筑物樓宇的邊長，找出其最短邊的長度小于用戶指定寬度門限A（如15 m）的樓宇。對于建筑物最短邊的長度大于A的樓宇，建議部署室分系統(tǒng)達到良好的覆蓋效果；而對于最短邊的長度小于A的樓宇再進行以下步驟分析，以判斷該樓宇是否需要部署室分。

（2）在上述篩選出的建筑物中，對該建筑物的某高度層（如1.5 m）的仿真結(jié)果與該建筑物的立體空間輪廓做疊加分析，若該高度層的該建筑物內(nèi)的RSRP值大于用戶指定的某個門限B（如 -115 dBm）的柵格值數(shù)量占該高度層該建筑物內(nèi)所有柵格數(shù)量的比例達到某個門限C（如95%）時，認為該高度層的樓宇內(nèi)部可以達到室外宏站覆蓋室內(nèi)的目的。

（3）按照上述判定準則循環(huán)遍歷該建筑物的其他高度層（如 5 m、10 m、20 m等），只要建筑物有一層不滿足第2步的判定準則，則建議該建筑物部署室分系統(tǒng)；否則，該建筑不必部署室分，室外宏站可達到覆蓋該建筑物室內(nèi)的良好效果。

圖5 部署室分樓宇篩選

基于射線跟蹤及三維分層仿真技術(shù)，覆蓋預(yù)測結(jié)果可體現(xiàn)室外對室內(nèi)的覆蓋效果，依據(jù)上述分析算法，為建筑物內(nèi)是否需部署室分系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐（圖5中紅色表示需要部署室分的樓宇）。

5 結(jié)束語

為了提高LTE規(guī)劃建設(shè)質(zhì)量亦或給出指導(dǎo)無線優(yōu)化，需要更加精細化的規(guī)劃優(yōu)化仿真手段。本文首先對射線跟蹤模型的原理進行了探討，基于射線跟蹤模型及分層仿真的方法，對整個三維空間內(nèi)的信號強度進行預(yù)測，將分層仿真的預(yù)測結(jié)果結(jié)合空間三維GIS技術(shù)進行三維覆蓋效果展示。最后以深圳某密集場景分層仿真結(jié)果為例，描述了分層仿真方法在LTE規(guī)劃仿真中的應(yīng)用——通過室外宏站對建筑物室內(nèi)的覆蓋效果，給出建筑物內(nèi)室分系統(tǒng)部署建議。

從規(guī)劃建設(shè)及優(yōu)化的角度來講，射線跟蹤模型的引入使得覆蓋預(yù)測算法更加準確，可更好地指導(dǎo)LTE規(guī)劃建設(shè)及后續(xù)優(yōu)化；同時本文所提出的基于建筑物分層仿真室內(nèi)覆蓋結(jié)果的分析算法，為室內(nèi)外協(xié)同規(guī)劃優(yōu)化提供有力參考。

[1] 肖清華，汪丁鼎，許光斌，等. TD-LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計與優(yōu)化[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[2] 蔣遠，湯利民, 等. TD-LTE原理與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計[M]. 北京：人民郵電出版社，2012.

[3] 姚文聞. 確定性傳播模型在移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化中的研究與應(yīng)用[D]. 北京：北京郵電大學(xué), 2012.