提高室內(nèi)3D仿真準(zhǔn)確性的方法探討

于仰源，孫宜軍，王磊，羅海港

（中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司第四分公司，河南 鄭州 450052）

1 引言

目前，無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展重點(diǎn)已從初期的廣覆蓋向深度覆蓋轉(zhuǎn)變，室內(nèi)場(chǎng)景精準(zhǔn)仿真預(yù)測(cè)是高效完善其覆蓋的前提。一直以來，室內(nèi)場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)的仿真及預(yù)測(cè)效果不佳，限制了網(wǎng)絡(luò)資源在室內(nèi)場(chǎng)景的精準(zhǔn)化投入。先進(jìn)的3D射線模型可以真實(shí)模擬室外無線電波直射、反射、衍射、散射等傳播效果，但其應(yīng)用于室內(nèi)場(chǎng)景仿真準(zhǔn)確度仍十分有限，因此本文接下來將探討提高室內(nèi)3D仿真準(zhǔn)確性的方法。

2 傳統(tǒng)3D仿真方法介紹

2.1 3D射線跟蹤模型

3D射線跟蹤模型是一種采用射線跟蹤法的創(chuàng)新通用傳播模型，其依據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)衍射理論（UTD, Uniform Theory of Diffraction）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)衍射理論，高頻率的電磁波遠(yuǎn)場(chǎng)傳播特性可簡(jiǎn)化為射線（Ray）模型。因此射線跟蹤模型實(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（包括建筑物矢量及建筑物高度），對(duì)傳播損耗進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。射線跟蹤算法把建筑物的反射簡(jiǎn)化為光滑平面反射、建筑物邊緣散射以及建筑物邊緣衍射，分析無線電波從發(fā)射點(diǎn)傳播到接收點(diǎn)理論上所有可能的傳播途徑，將3D傳播路徑被分為兩個(gè)平面，一個(gè)是垂直平面，一個(gè)是水平面，分別是對(duì)兩個(gè)平面進(jìn)行繞射損耗的計(jì)算，再在接收天線處通過矢量疊加合成，計(jì)算出接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)。3D傳播模型模擬射線傳播過程如圖1所示：

圖1 3D傳播模型模擬射線傳播過程

2.2 現(xiàn)有仿真方法的局限性分析

3D射線模型雖在室外空間可以展現(xiàn)良好的模擬效果，但對(duì)于室內(nèi)空間信號(hào)模擬往往效果不佳。主要原因是不同建筑物的類型、高度、材質(zhì)、密集程度等均不相同，3D射線模型無法精確計(jì)算信號(hào)穿墻進(jìn)入室內(nèi)的穿透損耗。具體地，現(xiàn)有仿真方法如下：

（1）導(dǎo)入高精度三維地圖（一般為5 m精度），地圖需包含地物類型、地物高度、位置等信息；

（2）將地圖包含的各種地物類型，手工映射為3D射線模型中定義的地物類型；

（3）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或CQT測(cè)試結(jié)果，自定義設(shè)置各種地類全局的穿透損耗及室內(nèi)每單位距離損耗值（Out->Inside，Inside->Inside）。

此種方法的準(zhǔn)確性關(guān)鍵在于設(shè)置的全局損耗值是否合理準(zhǔn)確，而依據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者CQT測(cè)試結(jié)果缺乏客觀全面。對(duì)于建筑物相對(duì)單一、分布均勻、高度統(tǒng)一的室內(nèi)場(chǎng)景，由于信號(hào)的傳播特性相近，信號(hào)穿墻的損耗存在一定的規(guī)律，可采用一些方法來客觀估計(jì)，從而提升室內(nèi)3D仿真的準(zhǔn)確性。

3 提高室內(nèi)3D仿真方法

3.1 3D模型關(guān)鍵參數(shù)修正

3D射線模型模擬室外信號(hào)進(jìn)入室內(nèi)及在室內(nèi)場(chǎng)景傳播，關(guān)鍵參數(shù)是每種地物類型的穿透損耗值及室內(nèi)每單位距離損耗值。假設(shè)距離室外D（m）的室內(nèi)某處整體損耗為PL（dB），室外進(jìn)入室內(nèi)穿墻損耗為A（dB），進(jìn)入室內(nèi)后每單位距離損耗為B（dB/m），此室內(nèi)場(chǎng)景損耗可表示為：

本方法中，A、B通過MR數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，修正方法如下：

（1）選取目標(biāo)區(qū)域內(nèi)一周時(shí)間的MR數(shù)據(jù)（含有室內(nèi)外標(biāo)識(shí)）。

（2）MR數(shù)據(jù)柵格化處理：

1）將目標(biāo)區(qū)域按20 m大小柵格劃分；

2）統(tǒng)計(jì)每柵格內(nèi)的室內(nèi)/室外MR數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，并按多數(shù)數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)柵格（若某柵格室內(nèi)MR個(gè)數(shù)大于室外，則此柵格標(biāo)識(shí)為室內(nèi)柵格）；

3）分別計(jì)算室內(nèi)/室外柵格對(duì)應(yīng)MR數(shù)據(jù)的RSRP算術(shù)平均值，標(biāo)識(shí)為該柵格的RSRP值。

（3）修正穿透損耗參數(shù)A、B：

1）假設(shè)某室外柵格RSRP值為RO，其相鄰位置存在室內(nèi)柵格且RSRP值為RI，A等于所有符合條件的（RO-RI）均值；

2）上述室內(nèi)柵格RI，其相鄰位置存在室內(nèi)柵格且RSRP值為RII，則B等于區(qū)域內(nèi)所有符合條件的（RIRII）/20均值（柵格精度為20 m）。

此方法是根據(jù)海量MR數(shù)據(jù)計(jì)算，具有真實(shí)、客觀、全面等特點(diǎn)，克服了原方法主觀、片面的缺點(diǎn)，且數(shù)據(jù)相對(duì)容易獲得，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，可大幅提升室內(nèi)仿真預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

3.2 基于3D射線模型的古城景區(qū)仿真驗(yàn)證

如圖2所示，驗(yàn)證仿真區(qū)域選取為北方某古城景區(qū)，該古城外圍城墻遮擋、城內(nèi)建筑類型單一、建筑物分布均勻，區(qū)域內(nèi)無線信號(hào)傳播環(huán)境相似。

圖2 古城景區(qū)建筑物示意圖

本次仿真選擇Atoll仿真軟件，使用5 m精度地圖，傳播模型選擇Atoll開發(fā)的3D射線模型CrossWave模型，對(duì)古城LTE網(wǎng)絡(luò)做3D立體仿真，關(guān)鍵步驟如下：

（1）將三維5 m精度地圖信息（包括海拔/Height、地類/Clutter、矢量/Vector、建筑物/Buildings）導(dǎo)入仿真軟件，導(dǎo)入后效果如圖3所示。

（2）網(wǎng)絡(luò)工參導(dǎo)入、設(shè)置。

（3）3D射線傳播模型設(shè)置：

1）選擇CrossWave模型，并在其中導(dǎo)入對(duì)應(yīng)類型的地圖（具體設(shè)置可參見CreossWave模型的官方說明書）；

2）修正室外到室內(nèi)的穿透損值及室內(nèi)穿損值。

本次仿真的古城區(qū)域內(nèi)已有相當(dāng)數(shù)量的在網(wǎng)用戶，可以選取近期某一周時(shí)間段20 m精度柵格化MR數(shù)據(jù)按3.1方法修正，室內(nèi)外柵格RSRP值如圖4所示（綠色代表室外柵格，紅色為室內(nèi)柵格）。

圖3 三維地圖導(dǎo)入后效果圖

計(jì)算得到A=15 dB，B=0.07 dB/m，將修正參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

（4）仿真結(jié)果驗(yàn)證

修正3D射線模型的穿透損耗參數(shù)后，室內(nèi)仿真結(jié)果準(zhǔn)確性大幅提升。如圖6所示，仿真結(jié)果與實(shí)際路測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，仿真預(yù)測(cè)室內(nèi)信號(hào)電平值與實(shí)際測(cè)試差距在5 dB以內(nèi)，部分細(xì)節(jié)與實(shí)際幾乎一致（接收機(jī)高度為1 m）。

3D立體仿真結(jié)果的原理是通過設(shè)置接收機(jī)不同高度，然后按不同接收機(jī)高度分別仿真，將仿真結(jié)果層層疊加、呈現(xiàn)立體3D效果。如圖7所示，本次利用修正后3D射線模型，將接收機(jī)高度間隔為1 m，按1 m～9 m高度分別仿真，9層仿真結(jié)果疊加，形成空間3D立體仿真。

圖4 室內(nèi)外MR柵格數(shù)據(jù)

圖5 修正后參數(shù)設(shè)置示意圖

對(duì)仿真結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，區(qū)域內(nèi)建筑物以2層以下為主，弱覆蓋較多發(fā)生在1 m～3 m高度內(nèi)的室內(nèi)場(chǎng)景；而在高于3 m的空間，由于距離基站相對(duì)較近，遮擋較少，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋基本良好。此結(jié)論對(duì)后續(xù)精細(xì)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)盲有較大價(jià)值。綜上，修正3D射線模型仿真能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)實(shí)際室內(nèi)覆蓋情況，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)補(bǔ)盲、補(bǔ)優(yōu)具有較大的參考價(jià)值。

圖6 修正3D射線仿真結(jié)果及實(shí)際路測(cè)圖層

圖7 9層仿真結(jié)果疊加和疊加后3D效果圖層

4 結(jié)束語

移動(dòng)通信發(fā)展日臻成熟，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)“無處不在的網(wǎng)絡(luò)、無所不能的業(yè)務(wù)”的概念已深入人心。利用3D射線模型實(shí)現(xiàn)室內(nèi)場(chǎng)景的精準(zhǔn)仿真，給網(wǎng)絡(luò)精細(xì)化建設(shè)提供了有力依據(jù)；同時(shí)，通過MR數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)研究3D射線模型在不同地類場(chǎng)景的傳播特性，將提高網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃準(zhǔn)確度及規(guī)劃效率，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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