基于遺傳算法的LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化方法

谷欣杏 韋再雪 李高斯 桑林

【摘 要】隨著LTE全面商用的深入，部分區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量問題隨之凸顯。提出一種基于遺傳算法的LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化方法，該方法來源于遺傳算法，并根據(jù)LTE系統(tǒng)實(shí)際天線情況對遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)。首先根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)掃頻數(shù)據(jù)和天線參數(shù)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量，其次調(diào)整天線參數(shù)，再次估計(jì)調(diào)整后的網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量，之后比較覆蓋質(zhì)量，如此循環(huán)迭代直至產(chǎn)生多個(gè)更優(yōu)方案，最后從更優(yōu)方案中篩選出最佳優(yōu)化方案。該方法可依據(jù)現(xiàn)網(wǎng)情況靈活設(shè)置優(yōu)化模式以及參數(shù)調(diào)整優(yōu)先級，從而快速、準(zhǔn)確地得到不同種模式下基站天線參數(shù)優(yōu)化方案，并且在算法實(shí)現(xiàn)過程中對其進(jìn)一步優(yōu)化，大大提高了尋優(yōu)效率。

【關(guān)鍵詞】天線參數(shù)；遺傳算法；LTE系統(tǒng)；覆蓋優(yōu)化

Network Coverage Optimization Method Based on

Genetic Algorithm for LTE System

GU Xinxing， WEI Zaixue， LI Gaosi， SANG Lin

[Abstract] With the development of commercial LTE system， the part of network coverage quality is highlighted. A network coverage optimization method for LTE system based on genetic algorithm was proposed in the paper. The genetic algorithm was improved in the proposed method according to the actual antennas of LTE system. Firstly， the network coverage quality was estimated according to the sweep data in current network and antenna parameters. Secondly， the antenna parameters were adjusted， the adjusted network coverage quality was re-estimated， and the two estimated quality were compared. Then， the best optimization scheme from all the variation schemes was selected； the above steps were repeated until an optimization was generated. According to the proposed method， can the optimization mode and the parameter adjustment priority were flexibly set according to the current situation， the optimization scheme of the base station antenna parameters in different modes were obtained quickly and accurately， and the algorithm was further optimized in the process of algorithm implementation so as to greatly improve the optimization efficiency.

[Key words]antenna parameter； genetic algorithm； LTE system； coverage optimization

1 引言

自從LTE被3GPP組織制定為全球通用標(biāo)準(zhǔn)以來，LTE網(wǎng)絡(luò)得到了快速的發(fā)展。截止到目前，LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋了國內(nèi)外廣大區(qū)域，成為移動(dòng)通信網(wǎng)領(lǐng)域中至關(guān)重要的一部分。但是，隨著LTE全面商用的深入，基站天線增多、基站周圍環(huán)境變化以及前期規(guī)劃布局不合理等原因，導(dǎo)致實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中存在覆蓋質(zhì)量較差的區(qū)域。對于這些網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量較差的區(qū)域，傳統(tǒng)上主要依據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)來調(diào)整基站天線參數(shù)來對其進(jìn)行改善，但此種方案效率低、準(zhǔn)確度差，難以滿足現(xiàn)網(wǎng)基站天線優(yōu)化的要求。因此，需要一種能夠提供準(zhǔn)確高效的尋找到天線參數(shù)優(yōu)化的方案，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的LTE天線參數(shù)優(yōu)化方法。

目前，關(guān)于LTE天線參數(shù)優(yōu)化的研究主要專注于天線某一參數(shù)，缺乏整體性。如史君黛等人提出了一種基于權(quán)值的TD-LTE天線覆蓋優(yōu)化方法，即應(yīng)用權(quán)值偏移波瓣角度技術(shù)變相調(diào)整天線的方位角，優(yōu)化LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋[1]；金勇等人針對LTE高站中產(chǎn)生的覆蓋問題，提出了一種調(diào)整天線傾角的優(yōu)化方案[2]；潘如君、夏永康等人通過調(diào)整天線傾角優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋[3-4]；田野等人考慮LTE網(wǎng)絡(luò)全局約束條件，介紹了一種LTE天線參數(shù)的規(guī)劃與優(yōu)化軟件使用方法[5]。

本文提出一種基于遺傳算法的LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化方法，該方法繼承了遺傳算法中的變異、選擇過程，根據(jù)LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量，再依據(jù)實(shí)際天線參數(shù)調(diào)整限制條件。通過變異過程調(diào)整區(qū)域部分小區(qū)天線參數(shù)，之后由現(xiàn)網(wǎng)掃頻數(shù)據(jù)、天線參數(shù)和天線增益圖進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評估，進(jìn)而篩選優(yōu)化方案，如此反復(fù)循環(huán)計(jì)算，最后從眾多優(yōu)化方案中篩選出最佳優(yōu)化方案。該方法能夠快速計(jì)算出信號覆蓋質(zhì)量，準(zhǔn)確高效地尋找天線參數(shù)優(yōu)化方案，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋率、重疊覆蓋率以及SINR，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而解決了傳統(tǒng)人工優(yōu)化方式中效率低、準(zhǔn)確度差的問題。同時(shí)，在方法實(shí)施過程中，對其做了進(jìn)一步優(yōu)化大大提高了計(jì)算效率和優(yōu)化效果。

2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量指標(biāo)

LTE系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量[6]主要有3個(gè)指標(biāo)：信號覆蓋率、重疊覆蓋率、信號干擾噪聲比（SINR）。綜合考慮計(jì)算復(fù)雜度和掃頻數(shù)據(jù)頻率類型等因素，本文利用現(xiàn)網(wǎng)掃頻數(shù)據(jù)針對不同模式設(shè)計(jì)了覆蓋率、重疊覆蓋率、SINR以及綜合覆蓋質(zhì)量這4個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量指標(biāo)。其中，模式區(qū)分依據(jù)頻率類型（D/F頻段、DF混頻、單頻點(diǎn)）和柵格處理情況，可分為6種。

2.1 覆蓋率

覆蓋率c1表示如下：

c1=n1/N （1）

其中，n1為有效覆蓋點(diǎn)數(shù)（若掃頻點(diǎn)從其主小區(qū)接收到信號的參考信號電平值（RSRP）不小于閾值K1，則認(rèn)為該掃頻點(diǎn)為一個(gè)有效覆蓋掃頻點(diǎn)），N為優(yōu)化區(qū)域中掃頻點(diǎn)總數(shù)。

2.2 重疊覆蓋率

重疊覆蓋率c2表示為：

（2）

其中，N為優(yōu)化區(qū)域中掃頻點(diǎn)總數(shù)，pi（i=1， 2， …， n）為重疊覆蓋度（若掃頻點(diǎn)從其主小區(qū)接收到信號的RSRP值大于閾值K2，且該掃頻點(diǎn)接收到非主小區(qū)信號的RSRP與主小區(qū)RSRP相差6 dBm之內(nèi)的小區(qū)數(shù)大于等于3，則該掃頻點(diǎn)的重疊覆蓋度記為與主小區(qū)RSRP值相差在6 dBm內(nèi)的小區(qū)個(gè)數(shù)），ki（i=1， 2， …， n）則為重疊覆蓋度對應(yīng)的權(quán)值。若為非柵格D/F頻段或單頻點(diǎn)情況，則根據(jù)其特征篩選出相應(yīng)數(shù)據(jù)再計(jì)算重疊覆蓋度，若為DF混頻情況，篩選出相應(yīng)數(shù)據(jù)后需去掉重復(fù)的掃頻點(diǎn)信息再計(jì)算重疊覆蓋度；若需柵格處理，則需預(yù)先將全部數(shù)據(jù)按照柵格進(jìn)行預(yù)先處理，再根據(jù)頻率類型進(jìn)行如上處理。

2.3 SINR

SINR表示為：

（3）

其中，sj（j=1， 2， …， m）為掃頻點(diǎn)接收到主小區(qū)的信號，sj，i（i=1， 2， 3， …， k）掃頻點(diǎn)接收到的非主小區(qū)的信號，m為優(yōu)化區(qū)域中主小區(qū)的個(gè)數(shù)，A為歸一化常數(shù)。

2.4 綜合覆蓋質(zhì)量

綜合覆蓋質(zhì)量Q表示為：

Q=αc1+βc2+γSINR （4）

其中，α（α>0）、β（β>0）、γ（γ>0）是覆蓋率、重疊覆蓋率、SINR的比例系數(shù)，通過調(diào)節(jié)α、β、γ改變最優(yōu)方案中覆蓋率、重疊覆蓋率、SINR的比重。

3 基于遺傳算法的LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)

化方法

3.1 單小區(qū)天線參數(shù)調(diào)整方法

在介紹基于遺傳算法的LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化方法之前，需了解單個(gè)小區(qū)天線參數(shù)調(diào)整方法，該方法主要包括以下5個(gè)步驟。

步驟1：計(jì)算掃頻點(diǎn)相對于天線的方位角（以y軸負(fù)方向?yàn)檎┖拖聝A角。

由掃頻信息可知，小區(qū)天線經(jīng)度x1、小區(qū)天線緯度y1、小區(qū)天線高度z1、天線方位角，掃頻點(diǎn)經(jīng)度x3、掃頻點(diǎn)緯度y3、天線機(jī)械下傾角∠BAC。可建立如圖1所示模型：

圖1 天線、掃頻點(diǎn)模型

其中，A為小區(qū)天線，B為天線在地面的投影，C為天線信號與地面的交點(diǎn)，D為掃頻點(diǎn)，E為D向平面ABC做垂線的垂足。那么，掃頻點(diǎn)相對于天線的方位角θ為：

（5）

令l=BD×cosθ，則∠BAE=arctan（z1/l）。下傾角φ為φ=∠BAC-∠BAE。

步驟2：編碼、變異、解碼天線的方位角、電子下傾角、機(jī)械下傾角和功率。

（1）編碼

根據(jù)天線方位角、電子下傾角、機(jī)械下傾角和功率的取值范圍，分別設(shè)置為7位2進(jìn)制編碼、4位2進(jìn)制編碼、5位2進(jìn)制編碼和8位2進(jìn)制編碼。

（2）變異

天線方位角、電子下傾角、機(jī)械下傾角和功率編碼后，組成一個(gè)24位2進(jìn)制碼字。該碼字的每一位都有一定的概率觸發(fā)變異，從而得到變異后的新碼字。由于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況整體良好，而交叉過程產(chǎn)生方案變動(dòng)過大，所以省略交叉過程，利用變異較小幅度地調(diào)整。

（3）解碼

將新碼字還原成天線方位角、電子下傾角、機(jī)械下傾角和功率，并根據(jù)小區(qū)或者全部天線設(shè)置的調(diào)整范圍以及調(diào)整步長，將所得變異后的天線方位角、電子下傾角、機(jī)械下傾角和功率分別進(jìn)行再次修正，使之滿足調(diào)整要求。

步驟3：計(jì)算調(diào)整后的掃頻點(diǎn)相對于天線的方位角和下傾角。

變異后的方位角為機(jī)械下傾角為∠BAC，則方位角θˊ和下傾角φˊ為：

（6）

（7）

步驟4：根據(jù)天線方向圖計(jì)算調(diào)整后的參考信號接收功率RSRPˊ。

針對LTE網(wǎng)絡(luò)中常用的單極化天線和交叉極化天線[7]，有如下2種計(jì)算方法：

（1）單極化天線

（8）

其中，rp為天線原發(fā)射功率，gθ為原水平方向增益，gφ為原垂直平方向增益，rpˊ、gθˊ、gφˊ分別為其調(diào)整后的參數(shù)。

（2）交叉極化天線

（9）

其中，rp為天線原發(fā)射功率，gθ+、gθ-為原水平方向±45°增益，gφ+、gφ-為原垂直平方向±45°增益，rpˊ、gθˊ+、gθˊ-、gφˊ+、gφˊ-分別為其調(diào)整后參數(shù)。

步驟5：將原RSRP替換成RSRPˊ。

3.2 基于遺傳算法的LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化方法

基于遺傳算法的LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化方法又可以稱之為多小區(qū)天線參數(shù)優(yōu)化方法，其步驟示意圖如圖2所示：

圖2 區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化方法

步驟1：根據(jù)LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)，計(jì)算區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量指標(biāo)。其中優(yōu)化目標(biāo)信息包括優(yōu)化信號頻率類型（D頻段、F頻段、DF混頻還是單頻點(diǎn)）、優(yōu)化量級（采樣點(diǎn)還是柵格）、覆蓋率、重疊覆蓋率和SINR的權(quán)重。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量指標(biāo)方法已在第2節(jié)中詳細(xì)描述，這里不再贅述。

步驟2：依據(jù)實(shí)際天線參數(shù)調(diào)整限制條件，調(diào)整區(qū)域部分小區(qū)天線參數(shù)。其中，實(shí)際天線參數(shù)調(diào)整限制條件包括各參數(shù)是否可調(diào)、各參數(shù)調(diào)整概率、各參數(shù)調(diào)整步長以及各參數(shù)調(diào)整范圍。調(diào)整區(qū)域部分小區(qū)天線參數(shù)過程與3.1節(jié)步驟2方法相類似，僅把調(diào)整范圍由單小區(qū)天線拓展為多小區(qū)天線。

步驟3：估計(jì)區(qū)域調(diào)整后的網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量指標(biāo)。其具體計(jì)算方法與3.1節(jié)步驟3、步驟4、步驟5類似，同樣地，僅把調(diào)整范圍由單小區(qū)拓展為多小區(qū)，之后根據(jù)調(diào)整后的天線參數(shù)重新估計(jì)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量指標(biāo)，方法與3.2章節(jié)的步驟1相同。

步驟4：與初始質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行比較，若其覆蓋質(zhì)量指標(biāo)提高則將其記為一個(gè)更優(yōu)方案。選擇覆蓋率、重疊覆蓋率和SINR均提高的方案作為更優(yōu)方案。

步驟5：通過多次重復(fù)步驟2～步驟4，從更優(yōu)方案中篩選出網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量指標(biāo)最佳的優(yōu)化方案。對于多個(gè)更優(yōu)方案，以其綜合覆蓋質(zhì)量作為選擇依據(jù)，從中篩選出最佳優(yōu)化方案。

該方法來源于遺傳算法，沿用了遺傳算法的變異、選擇過程[8-10]。同時(shí)，由于更優(yōu)方案的苛刻要求容易陷入局部最優(yōu)解的問題，在迭代過程中，只與初始質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行比較，從中選出更優(yōu)方案，從而保證了優(yōu)化方案的多樣性。之后，依據(jù)綜合覆蓋質(zhì)量從更優(yōu)方案中篩選得到最佳優(yōu)化方案。

4 方法實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析

4.1 方法實(shí)現(xiàn)及測試結(jié)果

為了評價(jià)基于遺傳算法的LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化方法的性能情況，將其實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用到實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行測試。圖3為實(shí)施效果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對比圖。

4.2 結(jié)果分析

圖3中的圖（a）、圖（b）、圖（c）更是用數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地顯示出優(yōu)化效果。從中可以看到，D頻段RSRP大于-105信號占比由85.90%提升為87.52%，改善幅度達(dá)到1.62%，其中大于等于-75強(qiáng)信號占比由17.86%提升為19.77%，改善幅度達(dá)到1.91%。D頻段SINR大于等于3占比由64.62%提升為65.43%，改善幅度達(dá)到0.81%。D頻段重疊覆蓋等于1占比由23.72升為28.2，改善率達(dá)到4.48%。

4.3 性能優(yōu)化

在能夠順利完成網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化目標(biāo)之后，對方法的實(shí)施過程做了進(jìn)一步的優(yōu)化，包括增添數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，多線程并行處理，增添優(yōu)選小區(qū)模塊。其中，數(shù)據(jù)預(yù)處理是指將掃頻數(shù)據(jù)根據(jù)其頻率類型歸類統(tǒng)計(jì)其主小區(qū)和對應(yīng)的非主小區(qū)，這樣大大降低了網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算復(fù)雜度，提高了循環(huán)計(jì)算過程的計(jì)算效率。多線程并行處理不僅提高了計(jì)算效率，還豐富了優(yōu)化方案的多樣性，在實(shí)施過程中將循環(huán)迭代計(jì)算過程進(jìn)行多線程處理。優(yōu)選小區(qū)，即優(yōu)先調(diào)整天線參數(shù)的小區(qū)，設(shè)置優(yōu)選小區(qū)能夠鎖定調(diào)整范圍，對網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量較差的地區(qū)著重優(yōu)化。在此之后，進(jìn)行了多次測試，其優(yōu)化前后性能對比如圖4、圖5、圖6、圖7和圖8所示。

圖4為優(yōu)化前后單個(gè)更優(yōu)方案用時(shí)對比圖，即為方案優(yōu)化前后各13次測試中每次測試產(chǎn)生一個(gè)更優(yōu)方案的平均用時(shí)對比，其中優(yōu)化后方案有單線程和雙線程兩種。從圖4可看出優(yōu)化后得到更優(yōu)方案平均用時(shí)降低。圖5、圖6、圖7及圖8為優(yōu)化前后網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量指標(biāo)對比圖，由圖可知，優(yōu)化后網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量明顯提高。

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)的基站天線優(yōu)化難以適應(yīng)當(dāng)前的LTE時(shí)代，需要一種能夠提供準(zhǔn)確高效的尋找到天線參數(shù)優(yōu)化的方案，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的LTE天線參數(shù)優(yōu)化方法。本文利用實(shí)測掃頻數(shù)據(jù)和天線參數(shù)估計(jì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量，沿用遺傳算法的變異、選擇過程，準(zhǔn)確高效地獲得能夠使得LTE網(wǎng)路覆蓋率、重疊覆蓋率和SINR聯(lián)合優(yōu)化的天線參數(shù)方案。同時(shí)，在算法實(shí)現(xiàn)過程中為了進(jìn)一步提高工作效率，采用了數(shù)據(jù)預(yù)處理、多線程和優(yōu)選小區(qū)等方法，使系統(tǒng)更加高效。

從測試結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)能夠根據(jù)所設(shè)參數(shù)以及所提供數(shù)據(jù)，在較短時(shí)間內(nèi)提出多種可靠的優(yōu)化方案，大大提高了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化效率，同時(shí)降低了優(yōu)化成本。

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