偏遠(yuǎn)地區(qū)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)選址評(píng)估方法的研究

邱東來(lái) 成立華

【摘 要】為了解決5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基站在偏遠(yuǎn)地區(qū)精準(zhǔn)選址面臨的困境，提出了一種量化選址效果的評(píng)估辦法，將點(diǎn)覆蓋以及線覆蓋通過(guò)離散取樣統(tǒng)一到了一套數(shù)學(xué)計(jì)算模型中，并通過(guò)案例進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法具有低成本、簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)，能夠有效地指導(dǎo)偏遠(yuǎn)地區(qū)5G基站精準(zhǔn)選址建設(shè)。

5G精準(zhǔn)選址；偏遠(yuǎn)地區(qū)5G基站規(guī)劃；選址評(píng)估辦法

1 引言

根據(jù)我國(guó)《國(guó)家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》，2020年之前將實(shí)現(xiàn)5G商用。北京時(shí)間2018年6月14日，3GPP全會(huì)批準(zhǔn)了第五代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（5G NR）獨(dú)立組網(wǎng)功能凍結(jié)，至此5G已經(jīng)完成第一階段全功能標(biāo)準(zhǔn)化工作。全球運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備廠商、終端廠商均進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)全面沖刺新階段。5G總體愿景是信息隨心至，萬(wàn)物觸手及。而要實(shí)現(xiàn)這一愿景，無(wú)所不在的5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是重要保障。

2017年11月15日，工信部官網(wǎng)發(fā)布《關(guān)于第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)使用3 300 MHz—3 600 MHz和4 800 MHz—5 000 MHz頻段相關(guān)事宜的通知》，明確了3 300 MHz—3 400 MHz（原則上限室內(nèi)使用）、3 400 MHz—3 600 MHz和4 800 MHz—5 000 MHz頻段作為5G系統(tǒng)的工作頻段，我國(guó)成為國(guó)際上率先發(fā)布5G系統(tǒng)在中頻段內(nèi)頻率使用規(guī)劃的國(guó)家。該頻率使用規(guī)劃能夠兼顧系統(tǒng)覆蓋和大容量的基本需求，是我國(guó)5G系統(tǒng)先期部署的主要頻段。而根據(jù)目前全球各運(yùn)營(yíng)商的5G頻率計(jì)劃情況，24.25 GHz—27.5 GHz和40.5 GHz—43.5 GHz是最有希望獲得全球協(xié)同的毫米波頻段。根據(jù)電磁波傳播特性，頻率越高，在傳播過(guò)程中衰減越快，這意味著5G基站的覆蓋半徑將越小。據(jù)初步評(píng)估，為了實(shí)現(xiàn)和4G相同的覆蓋效果，5G的基站數(shù)量將要達(dá)到4G基站數(shù)量的2～3倍。在偏遠(yuǎn)地區(qū)，如農(nóng)村、山區(qū)、旅游景區(qū)等地方，過(guò)去大基站廣覆蓋的覆蓋模式將不再適用。在5G時(shí)代，如何實(shí)現(xiàn)5G基站的精準(zhǔn)選址將是偏遠(yuǎn)地區(qū)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成敗的關(guān)鍵。

2 偏遠(yuǎn)地區(qū)5G基站重規(guī)劃的迫切需求

不同頻段的電磁波在偏遠(yuǎn)地區(qū)的傳播特性存在非常大的差異。根據(jù)“惠更斯-菲涅爾”原理，假設(shè)電磁波從A點(diǎn)自由傳播至P點(diǎn)，A點(diǎn)和P點(diǎn)之間的距離為d，λ為電磁波波長(zhǎng)，則存在一個(gè)以A點(diǎn)和P點(diǎn)為焦點(diǎn)的橢球體，該橢球體的截面最大半徑F如式（1）所示，該橢球體稱為第一菲涅爾橢球。

F=（dλ）1/2/2 （1）

第一菲涅爾橢球是A點(diǎn)至P點(diǎn)的電磁波傳播的主要通道。如圖1所示，雖然障礙物Z1沒(méi)有阻擋AP之間的幾何射線，但是由于已經(jīng)進(jìn)入了第一菲涅爾橢球，所以Z1將對(duì)P點(diǎn)的接收?qǐng)鰪?qiáng)形成影響，AP兩點(diǎn)之間不能視為自由空間傳播；另外，雖然Z2已經(jīng)阻擋到了AP之間的幾何射線，但是由于第一菲涅爾橢球沒(méi)有完全被阻擋，因此P點(diǎn)仍然可以收到A傳播過(guò)來(lái)的信號(hào)，這就是所謂的電磁波繞射。

從式（1）可以看到，不同頻段系統(tǒng)的第一菲涅爾橢球最大截面半徑不同。表1是以AP距離為500 m的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出來(lái)不同頻段系統(tǒng)的第一菲涅爾橢球最大截面半徑。

表1 不同頻段系統(tǒng)第一菲涅爾橢球最大截面半徑

序號(hào) 系統(tǒng) 代表頻段 最大半徑/m

1 2G/3G 800 MHz 6.85

2 4G 1 800 MHz 4.56

3 中頻段5G 3.5 GHz 3.27

4 高頻段5G 28 GHz 1.16

從表1可見(jiàn)，頻段越高，第一菲涅爾橢球最大截面半徑越小，第一菲涅爾橢球越細(xì)長(zhǎng)。在圖1的A點(diǎn)、P點(diǎn)、障礙物Z2相對(duì)位置不變的前提下，頻段越高，障礙物的相對(duì)遮擋面積就越大，P點(diǎn)接收到的場(chǎng)強(qiáng)就越小。A點(diǎn)和P點(diǎn)之間越接近于直線傳播。這意味著，在偏遠(yuǎn)地區(qū)，對(duì)于2G、3G、4G可以實(shí)現(xiàn)電磁波繞射進(jìn)行目標(biāo)覆蓋的基站站址，對(duì)于高頻段5G系統(tǒng)已經(jīng)不再適用。5G面臨著偏遠(yuǎn)地區(qū)大規(guī)模站址重新規(guī)劃的迫切需求。

3 偏遠(yuǎn)地區(qū)5G基站精準(zhǔn)選址面臨的困境

由于5G系統(tǒng)頻率高、傳輸損耗大的特點(diǎn)，5G基站的精準(zhǔn)選址具有非常重要的意義同時(shí)也面臨著一些困境，主要有以下幾點(diǎn)：

（1）偏遠(yuǎn)地區(qū)存在地廣人稀、道路彎曲的特點(diǎn)，覆蓋目標(biāo)分散。而5G頻段高，覆蓋距離短，精準(zhǔn)定位待覆蓋目標(biāo)是一個(gè)重要的前提。此外偏遠(yuǎn)地區(qū)地形地貌復(fù)雜、阻擋多，而5G系統(tǒng)在傳輸?shù)臅r(shí)候接近于直線傳播，這意味著在針對(duì)待覆蓋目標(biāo)精準(zhǔn)布設(shè)5G基站時(shí)，需要考慮非常復(fù)雜的環(huán)境因素。

（2）在以往的基站選址中，更多是依靠選址工程師實(shí)地勘察，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)在現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)覆蓋目標(biāo)選取若干個(gè)備選站址，之后在電子地圖上結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行整體判斷，最終確定選址位置。這種選址流程，更多依靠選址工程師的主觀經(jīng)驗(yàn)，不同的人可能有不同的理解，無(wú)法保證選址位置最優(yōu)。

（3）目前對(duì)選址缺乏一套行之有效、簡(jiǎn)便且低成本的評(píng)估方法。在選址評(píng)估中，一種辦法是進(jìn)行模擬測(cè)試，在擬選址位置架設(shè)模擬天線進(jìn)行模擬信號(hào)發(fā)射，通過(guò)測(cè)試來(lái)評(píng)估擬建設(shè)基站的覆蓋效果。這種辦法無(wú)疑將極大地消耗人力、物力以及時(shí)間，并不實(shí)用。還有一種辦法是仿真評(píng)估。這需要采購(gòu)價(jià)格不菲的仿真軟件，同時(shí)要對(duì)選址人員進(jìn)行仿真培訓(xùn)，成本高。同時(shí)仿真的效果受限于三維電子地圖的精度，精度越高，價(jià)格越貴。目前普遍使用的偏遠(yuǎn)地區(qū)三維電子地圖是50 m精度，用以宏觀評(píng)估網(wǎng)絡(luò)建成后的整體覆蓋效果，不宜作為小范圍覆蓋情況的精準(zhǔn)評(píng)估。由于無(wú)法在基站建設(shè)之前進(jìn)行有效評(píng)估，在以往的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，只能等基站建成后，進(jìn)行覆蓋測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行天饋工參微調(diào)。但是因?yàn)榛疽呀?jīng)建成，位置無(wú)法移動(dòng)，并不能從根本上保證覆蓋效果，往往需要對(duì)盲區(qū)進(jìn)行補(bǔ)充基站覆蓋，增加了建設(shè)成本。

面對(duì)復(fù)雜的環(huán)境影響，受限于選址人員的主觀經(jīng)驗(yàn)，缺乏一套行之有效的選址評(píng)估辦法，這些都為5G基站的精準(zhǔn)選址帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

4 偏遠(yuǎn)地區(qū)5G基站精準(zhǔn)選址的評(píng)估辦法

對(duì)于農(nóng)村、山區(qū)、旅游景區(qū)等偏遠(yuǎn)地區(qū)，在5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，重點(diǎn)需要保障民眾聚集區(qū)、勞作區(qū)、道路等的覆蓋。為了有效評(píng)估5G基站選址質(zhì)量，本文結(jié)合常用的三維地圖軟件，提出一套評(píng)估辦法，并量化選址效果。圖2為偏遠(yuǎn)地區(qū)選址的典型模型：

圖2中，擬選址位置為T(mén)，基站覆蓋半徑為R，待覆蓋目標(biāo)為村莊Vm以及鄉(xiāng)村道路S。當(dāng)待覆蓋目標(biāo)距離選址位置超出R則認(rèn)為不能覆蓋。Si為鄉(xiāng)村道路S上按照一定距離離散化的點(diǎn)，TSi為T(mén)和Si之間的距離，且TSi滿足視距傳播無(wú)阻擋。量化評(píng)估選址位置T的步驟如下：

（1）判斷T是否可以視距覆蓋村莊，且TVm的距離是否滿足小于等于R，如果都滿足，則可以進(jìn)行下一步評(píng)估，同時(shí)計(jì)Qm為覆蓋村莊獲得的分值，可以歸納為點(diǎn)覆蓋分值。

（2）利用三維地圖軟件，識(shí)別T能夠進(jìn)行視距覆蓋的鄉(xiāng)村道路S的范圍，將該路段按照一定的間隔距離離散化為一系列獨(dú)立的點(diǎn)Si。

（3）以覆蓋半徑作為基準(zhǔn)，剔除掉TSi長(zhǎng)度大于覆蓋半徑的離散點(diǎn)，計(jì)取其他離散點(diǎn)對(duì)應(yīng)的TSi的分值并求和，可以歸納為線覆蓋分值，TSi越小，覆蓋效果越好，線覆蓋分值越大。

（4）選址T的評(píng)估結(jié)果為點(diǎn)覆蓋分值與線覆蓋分值之和。

用Q表示T選址效果的量化結(jié)果，用數(shù)學(xué)式可以表示如下：

（2）

其中，χ為冪指數(shù)，當(dāng)χ>1時(shí)，TSi小于覆蓋半徑，且越小，覆蓋效果越好，分值升高得越快。C為一個(gè)常量，C和Qm的相對(duì)關(guān)系可以表示在偏遠(yuǎn)地區(qū)的選址評(píng)估中，村莊、勞作區(qū)、景點(diǎn)等點(diǎn)覆蓋和道路等線覆蓋的重要性比較。

5 選址評(píng)估辦法在實(shí)際選址中的應(yīng)用

圖3為本文提出的選址評(píng)估辦法應(yīng)用案例。在本案例中，需要覆蓋的目標(biāo)為村莊及道路，其中道路的總長(zhǎng)度S為3 391 m。經(jīng)過(guò)在三維地圖軟件中篩選，備選站址有T1～T5共5個(gè)。假定本案例中基站覆蓋半徑為1 000 m。

（1）首先判斷T1～T5距離村莊是否在覆蓋半徑范圍內(nèi)且有無(wú)阻擋，經(jīng)測(cè)量T1、T2、T4均滿足要求，T3和T5不滿足要求，剔除出備選站址清單。

（2）通過(guò)三維地圖軟件的高程配置文件查詢，可以方便地判斷從備選站址發(fā)出至道路的射線是否被阻擋，從而得到各備選站址無(wú)阻擋的覆蓋道路路段。圖4是各備選站址至道路的分段高程配置文件，波峰即備選站址位置，波谷即道路，波峰和波谷之間的連線沒(méi)有被阻擋即滿足視距傳播要求。表2為利用圖4的辦法得到的不同備選站址的視距覆蓋道路路段。

（3）利用軟件工具對(duì)各備選站址的覆蓋路段進(jìn)行離散取點(diǎn)Si，在本案例中按照1 m的間隔取樣。本案例中假定覆蓋村莊和以R/2距離覆蓋的道路同等重要，在這里設(shè)定覆蓋村莊能得到100分，則以R/2的距離覆蓋每個(gè)離散點(diǎn)能得到100/3 391分，即約為0.03分。式（2）中的冪指數(shù)χ取1，即常量C等于0.03/2=0.015。則式（2）演化為：

（3）

（4）圖5為利用軟件工具讀取各個(gè)離散點(diǎn)Si的經(jīng)緯度及高程值，結(jié)合備選站址的經(jīng)緯度及高程值，根據(jù)三角形勾股定理，即可計(jì)算得出TSi的值，剔除TSi大于R的離散點(diǎn)，進(jìn)而利用式（3）可得出各備選站址的最終評(píng)估分值：QT1=145.99分，QT2=187.17分，QT4=208.14分。

根據(jù)最終評(píng)估分值，可見(jiàn)備選站址T4是相對(duì)較佳的站址位置。

本案例用一個(gè)比較簡(jiǎn)單的選址例子進(jìn)一步闡述了本文提出的選址評(píng)估辦法的操作步驟，同時(shí)驗(yàn)證了本方法的實(shí)用性。當(dāng)需要同時(shí)覆蓋多個(gè)點(diǎn)目標(biāo)、多條道路時(shí)，可以優(yōu)化配置不同點(diǎn)目標(biāo)的Qm、χ、C等值，式（2）的數(shù)學(xué)模型均能夠很好地適用。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了5G系統(tǒng)頻段特點(diǎn)和偏遠(yuǎn)地區(qū)基站選址規(guī)劃的困境，提出了一套量化評(píng)估基站選址效果的方法，并給出了數(shù)學(xué)計(jì)算模型，同時(shí)對(duì)實(shí)際案例進(jìn)行了分析。該方法利用三維地圖軟件及相關(guān)的工具軟件，在對(duì)經(jīng)緯度、高程值離散取樣進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一了點(diǎn)覆蓋以及線覆蓋的評(píng)估，量化了基站選址的效果，具有低成本、簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)，能夠有效地指導(dǎo)偏遠(yuǎn)地區(qū)基站精準(zhǔn)選址建設(shè)。利用地圖軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，用算法編程實(shí)現(xiàn)本文提出的評(píng)估方法的智能化分析，可以作為下一步的研究方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉凱凱. 偏遠(yuǎn)山地區(qū)域FDD 900MHz精準(zhǔn)選址方法研究[J]. 電信技術(shù)， 2018（4）： 5-7.

[2] 黃凱麗. 山區(qū)環(huán)境電波傳播預(yù)測(cè)的改進(jìn)算法研究[D]. 南京： 南京郵電大學(xué)， 2017.

[3] 高磊，張光偉. 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真平臺(tái)的三維數(shù)字地圖建設(shè)[J]. 地理空間信息， 2017，15（5）： 110-111.

[4] 楊衛(wèi)星. 結(jié)合數(shù)字地圖的電波傳播預(yù)測(cè)計(jì)算軟件原型的研制[D]. 南京： 南京郵電大學(xué)， 2016.

[5] 馮永勝. 基于數(shù)字地圖預(yù)處理技術(shù)的城市微蜂窩電波傳播射線跟蹤算法研究[D]. 西安： 西安電子科技大學(xué)， 2013.

[6] 鄭俊杰，王先峰，羅順湖. 面向5G移動(dòng)通信的基站選址方法及優(yōu)化策略研究[J]. 電信網(wǎng)技術(shù)， 2017（11）： 71-74.

[7] 李朝衍. 基于GIS技術(shù)無(wú)線通信基站選址與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[J]. 通訊世界， 2017（18）： 25-26.

[8] 梁雪怡. 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)選址問(wèn)題的建模及算法[D]. 廣州： 廣東工業(yè)大學(xué)， 2016.

[9] 王建鋒，張明輝. 山區(qū)基站選址標(biāo)準(zhǔn)化[J]. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化， 2016（17）： 209.

[10] 劉利強(qiáng)，宋志群，陳大勇. 山區(qū)通信中單刃峰繞射損耗的工程化近似模型[J]. 無(wú)線電通信技術(shù)， 2015，41（1）： 24-27.

[11] 魯凱，王遠(yuǎn)軍. 基于AHP的基站站址資源儲(chǔ)備評(píng)估研究[J]. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù)， 2010（12）： 43-48.