X-Model傳播模型3D仿真在5G室內(nèi)外協(xié)同規(guī)劃中應(yīng)用與研究

藍萬順，劉大洋*，張悅，徐登軍，廖繁茂，李珂

（1.中國移動通信集團廣東有限公司，廣東 廣州 510623；2.華為技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518129）

0 引言

傳播模型是無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的基礎(chǔ)能力，傳統(tǒng)2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃大部分使用SPM/CostHata/OkumuraHata 等經(jīng)驗傳播模型。5G 網(wǎng)絡(luò)的頻譜更高（C-band～mmWave），高頻信號反射、繞射、穿透和傳播能力相比Sub3G 更弱，對5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃技術(shù)提出更大的挑戰(zhàn)[1]。

基于國內(nèi)5G 頻譜策略，需要啟動5G 同頻室內(nèi)外協(xié)同立體組網(wǎng)，夯實基礎(chǔ)覆蓋和容量承載能力。如何在規(guī)劃階段評估室外信號在樓宇內(nèi)部的覆蓋情況，通過精細化室分設(shè)計規(guī)避室內(nèi)外同頻干擾，成為提升室內(nèi)感知的一個重要挑戰(zhàn)。

鑒于此情況，需要有更高效的室內(nèi)外信號評估方法，作為室內(nèi)外協(xié)同規(guī)劃和精細化設(shè)計的數(shù)據(jù)輸入，引入射線追蹤模型進行3D 仿真，射線追蹤模型可以模擬出信號傳播路徑中的反射、繞射、散射、穿透等現(xiàn)象，適合于傳播環(huán)境復雜的城區(qū)環(huán)境。

通過室外信號3D 仿真，在不受限于樓宇限制準入情況下，批量高效輸出室外信號對樓宇外圈及樓宇內(nèi)部的覆蓋評估，作為室分詳細設(shè)計的輸入與參考，通過調(diào)整室分建設(shè)優(yōu)先級以及室分點位設(shè)計，實現(xiàn)室內(nèi)外協(xié)同規(guī)劃，降低室內(nèi)外信號干擾。室外信號3D 仿真的應(yīng)用價值如下：

（1）基于3D 仿真進行室外信號對樓宇內(nèi)部覆蓋的評估，用于指導5G 室分建設(shè)的優(yōu)先級和室分系統(tǒng)精細化設(shè)計的參考。

（2）5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)的高頻段存在通過室外信號覆蓋即可滿足室內(nèi)覆蓋和速率要求的樓宇，此種場景在5G 低負載場景下，可以不用建設(shè)室分。

（3）5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)的高頻段存在通過室外信號覆蓋即可滿足室內(nèi)部分淺層區(qū)域覆蓋和速率要求的樓宇，此種場景下室分系統(tǒng)點位設(shè)計需要考慮與室外的協(xié)同優(yōu)化。

1 Racye射線跟蹤傳播模型介紹

（1）Racye 傳播模型具有準確性高，效率快（分布式云化）的特點，解決無線信號由基站空口到UE 側(cè)的傳播路損計算問題。Racye 模型在無線網(wǎng)絡(luò)的位置如圖1 所示：

圖1 傳播模型

（2）Rayce 模型相對于傳統(tǒng)傳摸，包括業(yè)界射線追蹤傳播模型的Aster 模型，技術(shù)更加領(lǐng)先。

Aster 模型反射繞射損耗是經(jīng)驗值，未考慮材質(zhì)和角度。Aster 模型中經(jīng)驗項參數(shù)過多，雖然可以使得校正結(jié)果更好，但容易造成過度擬合，最終降低預(yù)測準確性。而Rayce 模型的傳模公式計算簡化，只包括確定性多徑損耗計算和經(jīng)驗修正項[6]。Rayce 模型的傳模公式如式(1)所示：

其中，Ldet為確定性（多徑）損耗計算，Lcor為經(jīng)驗修正項。

確定性參數(shù)通過3D 路徑搜索和多徑損耗計算，波束全空間搜索，理論計算單次反射繞射損耗（角度、材質(zhì)相關(guān)），直射反射繞射多路徑能量線性合并。經(jīng)驗修正項參數(shù)包括8 個，傳播模型準確性取決于根據(jù)仿真場景和環(huán)境進行調(diào)整的準確度。

Rayce 整體模型公式如式(2) 所示：

其中，C1：常數(shù)因子，典型值為0；C2：距離因子，典型值為16；d：距離，單位m；C3：收發(fā)機高度因子，接收機高度包含實測數(shù)據(jù)實際高度，典型值為-0.72；Htx：收發(fā)距離高度，單位m；δ：頻率項系數(shù)，典型值為0.5；lossFSL：1 m 自由空間損耗，單位dB；LP：穿透損耗值，單位dB；CAnt：天線增益修正因子，典型值為1；LAnt：天線增益，單位dB；Lveg：植被損耗，單位dB；ε：多徑確定型因子；Lmulti-path：確定型路損，單位dB；C4：Direct Path 修正因子；Ldir：Direct Path 路徑損耗，單位dB；β：反射能量因子；Lref：反射路徑能量總和；γ：繞射/衍射能量因子；Ldif：繞射/衍射路徑能量總和。

Rayce 傳播模型基本原理是基于3D 地圖充分考慮建筑物特征和分布，對信號傳播影響得到射線的軌跡和特性，確定反射和繞射損耗等，在接收點處將所有路徑場強相干疊加。

2 X-Model傳播模型研究

2.1 Rayce模型面臨的挑戰(zhàn)

（1）場景定義量化難

場景邊界定義方法模糊，當前仿真場景定義需要依賴實景照片，數(shù)字地圖和人工識別，基于人工經(jīng)驗劃分場景偏差因素大。

無線網(wǎng)絡(luò)場景定義無法借助行業(yè)、學術(shù)標準定義進行劃分和量化。例如對于“普通城區(qū)”的定義，3GPP 協(xié)議中描述的是10 m

（2）數(shù)據(jù)采集成本高

測試設(shè)備儀器貴，儀器設(shè)備使用復雜軟件，測試人員需投入高昂技術(shù)培訓費用。測試過程投入大，測試過程存在誤差風險，通常單一場景會采集多次數(shù)據(jù)，成本指數(shù)上升。

2.2 X-Model傳播模型核心優(yōu)勢

（1）X-Model 傳播模型介紹

為應(yīng)對上述Rayce 面臨的挑戰(zhàn)，華為開發(fā)X-Model自適應(yīng)模型，基于全球模型校正經(jīng)驗，通過自動化場景識別和匹配技術(shù)，達成免校正+高精度的傳播模型庫。

X-Model 自適應(yīng)Rayce 傳播模型，本質(zhì)上是對場景Rayce 射線追蹤模型的集成，通過場景自適應(yīng)算法給每個參與仿真的小區(qū)一套傳模庫中最匹配該場景的Rayce 傳模參數(shù)。相比需要校正的Rayce 傳播模型，X-Model 通過場景自適應(yīng)算法達到接近校正后Rayce 傳播模型的準確度，節(jié)約成本，提升效率。場景自適應(yīng)算法基于高精度3D Vector矢量電子地圖，考慮頻段、天線高度、UE 高度、覆蓋區(qū)域內(nèi)建筑物平均高度、樓間距、建筑物起伏、室內(nèi)柵格占比等相關(guān)因素，選出傳模庫中相關(guān)系數(shù)最高的相應(yīng)基線，即匹配傳模。X-Model 場景自適應(yīng)建模流程如圖2 所示。

圖2 X-Model場景自適應(yīng)建模流程

（2）數(shù)據(jù)標準化

1）數(shù)據(jù)源采集

數(shù)據(jù)源采集包括CW（Continuous Wave，連續(xù)波）數(shù)據(jù)，DT（Drive Test，道路測試）數(shù)據(jù)和OTT（Over The Top）數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)采集要求如下：

◆CW 數(shù)據(jù)采集站點位置需具備場景代表性，需要包含近、中、遠點數(shù)據(jù)，保證電平值域范圍內(nèi)分布盡量均勻。

◆DT 數(shù)據(jù)采集時盡量保持低速，建議開啟鄰區(qū)測量，保證足夠單小區(qū)數(shù)據(jù)量，采集10 個小區(qū)以上。

◆OTT 數(shù)據(jù)采集，取忙時數(shù)據(jù)，不建議使用室內(nèi)站點數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)過濾

數(shù)據(jù)過濾是數(shù)據(jù)標準化要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要考慮單小區(qū)數(shù)據(jù)量限制，關(guān)鍵指標范圍要求，GPS 信息和距離偏移等因素。詳細要求舉例如下：

◆CW/OTT 數(shù)據(jù)時，單小區(qū)數(shù)據(jù)量建議值為2 000，DT 數(shù)據(jù)時，單小區(qū)建議值為200；

◆需要將過高（超過MCL 理論值，MCL 最小耦合損耗值=UE 的最小發(fā)射功率-外界的干擾電平），過低（低于底噪）數(shù)據(jù)進行過濾；

◆結(jié)合GIS 信息，將數(shù)據(jù)點落在建筑物上的數(shù)據(jù)過濾刪除；

◆DT/OTT 數(shù)據(jù)建議值保留2R（小區(qū)實際覆蓋半徑）；

◆如果扇區(qū)為定向天線，建議保留主瓣方向內(nèi)的數(shù)據(jù)。

（3）傳模校正自動化

X-Model 傳模自動校正流程如圖3 所示。

圖3 X-Model傳模自動校正流程

1）第一步：選取基礎(chǔ)模型

可以從基礎(chǔ)模型庫中根據(jù)覆蓋需求選擇傳播模型，包括射線模型Rayce 模型、Volcano 模型和Aster 模型等；經(jīng)驗?zāi)Ｐ桶⊿PM 模型、Cost-hata 模型和Uma 模型等。

2）第二步：多參數(shù)尋優(yōu)

通過建模方式將多項式中各項變量和常量因子同時考慮，進行多次迭代尋優(yōu)，先尋找局部單項式最優(yōu)解、次優(yōu)解、最差解等多種組合，通過快速收斂方式得到全局多項式最優(yōu)解。

3）第三步：輸出模型系數(shù)

路損模型中的經(jīng)驗修正項Lcor中多項不確定因子輸出全局最優(yōu)解的建議值。

（4）自動化場景識別節(jié)約成本-特征歸一化

X-model 自適應(yīng)Rayce 射線跟蹤模型，采用Min-Max 歸一化算法，將源場景特征提取后，按照8 個特征進行歸一化，源場景特征是站點級，1）Is Indoor=建筑物投影面積占比，目的是建筑物密度；2）W=平均街道寬度；3）H=平均建筑物高度；4）HSITE=天線高度-接收機的高度；5）Los=路徑損耗，6）頻段；7）天線掛高與周邊建筑物高度值；8）建筑物的高度起伏特征。輸出的模型系數(shù)，站點特征映射到場景庫中的目標場景中。

Min-Max 歸一化公式如式(3) 所示：

其中，X表示某站點的特征原始值；Xmin表示X特征原始值分布的最小值；Xmax表示X特征原始值分布的最大值。

3 X-Model傳播模型仿真和應(yīng)用

3.1 X-Model仿真準確性驗證

（1）商場場景

選取萬象城商業(yè)中心，通過實際測試與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)據(jù)驗證仿真準確性。

1）萬象城樓宇外圈覆蓋實測與仿真結(jié)果對比：

SSB RSRP 實測與仿真趨勢一致，均值差異在7 dB 以內(nèi)。萬象城外圈實測平均RSRP=-76.45 dBm，X-Model 仿真結(jié)果得到平均RSRP=-77.98 dBm，兩者相差1.53 dBm。該仿真結(jié)果非常精準在仿真模型業(yè)內(nèi)屬于領(lǐng)先地位。萬象城樓宇室外一圈電平測試與仿真對比如表1 所示：

表1 萬象城樓宇室外一圈電平測試與仿真對比

詳細對比萬象城外圈仿真和實測的RSRP 結(jié)果，在實際地理位置上好中差點分布圖如圖4 所示。

圖4 萬象城建筑物內(nèi)外圈仿真與實測電平對比

圖4 可以看出RSRP<-80 dBm 的黃色點分布位置，在左邊實測圖集中于萬象城左下角區(qū)域，而在仿真圖中，預(yù)測的RSRP<-80 dBm 的黃色點分布與實測完全保持一致。RSRP>-80 dBm 的綠點分布，實測圖和仿真圖也基本保持一致。

2）萬象城樓宇內(nèi)覆蓋實測與仿真結(jié)果對比：

樓宇室內(nèi)SSB RSRP 的實測與仿真趨勢一致，均值差異在7 dB 以內(nèi)。萬象城樓宇內(nèi)一樓實測平均RSRP=-101.33 dBm，X-model 仿真結(jié)果得到平均RSRP=-100.21 dBm，兩者相差1.12 dBm。二樓實測平均RSRP=-98.28 dBm，X-Model 仿真結(jié)果得到平均RSRP=-100.25 dBm，兩者相差1.97 dBm。室外信號在室內(nèi)區(qū)域覆蓋，分樓層的實測與仿真的SSB RSRP 對比如表2 所示。

表2 室外信號在室內(nèi)區(qū)域覆蓋，分樓層的實測與仿真的SSB RSRP對比

詳細對比萬象城樓宇內(nèi)仿真和實測的RSRP 結(jié)果，在實際地理位置好中差點分布圖如圖4 所示，可以看出RSRP<-80 dBm 的黃色點分布位置，實測圖集中在樓宇內(nèi)中心位置，而在仿真圖中，預(yù)測出的RSRP<-80 dBm的黃色點分布與實測完全保持一致。RSRP>-80 dBm 的綠點分布，實測圖和仿真圖也基本保持一致。

（2）寫字樓場景

選取寶豐大廈，通過實際測試與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)驗證仿真準確性，分為樓宇外覆蓋測試和仿真結(jié)果比對、樓宇內(nèi)覆蓋仿真與實測結(jié)果比對情況。

1）樓宇外圈覆蓋實測與仿真結(jié)果對比情況：

SSB RSRP 實測與仿真趨勢一致，均值差異在7 dB 內(nèi)。寶豐大廈樓宇外圈實測平均RSRP=-75.72 dBm，X-Model 仿真結(jié)果得到平均RSRP=-69.15 dBm，兩者相差6.57 dBm。寶豐大廈樓宇室外一圈電平仿真和實測對比如表3 所示：

表3 寶豐大廈樓宇室外一圈電平仿真和實測對比

詳細對比寶豐大廈樓宇外圈仿真和實測的RSRP 結(jié)果，在實際地理位置好中差點分布圖如圖5 所示，可以看出RSRP<-75 dBm 的黃色點分布位置，實測圖集在于東南區(qū)域，在仿真圖中，預(yù)測的RSRP<-75 dBm 的黃色點分布與實測完全保持一致。RSRP>-75 dBm的綠點分布，實測圖中占比較低，仿真圖存在一定差異，但分布位置基本保持一致。

2）樓宇內(nèi)圈覆蓋實測與仿真結(jié)果對比情況：

寶豐大廈樓宇內(nèi)共計20 層樓高，存在物業(yè)協(xié)調(diào)準入問題，僅測試2F/7F/10F/13F/16F，五個樓層，目前覆蓋實測與仿真結(jié)果對比，均值差異在7 dB 以內(nèi)。寶豐大廈室內(nèi)SSB RSRP 的實測與仿真如表4 所示。

表4 寶豐大廈室內(nèi)SSB RSRP的實測與仿真

詳細對比寶豐大廈樓宇內(nèi)仿真和實測的RSRP 結(jié)果，在實際地理位置上好中差點分布圖如圖5 所示，可以看出RSRP<-95 dBm 的黃色點分布位置，實測圖集中在樓宇中間位置；在仿真圖中，預(yù)測的RSRP<-95 dBm 的黃色點分布與實測完全保持一致。RSRP>-95 dBm 的綠點分布，實測圖中占比較高，仿真圖存在一定差異，但分布位置基本保持一致。

圖5 寶豐大廈建筑物內(nèi)外部信號強度實測與仿真對比

3.2 X-Model仿真在樓宇室內(nèi)外信號覆蓋評估中的應(yīng)用

（1）X-Model 仿真應(yīng)用規(guī)則

參考中國移動集團發(fā)布室內(nèi)建設(shè)相關(guān)要求，并結(jié)合室外信號再室內(nèi)的速率測試結(jié)果，共同確定3D 仿真結(jié)果在室內(nèi)外協(xié)同規(guī)劃中的應(yīng)用規(guī)則。

1）參考中國移動集團發(fā)布《5G 室內(nèi)深度覆蓋規(guī)劃設(shè)計準則及規(guī)范要求》，室內(nèi)覆蓋設(shè)計電平和體驗要求如表5 所示，其中室內(nèi)高價值區(qū)域5G 電平要求為-95 dBm以上，速率要求為200 Mbps 以上。

表5 《5G室內(nèi)深度覆蓋規(guī)劃設(shè)計準則及規(guī)范要求》中，室內(nèi)覆蓋設(shè)計的電平和體驗要求

考慮中國移動當前5G 建設(shè)初期，5G 覆蓋并未完全連續(xù)，網(wǎng)絡(luò)要求在5G RSRP ≥-105 dBm 的條件下，用戶才可以占用5G 信號，當5G RSRP<-105 dBm 時，讓用戶使用4G 信號。

2）參考《中國移動5G 二期規(guī)劃審核v2.0.7》樓宇滿足如下條件，可以不建設(shè)室分系統(tǒng)：

SSB-RSRP 高于電平-105 dBm 的采樣點百分比高于95%，或室內(nèi)弱場SSB-RSRP 高于采樣點電平-113 dBm，不建議建設(shè)室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)；針對已有規(guī)劃宏站的場景，可考慮仿真分析。

仿真要求：建議仿真普通場景簡單結(jié)構(gòu)樓宇區(qū)域室外邊緣電平高于-88 dBm 的比例在95%以上，至覆蓋樓宇中間位置穿透不超過2 堵墻，暫不建議建設(shè)室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)。其中-88 dBm 的標準，是按照實測2.6 G 頻段穿透不超過2 堵墻的平均穿損在17 dBm 來計算，-105 dBm+17 dBm=-88 dBm。

3）驗證室外信號在萬象城樓宇內(nèi)的速率體驗，測試結(jié)果如下：

在移動信號不占用到室分系統(tǒng)覆蓋的情況下，樓宇淺層可以完全由室外信號覆蓋；1 樓/2 樓淺層區(qū)域室外信號在-95 dBm 以上的區(qū)域中，5G 下載速率在400 Mbps以上，滿足室內(nèi)價值區(qū)域的5G 速率要求；

基于以上數(shù)據(jù)，3D 仿真數(shù)據(jù)對室內(nèi)外協(xié)同規(guī)劃中的應(yīng)用規(guī)則建議如下：

◆不需要建設(shè)室分的條件：

室外SSB RSRP>-88 dBm、占比≥95% 且室內(nèi)SSB RSRP>-95 dBm 的比例≥80%。

◆需現(xiàn)場查看并考慮室內(nèi)精準設(shè)計規(guī)避室內(nèi)外同頻干擾的條件：

室外SSB RSRP>-88 dBm 的占比<95% 或者室內(nèi)SSB RSRP>-95 dBm 的比例<80%。

（2）X-Model 仿真應(yīng)用-區(qū)域規(guī)劃

選擇中國移動5G 建設(shè)發(fā)展領(lǐng)先城市深圳市內(nèi)的某一網(wǎng)格區(qū)域，基于百度POI 信息識別到的116 座寫字樓與商場，對該網(wǎng)格內(nèi)樓宇內(nèi)進行X-model 傳模模型的仿真，評估結(jié)果如圖6 所示：

圖6 華強北區(qū)域室外信號仿真評估圖

將仿真結(jié)果按照寫字樓商場建筑物匯聚，評估116座室分場景的室內(nèi)平均電平值，按照不需要建設(shè)室分的條件：室外SSB RSRP>-88 dBm 的占比≥95% 且室內(nèi)SSB RSRP>-95 dBm 的比例≥80%要求對每個樓宇進行劃分，輸出室分建設(shè)優(yōu)先級建議如表6 所示：

表6 深圳華強北區(qū)域?qū)懽謽桥c商場的3D仿真評估結(jié)果

（3）X-Model 仿真應(yīng)用-室分建設(shè)價值識別評估

1）選擇寶華大廈和裕暉大廈樓宇進行驗證，仿真結(jié)果如表7 所示：

表7 寶華大廈和裕暉大廈的3D仿真評估結(jié)果

2）現(xiàn)場調(diào)研情況匯總，與基于仿真評估的室分建議相同：

◆寶華大廈現(xiàn)場調(diào)研情況：

室分DAS 信號高于宏站6 dB，干擾大；宏站在室內(nèi)的信號平均在-100 dBm 左右。

調(diào)研結(jié)論：

需要室內(nèi)外協(xié)同建設(shè)室分系統(tǒng)，與仿真評估的建議一致。

◆裕暉大廈現(xiàn)場調(diào)研情況：

宏站信號高于室分10 dB 左右，干擾小，80% 以上區(qū)域占用宏站，而非DAS 室分系統(tǒng)；占用宏站后的下行MAC 層速率，最高可至1 Gbps。

調(diào)研結(jié)論：

不需要建設(shè)室分，與仿真評估的建議一致。

4 結(jié)論

國際統(tǒng)一標準衡量傳模準確性方式為，計算均方根誤差RMSE（Root Mean Squared Error）在7 dB 以內(nèi)為優(yōu)秀的傳播模型?，F(xiàn)對X-Model 模型準確性進行實測校驗，多次路測結(jié)果對比傳播模型仿真結(jié)果得到差值Ei，RMSE 計算公式如式(4) 所示：

綜上所述本文詳細研究通過3D 仿真5G 室外信號對樓宇覆蓋的評估方案驗證與應(yīng)用，實證證明X-Model 場景自適應(yīng)Rayce 射線追蹤傳播模型RSRP 預(yù)測RMSE<7 dB，并且相比傳統(tǒng)Racye 射線跟蹤模型有以下優(yōu)勢：

（1）X-Model 方案可以提升規(guī)劃效率，節(jié)省投入的情況下高效批量輸出室外信號在樓宇外圈以及樓宇內(nèi)部的覆蓋情況。

（2）X-Model 傳播模型為自動化和免校正，準確度優(yōu)于傳統(tǒng)交付方法和基線模型庫。

（3）X-Model 傳播模型對未來室內(nèi)外協(xié)同實際建設(shè)具有重要指導意見，如，室外信號對室內(nèi)干擾影響情況；無室分規(guī)劃情況下，室內(nèi)覆蓋情況；高價值場景識別；指導室分建設(shè)的優(yōu)先級。

（4）本文研究方案也可以應(yīng)用到4.9 GHz、700 MHz大規(guī)模建網(wǎng)場景5G 頻段組網(wǎng)設(shè)計中。