射線追蹤模型對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的影響

【摘 要】 隨著4G網(wǎng)絡(luò)頻譜效率的提升，帶來了系統(tǒng)復(fù)雜性和和靈活性的提升，為了滿足網(wǎng)絡(luò)的高質(zhì)量和良好的用戶體驗(yàn)，運(yùn)營商對(duì)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和優(yōu)化都提出了更高的要求，本文分析了射線追蹤模型較傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?yōu)勢以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)仿真帶來的影響。

【關(guān)鍵詞】 TD-LTE 射線追蹤模型

Volcano傳播模型

2012年世界電信展在在阿聯(lián)酋迪拜隆重開幕，在期間舉行的TD-LTE技術(shù)與頻譜研討會(huì)上，無線電管理局副局長謝存表示中國已經(jīng)決定將2.6GHz頻段的2500-2690Hz頻率資源規(guī)劃為TDD頻譜。這無疑加速了國內(nèi)4G網(wǎng)絡(luò)商用的進(jìn)程，隨著4G網(wǎng)絡(luò)頻譜效率的提升，帶來了系統(tǒng)復(fù)雜性和和靈活性的提升，為了滿足網(wǎng)絡(luò)的高質(zhì)量和良好的用戶體驗(yàn)，對(duì)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化都提出了重大挑戰(zhàn)，無疑也對(duì)網(wǎng)絡(luò)仿真提出了更高的要求。

1. 網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)

1.1網(wǎng)絡(luò)仿真的過程

網(wǎng)絡(luò)仿真是一個(gè)循環(huán)驗(yàn)證的過程。仿真時(shí)，需向仿真軟件導(dǎo)入電子地圖、傳播模型、話務(wù)分布、基站相關(guān)參數(shù)等，并將查勘得到的備選站址工程參數(shù)輸入仿真工具，并設(shè)置仿真參數(shù)，包括UE類、基站類和天線類等參數(shù)。仿真結(jié)果不能滿足規(guī)劃目標(biāo)，可能需重選查勘備選基站或者新建基站。若仿真結(jié)果已滿足規(guī)劃目標(biāo)則輸出基站工程參數(shù)，以及仿真得到的網(wǎng)絡(luò)性能結(jié)果。

1.2影響網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果的各種參數(shù)

網(wǎng)絡(luò)仿真的結(jié)果是否能真實(shí)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)情況，主要取決于基站信息的準(zhǔn)確程度，傳播模型的選擇與校正，仿真軟件的選擇，電子地圖的精度，規(guī)劃區(qū)的分類等等。

1.2.1基站的基礎(chǔ)信息：基站的經(jīng)緯度、天線掛高、類型、方向角、發(fā)射功率等等。

1.2.2傳播模型的選擇與校正：傳播模型的合理選擇與校準(zhǔn)是提高預(yù)測準(zhǔn)確度的重要手段。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶⊿PM模型、Okumura模型、Okumura-Hata模型、COST-231 Hata模型等。

1.2.3電子地圖：電子地圖的精度、制作年代、數(shù)字高程模型（DEM）、地面覆蓋模型（DOM）、建筑群分布模型（BDM）、線狀地物模型（LDM）等四種模型的準(zhǔn)確度。

1.2.4規(guī)劃區(qū)的設(shè)置：一般分為密集市區(qū)、一般市區(qū)、郊區(qū)、縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和高速公路。

1.3傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真的不足

然而城市日新月異的變化，無線環(huán)境越來越復(fù)雜，由于使用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)傳播模型，其路徑損耗的計(jì)算值都是短區(qū)間的中值，并沒有考慮傳播路徑中建筑物對(duì)信號(hào)造成快衰落的影響（即未使用建筑群分布模型（BDM）），這樣雖然地圖的成本很低，并提高了仿真速度，但降低了仿真的精度。

如圖1.3-1所示，某市密集市區(qū)TD網(wǎng)絡(luò)CW路測結(jié)果與仿真對(duì)比圖，圖中可以看出，在密集市區(qū)的中部，建筑多以多層居民樓為主，無線環(huán)境較好，網(wǎng)絡(luò)仿真與路測效果接近，在密集市區(qū)外圍，建筑多以新建高層為主，無線環(huán)境復(fù)雜，信號(hào)遮擋嚴(yán)重，被遮擋處的實(shí)際路測采樣點(diǎn)信號(hào)均小于-80dB，與仿真結(jié)果差異較大。

2. 射線追蹤模型

2.1射線追蹤模型

面對(duì)城市日益復(fù)雜的無線環(huán)境，更加靈活多變的4G網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)性傳播模型顯得力不從心，要想提高規(guī)劃仿真的準(zhǔn)確度，精確預(yù)測傳播路徑損耗，獲得最終的接收電平，需要一種能準(zhǔn)確模擬射線傳播路徑的確定性傳播模型。

射線追蹤傳播模型是確定性傳播模型的一種，射線追蹤技術(shù)是光學(xué)的射線技術(shù)在電磁計(jì)算領(lǐng)域中的應(yīng)用，能夠準(zhǔn)確地考慮到電磁波的各種傳播途徑，包括直射、反射、繞射，透射等，從而針對(duì)不同的具體場景做準(zhǔn)確的預(yù)測。

射線追蹤模型根據(jù)三維電子地圖進(jìn)行建模，從發(fā)射機(jī)開始，找出到接收機(jī)所有的傳播路徑，然后計(jì)算每條射線到達(dá)接受點(diǎn)實(shí)際經(jīng)過的反射和繞射損耗等，再在接收機(jī)將所有的射線電平相疊加，得到最后實(shí)際接收的電平。

2.2 Volcano傳播模型

射線追蹤模型可作為規(guī)劃軟件中調(diào)用的軟件模塊來使用，目前集中商用的射線追蹤模型都是由單獨(dú)的軟件開發(fā)商開發(fā)的，如Volcano模型、WaveSight模型以及WinProp模型等，目前商用化程度最高的是Volcano模型，中興的ZXPOS、華為的UNET、中移動(dòng)的ANPOP等仿真軟件都已經(jīng)集成了Volcano模型。

Volcano模型，主要分三類：Volcano Rural模型、Volcano Urban模型和Volcano Indoor模型。它們適用于不同的無線環(huán)境場景，既包括室外城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村等場景，也支持室內(nèi)無線場景。其實(shí)Volcano模型在計(jì)算時(shí)候，都是基于直射徑組件和多徑組件原理進(jìn)行建模計(jì)算的。

多徑組件作為Volcano模型中的一個(gè)可選組件（用戶可以在界面設(shè)置），當(dāng)該功能被激活時(shí)，用戶可以通過計(jì)算獲取寬帶信道的各種特性（擴(kuò)展時(shí)延、發(fā)射角、入射角等），并且在近區(qū)（小于1000m）和過渡區(qū)（固定100m寬帶）充分考慮多徑組件作用。

下面主要介紹Volcano Urban射線跟蹤模型的建模公式和參數(shù)設(shè)置說明。該模型充分考慮了近區(qū)和過渡區(qū)直射徑和多徑情況，還涵蓋了遠(yuǎn)區(qū)的直射路徑損耗，

計(jì)算公式如下：

PL（dB）=A+B·lg（d）+ α·LDET +LFS+LANT+LC

其中，A常數(shù)（代表自由空間在距離發(fā)射點(diǎn)1m處的路損值，該值一般是經(jīng)驗(yàn)值）；

B為距離d處路損校正因子；

d為發(fā)射點(diǎn)到接受點(diǎn)距離長度（m）；

α為絕對(duì)路損權(quán)重；

LDET：為絕對(duì)損耗；

LFS為自由空間1m處損耗；

LANT：為天線損耗；

LC為地物類型校正因子[1]。

Volcano射線跟蹤模型的精華之處就在于多徑組件的應(yīng)用，通過設(shè)置射線反射數(shù)目和衍射數(shù)目的最大條數(shù)，可以調(diào)整仿真的精度，并在三維電子地圖的幫助下，可以準(zhǔn)確的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況，并可提供單站的覆蓋效果。

2.3經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c確定性模型對(duì)比

結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c確定性傳播模型的原理，可得出經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c確定性模型的優(yōu)缺點(diǎn)。

通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c確定模型的對(duì)比可以看出確定性傳播模型的仿真精度更高，但依賴準(zhǔn)確的基站信息及高精度的三維電子地圖，但高精度的三維電子地圖，由于其建模的復(fù)雜性，更新周期長，都會(huì)影響最終仿真的質(zhì)量。

結(jié)論

4G網(wǎng)絡(luò)的到來，對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化都提出了重大挑戰(zhàn)，但應(yīng)用射線追蹤將提供更準(zhǔn)確的基礎(chǔ)信息與仿真結(jié)果，從而提高了網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案的合理性與可行性，單站的覆蓋預(yù)測，也為后期方案調(diào)整提供了理論依據(jù)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、三維仿真技術(shù)及其他相關(guān)學(xué)科的飛速發(fā)展，相信三維仿真城市將以其極強(qiáng)的直觀性、實(shí)用性廣泛的應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

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

（作者單位：中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司黑龍江分公司）