基于Crosswave射線追蹤模型的TD—LTE規劃仿真

黃勁安

1 引言

無線電波的傳播是移動通信的基礎，歷來是人們非常關注的研究課題。在移動通信中，發送到接收機的信號會受到傳播環境中地形、地物的影響而產生繞射、反射和散射，因而形成多徑傳播。理論分析方法通常用射線來模擬電磁波束的傳播，在確定接收機和發射機的天線高度及位置等具體特征后，根據直射、反射、折射、散射和透射等現象，再用電磁波理論推導出電波傳播的路徑損耗及有關信道參數。

路徑損耗預測是無線網絡規劃的最重要一環，損耗值預測的準確程度與整個規劃過程的準確性和合理性息息相關。歷年來業內人員提出了很多針對不同傳播環境的經驗預測模型，這些模型可根據不同的環境數據獲得所需的參數，從而達到和環境匹配，獲得有針對性的結果，但這些模型一般只適用于天線掛高較高、覆蓋半徑較大的場景。而在現代移動通信網絡中，特別是對于以高速數據業務為主的LTE網絡而言，為了滿足小區容量需要，小區的覆蓋范圍更小，因此站點密度更大。另外，密集市區中高層建筑較多，而且使用了較多的玻璃幕墻等新型建筑材料，產生的阻擋及反射對無線電波的傳播影響比以往更大。多種因素結合下，經驗預測模型的結果與實際網絡情況就容易產生較大偏差，傳統的經驗模型顯得難以滿足網絡規劃的需要。

射線追蹤技術是一種用于移動通信網絡中預測無線電波傳播特性的技術，通過辨認接收機和發射機之間的多徑信道中所有可能的射線路徑，結合系統帶寬和天線方向圖等信息，根據電波傳播理論推導出每條射線的相位、幅度、延遲和極化等數據，從而推導出接收機所在位置的合成結果。由于射線追蹤模型更貼近于電磁波在無線空間中的真實傳播情況，可降低對模型校正的依賴，因此在LTE網絡規劃中應用更準確的射線追蹤模型進行仿真，將使仿真結果更具價值。

2 傳播模型概述

2.1 無線電波的傳播方式

就無線電波傳播而言，發射機與接收機之間最簡單的方式是自由空間傳播，傳播方式主要分為以下4種：

（1）直射波及地面反射波：從發射天線直接到達接收天線的電波稱為直射波，經過地面反射到達接收機的電波稱為地面反射波，直射波和反射波疊加，可以加強某處的信號，也可以減弱某處的信號，因而產生了多徑效應。

（2）繞射波：在實際情況下，電波的直射路徑上存在各種障礙物，從而產生了繞射波，是陰影區域信號的主要電波來源，其頻率越高，繞射信號就越弱。

（3）對流層反射波：產生于對流層，因對流層溫度隨高度變化，氣象要素分布不均勻，所以電波呈彎曲狀，傳播具有很大的隨機性，也具有連續波動的特性。

（4）電離層反射波：產生于電離層，同對流層一樣，電離層也具有連續波動的特性，從電離層反射的電波可能有一個或多個跳躍，適用于超視距通信。

具體如圖1所示：

2.2 傳統的無線電波傳播模型

（1）自由空間傳播模型

所謂自由空間傳播是指無線電波在理想的完全無阻擋的真空中傳播，它只與頻率f和距離d有關。其傳播損耗公式為：

Lbf=32.5+20logf+20logd （1）

（2）Okumura-Hata模型

以距離和發射機天線的高度為依據，是應用較為廣泛的覆蓋預測模型，以準平滑地形的市區作基準，其余各區的影響均以校正因子的形式出現。校正這個模型要以建筑物在接收機附近的百分率、路徑類型（陸地、海洋、混合）和大地不規則度為依據。其傳播損耗公式為：

Lb=69.55+26.16logf-13.82logHb-α（Hm）+（44.9-6.55logHb）logd （2）

其中：

f：工作頻率，單位為MHz；

Hb：基站天線有效高度，單位為m；

Hm：移動臺天線有效高度，單位為m；

d：移動臺與基站之間距離，單位為km；

α（Hm）：移動臺天線高度因子，公式如下：

α（Hm）=（1.1logf-0.7）Hm-（1.56logf-0.8） （3）

（3）Longley-Rice（ITS）模型

該模型可用于估算地波與對流層散射的傳播衰減，是統計模型，以傳播理論為依據，同時結合實測數據，因此稱為半經驗預測模型，能預測自由空間中由地形的非規則性造成的中值傳輸衰落。使用該模型還必須考慮到其他有可能造成干擾的傳播機理，包括電離層傳播機理，隨季節和晝夜時間變化的可能性；通過偶爾發生的E層，有可能允許在約70MHz頻率上進行長距離傳播。此外，還需考慮超折射和大氣波導等。

2.3 射線追蹤傳播模型

上述的傳統傳播模型均為統計性模型，是利用測試數據進行統計分析得到的傳播模型，一般計算量要小，對電子地圖的數據要求也較低，并可利用測試數據加以修正。與之相對的模型為決定性模型，是根據傳播路徑上的地物、建筑物的幾何信息，利用電波的繞射、反射特性作為理論的模型。其計算量大，對電子地圖的數據要求也較高，需要建筑物的信息，可以不需要測試數據加以修正。射線追蹤傳播模型就屬于決定性模型。

城市環境下，從發射天線到接收天線的路徑上包括直射波、反射波、繞射波以及高階的反射/繞射波等，如圖2所示。因此，建筑物的高度、分布等因素對無線電波的傳播有較大影響。射線追蹤技術利用地理信息、到達角信息以及射線的多次反射和繞射等，來預測任意位置的無線電波傳播情況。

LTE采用的無線制式和頻段都與現有的2G、3G網絡有差別，在無線傳播特性上也存在較大差異。如果直接按照以往2G、3G網絡的統計性模型進行LTE的網絡規劃仿真，可能會出現與現有經驗不符的用戶體驗。

射線追蹤模型還可以結合天線的輻射方向圖，分別考慮天線輻射方向圖對每條射線的影響，這是傳統統計性模型所不能比擬的。由于射線追蹤算法可以在3D空間中追蹤每條射線，所以能夠獲得到達天線的射線方位角和仰角，從而得到比傳統統計性模型更精確的數據。endprint

2.4 Crosswave傳播模型

Crosswave是Atoll版本的射線追蹤傳播模型，由Orange Labs開發，由Forsk公司發布和支持，作為Atoll的一個可選功能使用。該模型支持所有無線技術以及傳播環境，還可以利用CW測量數據進行自動模型校正，能模擬垂直衍射、水平導向傳播、山脈反射這3種傳播現象，支持多種無線網絡制式，并支持200MHz—5GHz的頻段范圍。

Crosswave有以下3項功能以提高仿真準確性：

（1）Morphology地物形態匹配

該項功能在新建工程預處理時由DTM和Clutter Classes地圖生成，只需生成一次，可將導入的地圖Clutter Classes的地物與Crosswave所能識別并歸類的Default Clutter Classes匹配，精確模擬不同地物環境的傳播特性，最終得到一個與地圖經度相對應的柵格文件，該文件用來描述地物環境，允許針對每種地物類型進行特定的優化，為每種地物分配一套特定的傳播系數。

（2）Facet平面匹配

該項功能可模擬宏蜂窩小區的反射現象，特別適用于山脈地區，用于尋找發射機到接收機之間所有的傳播路徑。與Morphology一樣，在新建工程預處理時由DTM和Clutter Classes地圖生成，同樣也只需要生成一次。但該項功能在使用3D建筑物矢量地圖時，不可用于城區環境中。

（3）Graph建筑物矢量匹配

該項功能由建筑物外形生成（依賴于3D建筑物矢量地圖），同樣只需一次生成，用于尋找發射機和接收機之間所有的傳播路徑，可更好地在微蜂窩環境（峽谷環境）中模擬水平導向傳播。Crosswave可以自動判決每一發射機是否在微蜂窩環境中，其判決的標準是發射機天線高度必須低于半徑200m之內50%建筑物的高度，而且發射機半徑200m以內至少有30棟建筑物。最終得到一個Graphs文件，其中包含分類的主要街道路徑及街道寬度。

3 某區域基于Crosswave模型的TD-LTE網絡仿真案例

3.1 仿真配置

（1）硬件平臺

本次仿真使用PC配置如下：

◆CPU：Intel Core（TM） i7-4930k；

◆內存：16GB；

◆硬盤：250GB固態硬盤+2TB SATA硬盤。

（2）軟件平臺

本次仿真使用法國Forsk公司的Atoll軟件，版本號為3.2.1.6147（64位），操作系統為Microsoft Windows 7 SP1。

（3）電子地圖

本次仿真使用的地圖精度為20m，地圖投影系統為WGS 84/UTM zone 49N。

仿真參與計算的地圖圖層使用：

◆Heights：海拔高度；

◆Clutter：地物類型；

◆Building：矢量建筑物高度地圖。

作為顯示和參考的圖層使用：

◆Vector：道路等；

◆Google Earth衛星地圖資源。

（4）基本參數設置

◆頻段：使用D頻段（2 575—2 595MHz）的20MHz帶寬頻段；

◆Default Cyclic Prefix（CP長度）：Normal；

◆PDCCH Overhead（PDCCH開銷）：3個符號時長；

◆PUCCH Overhead（PUCCH開銷）：1RB；

◆Switch Point Periodicity（TDD切換點周期）：半幀；

◆Specical Subframe Configutation（特殊子幀配置）：SSP7（10：2：2），TDD上下行時隙配置為SA2：DSUDD-DSUDD（上下行比1：3）。

（5）傳播模型匹配

如上文所述，在新建工程預處理時由DTM和Clutter Classes地圖生成，只需生成一次。由于本次仿真使用的并非3D建筑物矢量地圖，因此只需匹配Morphology和Facet這2項即可。

3.2 仿真輸入

（1）Sites基站表

根據該區域站點清單，輸入以下參數：

◆Name：基站名；

◆Longitude、Latitude：分別用來設置基站的經緯度，該值直接決定了基站位置及其對應位置的海拔地形的高度；

◆其余參數根據實際需要填寫。

（2）Transmitters扇區表

根據該區域站點清單，輸入以下參數：

◆Site、Transmitter、Active：分別為扇區所屬基站、扇區名以及扇區的激活狀態，如果Active未激活，則該扇區在整個仿真和預測計算中都不會被考慮；

◆Height、Azimuth、Mechanical Downtilt：扇區基礎工參，分別代表天線掛高、方向角、機械下傾角等；

◆其余參數根據實際需要填寫。

3.3 預測仿真結果

（1）RSRP（Reference Signal Receiving Power，參考信號接收功率）

某區域RSRP仿真效果圖如圖3所示。

（2）RS-SINR（Reference Signal-Signal to Interference plus Noise Ratio，公共參考信號信干噪比）

某區域RS-SINR仿真效果圖如圖4所示。

3.4 仿真結果對比及驗證endprint

（1）使用Crosswave模型與SPM模型預測結果對比

為驗證射線追蹤模型與傳統SPM模型的效果對比，在同一區域中分別采用了校正前后的Crosswave模型和SPM模型作比較，結果如表1所示：

由上述對比結果可知，校正后的Crosswave模型仿真結果離散程度更小，準確率更高。

（2）路測驗證

為驗證仿真效果與實際現網覆蓋狀況的吻合度，針對同一區域，對仿真出現弱覆蓋和高干擾的區域進行了路測，具體如表2、圖5和圖6所示。

由上述對比結果可知，RSRP路測值與仿真吻合度較高，相差只有大約1dB；RS-SINR路測值與仿真差距較大，主要原因在于進行仿真時使用了50%的網絡負荷，而現網實際用戶數及話務量均不高，因此出現了一定的偏差。總體而言，使用Crosswave模型仿真的結果與實際情況仍然有較高吻合度。

4 結束語

綜合以上理論分析以及實際案例應用可見，對于以高速數據業務為主的LTE網絡而言，傳統的各種經驗模型已較難滿足網絡規劃的需要。而射線追蹤模型作為一種決定性模型，是根據傳播路徑上的地物、建筑物的幾何信息，利用電波的繞射、反射特性作為依據的，只要有精度合適的電子地圖，通過地物、平面等數據的匹配，無需通過測試數據的修正，也能得到更具參考性的仿真結果。實踐也表明，通過Atoll的Crosswave模型仿真出來的結果更精確，更接近實際情況，因此對LTE網絡規劃也更有幫助。

但是，由于Crosswave模型對電子地圖的精度及準確性要求較高，因此地圖成本較傳統的經驗模型更高。另外，模型的計算將更復雜，對計算機硬件性能的要求也較高。由此可見，使用Crosswave模型的成本比傳統的經驗模型更高。但鑒于規劃的準確性對日后的網絡維護優化成本也有較大影響，所以在網絡仿真中廣泛使用更精確的Crosswave模型也是很有意義的。

參考文獻：

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