3D室內高精度仿真方法研究

李睿，佘莎，麥磊鑫

3D室內高精度仿真方法研究

李睿，佘莎，麥磊鑫

（廣東省電信規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510630）

研究3D高精度室內覆蓋仿真對提高規劃技術水平、提升競爭力具有重要的意義，因此結合實際工程，研究一種3D高精度室內仿真方法，并側重關鍵參數取值、室內覆蓋評估和指標統計方法的研究。依據這種方法，可以快速準確通過仿真的形式進行室內覆蓋預測，更加充分合理地評估利用覆蓋預測結果，大大提高工作效率。

室內覆蓋 深度覆蓋 高精度仿真

1 引言

1.1 研究背景和意義

在規劃設計階段需要通過仿真來評估室內的覆蓋效果，定位存在弱覆蓋的區域，進行室內分布系統建設，或者采取部署室外小基站、分布系統等綜合覆蓋手段，解決深度覆蓋問題，提升用戶感知。傳統的無線網絡規劃仿真主要針對室外覆蓋進行二維平面上的預測，而3D高精度仿真可以對室內覆蓋進行立體的精細化的評估，3D高精度仿真是全新的仿真技術和重要的規劃分析手段。研究3D高精度室內覆蓋仿真對提高規劃技術水平，提升競爭力具有重要的意義，因此本文接下來將對3D室內高精度仿真方法進行研究。

1.2 3D室內高精度仿真概述

3D室內高精度仿真針對的是室外站點對建筑物樓層內的仿真覆蓋預測，實現預測區域范圍內高層乃至超高層建筑物內部各層的網絡信號情況，采用的地圖精度為5 m地圖，地圖需包含建筑物高度信息和建筑物矢量數據。

基于仿真性能以及操作界面友好等因素考慮，Forsk公司的Atoll應用較廣泛。本文的3D室內高精度仿真方法的研究即基于Atoll仿真軟件。

3D室內高精度仿真流程：1）新建仿真項目：一個項目即一個工程，首先在Atoll中新建一個工程；2）導入電子地圖：涉及坐標系設置，柵格地圖、3D矢量地圖的導入；3）設置校正傳播模型；4）導入工參信息：涉及Sites表、Transmitters表、Cells表信息的導入設置；5）繪制計算區域：根據研究需要來繪制計算區域，計算區域過大會導致整個仿真計算時間過長；6）計算路損；7）多樓層覆蓋預測；8）Google Earth呈現；9）數據提取和分析。

操作流程圖如圖1所示：

圖1 3D室內高精度仿真操作流程圖

2 關鍵參數取值研究

2.1 室內外穿透損耗實測結果

不同建筑墻體材質穿透損耗實測統計值如表1所示：

表1 不同建筑墻體材質穿透損耗實測統計值

上述測試數據針對室外信號穿透單面墻體至室內終端使用位置的穿透損耗，適用于對已知建筑墻體材質、位置和構造的重點建筑單獨建模。

此外，還需要對一定區域內的建筑進行整體分析，這些區域存在大多數建筑比單面建筑墻體構造更復雜的情況。

在實際無線傳播環境中，針對一定區域內無法確認詳細建筑墻體構造等信息的批量建筑，可以進行建筑整體的建模。根據建筑本身的用途分類，具有相同或相似功能的建筑體也同時具有相同和相似的建筑材質、位置和構造風格，例如部分大型醫院的墻體因為其設備功能的需求，建筑墻體的材質和厚度會具有通性的特點。

根據不同建筑物類型進行抽樣測試，得到如表2所示的結果，高檔酒店和大型醫院的穿透損耗較高，都超過20 dB；普通住宅的穿透損耗在14 dB左右。

表2 不同類型建筑物穿透損耗實測統計值

上述測試數據針對室外信號穿透建筑整體至室內終端可使用位置的穿透損耗，適用于對建筑墻體材質、位置和構造未知的批量建筑區域進行整體建模。

2.2 室內外穿透損耗設置調整方法

對每一棟建筑賦予穿透損耗時，如果建筑物數量不大，可手動定義重點建筑的穿透損耗；如果建筑物數量較大，可以根據建筑物中心點所處的地圖位置進行地貌類型分類，從而分類定義其穿透損耗。

從建筑類型整體分類，主要區分設置的建議值如表3所示。

此表僅對仿真定義的building類型均值配置，對于一些特別的重點建筑，比如高度、覆蓋面積較大（大于一定限值）的建筑，仍需手動確認其墻體材質等詳細信息。

在crosswave預測模型中，上述的配置請添加到buildings vector的tab圖層中，分屬兩個名為Outside_ Inside和Inside_Inside的列中，在導入到模型工程中之后，在模型選項內，務必在crosswave模型屬性頁的Propagation選項卡中勾選Losses from 3D building vectors，這樣在仿真運算的時候為每一個building vector的polygon讀取損耗。

表3 仿真室內外穿透損耗設置建議值

通過材質區別或功能區別對不同建筑的穿透損耗進行建模，有助于提高3D室內高精度仿真的精度和效率。

3 室內覆蓋評估和指標統計方法研究

3.1 指標數據輸出結果解析

（1）數據輸出原始結果

室內3D仿真輸出結果的列表頭（精度級別）：劃定區域、劃定樓宇編號、每棟樓宇一層圖例（內含總和以及每一種圖例信息）等。

室內3D仿真輸出結果的行表頭（分類）：表面積、表面積占比、每種包含在內的地物類型定義下的面積和面積占比等。

圖2示例為某地市全球通大廈及其周邊小范圍區域內樓宇3D高精度仿真輸出報表。

（2）數據輸出結構解析

圖2的第一級行表頭為該次仿真指定分析的樓宇，第二級行表頭為樓宇分層結構，分為了1.5 m、4.5 m等高度的多層覆蓋信息，第三級行表頭為指定的圖例部分，其中每一層有對應的圖例劃分部分的覆蓋面積（若選中百分比，將在后續中對應體現）。

圖2的各個列表頭在地物類型上分別劃分了存在的各building類型、對應的面積（或百分比），若劃分到每一棟building的每一層精度，則如下所述：

圖2中Name列標識為Hot-Spot：83224（即指定的建筑ID）區域內的覆蓋情況報表。此表后續的信息通常只在其中一種building類型中有數值（每一棟building通常只對應一種類型），可以看出，此表面積信息都是0.000025的整倍數，這是因為在此工程中使用的是5 m×5 m的計算精度，0.000025即為最小計算單元格。此表內含該建筑室內每一層的覆蓋情況。

綜上，我們獲取3D高精度仿真下的基礎數據，通過對該部分數據進行數學化的統計分析，即可得出需要分析的覆蓋問題關鍵點。

3.2 數據統計評估方法

可以得到不同精度等級的數據統計結果，分別精確到整個仿真區域、仿真區域內的每一棟樓宇、每一棟樓宇內的每一層。建議小范圍內使用高精度生成報表，如果polygon范圍過大，不建議精度太高，否則會導致數據量巨大。

生成指定區域（building數量不宜過多）內每一棟building及其每一層精度的報表方法如下（在所需的多層圖例計算出結果之后進行如下操作）：首先對指定區域內的building單獨從整個仿真區域中剪切出來，構成一個新的tab圖層，其范圍內每個polygon對應表中存儲相關信息。指定區域如圖3所示：

圖2 某地市全球通大廈室內3D仿真原始輸出結果（部分示例）

圖3 3D室內高精度仿真樓宇切割

用于切割的相關信息至少要有每棟建筑的唯一標識（此工程中為Planet_Id），如圖4所示：

圖4 3D室內高精度仿真樓宇切割后的圖層

然后在工程的GEO窗口內的Zone目錄下的Hot Spots圖層中導入上面新構成的tab圖層。圖5（a）為未導入Hot Spots的圖層，圖5（b）為導入Hot Spots的圖層，可見其每一棟建筑輪廓即為導入的每一個Hot Spots。

圖5 導入切割后的建筑物圖層前后對比

然后對所計算的prediction進行Generate Report，其中，針對仿真數據分析所需進行選擇，如圖6所示：

圖6 預測報告數據勾選

在列中選中了每棟建筑的唯一標識（Hot Spots：Planet_Id），以便在報表中進行后續區分。生成的報表視所選建筑物數目、樓層高度、總面積情況產生輸出，根據信號覆蓋達標的相關要求，進行詳細的數據分析。

4 工程仿真結果實例

以某大學仿真為例進行說明。

4.1 室內立體仿真輸出效果

某大學附近地理信息如圖7所示。校園內建筑物類型主要是教學樓和宿舍樓，樓層平均高度為5～6層，在該校園及周邊共分布9個LTE室外站點。

圖7 某大學地理信息及LTE室外站點分布情況

該大學室內立體仿真整體效果如圖8所示。西區飯堂及教工學生宿舍區室內信號覆蓋最好；北部的教學區行政辦公及實驗樓室內信號覆蓋良好；東區飯堂及教工學生宿舍室內信號覆蓋達標，局部區域可以考慮加強覆蓋，優化用戶感知體驗；校園中部的體育館覆蓋最差，未達到室內覆蓋標準。

圖8 某大學室內立體仿真整體效果

4.2 仿真結果詳細分析

如圖9所示，西區飯堂及教工學生宿舍區域內規劃建設有2個LTE室外站點，信號覆蓋較好，通過詳細數據進行統計分析，室內平均RSRP為-95dBm以上。

圖9 西區飯堂及教工學生宿舍仿真結果

如圖10所示，教學區行政辦公及實驗樓區域規劃建設3個LTE室外站點，信號覆蓋良好。局部區域可以考慮加強覆蓋，以優化用戶感知體驗。

圖10 教學區行政辦公及實驗樓仿真結果

如圖11所示，東區飯堂及教工學生宿舍區域規劃建設1個LTE室外站點，室內信號覆蓋整體達標，局部區域可以考慮加強覆蓋，以優化用戶感知體驗。

圖11 東區飯堂及教工學生宿舍仿真結果

如圖12所示，校園中部的體育館覆蓋效果較差，通過詳細數據進行統計分析，底部起1.5 m一層、4.5 m二層直至10.5 m四層以內，平均RSRP都在-115 dBm以下，未達到室內覆蓋標準。

圖12 體育館仿真結果

4.3 問題解決建議

通過某大學的3D室內高精度仿真，共發現1個弱覆蓋問題、2個優化調整問題。建議對校園中部的體育館新建室分系統解決其弱覆蓋問題，對教學區和東區飯堂的局部用戶體驗提升區域，可考慮對周邊站點進行RF調整。

綜上，3D室內仿真可以在一定程度上觀察室外基站對附近3D建筑室內的覆蓋效果，并作出是否需建設室內覆蓋系統或小基站來改良覆蓋的判斷。但是受限于Crosswave模型只能對所接觸的第一層阻擋物（墻壁）模擬，并不能計算第二層阻擋物的效果，仿真結果僅可以作為網絡建設參考的一項依據。在此仿真評估的基礎上，可以再結合現場點測、用戶投訴、話統、MR數據等多個維度，綜合評估室內覆蓋情況，提出最終的室內覆蓋問題解決建議。

5 結束語

本文通過對3D室內高精度仿真關鍵參數的理論分析，并結合實際穿透損耗進行室內覆蓋總體評估和細化覆蓋評估，精細化、數據化地呈現室內覆蓋效果，以此進行精準化室內覆蓋問題的發掘，指導后續規劃和優化工程的實施。

未來的研究方向將繼續尋求結合室內外協同仿真，進行更加精細化的覆蓋問題分析，通過更全面細致的理論參數和更系統的網絡結構，對當前網絡中復雜的構成進行分析，以期對工程建設有更加準確的指導價值。

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Research on Method of 3D High-Precision Simulation

LI Rui, SHE Sha, MAI Leixin
(Guangdong Planning and Designing Institute of Telecommunications Co., Ltd., Guangzhou 510630, China)

The 3D high-precision indoor coverage simulation is of great significance to the enhancement of planning technology level and competiveness. Therefore, a method of 3D high-precision indoor simulation, whose focus is the key parameter selection, indoor coverage evaluation and indicator statistical method, was investigated based on the engineering practice. By means of this method, the indoor coverage can be fast and accurately predicted by simulations. The predicted coverage results can be fully and reasonably utilized to highly enhance working efficacy.

indoor coverage deep coverage high-precision simulation

李睿：助理工程師，學士畢業于華南理工大學，現任廣東省電信規劃設計院有限公司通信設計師，研究方向為3D高精度室內仿真。

佘莎：助理工程師，碩士畢業于北京郵電大學，現任廣東省電信規劃設計院有限公司通信設計師，研究方向為無線網絡規劃優化。

麥磊鑫：工程師，博士畢業于中國科學技術大學，現任廣東省電信規劃設計院有限公司項目經理，研究方向為無線網絡規劃。

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.15.013

TN915

A

1006-1010(2017)15-0069-06

李睿,佘莎,麥磊鑫. 3D室內高精度仿真方法研究[J]. 移動通信, 2017,41(15): 69-74.

2017-03-22

責任編輯：黃耿東 huanggengdong@mbcom.cn