廣覆蓋下無線仿真的新型位置感知驅動研究

劉超

摘 要：根據國際電信聯盟2015年的報告，全球仍有42億人無法接入網絡，消除數字鴻溝的任務艱巨。李克強總理在2016年政府工作報告里也明確提出中國將建成全球最大的4G網絡。但與此同時，巨大的建設量、超短的建設周期對無線仿真提出更高要求，而運營商由于仿真失當造成的損失常高達其年度預算近三成，而根因就在于在地勢復雜多變的廣覆蓋區域仿真精度不高。本研究從理論上探討利用頻譜掃描定位干擾源的方法來有效提升基于RSSI的位置感知的精度，以驅動校正無線傳播模型，更高效地提升仿真精度，減輕因仿真精度低導致的在后期網絡建設中的資源浪費。

關鍵詞：位置感知 廣覆蓋 無線仿真

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（c）-0146-02

根據國際電信聯盟2015年的報告，全球仍有42億人口無法接入網絡，消除數字鴻溝的任務十分艱巨；國內來看，截止2013年，三大主流電信業務運營商已基本完成3G網絡的商用與優化，并開始全面部署4G網絡，李克強總理在2016年政府工作報告里也明確提出中國將建成全球最大的4G網絡。但同時，巨大的設施建設量、超短的驗收周期對無線網絡仿真提出了更高要求。而有數據表明，移動通信運營商因無線網絡仿真失當所造成的經濟損失可高達該運營商年度預算的近三成，其主因是傳統的無線網絡仿真技術預測精度不高，特別是在地形復雜、地勢多變的廣覆蓋區域。

1 傳播環境與傳播模型

無線規劃是網絡建設的首要環節，是開展工程建設的基礎，它是一個系統性工作，規劃的最終目的是為了實現網絡覆蓋和建設成本之間的平衡[1]。無線仿真的本質就是在滿足運營商建網性能指標前提下利用有限的頻譜帶寬和最小的建網成本達到最大面積覆蓋、最優資源效率和最小系統干擾。根據無線傳播環境的差異，目標場景一般可以分為密集城區、普通城區、郊區和廣覆蓋區等四類，其中廣覆蓋區特指森林、山脈、沙漠等地區，這些區域地勢存在較大高差，無線信號傳播阻礙大，為這類區域提供較為準確的無線仿真一直是較難課題。

而廣覆蓋區域無線仿真成敗的關鍵就在于無線傳播模型的校正，因為在該領域，雖然更為精確的傳播預測方法如射線跟蹤技術[2-3]等早已獲得深入研究，但經驗模型及其校正因使用成本低、計算復雜度低等優勢，仍然在無線網絡規劃中得到普遍使用。眾所周知，暴露的無線信號本質上是電磁波，在傳播中受環境影響而損耗，這種損耗隨傳播距離而變大，遇到障礙物會自然衰落。而量化無線信號的損耗絕非易事，在工程實踐中常需建立數學模型來計算信道損耗，這就是傳播模型[4]。如適用于宏蜂窩的模型有Okumura模型、Hata模型等，還有適用于微蜂窩的模型如Manhattan Model、Feuerstein PCS等。

選擇了合適的傳播模型之后，在使用之前還必須經過校正，而校正數據源于CW測試、路測和位置感知。而且，廣覆蓋區的用戶行為較為復雜且規律性較差，建筑物缺乏位置數據更新，因此位置感知是校正過程的關鍵輸入。

2 位置感知與位置計算

地理位置是地理學探討的常見范式之一，是地物與周圍環境要素互相作用的總和[5]。但地理位置在目前語義下已超出地理學的范疇，并在多學科與多技術的交叉融合中誕生很多全新的研究視角和科學問題，如位置感知與位置計算[6]。

位置計算是實現空間智能的關鍵技術，是指通過一種或多種定位系統獲取特定個體或物品的位置過程[7]，又可依據關鍵技術不同而分為室內定位和室外定位，它以定位技術為基礎，以實現導航和位置服務為目標，已經成功應用于國土資源調查、精細農業作業、車輛位置監控導航、鐵道機車監控、實時位移檢測等方面，并已成為智慧城市、物聯網、移動互聯網等相關行業的迫切需求和全球信息產業新競爭的制高點。位置感知方法眾多，如美國的全球定位系統（Global Positioning system，GPS）[8]，以及基于移動通信網絡輔助的A-GPS、偽衛星（Pseudolite）、無線局域網（WLAN）等解決方案。不同的位置感知技術各有其優勢與缺陷：比如GPS，雖然可以實現對地無縫覆蓋，但對民用領域的開放精度有限，而且衛星本身就意味著巨額的部署成本和能量消耗，信號在地形復雜地勢多變的廣覆蓋區域也更容易被屏蔽，不適用本研究場景，因此需要研究衛星定位以外的方式。目前，國家正大力建設無線基站、無線熱點等通信基礎設施，越來越多的手持設備與網絡基礎設施之間已實現日常通信，而這些設備之間也已實現數據交換。利用這些無線通信模塊，在提供數據服務的同時，借助終端RSSI（Receive d Signal Strength Indication）進行定位，既方便又可節約大量成本，是本研究一種較為理想的定位方式。RSSI描述的是信號強度，然后依據場強結果來估算發射端和接收端的距離以實現定位。現階段基于RSSI的定位算法的主要問題是在廣覆蓋環境下接收端的RSSI容易受到外界干擾而不穩定，所以導致定位誤差大，而造成干擾的原因較多，如輔助通信設備對無線信號的透傳。本研究的主要目標正是通過干擾源的有效定位找出誤差存在的具體原因，并通過實測與模擬修正基于RSSI的節點定位算法。這不但能實現較高精度的定位，同時也將優化無線網絡的商用質量。

3 高精度仿真驅動模式

通過研究不同地域尺度、不同地勢高差、不同話務模型對仿真結果的影響，可建立廣覆蓋下基于修正RSSI的位置感知新方案，驅動高精度無線仿真。同時，可實現采用更便捷、經濟的定位技術以達到該特定場景的無縫覆蓋，提升無線仿真平臺在廣覆蓋下的仿真精度，降低資源浪費。下圖是本研究的驅動模式圖。

4 結語

當前，探索廣覆蓋環境下輔助通信設備對網絡和定位精度的影響，修正位置感知算法，反演傳播模型，驅動無線覆蓋仿真，并綜合考慮通視域、用戶行為、話務分布等諸多因素進行模型校正，建立可時空回溯的多尺度場強仿真數據庫，可以更高效地提升無線仿真的精度，減輕后期網絡建設中的資源浪費。

參考文獻

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[4] 吳志忠.移動通信無線電波傳播[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[5] 胡兆亮.論地理位置.中原地理研究，1985（2）：9-16.

[6] 周成虎，朱欣焰，王蒙，等.全息位置地圖研究[J].科學進展，2011，30（11）：1332.

[7] 劉瑜，肖昱，高松，等.基于位置感知設備的人類移動研究綜述[J].地理與地理信息科學，2011，27（4）：8-13.

[8] McNeff J G.The Global Positioning System[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2002，50（3）：645-652.endprint