地圖精度對基于Atoll的5G網(wǎng)絡(luò)仿真的影響

1 引言

無線網(wǎng)絡(luò)仿真是通過仿真軟件，使用數(shù)字地圖、基站工程參數(shù)、測試數(shù)據(jù)建立網(wǎng)絡(luò)模型，并通過系統(tǒng)的模擬運(yùn)算得出網(wǎng)絡(luò)覆蓋預(yù)測、干擾預(yù)測及容量評估結(jié)果，可用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)、優(yōu)化階段的網(wǎng)絡(luò)性能預(yù)測，為工程建設(shè)提供參考。但網(wǎng)絡(luò)仿真受輸入?yún)?shù)、傳播模型、地圖精度等因素的影響，輸入的準(zhǔn)確性極大影響了仿真輸出的結(jié)果。在進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)仿真時(shí)，由于5G工作頻段相對更高，其覆蓋范圍較小，相應(yīng)的也對規(guī)劃仿真的準(zhǔn)確性提出了更高要求。

為了提升5G網(wǎng)絡(luò)仿真的準(zhǔn)確性，通常推薦使用高精度的射線追蹤模型和更高精度的3D場景建模，后者則意味著使用更高精度的電子地圖。但不同地圖精度對5G仿真結(jié)果的影響如何，目前業(yè)界并無深入的論述。本文基于Atoll仿真軟件對該問題進(jìn)行驗(yàn)證。

2 仿真原理

基于Atoll的仿真流程如圖1所示。在Atoll仿真操作平臺中新建工程后，需設(shè)置坐標(biāo)系，隨后根據(jù)待仿真區(qū)域?qū)胂鄳?yīng)的電子地圖并設(shè)置傳播模型；再進(jìn)行設(shè)置無線設(shè)備參數(shù)的設(shè)置，包括天線模型、UE類別以及接收設(shè)備參數(shù)等；完成前述操作后，可以導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，在Atoll中一般使用Site（站點(diǎn)）、Transmitter（發(fā)射機(jī)）和Cell（小區(qū)）三張相互關(guān)聯(lián)的信息表進(jìn)行建模；設(shè)置并驗(yàn)證全局參數(shù)后，可進(jìn)行傳播計(jì)算和預(yù)測，并生成相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)報(bào)告。

圖1 Atoll仿真基本流程

可見，Atoll仿真可以簡單視為“輸入-響應(yīng)-輸出”的信號系統(tǒng)。輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性直接影響輸出結(jié)果的可參考價(jià)值。在上述仿真操作中，主要的輸入包括三維電子地圖、傳播模型和工程參數(shù)。在確保工程參數(shù)準(zhǔn)確的前提下，關(guān)注重點(diǎn)在于電子地圖和傳播模型。

2.1 電子地圖約束條件

Atoll仿真所使用的三維電子地圖主要包含以下信息：

（1）數(shù)字高程模型（Heights）：采用柵格數(shù)據(jù)形式描述地面高度變化，采樣間隔為5米；

（2）地面覆蓋模型（Clutter）：采用柵格數(shù)據(jù)形式描述地面覆蓋類型，采樣間隔為5米；

（3）線狀地物模型（Vector）：采用矢量數(shù)據(jù)形式描述線狀地物的平面分布與空間關(guān)系；

（4）矢量建筑物分布模型(VBDM):采用矢量描述各種建筑物的分布情況以及建筑物的高度，寬度超過5米的通路、街道分割的建筑物均獨(dú)立表示。

高精度地圖，如2 m或5 m精度，一般包含上述4類模型。而低精度地圖，如20 m或50 m精度，一般缺少矢量建筑物分布模型。

2.2 傳播模型約束條件

Atoll中可選用Cost-hata、SPM、3GPP 38.901等統(tǒng)計(jì)模型，也可選用射線追蹤模型。射線追蹤模型能夠基于3D電子地圖進(jìn)行尋徑，包括直射徑、反射徑、繞射徑等，并將多徑能量在接收端進(jìn)行合并。相對于傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)模型，射線追蹤模型考慮了地圖的分布，包括建筑物的分布、街道的走向等，因此，射線追蹤能夠較為準(zhǔn)確地反映網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。

本次驗(yàn)證采用Forsk發(fā)布的Aster射線追蹤模型。如表2所示，Aster缺省內(nèi)置11種模型，其中0-7為確定性模型，10-12為統(tǒng)計(jì)型模型。由于射線追蹤模型需要通過獲取地圖信息模擬建立電磁波的傳播環(huán)境，因此電子地圖的差異會對其適用性造成影響。當(dāng)?shù)貓D精度較高，Aster可以直接從其矢量建筑物分布模型中獲取建筑物的的輪廓和高度信息，并根據(jù)地物類型自適應(yīng)適配0-7模型；當(dāng)?shù)貓D精度較低時(shí)，Aster只能通過線狀地物模型獲取建筑物的位置信息，以及讀取人為設(shè)置的建筑物群的統(tǒng)一高度，此時(shí)適配10-12模型。因此，射線追蹤模型的適用性與地圖精度息息相關(guān)，地圖精度越高，射線追蹤模型的路徑損耗的計(jì)算結(jié)果就更加準(zhǔn)確。

表1 Aster缺省內(nèi)置模型

為進(jìn)一步驗(yàn)證，分別在5 m精度和20 m精度地圖下，只開啟新港西路基站，驗(yàn)證在前述同一接收機(jī)位置的信號強(qiáng)度，其RSRP分別為-72.30 dBm和-85.61 dBm。這表明在該信道環(huán)境下，由于地圖精度更高，射線追蹤模型自主適配確定性模型，可尋徑直射徑和繞射徑，并將多徑能量在接收端合并。因此，在5 m精度下的接收機(jī)RSRP高于20 m精度地圖下的RSRP。

同理，分別在5 m精度和20 m精度地圖下，只開啟技師學(xué)院基站，驗(yàn)證同一位置RSRP。其結(jié)果分別為-83.55 dBm和-58.67 dBm。這表明在20 m精度地圖時(shí)，由于缺少矢量建筑物分布模型，Aster在進(jìn)行電磁波環(huán)境模擬時(shí)，忽略了基站所在建筑物對窄波束的阻擋作用，而將基站到接收機(jī)之間的信道視作近似直射徑進(jìn)行計(jì)算，因而其預(yù)測結(jié)果相對5 m精度下的預(yù)測顯著樂觀。

綜合上述分析，地圖精度直接影響射線追蹤模型的預(yù)測性能。地圖精度更高，射線追蹤模型具備更為精確的電磁波傳播路徑搜尋和反射衍射能量計(jì)算，其電平預(yù)測準(zhǔn)確性也更高。

4 結(jié)束語

5G更高頻段及更小的覆蓋范圍對規(guī)劃仿真準(zhǔn)確性提出了更高的要求，需采用高精度的射線追蹤模型來提高傳播路徑預(yù)測的準(zhǔn)確性。而射線追蹤模型也要求更高精度的場景建模，以更好地模擬地貌、建筑物形狀和材質(zhì)、植被等的影響。地圖精度更高，則預(yù)測準(zhǔn)確性也隨之提高。因此，結(jié)合本次驗(yàn)證分析和日常實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建議：在進(jìn)行熱點(diǎn)區(qū)域仿真時(shí)，推薦使用2 m精度地圖；在進(jìn)行建筑物較為集中的密集城區(qū)仿真時(shí)，至少使用5 m精度地圖；而對于一般城區(qū)和農(nóng)村的仿真，則可適當(dāng)放低精度要求，如采用20 m精度地圖。