長江無線信號覆蓋規(guī)劃最優(yōu)設(shè)計

王 浩，趙 倫

(1.廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息教研室，廣東 韶關(guān) 512000；2.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

0 引言

為了實(shí)現(xiàn)國家智慧長江的重要戰(zhàn)略目標(biāo)，完善長江航運(yùn)信息系統(tǒng)，保障長江運(yùn)輸安全，避免航運(yùn)交通事故的發(fā)生，方便江上運(yùn)行的船只隨時與長江航運(yùn)指揮中心進(jìn)行聯(lián)系，獲取相應(yīng)的航道信息，就必須解決長江無線信號覆蓋的問題[1]。

要實(shí)現(xiàn)長江無縫的無線信號覆蓋，需要沿長江建設(shè)大約500個基站[2]。在進(jìn)行基站建設(shè)之前，需要進(jìn)行基站的站址選擇，并對基站的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行規(guī)劃。目前，主要是在Google Earth軟件上進(jìn)行基站位置規(guī)劃，確保相鄰2個基站之間距離不會相隔太遠(yuǎn)，并且進(jìn)行基站參數(shù)設(shè)定，等基站建設(shè)完成后，再進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，調(diào)整基站參數(shù)，或者通過增加直放站或者新建小型基站來覆蓋信號弱覆蓋區(qū)域[3]，這樣需要很長時間才能實(shí)現(xiàn)該片區(qū)域無線信號的正常覆蓋，而且多次進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化也增加了建網(wǎng)成本。

本文給出了無線信號覆蓋仿真平臺設(shè)計，把基站的相關(guān)參數(shù)信息輸入仿真平臺中，通過無線信號仿真，查看仿真結(jié)果是否滿足無線信號覆蓋需求。對不滿足需求的基站，調(diào)正其基站參數(shù)，然后再進(jìn)行仿真，經(jīng)過多次仿真和參數(shù)調(diào)正，使最后的仿真結(jié)果滿足長江無線信號覆蓋需求。根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行新建基站的站址選擇和參數(shù)設(shè)置，避免網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃缺少客觀依據(jù)，為新建網(wǎng)絡(luò)提供一定的科學(xué)依據(jù)，同時也大大減輕后期無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的負(fù)擔(dān)，從而縮短建網(wǎng)時間，減少建網(wǎng)成本，實(shí)現(xiàn)長江無線信號覆蓋規(guī)劃最優(yōu)設(shè)計，滿足智慧長江的要求[4]。

1 設(shè)計思路

在對某片區(qū)域無線信號覆蓋進(jìn)行仿真前，先在Google Earth軟件上找到該區(qū)域的位置，將該區(qū)域放大到一定的比例，使Google Earth軟件在電腦屏幕上顯示的區(qū)域大概是3個基站覆蓋的區(qū)域，記錄該區(qū)域的最大經(jīng)度、最小經(jīng)度、最大緯度和最小緯度值，然后將屏幕截圖并保存圖片，記錄圖片的尺寸信息，得到每幅圖片所有像素點(diǎn)的經(jīng)緯度。用C語言編寫一個程序，該程序可以讀取每幅圖片的所有像素點(diǎn)經(jīng)緯度和該區(qū)域基站的參數(shù)信息，并通過無線鏈路衰減模型計算出該區(qū)域每幅圖片上每個像素點(diǎn)的終端接收信號強(qiáng)度值[5]。運(yùn)行Matlab軟件，通過對仿真程序的編寫，使仿真程序讀取每一張圖片的經(jīng)緯度和尺寸信息、每個像素點(diǎn)的終端接收信號強(qiáng)度值，通過對這些信息進(jìn)行處理，把終端的接收信號強(qiáng)度劃分為多個區(qū)間，不同的區(qū)間在仿真圖上用不同的顏色區(qū)分，仿真圖上不同像素點(diǎn)的終端接收信號強(qiáng)度按照其對應(yīng)的顏色進(jìn)行顯示，通過不同的仿真圖反映長江上不同區(qū)域的無線信號覆蓋情況。仿真流程圖如圖1所示。

圖1 仿真流程

由于理論仿真與實(shí)際無線信號覆蓋存在比較大的差距[6]，通過對實(shí)際無線信號覆蓋測量值與網(wǎng)絡(luò)仿真得到的數(shù)值進(jìn)行對比分析，找出二者之間的偏差，根據(jù)該偏差的大小對無線鏈路衰減模型的校正參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，使仿真軟件能對長江無線信號覆蓋情況進(jìn)行比較精準(zhǔn)的仿真。

2 仿真方法

長江上采用無線網(wǎng)絡(luò)對江面進(jìn)行無線信號覆蓋，網(wǎng)絡(luò)工作頻段為1 785～1 805 MHz，通信終端為CPE終端，通信終端采用以太網(wǎng)RJ45口與電腦相連，實(shí)現(xiàn)長江上運(yùn)行船只的無線通信[7]。

長江上基站的業(yè)務(wù)覆蓋半徑是指小區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在滿足業(yè)務(wù)質(zhì)量條件下的最遠(yuǎn)接收距離，根據(jù)小區(qū)邊緣數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率需求，可以求出滿足邊緣業(yè)務(wù)要求的覆蓋半徑，即為小區(qū)的覆蓋半徑。LTE上行鏈路預(yù)算分析的計算過程實(shí)際上是最大允許路徑損耗(MAPL)的計算。MAPL的計算主要是終端的最大發(fā)射功率和接收機(jī)靈敏度之間的差值，當(dāng)然還要考慮所有影響覆蓋因素的增益、損耗和余量[8]。具體的算式如下：

MAPL=Pmax-ReferenceSensitivity-Losses-Margins+Gains。

(1)

確定MAPL后，通過對應(yīng)環(huán)境的傳播模型就可以計算出對應(yīng)的小區(qū)半徑。傳播模型是電波傳播距離和傳播損耗之間的關(guān)系，通常表示為：

PropagationLoss=K1+K2lg(Rcell)。

(2)

根據(jù)長江網(wǎng)絡(luò)的無線信號工作頻率和長江上的無線環(huán)境情況，采用COST-231 Hata模型計算長江網(wǎng)絡(luò)無線鏈路衰減值[9]。具體取值如下：

K1 = 46.3 + 33.9lg(f) - 13.82lg(hb) -

α(hm)+Kc+Kx，

(3)

K2 =[44.9 - 6.55 × lg (hb)]，

(4)

式中，Kx為無線鏈路傳播模型的校正系數(shù)。

用選擇的無線鏈路傳播模型進(jìn)行C語言編程，該程序可以讀取每幅圖片的所有像素點(diǎn)經(jīng)緯度和該區(qū)域基站的參數(shù)信息，將該區(qū)域基站的參數(shù)信息代入無線鏈路衰減模型，計算出該區(qū)域每幅圖片上每個像素點(diǎn)的終端接收信號強(qiáng)度值[10]。

在Matlab軟件上編寫仿真程序，通過仿真程序讀取每一張圖片的經(jīng)緯度和尺寸信息、該圖片每個像素點(diǎn)的終端接收信號強(qiáng)度值，運(yùn)用Matlab軟件仿真功能進(jìn)行無線信號覆蓋仿真。由于不同像素點(diǎn)對應(yīng)的地理位置不同，終端在不同位置接收無線信號強(qiáng)度也不同，所以不同像素點(diǎn)的終端接收功率也不相同。把終端的接收信號強(qiáng)度劃分為多個區(qū)間，在仿真圖上不同的區(qū)間用不同的顏色進(jìn)行區(qū)分。將不同像素點(diǎn)的終端接收信號強(qiáng)度按照其對應(yīng)的顏色進(jìn)行顯示，得到長江上不同區(qū)域的無線信號覆蓋情況。

由于理論仿真與實(shí)際無線信號覆蓋存在比較大的差距，所以需要對無線鏈路衰減模型進(jìn)行校正。先選擇一片已經(jīng)開通基站并且能夠保證正常無線信號覆蓋的區(qū)域，同時該區(qū)域也比較容易進(jìn)行無線信號覆蓋數(shù)據(jù)測試。通過對該區(qū)域不同位置的終端接收信號功率進(jìn)行數(shù)據(jù)測試，然后通過仿真軟件對該區(qū)域進(jìn)行仿真，將測試數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，通過數(shù)據(jù)對比分析的方法找出二者之間的偏差，根據(jù)該偏差的大小對無線鏈路衰減模型的校正參數(shù)進(jìn)行設(shè)置[11]，使網(wǎng)絡(luò)仿真的數(shù)據(jù)與實(shí)際信號測試的數(shù)據(jù)更加接近，從而使仿真軟件能對長江無線信號覆蓋情況進(jìn)行比較精準(zhǔn)的仿真，并能更好地指導(dǎo)實(shí)際無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

3 仿真過程

以長江武漢段某連續(xù)3個基站覆蓋區(qū)域?yàn)槔榻B具體無線信號覆蓋仿真過程，具體仿真過程如下：

① 在Google Earth軟件上找到長江武漢段這3個基站區(qū)域的位置，將該區(qū)域放大到一定的比例，使Google Earth軟件在電腦屏幕上顯示這3個基站覆蓋的區(qū)域[12]，該區(qū)域如圖2所示。

圖2 Google Earth區(qū)域地圖

② 記錄該區(qū)域的最大經(jīng)度、最小經(jīng)度、最大緯度和最小緯度值。然后屏幕截圖并保存該圖片，該圖片的尺寸信息為1 440×791，具體的信息記錄過程如圖3所示。

GraphIDLatitudeLongitudeResolutionSouthernNorthernWesternEasternWidthHeightSite00130.19277830.335833113.803333114.1188891440791

圖3圖片信息截圖

③ 輸入該區(qū)域3個基站的相關(guān)參數(shù)信息，具體的信息記錄過程如圖4所示。

SiteIDGPSLongitudeLatitude方位角Azimuth下傾角Downtilt掛高Height頻點(diǎn)Frequency最大發(fā)射功率MaxTxPower(dBm)天線類型Tpye天線增益BsAntGain(dBi)SiteName1113.89027730.272777190.03.030.0240.0123南康社區(qū)113.89027730.27277760.03.030.0140.01232113.98055530.301388265.03.030.0240.0123鄧家口113.98055530.301388145.03.030.0140.01233114.04027730.242777310.03.045.0240.0123大咀114.04027730.24277790.03.045.0140.0123

圖4基站參數(shù)信息截圖

④ 通過C語言編寫的程序讀取該圖片的所有像素點(diǎn)經(jīng)緯度和3個基站的參數(shù)信息，并通過無線鏈路衰減模型計算出該區(qū)域圖片上每個像素點(diǎn)的終端接收信號強(qiáng)度值[13]。該區(qū)域部分像素點(diǎn)的終端接收無線信號強(qiáng)度值如圖5所示。

⑤ 運(yùn)行Matlab軟件，通過對仿真程序的編寫，使仿真程序讀取每一張圖片的經(jīng)緯度和尺寸信息、該圖片每個像素點(diǎn)的終端接收信號強(qiáng)度值，通過仿真得到該區(qū)域3個基站的無線信號覆蓋仿真圖，如圖6所示。

圖5 像素點(diǎn)的終端接收信號強(qiáng)度值界面圖

圖6 網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果

從圖6右邊的色例可以看出，上面顏色比較淺的區(qū)域?yàn)榻K端接收信號功率比較大的區(qū)域，而下面顏色很深的區(qū)域?yàn)榻K端接收信號功率很小的區(qū)域。在無線信號覆蓋仿真圖中長江江面上如果出現(xiàn)深顏色區(qū)域，則表示該區(qū)域?yàn)闊o線信號弱覆蓋區(qū)域[14]。可以看出，這3個基站可以滿足長江武漢段該區(qū)域的無線信號覆蓋要求，能夠進(jìn)行該區(qū)域的基站建設(shè)。

4 結(jié)束語

本文介紹了一款自主研發(fā)的無線信號覆蓋仿真平臺，利用Google Earth地圖模擬無線環(huán)境，通過對不同位置的終端接收基站信號強(qiáng)度進(jìn)行仿真，以確認(rèn)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中新建基站位置和其相關(guān)參數(shù)是否滿足無線信號覆蓋要求，如果不滿足要求，需要更改基站相關(guān)參數(shù)，并重新仿真直到滿足無線信號覆蓋要求為止。通過該仿真平臺進(jìn)行長江無線信號仿真，根據(jù)仿真結(jié)果指導(dǎo)基站選址和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，解決長江無線信號覆蓋規(guī)劃最優(yōu)設(shè)計問題，滿足智慧長江的要求[15]。