基于GIS技術(shù)的無線通信基站選址分析

李 瑋

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)甘肅有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

傳統(tǒng)的無線通信基站選址與網(wǎng)絡(luò)布局方式已越來越難以滿足高效、科學(xué)、便捷的工作需要，GIS技術(shù)以強(qiáng)大的地形分析、全局可視化以及空間分析能力贏得業(yè)內(nèi)關(guān)注。在無線通信基站選址時(shí)，利用GIS技術(shù)可充分掌握基站的地理位置，以此開展網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，從而提高無線信息覆蓋和傳輸?shù)男逝c質(zhì)量。

1 基于GIS技術(shù)基站建設(shè)選址的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

基站選址的目的在于擴(kuò)大無線基站覆蓋范圍，提高話務(wù)質(zhì)量。站址的優(yōu)劣主要是由該站址的覆蓋范圍決定的[1]。基于GIS技術(shù)的二維電子地圖、三維地形圖的管理和空間分析能力，在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)上對(duì)地形條件、網(wǎng)絡(luò)布局、居民小區(qū)分布等因素進(jìn)行空間化處理，使用數(shù)字高程模型（DEM）和三維地圖可視化技術(shù)開展無線基站選址十分合適，可有效降低建設(shè)成本、提高網(wǎng)絡(luò)收益。

1.1 基于DEM建模

數(shù)字高程模型通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面地形的數(shù)字化模擬（即地形表面形態(tài)的數(shù)字化表達(dá)）[2]，實(shí)質(zhì)就是一個(gè)分片的曲面（平面）模型。通常借助二維空間建模（如等高線地形圖）來描述地形在三維空間的分布，函數(shù)形式：Z＝a0+a1X+a2Y+a3XY+a4X2+a5Y2+a6X3+a7Y3+a8XY2+a9X2Y+a10X4+a11Y4+a12X3Y+a13X2Y2+a14XY3+a15X5+a16Y5+…。

無線通信中，信號(hào)由基站發(fā)射，基站的信號(hào)受當(dāng)前的地貌和建筑物影響，無線基站選址分析使用DEM建模能準(zhǔn)確模擬出平原、丘陵、山地、盆地等地形地貌，是至關(guān)重要的過程。

1.2 三維可視化

1.2.1 電平可視化

傳統(tǒng)的方法中，無線覆蓋是通過測(cè)量RSRP以衡量網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力，人工持有移動(dòng)端設(shè)備在基站附近進(jìn)行實(shí)地人工測(cè)試，進(jìn)行拉網(wǎng)/dt測(cè)試，需要投入大量的人工成本和時(shí)間成本，且人工采集數(shù)據(jù)的效率低[3]。

MR數(shù)據(jù)中含有電平信號(hào)值，現(xiàn)有基于GIS三維的RSRP電平計(jì)算方法，首先獲取歷史時(shí)段內(nèi)待檢測(cè)區(qū)域中每個(gè)MR采樣點(diǎn)的歷史RSRP電平和每個(gè)MR采樣點(diǎn)服務(wù)小區(qū)內(nèi)定位參數(shù)（小區(qū)全局標(biāo)識(shí)符、小區(qū)名稱、小區(qū)類型、基站唯一編碼、天線增益參數(shù)），在三維地圖上生成小區(qū)覆蓋圖層，在所述小區(qū)覆蓋圖層上生成大小為20 m×20 m柵格，以RSRP電平柵格圖層疊加三維地圖的形式展現(xiàn)，生成柵格RSRP網(wǎng)格模型。

1.2.2 視域分析

可視域分析是在三維地圖上柵格數(shù)據(jù)的表面，對(duì)于某個(gè)或者多組觀察位置點(diǎn)，通過確定定的相對(duì)高度，提取出在確定的長(zhǎng)度和方向范圍內(nèi)可以看到的區(qū)域，并將分析結(jié)果輸出為一個(gè)柵格數(shù)據(jù)集[4]。

如果單考慮地形因素，當(dāng)在山峰a的觀測(cè)點(diǎn)上去觀察山峰b和山峰c的相對(duì)位置時(shí)，山峰a和山峰b之間的山谷沒有被遮擋，為可視范圍；但是山峰b和山峰c之間有部分區(qū)域被山峰b遮擋，這部分被遮擋的區(qū)域即為不可視范圍；山峰c后面的山坡因?yàn)楸簧椒錭遮擋住，也是處于不可視范圍。本系統(tǒng)基于DEM模型，通過挨個(gè)判斷基站高度和柵格點(diǎn)高度之間可視性，確定二者之間的可視關(guān)系，將不可視區(qū)域權(quán)重賦值為零，將可視區(qū)域權(quán)重賦值為一，并利用不同的賦值方法將可視區(qū)域和不可視區(qū)域用不同的色彩方法加以渲染。

2 基于GIS技術(shù)的業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)

甘肅地形呈狹長(zhǎng)狀分布，地貌復(fù)雜，山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁等類型齊全、交錯(cuò)分布，四周群山環(huán)繞，地勢(shì)自西南向東北傾斜。考慮建設(shè)利用GIS數(shù)字化地圖構(gòu)建一套專業(yè)系統(tǒng)，選擇一個(gè)盡量少受高山阻擋、能夠保證電波信號(hào)覆蓋的有效性高和范圍大的區(qū)域。該系統(tǒng)通過三維地圖模型搭建、基站電平分析、基站視域分析、基站資源數(shù)查看和實(shí)地勘測(cè)驗(yàn)證等五方面的應(yīng)用功能模擬達(dá)到選取最佳無線基站位置和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目的。

2.1 業(yè)務(wù)架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)架構(gòu)分成三層：二維、三維地圖模型模塊，業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊，實(shí)地勘察驗(yàn)證。根據(jù)需求，系統(tǒng)需設(shè)計(jì)為一個(gè)基于GIS的無線基站最優(yōu)選址可視化展示系統(tǒng)，以減少一線人員對(duì)基站選址的主觀性。系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 二維、三維地圖模型搭建

在設(shè)計(jì)中基于ArcGIS功能引擎，繪制完成平面基礎(chǔ)電子底圖，實(shí)現(xiàn)二維、三維地圖的發(fā)布，基于SketchUp和CityEngine方法構(gòu)建三維模型，通過ArcGIS API for Javascript搭建網(wǎng)頁端三維地圖可視化平臺(tái)，利用Ajax和Java Servlet實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁前端和后端服務(wù)器的交互及業(yè)務(wù)處理，基于WebGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景在網(wǎng)頁中的瀏覽模式和交互操作。在平臺(tái)屬性查詢功能中，通過二維表的形式將地物附加屬性存儲(chǔ)在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。

2.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用

2.3.1 基站電平分析

隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，用戶對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量的要求越來越高，因此，基于電平分析的無線基站選取工作已成為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)后端運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)關(guān)注的重點(diǎn)，所以以地理柵格為基本單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析電平數(shù)據(jù)的方案應(yīng)運(yùn)而生，該方案先開展電平分析，之后進(jìn)行異常小區(qū)分析。

（1）電平分析。已知二維坐標(biāo)平面存在點(diǎn)P（Px,Py），該點(diǎn)距離基站A（A x,Ay）、基站B（B x,B y）、基站C（C x,C y）的距離均已知，則通過三點(diǎn)定位原理可以確定點(diǎn)P的唯一坐標(biāo)（P x,P y）。柵格化定位利用上述三點(diǎn)定位原理將距離轉(zhuǎn)換為電平值（LtescRsrp,LtencRsrp），且將三個(gè)基站覆蓋區(qū)域的唯一交點(diǎn)轉(zhuǎn)換為與該P(yáng)點(diǎn)間最小的柵格距離所在位置作為定位結(jié)果。

通過將上述具體采樣點(diǎn)MR數(shù)據(jù)中的主服務(wù)基站和臨服務(wù)基站電平值與基礎(chǔ)指紋庫中的主服務(wù)基站和臨服務(wù)基站電平值進(jìn)行關(guān)聯(lián)查詢，獲得結(jié)果集；將上述結(jié)果集按照指定的規(guī)則（主服務(wù)基站、時(shí)間戳、S1apid等）進(jìn)行分組（group by），計(jì)算各組的最小距離并進(jìn)行排序，取各分組中最小距離作為定位結(jié)果。

在三維地圖上，將分析出來的最小距離結(jié)果，根據(jù)不同的距離范圍在三維地圖模型上給予一定顏色渲染覆蓋，完成基于GIS三維地圖的基站的電平可視化展示。

（2）異常小區(qū)分析。該分析可根據(jù)RSRP信號(hào)優(yōu)良比、RSRP信號(hào)變化趨勢(shì)、RSRP信號(hào)區(qū)間分布對(duì)異常小區(qū)進(jìn)行分析，其中包含冗余覆蓋小區(qū)分析、無信號(hào)小區(qū)覆蓋分析。根據(jù)對(duì)異常小區(qū)的分析結(jié)果，判斷新建無線基站選址是否合理或者在無信號(hào)小區(qū)內(nèi)新增無線基站。

2.3.2 基站視域分析

考慮到無線基站選址原則，無線基站應(yīng)選在易于安裝接收設(shè)備且視野開闊的地方，應(yīng)避開障礙物，以免信號(hào)被吸收或遮擋。地形分析在無線基站選址中占有重要地位，而視域分析是地形分析的重要組成部分[5]。

在本系統(tǒng)進(jìn)行視域分析時(shí)利用一條長(zhǎng)達(dá)120千米的山地地形，對(duì)比分析多種通視性方法，并對(duì)多種算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。例如，將100 000個(gè)視點(diǎn)與一個(gè)在三維地形上任意分布的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行比較，其高度定為0至100米的任意數(shù)值，計(jì)算出兩對(duì)通視性。計(jì)算的結(jié)果如表1所示，總的計(jì)算時(shí)間以微秒為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

表1 通視性計(jì)算結(jié)果性能比較

（1）傳統(tǒng)算法（算法1）：視線S=vt通過與DEM地形上所有的三角形進(jìn)行相交運(yùn)算，以此判斷是否有三角形遮擋住目標(biāo)點(diǎn)。如果存在一個(gè)三角形遮擋住目標(biāo)點(diǎn)T，則該條視線S=vt不通。此算法計(jì)算量大，耗時(shí)長(zhǎng)，效率低。

（2）視線與邊相交法的改進(jìn)算法（算法2）：給定一個(gè)DEM數(shù)字地形M＝f(a,b)，在M上有視點(diǎn)V和目標(biāo)點(diǎn)T，我們的目標(biāo)是計(jì)算V與T之間的通視性，為了解決這個(gè)問題，我們可以通過計(jì)算視線S=vt在a-b平面上的投影與M邊界的交點(diǎn)來進(jìn)行。對(duì)于每個(gè)交點(diǎn)P，該點(diǎn)位于M相應(yīng)邊e對(duì)應(yīng)的地形上方需要進(jìn)行驗(yàn)證。如果所有交點(diǎn)處的視線s都位于相應(yīng)的地形上方，那么視點(diǎn)V和目標(biāo)點(diǎn)T之間是具有通視性的。

根據(jù)本次圖表展示，采用算法2計(jì)算過程中，每條DEM格網(wǎng)線對(duì)通視的影響均以函數(shù)的形式從中心向外圍傳遞，無須內(nèi)插，計(jì)算結(jié)果精確，運(yùn)算速度快，可以有效地提高總視域，且大幅減少計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率，減少了計(jì)算量。

2.4 實(shí)地勘測(cè)驗(yàn)證和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

初步選址后，因技術(shù)、資料的現(xiàn)勢(shì)性等因素，繼續(xù)采用GIS技術(shù)模擬的方法會(huì)有一定的影響或偏差。為了保證選址的合理性和精確度，必須對(duì)GIS模擬結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)。

選取一位置進(jìn)行掃頻測(cè)試分析查詢、語音測(cè)試分析查詢和GPRS測(cè)試分析查詢，導(dǎo)入輸入結(jié)果，并存儲(chǔ)到地理數(shù)據(jù)庫，并在二維、三維地圖中展示出來，再和電平分析、視域分析模擬的無線基站選址位置進(jìn)行對(duì)比分析，可見基于GIS技術(shù)的無線基站選址效果佳，還可以有針對(duì)性地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，調(diào)整基站的各項(xiàng)參數(shù)。

3 結(jié)束語

由此可見，GIS在地理空間環(huán)境方面表現(xiàn)出強(qiáng)大的空間信息分析能力和特性，三維GIS技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確地對(duì)各種地理?xiàng)l件下的資料進(jìn)行三維模擬和視域分析，充分利用電平可視化特性和空間分析優(yōu)勢(shì)，減少人為干擾因素，確定基站的最優(yōu)位置，減少信號(hào)盲區(qū)和冗余區(qū)，同時(shí)有助于優(yōu)化服務(wù)小區(qū)網(wǎng)絡(luò)。GIS技術(shù)為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃選址與優(yōu)化設(shè)計(jì)、覆蓋模擬、空間分析與定位提供了一種高效快速、科學(xué)準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)便捷的新技術(shù)方法，科學(xué)、有效地支持我國(guó)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與管理，具有很好的工程應(yīng)用前景。■