射線跟蹤模型及其在LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的應(yīng)用

蘇蕾 于磊

【摘要】 本文主要介紹了射線跟蹤模型，并與傳統(tǒng)經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M行了對比，然后對其在LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的應(yīng)用進行了探討。通過微蜂窩環(huán)境下的測試結(jié)果，說明了射線跟蹤模型能夠很好的模型密集市區(qū)環(huán)境下無線信號的傳播。

【關(guān)鍵字】 射線跟蹤 傳播模型 crosswave LTE 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

一、概述

無線傳播模型是描述無線電波在介質(zhì)中傳播特性的數(shù)學(xué)模型，在無線蜂窩系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計時，使用無線傳播模型可以精確模擬未來的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供驗證提供基礎(chǔ)。同時一個相對準(zhǔn)確的傳播模型結(jié)合鏈路預(yù)算結(jié)果可以估算基站小區(qū)半徑，為無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供重要依據(jù)。

二、射線跟蹤模型

無線傳播模型按照來源性質(zhì)可分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、半?jīng)驗?zāi)Ｐ秃痛_定性模型：經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪歉鶕?jù)大量的測試結(jié)果統(tǒng)計分析后導(dǎo)出的公式，常用經(jīng)驗?zāi)Ｐ桶∣kumura-Hata模型、COST231-Hata模型及室內(nèi)傳播模型；半經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪窃诮?jīng)驗?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，基于大量測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計模型，常用半經(jīng)驗?zāi)Ｐ桶⊿tandard Macrocell Model和SPM模型；確定性模型是直接應(yīng)用電磁場理論計算出來的傳播模型，射線跟蹤模型是一種確定性模型，常用的射線跟蹤模型包括CrossWave模型、Volcano模型及MYRIAD模型。

2.1射線跟蹤模型介紹

射線跟蹤模型是一種確定性模型，該模型可以模擬電磁波傳播過程中的直射、反射和繞射過程，跟蹤所有從基站發(fā)射出來的射線，從而辨認出多徑信號中發(fā)射機和接收機之間所有可能的射線路徑。一旦所有路徑辨認出來，就可以根據(jù)相關(guān)電波傳播理論計算出每條射線的相位、幅度、延遲和極化，然后結(jié)合天線圖和系統(tǒng)帶寬，計算出接收機位置處所有射線的相干合成結(jié)果。

2.2射線跟蹤技術(shù)主要思路

射線跟蹤技術(shù)的主要思想是將天線理想化為一源點，大量電磁波射線由該源點均勻的輻射出去，然后由電子計算機程序追蹤各條射線的路徑。源射線在傳播過程中，先利用計算機程序的算法判斷是否有視距路徑，若沒有檢測到源射線與建筑物相交，則直接計算接收場并跟蹤另一條射線；如果檢測到有相交的情況，則源射線便被程序分解為折射射線和反射射線，這兩條射線都從源射線與建筑物體的交點發(fā)射出去，接著用類似源射線的處理方法來處理這些射線，即判斷折射射線和反射射線在到達接收點前是否與建筑物相交。對計算過程中產(chǎn)生的新的繞射射線，可以利用繞射理論將其加入總場計算中。射線強度隨著傳播距離的增加而衰減，計算過程則持續(xù)到射線強度下降到門限以下或無相交時為止。

2.3射線軌跡算法原理

射線跟蹤技術(shù)采用特定的算法計算射線的軌跡，常用的兩類算法是正向射線跟蹤法和反向射線跟蹤法。正向射線跟蹤法，即測試射線法，指從源點（基站等）出發(fā)，向周圍的球面空間均勻發(fā)射出大量的射線，并跟蹤所有射線的方法。為了確認每一條射線是否到達接收點，需要引入接收球的概念：接收球設(shè)置合理的半徑才能夠有效捕捉到源點散開的射線。如果接收球半徑太大，將會有超過一條的射線被接收點錯誤接收；如果接收球半徑太小，則有些接收點接收不到射線。測試射線法將所有到達接收機的射線做相干疊加，計算出接收點的場強。流程圖如下：

反向射線跟蹤法，也就是鏡像法，是基于反射定律、折射定律和解析幾何理論的點對點跟蹤技術(shù)，即從場點（接收機）出發(fā)，反向跟蹤每一條可能從發(fā)射線到接收點的路徑。一般情況下，跟蹤所有能從源點（發(fā)射機）到達場點（接收機）的路徑是不可能的?？紤]到電磁波傳播過程中場的衰減，可以忽略那些到達接收機時幅度很小的傳播路徑。對于室外接收機而言，可以忽略透射進入建筑物內(nèi)部的射線，只需考慮直射、反射和繞射。

正向射線跟蹤法流程簡單、計算快速有效，適用于僅需要信號覆蓋預(yù)測的研究目標(biāo)；反向射線跟蹤法流程復(fù)雜但精確度高，適用于需分析無線通信信道特性及需計算相關(guān)相位和極化信息的研究目標(biāo)。

三、射線跟蹤模型與其他模型對比

3.1各模型適用范圍

各類傳播模型的適用范圍如表1：

模型分類 適用范圍 優(yōu)點 缺點

經(jīng)驗?zāi)Ｐ?預(yù)測半徑大于1km的宏小區(qū) 1、對地理環(huán)境信息的細節(jié)沒有要求；

2、應(yīng)用于信息不準(zhǔn)確的環(huán)境里并能迅速得出結(jié)果。 不能對路損給出準(zhǔn)確的計算結(jié)果

半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?預(yù)測半徑大于1km的宏小區(qū) 1、對地圖要求較低（無需建筑物高度圖層）、成本低、速度快；

2、實際工程中采用最多； 精確度相對較低

確定性模型 支持所有小區(qū)類型，適合于預(yù)測半徑小于1km的微小區(qū)和微微小區(qū) 1、能精確考慮地理環(huán)境信息所帶來的影響；

2、能準(zhǔn)確預(yù)測很寬的頻帶內(nèi)的無線信號傳播特點，從而提供對系統(tǒng)整體性能的估計 1、對地圖精度要求高、成本高；

2、計算量大，速度慢；

3、精確度較高。

表1

3.2與實際測試對比

以深圳羅湖火車站區(qū)域為例，驗證射線跟蹤模型在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的應(yīng)用效果，同時與SPM模型的預(yù)測結(jié)果進行對比，可知射線跟蹤模型的精確度。

本次仿真采用Orange Lab公司的Crosswave、深圳市關(guān)內(nèi)區(qū)域5m精度地圖。射線跟蹤模型和傳統(tǒng)SPM模型預(yù)測的覆蓋效果與DT路測對比圖如圖2所示：

射線跟蹤模型仿真預(yù)測圖與路測圖更接近，可以看到明顯的街道效應(yīng)，還可以看到建筑物分布及特征對覆蓋預(yù)測結(jié)果的影響。而SPM仿真預(yù)測結(jié)果主要只考慮了天線方向圖及天線高度等的影響，其建筑物的分布對覆蓋預(yù)測結(jié)果基本上沒有產(chǎn)生影響，也不能看到由信號反射和繞射造成的街道效應(yīng)。因為SPM模型僅計算垂直剖面上的繞射損耗，因此其預(yù)測結(jié)果是較為規(guī)則的方向圖形狀，而CrossWave不僅計算垂直剖面繞射損耗，同時還計算水平剖面墻面反射和墻角繞射等。

類型 RSRP SINR

DT路測

射線跟蹤模型

SPM模型

圖2 不同傳播模型RSRP、SINR預(yù)測圖

仿真統(tǒng)計結(jié)果如下：

表2 RSRP仿真結(jié)果

Range DT路測 CrossWave仿真 SPM仿真

RSRP Level （DL） （dBm） >=-65 0.18% 1.20% 9.00%

RSRP Level （DL） （dBm） >=-80 29.23% 26.70% 54.3%

RSRP Level （DL） （dBm） >=-95 85.99% 88.90% 83.40%

RSRP Level （DL） （dBm） >=-105 97.59% 100% 97.20%

RSRP Level （DL） （dBm） >=-110 99.64% 100% 100%

RSRP Level （DL） （dBm） >=-120 100.00% 100% 100.00%

RSRP Level （DL） （dBm） >=-150 100.00% 100% 100.00%

從上表可知，每個區(qū)間CrossWave仿真結(jié)果與DT路測均在一個數(shù)量級且相差小于3%，而SPM仿真RSRP小于-80dBm區(qū)域間與DT路測相差較大，可知CrossWave仿真結(jié)果更接近于路測結(jié)果。

表 3 SINR仿真結(jié)果

Range DT路測 CrossWave仿真 SPM仿真

RS C/（I+N） Level （DL） （dB） >=25 5.93% 9.30% 15.80%

RS C/（I+N） Level （DL） （dB） >=20 21.38% 24.10% 28.80%

RS C/（I+N） Level （DL） （dB） >=10 68.78% 65.50% 65.40%

RS C/（I+N） Level （DL） （dB） >=0 94.83% 98.30% 97.50%

RS C/（I+N） Level （DL） （dB） >=-3 98.46% 100% 100%

RS C/（I+N） Level （DL） （dB） >=-6 99.53% 100% 100%

RS C/（I+N） Level （DL） （dB） >=-20 100.00% 100% 100%

由表3可知，CrossWave空載網(wǎng)絡(luò)仿真，各區(qū)間與DT路測結(jié)果小于4%，SPM空載網(wǎng)絡(luò)仿真與DT路測結(jié)果相差較大。

由仿真結(jié)果可知，射線跟蹤模型的預(yù)測結(jié)果與DT路測結(jié)果更接近。

四、在LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的應(yīng)用

隨著城市的發(fā)展，密集市區(qū)內(nèi)的建筑物密度及高度不斷增加。相對于2G/3G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，傳統(tǒng)模型只能從統(tǒng)計意義上對建筑物的影響進行粗略的估算，精確度較低，傳統(tǒng)模型已經(jīng)不能滿足LTE對于城區(qū)內(nèi)無線仿真的要求；而射線跟蹤模型基于3D電子地圖，能充分考慮建筑物的特征和分布對信號傳播的影響，進行精確的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，能夠滿足LTE無線仿真需求。

射線跟蹤模型預(yù)測的準(zhǔn)確性與高精度的電子地圖、站點工參的準(zhǔn)確性及軟件的算法密不可分。由于高精度（至少5米）含3D建筑物的電子地圖成本較高，且城市發(fā)展日新月異，數(shù)字地圖的更新往往滯后一些，使射線跟蹤模型的實際應(yīng)用受到了一些限制。另外射線跟蹤模型的算法是追蹤所有可能的射線傳播路徑，因此計算量往往是經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷臄?shù)倍，雖然隨著算法不斷改進，使用射線跟蹤模型預(yù)測所花費的時間大為縮短，但當(dāng)全部區(qū)域都使用射線跟蹤模型時，運算量是巨大的。

綜上所示，為了進行精確的LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，綜合考慮成本和可實施性，建議在市區(qū)使用射線跟蹤模型，在縣城或郊區(qū)等區(qū)域使用傳統(tǒng)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>