基于CrossWave射線模型的室內(nèi)弱覆蓋分析方法研究

山笑磊

（中國通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司第四分公司，鄭州 450000）

0 引言

無論4G時代或5G時代，業(yè)務(wù)體驗(yàn)主要集中在室內(nèi)場景，室內(nèi)業(yè)務(wù)占比預(yù)計(jì)達(dá)80%以上，室內(nèi)覆蓋的重要性更加凸顯。伴隨各個運(yùn)營商室外覆蓋差異逐步縮小，室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)覆蓋差異將成為運(yùn)營商5G時代新的核心競爭力。

傳統(tǒng)的室內(nèi)弱覆蓋分析方法主要有拉網(wǎng)測試和用戶投訴數(shù)據(jù)等，面對越來越多的城市建筑，傳統(tǒng)的室內(nèi)弱覆蓋分析方法已經(jīng)無法滿足快速定位室內(nèi)弱覆蓋的需求。采用CrossWave射線傳播模型，對主要城區(qū)內(nèi)的所有建筑物內(nèi)部進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果快速定位室內(nèi)弱覆蓋區(qū)，以此作為室內(nèi)分布系統(tǒng)工程建設(shè)依據(jù)，對運(yùn)營商快速布局室內(nèi)弱覆蓋場景具有重要的指導(dǎo)作用。

1 CrossWave射線模型介紹

1.1 無線傳播模型分類

我們常用的傳播模型分為大尺度傳播模型和小尺度傳播模型。

大尺度傳播模型描述了較長距離內(nèi)接收信號的強(qiáng)度的緩慢變化情況，這些變化是由發(fā)射天線和接收天線之間傳播路徑上的障礙物遮擋造成的。主要的傳播模型代表由：Lee傳播模型、Okumura-Hata傳播模型、COST231-Hata傳播模型、Walfisch-Ikegami傳播模型、室內(nèi)傳播模型和CrossWave射線傳播模型。其中除CrossWave射線傳播模型外，其他均為統(tǒng)計(jì)性傳播模型。

小尺度傳播模型描述了短距離或短時間內(nèi)接收信號強(qiáng)度快速變化的模型。主要的傳播模型代表：AGWN模型、Raleigh時變信道模型、倫琴衰落模型。

在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，我們主要關(guān)注點(diǎn)是接收機(jī)所接收到信號場強(qiáng)的平均值，即大尺度下的衰落問題，而在理論研究中，傳輸技術(shù)的選擇和數(shù)字接收機(jī)的設(shè)計(jì)一般多采用小尺度傳播模型。

1.2 CrossWave射線傳播模型

CrossWave射線傳播模型是高級的通用型傳播模型，由OrangeLabs實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，支持從200MHz至5000MHz范圍內(nèi)的各系統(tǒng)頻段。CrossWave射線傳播模型不僅支持宏蜂窩小區(qū)，同時也支持微蜂窩小區(qū)的組網(wǎng)仿真。

CrossWave射線傳播模型從原理上來講，是用射線來代表電磁波的傳輸，在分析發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的位置信息，以及周圍建筑物環(huán)境特點(diǎn)后，根據(jù)電磁波繞射、反射、衍射等特性，模擬出每一條射線的傳播路徑，進(jìn)而計(jì)算出每一條傳輸路徑的相位、幅度、路徑損耗等信息。它主要模擬無線電波的三種傳播現(xiàn)象，建筑物垂直面的衍射，街道水平面的導(dǎo)向傳播，及山脈區(qū)域的反射。其他常見的統(tǒng)計(jì)性模型一般只考慮垂直面的衍射效果，而CrossWave射線傳播模型不僅考慮了垂直面的衍射效果，也考慮3D方向上所有的信號傳輸效果，即街道水平面的導(dǎo)向傳播。

為更好地實(shí)現(xiàn)工程仿真需求，也可以利用工程建設(shè)地點(diǎn)的CW測量數(shù)據(jù)，對CrossWave射線傳播模型進(jìn)行校正。

2 基于CrossWave射線模型的室內(nèi)弱覆蓋仿真分析

2.1 主要仿真參數(shù)介紹

CrossWave射線傳播模型區(qū)別于其他統(tǒng)計(jì)性模型，它是一種確定性模型，根據(jù)其原理，地形地物特征數(shù)據(jù)（Morphologies）、平面統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（Facets）和人工建筑矢量信息（Graphs）是射線傳播模型的重要參數(shù)。

（1）地形地物特征數(shù)據(jù)（Morphologies）。地形地物特征數(shù)據(jù)是由DigitalTerrainModel（數(shù)字地形模型，以下簡稱DTM）和ClutterClasses地圖配合生成，根據(jù)ClutterClasses地圖默認(rèn)的地物類型與CrossWave射線傳播模型進(jìn)行匹配，對ClutterClasses地圖中的每一種地物類型分配特定的傳播模型系數(shù)，精準(zhǔn)仿真每一種地物環(huán)境的傳播特性。

（2）平面匹配數(shù)據(jù)（Facets）。平面匹配數(shù)據(jù)同樣是由DTM和ClutterClasses地圖配合生成，主要模擬了小區(qū)覆蓋的反射情況，計(jì)算尋找所有的發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間的傳播路徑。一般而言，平面匹配數(shù)據(jù)多應(yīng)用于山區(qū)情況，不適用于城區(qū)內(nèi)的仿真。

（3）人工建筑矢量信息數(shù)據(jù)（Graphs）。人工建筑矢量信息數(shù)據(jù)是有建筑物3D矢量地圖生成，主要作用是計(jì)算發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間所有可能產(chǎn)生的傳播路徑，主要模擬了城區(qū)內(nèi)的街道水平面的導(dǎo)向傳播。

2.2 室內(nèi)弱覆蓋仿真分析方法及流程

2.2.1室外宏站覆蓋室內(nèi)仿真

收集分析區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)網(wǎng)基站信息，分別整理出Site基站表和Transmitter扇區(qū)表。Site基站表中應(yīng)包含基站名稱、經(jīng)度、緯度等信息。Transmitter扇區(qū)表中應(yīng)包含基站名稱、扇區(qū)名稱、掛高、方位角、機(jī)械下傾角、電子下傾角、天線類型、激活狀態(tài)等信息，尤其是所涉及到的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)信息應(yīng)與現(xiàn)網(wǎng)保持一致。

仿真工程所使用的3D地圖應(yīng)盡量采用精度較高的5米精度地圖，其中地圖部分應(yīng)包含建筑物矢量地圖。將現(xiàn)網(wǎng)基站信息以及3D地圖信息導(dǎo)入仿真軟件中，傳播模型選用CrossWave射線傳播模型，進(jìn)行室外覆蓋室內(nèi)仿真。本次以河南鄭州市為例，仿真效果如圖1所示。

圖1 室內(nèi)覆蓋仿真效果

2.2.2 現(xiàn)網(wǎng)室內(nèi)弱覆蓋分析

根據(jù)以上仿真，即可得到分析區(qū)域內(nèi)的所有建筑物內(nèi)部的覆蓋情況。由于采用的是室外宏站覆蓋室內(nèi)的仿真方法，因此需要剔除已完成室內(nèi)分布系統(tǒng)的建筑物。

將已完成室內(nèi)覆蓋的建筑物信息標(biāo)記在Googleearth或者其他地圖軟件中，并對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，室內(nèi)已覆蓋建筑均采用紅色標(biāo)示，具體如圖2所示。

圖2 已完成室內(nèi)覆蓋建筑物標(biāo)記

根據(jù)對比結(jié)果，建筑物室內(nèi)弱覆蓋且無室內(nèi)分布系統(tǒng)的情況均可識別到。將對比得到的室內(nèi)弱覆蓋建筑進(jìn)行地理化標(biāo)示，整理并輸出結(jié)果即可得到現(xiàn)網(wǎng)中室內(nèi)弱覆蓋的匯總情況。具體分析方法可以參照圖3所示。

圖3 室內(nèi)弱覆蓋分析方法流程

2.3 室內(nèi)弱覆蓋仿真分析方法驗(yàn)證

為了更好的驗(yàn)證此種分析方法的可行性，以及仿真效果和現(xiàn)網(wǎng)覆蓋狀況的吻合度，對河南省鄭州市進(jìn)行部分區(qū)域室內(nèi)覆蓋仿真，并對仿真中存在弱覆蓋且當(dāng)前無室內(nèi)覆蓋的建筑物進(jìn)行室內(nèi)路測驗(yàn)證。

選取鄭州市某商務(wù)樓，仿真工程顯示該建筑物內(nèi)存在弱覆蓋嚴(yán)重，同時結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)情況，該建筑并未進(jìn)行室內(nèi)覆蓋建設(shè)。根據(jù)仿真工程對其3、4、6層進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)抽取，并對這三層進(jìn)行室內(nèi)路測，室內(nèi)路測與仿真對比如圖4所示。路測的RSRP值與仿真數(shù)據(jù)對比如圖5所示，兩者吻合度較高。本次仿真中采用了50%的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷指標(biāo)，而實(shí)際中現(xiàn)網(wǎng)用戶數(shù)量及業(yè)務(wù)量均不高，兩者差異會相對較大，因此，本次未對比RSSINR數(shù)據(jù)指標(biāo)。

圖4 某商務(wù)樓3、4、6層路測及仿真數(shù)據(jù)

圖5 某商務(wù)樓3、4、6層仿真及路測數(shù)據(jù)RSRP對比

對比仿真與路測數(shù)據(jù)，就覆蓋指標(biāo)而言，基于CrossWave射線傳播模型所進(jìn)行的室內(nèi)弱覆蓋仿真與現(xiàn)網(wǎng)吻合度較高，具備快速分析現(xiàn)網(wǎng)室內(nèi)弱覆蓋的基本要求。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)CrossWave射線傳播模型實(shí)現(xiàn)了室外覆蓋室內(nèi)的仿真，并進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)室內(nèi)路測驗(yàn)證，充分證明了基于CrossWave射線傳播模型可以快速實(shí)現(xiàn)室內(nèi)弱覆蓋的批量定位，不僅降低了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化測試人員現(xiàn)場勘查測試時間和頻次，同時也提高了獲取室內(nèi)弱覆蓋的數(shù)量，因此基于CrossWave射線傳播模型的室內(nèi)弱覆蓋分析方法對工程開始前期的拉網(wǎng)測試具有重要的指導(dǎo)意義，提高了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員分析工程覆蓋目標(biāo)的效率。