基于地理信息系統(tǒng)的通信基站優(yōu)化選址與布局

劉翔翔， 張昌瀚

(南京市規(guī)劃設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 南京 210000)

5G產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，未來將應(yīng)用在各個領(lǐng)域。全球各地對通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)質(zhì)覆蓋的要求越來越高，而基站建設(shè)是通信網(wǎng)絡(luò)的有力物理支撐。

相關(guān)學(xué)者對基站建設(shè)選址展開研究。文獻(xiàn)[1-2]介紹了基站預(yù)規(guī)劃工作思路及注意事項，提出基站規(guī)劃需高效利用現(xiàn)有站址資源，在滿足運營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋與容量需求下，實現(xiàn)運營商站點融合。文獻(xiàn)[3-4]從通信基站布點規(guī)劃要求，技術(shù)、措施保障等方面對通信基站布點規(guī)劃進(jìn)行研討，科學(xué)化規(guī)劃基站站址。文獻(xiàn)[5-6]以具體城市基站建設(shè)作為案例研究，通過對移動通信基站規(guī)劃建設(shè)管理進(jìn)行了多方面的探索和實踐，基站作為城市基礎(chǔ)設(shè)施納入城市規(guī)劃體系。文獻(xiàn)[7-9]具體在進(jìn)行GIS技術(shù)無線通信基站選址的過程中，必須要考慮多方面因素，提高選址的合理性、科學(xué)性，高效性。文獻(xiàn)[10-12]中指出相關(guān)單位應(yīng)充分了解無線通信基站選址和鐵塔設(shè)計的基本要求，分析選址和設(shè)計的影響因素，堅持需求導(dǎo)向，逐漸提升基站選址和鐵塔設(shè)計過程中的管理和決策水平。面對5G快速發(fā)展，未來5G基站需求大幅增加，文獻(xiàn)[13-14]中提出了5G基站選址原則和站址規(guī)劃的優(yōu)化方案(“宏+微”、 “改+微”)，基站選址效率與通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果均得到有效提高。

基站建設(shè)使得我們生活的城市更加智慧，基站本身的規(guī)劃建設(shè)也需要更加智慧。本文首先介紹了GIS技術(shù)的內(nèi)容與基本概念，然后利用GIS的數(shù)據(jù)采集、空間分析、專題制圖和數(shù)據(jù)可視化等功能，對無線通信基站進(jìn)行優(yōu)化選址與布局?；贕IS術(shù)無線通信基站優(yōu)化選址與布局，能夠為加快信息經(jīng)濟(jì)發(fā)展和智慧城市建設(shè)提供有力的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)保障。

1 淺析GIS技術(shù)的內(nèi)容以及基本概念

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)是地圖學(xué)、地理學(xué)、遙感與計算機科學(xué)相結(jié)合的綜合性學(xué)科。

GIS主要具有以下功能：數(shù)據(jù)采集、輸入、編輯、存儲；空間分析，包括查詢分析，位置分析，趨勢分析、模式研究、模擬分析；專題制圖和數(shù)據(jù)可視化。GIS技術(shù)能夠解決復(fù)雜的規(guī)劃問題(如：城市規(guī)劃、發(fā)展規(guī)劃、繪圖規(guī)劃、路線規(guī)劃等)和管理問題(如資源管理、財產(chǎn)管理等)。隨著各行業(yè)技術(shù)化發(fā)展與要求，GIS技術(shù)將會得到更為廣泛的運用。[15]

2 基站規(guī)劃引導(dǎo)

2.1 規(guī)劃對象

規(guī)劃對象為通信基站中的宏基站。宏基站是通信運營商無線信號傳輸基站的主要站型，是移動話務(wù)量的主要承載者。宏基站設(shè)備容量大，覆蓋范圍大，基站天線的安裝高度應(yīng)略高于周圍建筑物的平均高度。

宏基站當(dāng)前主要是懸掛4G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，隨著5G技術(shù)的成熟與應(yīng)用，未來大量宏基站也會應(yīng)用于懸掛5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，保障網(wǎng)絡(luò)的高效覆蓋。

2.2 基站布局原則

基站布局原則如表1所示。

2.3 基站布局引導(dǎo)

2.3.1 話務(wù)分區(qū)引導(dǎo)

依據(jù)南京市“中心城區(qū)-副城-新城-新市鎮(zhèn)-新社區(qū)”市域城鄉(xiāng)體系，結(jié)合通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的要求及通信業(yè)務(wù)發(fā)展需求，將本次規(guī)劃區(qū)域分為高話務(wù)區(qū)，中話務(wù)區(qū)和低話務(wù)區(qū)。

南京市城鎮(zhèn)體系概況如表2所示。

表1 基站布局原則列表

表2 南京市城鎮(zhèn)體系表

南京市城鎮(zhèn)體系分布如圖1所示。

高話務(wù)區(qū)：由主城，副城的城鎮(zhèn)建設(shè)用地組成，同時還應(yīng)考慮旅游集散地區(qū)和人口密集地區(qū)等話務(wù)要求高的區(qū)域。

中話務(wù)區(qū)：由新城、新市鎮(zhèn)的城鎮(zhèn)建設(shè)用地組成。

低話務(wù)區(qū)：由新社區(qū)及其他用地組成。

2.3.2 布局密度引導(dǎo)

在進(jìn)行基站規(guī)劃布局的過程中應(yīng)充分考慮網(wǎng)絡(luò)傳播環(huán)境及話務(wù)密度分布情況。各區(qū)域基站需要差異化布局。

確定基站服務(wù)間距如圖2所示。

依據(jù)上圖中分析得出本次規(guī)劃范圍內(nèi)各場景下的基站服務(wù)間距，如表3所示。

2.3.3 建設(shè)條件引導(dǎo)

1)基站建設(shè)選址分類。根據(jù)城市用地分類，將基站規(guī)劃建設(shè)用地分為適宜建設(shè)用地(適建區(qū))、限制建設(shè)用地(限建區(qū))、禁止建設(shè)用地(禁建區(qū))。

適建區(qū)：對基站的建設(shè)類型、用地規(guī)模、輻射強度、天線外觀等方面無特殊要求的區(qū)域。

限建區(qū)：對基站的建設(shè)類型、用地規(guī)模、輻射強度、天線外觀等方面有限制條件的區(qū)域。在該區(qū)域范圍內(nèi)新建基站，需要考慮多種影響因素，進(jìn)行嚴(yán)格慎重的選址規(guī)劃。

禁建區(qū)：禁止新建任何基站的區(qū)域，該區(qū)域范圍內(nèi)不得新建和擴建任何基站。

2)基站規(guī)劃建設(shè)選址與區(qū)域劃分匹配性。根據(jù)城市總體規(guī)劃及城市各片區(qū)的控制性詳細(xì)規(guī)劃，明確規(guī)劃范圍內(nèi)各類用地的界限，明確基站適建、限建和禁建的建筑物類型。建議基站規(guī)劃建設(shè)選址與城市用地分類對應(yīng)起來，對應(yīng)關(guān)系見表4。

圖2 基站服務(wù)間距分析圖

表3 室外宏基站設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)表

表4 基站建設(shè)用地分類表

3 基于GIS技術(shù)無線通信基站優(yōu)化選址與布局

3.1 現(xiàn)狀基站整合

3.1.1 GIS系統(tǒng)內(nèi)現(xiàn)狀基站整合流程

現(xiàn)狀基站整合流程，如圖3所示。

圖3 現(xiàn)狀基站整合流程圖

3.1.2 現(xiàn)狀基站精準(zhǔn)入庫

1)現(xiàn)狀基站數(shù)據(jù)入庫。南京市現(xiàn)狀基站入GIS系統(tǒng)庫，如圖4所示。

圖4 南京市現(xiàn)狀基站入庫

2)現(xiàn)狀基站校準(zhǔn)工作。運用GIS進(jìn)行校準(zhǔn)，如圖5所示。

圖5 現(xiàn)狀基站位置校核

3.1.3 現(xiàn)狀基站盲區(qū)及場景分析

1)基站盲區(qū)分析。運用ArcGIS軟件對不同話務(wù)區(qū)進(jìn)行盲區(qū)分析，不同話務(wù)區(qū)基站設(shè)置對應(yīng)的覆蓋范圍。通過盲區(qū)分析可以清晰的掌握各區(qū)域內(nèi)信號覆蓋情況，針對信號盲區(qū)有計劃的開展基站規(guī)劃建設(shè)。

在GIS系統(tǒng)中展開基站盲區(qū)分析，如圖6所示。

圖6 基站盲區(qū)分析圖

2)基站場景分析。針對基站建設(shè)過程中景觀問題和落地問題進(jìn)行充分的梳理，此部分站點優(yōu)先進(jìn)行整合改造。

①景觀問題，基站建設(shè)與城市規(guī)劃缺少銜接，塔型和高度未與城鄉(xiāng)景觀風(fēng)貌較好協(xié)調(diào)。

②落地問題，市民對電磁輻射認(rèn)識不清，特別是大型居住小區(qū)基站落地難，需要與城市建設(shè)項目同步實施，避免后續(xù)矛盾。

3)現(xiàn)狀基站整合。對部分相距過近的周邊站點進(jìn)行現(xiàn)狀整合、優(yōu)化改造，實現(xiàn)共建共享，滿足周邊區(qū)域網(wǎng)絡(luò)需求，節(jié)約資源的目標(biāo)。鐵塔公司要積極主動協(xié)調(diào)運營商進(jìn)行基站整合。

現(xiàn)狀改造：在滿足運營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋的基礎(chǔ)上，優(yōu)先考慮在現(xiàn)狀站址資源上進(jìn)行共址建設(shè)。對于現(xiàn)網(wǎng)沒有新增建設(shè)需求，但存在站址資源距離相對較近，可以選擇較好的站址作為本次現(xiàn)狀改造的目標(biāo)對象。

現(xiàn)狀拆除：對于局部區(qū)域資源過剩的情況，現(xiàn)網(wǎng)站址條件較差，無法滿足共享需要的站址，現(xiàn)狀拆除部分基站，通過改造周邊滿足共享條件的現(xiàn)網(wǎng)站址，或者新增共享站址實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

現(xiàn)狀保留：分析現(xiàn)狀基站的共享情況，站址條件，綜合考慮實際情況，現(xiàn)狀保留其中滿足條件的現(xiàn)狀基站。

現(xiàn)狀基站整合前后對比，如圖7所示。

圖7 現(xiàn)狀基站整合前后對比圖

3.2 新建基站布局

現(xiàn)階段，基站通常是為了滿足話務(wù)需求和覆蓋弱信號區(qū)域而設(shè)立的。這種按需補建的方式，通常采用租賃住房或者單獨新建機房的方式新建基站，缺乏規(guī)劃指引和超前性，這就會影響原來的設(shè)計方案，影響整體建筑的美觀和諧。為此，本次專項規(guī)劃以已編的總體規(guī)劃和控制性詳細(xì)規(guī)劃為基礎(chǔ)，按照城鄉(xiāng)未來對通信基站發(fā)展需求，結(jié)合通信技術(shù)的發(fā)展趨勢，運用GIS技術(shù)對規(guī)劃范圍內(nèi)進(jìn)行全域的通信基站布局，使本規(guī)劃具有前瞻性，能夠適應(yīng)未來社會發(fā)展和城鄉(xiāng)建設(shè)等的需求，提高社會運營效率，推動社會全方位的發(fā)展。

1)GIS系統(tǒng)內(nèi)新建基站規(guī)劃流程。新建基站規(guī)劃流程圖如圖8所示。

圖8 新建基站規(guī)劃流程圖

2)基站預(yù)測。劃定區(qū)域后，各地市應(yīng)按區(qū)域?qū)ΜF(xiàn)有基站進(jìn)行分類，統(tǒng)計各區(qū)域的面積和相應(yīng)的基站數(shù)量，計算本區(qū)域的平均站間距。站間距的計算方法如圖9所示。

定向站：小區(qū)覆蓋半徑R，站間距D=1.5R，單站覆蓋面積1.949R×R。

全向站：小區(qū)半徑R，站間距D=1.732R，單站覆蓋面積2.598R×R。

現(xiàn)網(wǎng)站址基本是全向站，站間距D可由下式得出：

圖9 基站預(yù)測方法

其中，站間距D，m；區(qū)域面積，m2。

3)基站布局。為了科學(xué)合理進(jìn)行基站布局，集約使用空間資源，配合城市景觀的建設(shè)，本次基站規(guī)劃以城鄉(xiāng)規(guī)劃為依據(jù)，按照滿足規(guī)劃期內(nèi)業(yè)務(wù)需求，分為高中低話務(wù)區(qū)，采用網(wǎng)絡(luò)蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行站點統(tǒng)籌規(guī)劃，運用GIS技術(shù)對基站數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、空間分析、數(shù)據(jù)可視等處理，力求做到無線通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)能夠適應(yīng)未來社會發(fā)展和城鄉(xiāng)建設(shè)等的需求，成為推動全社會發(fā)展一個重要支撐。圖10為南京市秦淮區(qū)的基站布局圖。

圖10 秦淮區(qū)基站布局規(guī)劃示意

4 結(jié)論

以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)，以城鄉(xiāng)規(guī)劃為依據(jù)，貫徹落實移動通信基站共享共建策略，科學(xué)統(tǒng)籌，提高移動通信發(fā)展水平，滿足人民群眾信息化通信需求。城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃作為城市未來建設(shè)發(fā)展的重要方向，通信基站站址規(guī)劃是城市未來移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)支柱。

1)規(guī)劃以南京市總體規(guī)劃為依據(jù)，各片區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃為基底，借助GIS技術(shù)深入挖掘無線通信基站選址與優(yōu)化布局，提高了選址效率和覆蓋效果，對加快網(wǎng)絡(luò)信息化的新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用有著重大意義。

2)現(xiàn)狀基站整合與新建基站布局路線，邏輯清晰，方法合理，滿足城市發(fā)展網(wǎng)絡(luò)需求，節(jié)約資源。

3)有效地融合城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃，南京市通信基站建設(shè)管理科學(xué)化。根據(jù)城鄉(xiāng)建設(shè)進(jìn)程，同步建設(shè)基站，滿足社會發(fā)展需要。