密集城區基站最佳間距的Monte－Carlo仿真分析

王蘭勛，李 婧，黃 坤

(1.河北大學信道估計實驗室，河北 保定 071000;2.河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 石家莊 050021)

Monte－Carlo仿真又稱隨機抽樣技巧法或系統實驗法，它是一種概率模擬方法。Monte－Carlo仿真是對整個網絡拍攝一定數量的網絡快照，每一個快照按照隨機分布生成一定的移動臺或者終端分布，通過迭代預算獲得終端與網絡側的連接能力，如果出現連接失敗則考慮多種連接失敗的可能。Monte－Carlo仿真通過對多個快照的結果進行統計分析，可以對網絡的性能獲得了解，為提供可信的規劃驗證提供了保障。由于Monte－Carlo仿真得到的結果更加貼近與實際系統的真實情況，對頻譜資源分配、無線網絡規劃及優化都有重要的指導意義。

1 密集城區仿真模型的建立

由于密集城區建筑物的特點，建筑物相對較高，其平均高度大于30 m，并且間距離相對較小，人口相對較密集，平均人口密度高于30000/km2，話務較密集。本文對某密集城區同一區域內的天線、方向角、下傾角和傳播模型等進行統一設置，分別設置200 m，400 m和600 m這3種不同的站間距的基站場景，通過仿真觀察找出合理的站間距。

1.1 天線的選擇

天線是無源器件，不能產生能量。天線增益只是將能量有效集中向某特定方向輻射或接收電磁波。天線的增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。網絡服務區的方位角覆蓋性能好壞取決于天線的水平方向角，垂直面半功率波瓣寬度決定了距離覆蓋的均勻性，在增益一定的前提下，波瓣越寬，覆蓋越均勻。本文中天線采用65deg 18 dBi 4Tilt的天線，其水平面圖和垂直面圖如圖1所示。

圖1 65deg 18 dBi 4Tilt天線的水平面圖和垂直面圖

1.2 下傾角的選擇

天線的下傾角度和安裝天線高度的調整主要是以改變主波瓣的覆蓋距離來控制小區的覆蓋半徑。在物理優化中，天線下傾角的調整成本低，實施簡便，作為優選控制覆蓋的物理調整方式[1－2]。天線的下傾角有機械傾角、電子傾角、機械傾角和電子傾角兩者兼備3種。與電子傾角相比，機械傾角在下調過程中，天線輻射圖隨機械傾角的增大而發生畸變，并逐漸在左右兩側形成兩個輻射強度較大的旁瓣。天線高度越高，因機械下傾角下調而形成的新的旁瓣越大，給網絡帶來了新的干擾。在實際應用中，當機械下傾角大于15°時，相鄰的基站扇區會收到該基站發出的相應的信號。因此為了無線網絡優化中通過物理調整方式有效控制小區覆蓋減小干擾，使用電子下傾角或機械傾角和電子傾角兩者兼備的天線作為基站使用的天線。在實際的網絡優化中，需要根據不同的地形地貌等實際環境進行設置。在本文仿真過程中，采用機械下傾角為5°，電子下傾角為4°。

1.3 傳播模型

本文采用如式(1)所示的標準傳播模型[3－4]

式中:LPath為路徑損耗(dB);K1為常量偏移與頻率相關的常數;K2為距離衰減系數;K3為基站天線高度修正系數;K4為與衍射損耗相關的系數且必須大于0;K5為基站天線高度及距離修正系數;K6為與移動臺高度相關的系數;K7為繞射修正系數;f為(clutter)地物衰減修正系數;d為基站與移動臺間的距離(km);HTxeff，HRXff為基站天線和移動臺天線的有效高度(m)。

2 系統仿真

Atoll是基于WCDMA的現代化的Monte－Carlo仿真器，包含了RRM(無線資源管理)和載波分配算法，可以對上下行鏈路進行功率控制，載波選擇建模。

Atoll的數據庫是由一套描述網絡的表格組成的。用戶新建一個工程的時候，可以選擇一個模板，然后Atoll就相應地生成一個數據庫。在UMTS模板包括的表格有基站表(sites table)、發射機表(transmitters table)、基站設備表(equipment table)、天線波瓣表(Antenna pattern table)、小區表(cells table)等。

進行Monte－Carlo仿真的過程:1)Monte－Carlo仿真是必須根據話務地圖的，Atoll根據話務地圖中的手機用戶數量和密度，隨機地在地圖上分配手機用戶數量和密度，隨機地在地圖上分配手機用戶的位置和用戶行為。2)根據第一步產生的結果，對上下行進行功率仿真。具體操作如下:

(1)導入地圖的3項基本信息，即點擊File—Import—選擇地圖所在文件夾—clutter文件—index文件—Clutter Classes，File—Import—選擇地圖所在文件夾—heights文件—index文件—altitudes，File—Import—選擇地圖所在文件夾—vectors文件—index文件—vectors。

(2)定義坐標系，即點擊 tools—options—projections。這里可以將地圖heights文件中的projection文件用記事本打開找到中央經線。一般使用的坐標系為Bejing1954坐標系。

式中：qe(mg/g)表示吸附量；Ce(mg/L)表示平衡濃度；a(mg/g)表示最大吸附量；b表示Langmuir系數，與吸附質和吸附劑之間的親和力相關聯[9]。

(3)導入基站信息，即Data—雙擊Site表或者是右擊Open Table。Atoll中的表與經常使用的Excell表的操作十分相似。在Site表中導入的是有關基站名稱、經度、緯度等的相關信息。

(4)導入天線信息，即采用65deg 18 dBi 4Tilt的天線。

(5)導入transmitter扇區，即點擊Data—transmitters—雙擊transmitters表或者右擊Open Table。在這里導入方向角、下傾角等的相關數據。

(6)定義傳播模型。

(7)定義Cell小區。

(8)畫出計算區域，即點擊Geo—Computer Zone—右擊選擇Draw。

(9)進行覆蓋預測，即點擊Data—prediction—New。這里可以進行兩個預測分別是Coverage by Transmitters properties和 Coverage by Signal level。

(10)話務模型設置，即對話務模型的設置是Atoll仿真的重中之重。這里需要對Data—UMTS parameter中的各項 Services，Mobility Types，Terminals，User Profiles核和Environments進行設置。

(12)進行仿真，即點擊 Data—UMTS simulations，一般進行20次預測，將結果提交，就可以進行predictions中的各種仿真預測了。這里主要進行的仿真包括Service Area(Eb/Nt)Uplink Cs12.2k，Service Area(Eb/Nt)Uplink Cs64k，Service Area(Eb/Nt)Uplink Ps64k，Service Area(Eb/Nt)Uplink Ps128k，Service Area(Eb/Nt)Uplink Ps384k，Effective Service Area Cs12.2k，Effective Service Area Cs64k，Effective Service Area Ps64k，Effective Service Area Ps128k，Effective Service Area Ps384k，Handoff status，pilot pollution，Pilot Reception Analysis(Ec/Io)，Coverage by signal level，Coverage by Transmitter。

3 仿真結果比較

若采用200 m間距進行建站，由于基站數過多，站間距過小，前向功率分配不當，小區覆蓋未能很好地控制，造成越區覆蓋，軟切換比例過高，導頻污染較嚴重等現象;若采用600 m間距進行建站，由于基站數量較少，站間距過大，系統負荷過重，容易產生盲區。采用400 m間距進行建站，無論從最佳小區、軟切換比例還是導頻污染分析，效果都是最佳的。

如圖2最佳小區覆蓋圖所示:200 m基站間距基站分布過密集，容易造成越區覆蓋;600 m基站間距中，密集城區基站分布過疏松，容易造成覆蓋盲區;400 m基站間距為最佳小區覆蓋的最佳基站間距。

圖2 3種基站間距對應的最佳小區覆蓋圖

在切換時，用戶終端先連接一個新的小區，后斷開原來的小區。一個用戶終端可以同時與兩個或多個小區相連。衡量網絡容量的一個很重要的指標就是軟切換區，通過切換仿真分析圖，可以觀察到切換鏈路的多少。如果切換鏈路過多，則會導致系統資源的浪費，甚至會出現掉話現象。如圖3所示，200 m基站間距切換圖中，切換鏈路過多，造成了資源浪費，并且掉話現象嚴重。相比較而言，400 m基站間距切換圖效果較為合理。

由于不同的地形地貌等環境的影響，不同扇區之間會產生信號間的干擾，產生導頻污染現象。如圖4所示，400 m基站間距基本無導頻污染，網絡質量較好。仔細分析，在小區與小區的邊界處和基站與基站的邊界處可能會由于主導頻強度不強，而出現部分導頻污染。

4 結論

通過以上最佳小區、切換區域、導頻污染的分析，可以看出，在密集城區400 m的基站間距方案從整體網絡性能比較，是一個最優選擇。通過仿真分析，可以模擬預測規劃區域內網絡質量。本次仿真過程中，使用的是20 m精度的電子地圖，沒有建筑物高度信息，這樣建筑物所造成的遮擋、反射等效應不能很好地在仿真中反映[5]。因而在實際的仿真具體某個地區的仿真過程中和實際基站的建設中，還需要結合路測的數據針對各個站點進行分析，對于出現部分實際問題可以采用相應的工程手段加以妥善解決，通過不斷地優化調整以達到網絡規劃的性能目標，給出最合算的配置方案。

[1]張長鋼，李猛.WCDMA/HSDPA無線網絡優化原理與實踐[M].北京:人民郵電出版社，2007.

[2]HOLMA H，TOSKALA A.HSDPA/HSUPA技術與系統設計[M].葉銀法，陸健賢，周勝，等，譯.北京:機械工業出版社，2007.

[3]李強，于游，孫瑞杰，等.TD－SCDMA集群通信系統會話類業務模型分析[J].電視技術，2011，35(15):103－106.

[4]夏林，張治中，鄭偉.WCDMA網絡信令集中監測系統的研究與設計[J].電視技術，2011，35(23):94－97.

[5]賴志強，朱燕平，何惠玲.山區城市WCDMA的網絡規劃與仿真設計[J].計算機與數字工程，2007(9):106－109.