3G移動網絡規劃優化仿真軟件的設計與實現

李莉 陳海燕 李壯壯 時健

【摘要】 設計開發了3G移動網絡規劃優化仿真軟件。該系統采用C#語言和ArcEngine可視化引擎開發計。在技術實現方面，采用了柵格算法、Thiessen多邊形、和無向網絡等方法處理網絡規劃仿真中的復雜計算。在仿真教學方面，該系統結合高校教學實際情況提供了多種實用性的教學管理功能。該軟件既可以作為網絡規劃工具軟件完成規劃中的復雜計算，又可作為通信專業的教學軟件進行仿真教學。

【關鍵詞】 TD-SCDMA 網絡優化 覆蓋

一、引言

網絡規劃是3G移動通信系統建設中一個非常重要的環節，是決定網絡性能優劣的最基本前提。由于網絡規劃涉及大量的復雜計算和概念抽象，如無線覆蓋預算、繞碼相關性計算、碼資源分配、相鄰小區規劃、鏈路損耗計算等，網絡規劃必須借助與工具軟件進行。

3G移動網絡優化與分析軟件可以將實際網絡建設中的復雜規劃計算通過快速仿真處理，用圖形和數據表的方式給出直觀的網絡規劃結果。另一方面，對于網絡規劃中的一些抽象概念也可以通過仿真軟件進行直觀展示，有利于建立完整的對移動網絡規劃的理解。

二、系統結構與組成

3G移動網絡優化與分析軟件定位于TD-SCDMA技術，是一種新型的網絡優化與分析軟件，該軟件采用分布式、分層、模塊化、可伸縮、可組合的體系架構，從基礎網絡、業務、用戶三個層面衡量網絡，并對關鍵指標進行分析，結合功能強大的地理信息系統（GIS），為用戶提供基本運營指標的顯示、定位與分析，不僅可以使運營商有效把握網絡所提供的業務運行質量，還可以運用于實際教學，全面展現網絡規劃與優化工作的核心內容。

GIS在通信系統的應用相當廣泛，如本地資源網、光纖接入網、電信線路管理等都是基于GIS的開發應用，這種電信地理信息系統把電信設備與當地的地圖結合起來，再結合圖庫轉化技術，實現了電信設備的地圖化管理。基于GIS的TD-SCDMA網絡規劃與優化系統將各種類型的基站同本地地圖有機地結合，能夠分析、優化網絡中基站的覆蓋狀況，及時獲取基站的工作信息，從而了解整個網絡的運行狀況。

本系統結構采用三層架構Client/Server模式，網管數據庫基于Oracle而建，為TD-SCDMA網絡提供性能管理、故障管理等數據資料，并記錄網絡中所有基站各個時刻的指標信息，如圖1所示。規劃與優化系統并不對網管數據庫進行修改，只是通過網管數據庫提供的接口，實時讀取相關數據，將其導入到后臺本地數據庫中。本地數據庫基于SQL Server而建，數據庫中保存有系統實現各項管理和優化功能所需要的數據資料。在本地數據庫基礎之上，建立起呈現在客戶端的各項管理和優化功能模塊，其主要功能是：覆蓋規劃是對網絡中現有基站的覆蓋狀況進行圖形化顯示，首先，軟件將導入數據庫中的基站信息，并結合詳細地地圖經緯度信息，在地圖上顯示出來，然后根據內嵌無線鏈路傳播模型，軟件能夠自動根據基站的相關數據計算覆蓋半徑，并將覆蓋面積用圖形化的形式在客戶端顯示出來，便于維護管理人員進行查看； 鄰區規劃是對每個基站下的相鄰小區進行規劃，能夠查看鄰小區信息，實現自動鄰區數據的輸出； 頻點規劃是對每個小區的頻點進行規劃設計，方便維護人員的使用； 擾碼規劃是可以實現全網擾碼規劃、局部擾碼規劃和小區擾碼規劃等功能；性能分析可以實現基站信息的導入分析，根據實際維護工作的需求，實現添加、刪除、管理與維護各個基站的信息，為網絡規劃與優化工作帶來方便。完整的軟件使用功能介紹可以查閱軟件的幫助說明。

三、系統實現的關鍵技術

3.1 基于柵格法的無線信號覆蓋

無線網絡規劃中，覆蓋規劃的主要功能是通過無線信號的傳播模型對規劃區域進行覆蓋計算。傳播模型按照適用環境來劃分可分為室外傳播模型和室內傳播模型；按照傳播模型來源劃分可以分為經驗模型和確定性模型。以往的研究人員和工程師通過對傳播環境的大量分析研究已經提出了許多傳播模型，用于預測接受信號的中值場強。目前得到廣泛使用的傳播模型有Okumura-hata模型、COST321 Hata模型及通用模型等幾種[9]。

本系統采用的傳播模型是一種通用模型，它的系數由Hata公式導出。通用模型由下面的方程確定：

（1）首先根據基站的分布位置確定需要進行覆蓋規劃計算的Raster數據的范圍，即所有基站在東南西北四個方向上最邊緣的位置。這樣做可以有效減少計算空間，加快計算和顯示速度。（2）從第一個扇區開始，根據扇區設定的參數確定每個扇區需要計算的范圍。在數據范圍內逐格計算信號強度結果，對于已經存在信號的象元取信號強度的最大值為Raster數據值。并在Raster數據多余波段存儲信號強度最大的扇區索引，直至所有的扇區都計算完。（3）根據計算的信號Raster數據，按照設定的信號強度大小，對符合要求的Raster數據部分按指定的顏色和圖層進行顯示。

3.2 基于Thiessen多邊形的數據可視化

理論上小區的邊界范圍通常采用正六邊形表示，但實際系統中由于基站位置的隨意性，小區邊界不可能用正六邊形來表示，只能用多邊形表示。本系統中采用Thiessen多邊形法對小區的邊界范圍進行圖形化展示。

荷蘭氣候學家A·H·Thiessen提出了一種根據離散分布的氣象站的降雨量來計算平均降雨量的方法，即將所有相鄰氣象站連成三角形，作這些三角形各邊的垂直平分線，于是每個氣象站周圍的若干垂直平分線便圍成一個多邊形。用這個多邊形內所包含的一個唯一氣象站的降雨強度來表示這個多邊形區域內的降雨強度，并稱這個多邊形為泰森多邊形。泰森多邊形又叫Voronoi圖或Dirichlet圖。Delaunay三角形是由與相鄰泰森多邊形共享一條邊的相關點連接而成的三角形。Delaunay三角形的外接圓圓心是與三角形相關的泰森多邊形的一個頂點。泰森多邊形是Delaunay圖的偶圖。

泰森多邊形具有以下特性：（1）每個泰森多邊形內僅含有一個離散點數據；（2）泰森多邊形內的點到相應離散點的距離最近；（3）位于泰森多邊形邊上的點到其兩邊的離散點的距離相等。泰森多邊形可用于定性分析、統計分析、鄰近分析等。泰森多邊形示意圖如圖2所示。

仿真系統利用Thiessen多邊形計算扇區范圍的步驟如下：（1）將每個基站看做是平面上的一個離散數據點，用Bowyer_Watson算法構建這些數據點的Delaunay三角網。（2）在得到的Delaunay三角網中，對每個頂點的三角形的邊做垂直平分線，連接每條垂直平分線，得到Thiessen多邊形。（3）根據每個基站上的扇區之間的相對角度與設定的扇區計算半徑，計算扇區的覆蓋扇形。（4）把得到的覆蓋扇形與基站的Thiessen多邊形求交即計算出每個扇區的覆蓋區域。

3.3 帶邊數約束的無向網絡構建

在無線網絡的鄰小區規劃中，鄰區規劃的目的在于保證在小區服務邊界的手機能及時切換到信號最佳的鄰小區，以保證通話質量和網絡性能。鄰區規劃數量應該遵循適當原則，決定兩個扇區是否為鄰小區主要取決于兩個扇區之間的距離、天線朝向角、扇區周圍的無線網絡環境以及扇區預設的最大鄰區數量。

鄰區數據在規劃區域以內本質上可以表達為一個或多個有向圖網絡，而鄰接鏈表法是存儲有向圖結構最有效的方法之一[8]。仿真系統在進行鄰區自動規劃時，采用鄰接鏈表法記錄鄰區數據，將扇區作為網絡中的節點，扇區的鄰小區關系作為網絡中的邊，鄰小區的重要性作為邊的權值加以存儲。鄰小區規劃計算的過程就是帶邊數約束的無向網絡構建的過程。鄰區規劃步驟為：首先對符合要求的節點進行連接形成無向圖；然后將不符合參數約束的節點按照重要性排序刪除超出數量的邊，此時的無向圖即為鄰區規劃的結果。帶參數無向網絡構建的過程如圖3所示。

鄰區規劃算法有兩個關鍵問題，一是對扇區之間可以設置鄰小區的條件的確定，二是當扇區的鄰小區超過最大數量時對超出的數量如何取舍。系統首先將各扇區的鄰小區鏈表都置為空，然后根據扇區所屬基站之間的距離以及他們的相對朝向角決定是否應該將兩個扇區設置為鄰小區。為了解決第二個關鍵問題，算法引入鄰區優先級參數P。CellA與CellB的P值為：

K為距離角度歸一化參數，可以自行設置，將距離與相對角度統一處理。對每個扇區的鄰小區鏈表都按照權值排序。當某個扇區的鄰小區數超過最大數量時，剔除鏈表中權值最大的鄰小區。

四、系統功能

系統采用多文檔界面的開發模式，系統界面包含標準化的菜單、工具欄以及導航樹。在主體程序的框架下，用不同的子窗體分別用于顯示環境地理信息數據、移動網絡基站數據和網絡規劃仿真結果數據。系統運行界面如圖4所示，圖中顯示為利用Thiessen多邊形法計算所得到小區的邊界。

仿真系統利用ArcEngine在GIS圖形圖像方面的顯示和處理功能，網絡規劃中的各過程都可以形象直觀地在軟件中顯示。系統對基站覆蓋規劃計算，將計算結果得到的Raster數據按照設定的信號強度標準分為7種顏色，每種顏色覆蓋的范圍因所設定的強度標準而異。系統的仿真計算效果展示如圖5所示。

系統對移動網絡進行自動鄰區規劃后，可以對任一一扇區進行鄰區關系查詢。如圖6所示。其中紅色陰影小區為查詢的源小區，綠色陰影小區為源小區的鄰小區。仿真計算的結果可以直觀展示出相鄰小區之間的角度、距離、位置關系，以及鄰小區數量等信息。

五、小結

3G移動網絡優化與分析軟件在地理信息系統強大功能的支持下，輔助Visual C++進行集成二次開發，使得TD-SCDMA網絡規劃與優化的各種功能不斷得到完善，成功實現了網絡規劃與優化工作的可視化、圖形化和信息化，為日常的3G移動通信網絡的運營維護、管理工作帶來了眾多方便，改善與彌補了當前網絡規劃與優化工作的不足。