基于射線跟蹤傳播模型的仿真在城區(qū)LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的應(yīng)用研究

賈全+劉詩(shī)虎

【摘要】 在密集城區(qū)LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，通用的傳播模型和傳統(tǒng)的仿真手段難以對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和干擾情況做出精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，造成站點(diǎn)開通后實(shí)測(cè)的覆蓋效果達(dá)不到規(guī)劃目標(biāo)值，影響了LTE建設(shè)進(jìn)度和網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果。通過(guò)在規(guī)劃仿真過(guò)程中采用ATOLL的CROSSWAVE射線跟蹤傳播模型代替通SPM傳播模型，能較好的模擬單個(gè)站點(diǎn)周邊傳播環(huán)境，有效提升站址規(guī)劃的準(zhǔn)確性。

【關(guān)鍵詞】 atoll 精確仿真 射線跟蹤

Abstract： In dense urban LTE network planning， universal propagation model and traditional simulation methods is difficult to make accurate forecasts of network coverage and interference， causing effects observed after the site opened up covering less than planned target， affecting the construction of LTE schedule and network coverage. ATOLL by CROSSWAVE propagation model using simulation in the planning process instead of generic SPM propagation model， capable of simulating the propagation environment surrounding a single site， effectively improve the accuracy of station site planning.

一、引言

在密集城區(qū)LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，由于區(qū)域內(nèi)無(wú)線傳播環(huán)境的復(fù)雜性，通用的傳播模型和傳統(tǒng)的仿真手段難以對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和干擾情況做出精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，很有可能造成站點(diǎn)開通后實(shí)測(cè)的覆蓋效果達(dá)不到規(guī)劃目標(biāo)值，需要后期進(jìn)行大規(guī)模的優(yōu)化和改造，極大影響了LTE建設(shè)進(jìn)度和網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果。針對(duì)密集城區(qū)LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的難題，在規(guī)劃仿真過(guò)程中采用ATOLL的CROSSWAVE射線跟蹤傳播模型代替通用SPM傳播模型，能較好的模擬單個(gè)站點(diǎn)周邊傳播環(huán)境，有效提升站址規(guī)劃的準(zhǔn)確性。

二、CROSSWAVE射線跟蹤傳播模型仿真的實(shí)現(xiàn)原理

ATOLL的CROSSWAVE射線跟蹤傳播模型是一種射線跟蹤模型。射線跟蹤是一種被廣泛用于移動(dòng)通信和個(gè)人通信環(huán)境中的預(yù)測(cè)無(wú)線電波傳播特性的技術(shù)，可以用來(lái)辨認(rèn)出多徑信道中收發(fā)之間所有可能的射線路徑。一旦所有可能的射線被辨認(rèn)出后，就可根據(jù)電波傳播理論來(lái)計(jì)算每條射線的幅度、相位、延遲和極化，然后結(jié)合天線方向圖和系統(tǒng)帶寬就可得到接收點(diǎn)的所有射線的相干合成結(jié)果。

射線跟蹤法的基本思想是：首先確定一個(gè)發(fā)射源的位置，根據(jù)3D地圖上的建筑物特征和分布找出發(fā)射源到每個(gè)接收位置（測(cè)試點(diǎn)）光線的所有傳播路徑，然后根據(jù)菲涅耳等式和幾何繞射理論/一致性繞射理論（GTD/UTD）等，確定反射和繞射損耗等，這樣相應(yīng)得到每條路徑到每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)，將同一測(cè)試點(diǎn)處到達(dá)的所有路徑的場(chǎng)強(qiáng)做相干疊加，得到每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)處總的接收?qǐng)鰪?qiáng)。

基于射線跟蹤傳播模型的仿真，充分考慮建筑物的特征和分布對(duì)信號(hào)傳播的影響，可以精確地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，仿真后覆蓋預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際路測(cè)情況一致性較好。

三、仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為了更好驗(yàn)證射線跟蹤傳播模型的優(yōu)異性，對(duì)LTE試驗(yàn)網(wǎng)試點(diǎn)區(qū)域展開了專題研究分析。我們采用了ANPOP仿真軟件+通用SPM傳播模型組合和ATOLL仿真軟件+CROSSWAVE射線跟蹤傳播模型組合方式分別對(duì)試點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行仿真，通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可以看出，采用ANPOP仿真軟件+通用SPM傳播模型的傳統(tǒng)方式進(jìn)行仿真，預(yù)測(cè)的覆蓋電平及干擾情況與實(shí)際路測(cè)結(jié)果在整體分段統(tǒng)計(jì)中較為接近，但在具體區(qū)域?qū)Ρ戎写嬖谝欢ú罹啵糠致范畏抡孑^實(shí)際路測(cè)結(jié)果或樂(lè)觀或悲觀，仿真結(jié)果不夠精確，不能完全理想地支撐站址規(guī)劃；采用ATOLL仿真軟件+CROSSWAVE射線跟蹤傳播模型進(jìn)行仿真，能較好的模擬站點(diǎn)周邊傳播環(huán)境，仿真預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際路測(cè)情況較為一致，具體分析情況如下：

3.1 ANPOP仿真軟件+通用SPM傳播模型分析結(jié)果

試點(diǎn)區(qū)域?yàn)槊芗菂^(qū)，共有23個(gè)LTE站點(diǎn)。傳統(tǒng)仿真方式采用ANPOP仿真軟件+SPM傳播模型，通過(guò)CW測(cè)試進(jìn)行模型校正。（圖1）

通過(guò)對(duì)比我們可以發(fā)現(xiàn)，ANPOP整體覆蓋預(yù)測(cè)情況預(yù)測(cè)偏樂(lè)觀。其中友誼路上方路段預(yù)測(cè)較實(shí)際情況要樂(lè)觀很多，武漢展覽館路段較實(shí)際情況悲觀；ANPOP整體干擾情況預(yù)測(cè)偏樂(lè)觀。其中友誼路上方路段預(yù)測(cè)較實(shí)際情況要樂(lè)觀很多，大京都賓館路段較實(shí)際情況悲觀。整體呈現(xiàn)一定的不均衡性。

3.2 ATOLL仿真軟件+CROSSWAVE射線跟蹤傳播模型分析結(jié)果

基于射線跟蹤傳播模型的仿真方式采用ATOLL仿真軟件+CROSSWAVE射線跟蹤傳播模型，CrossWave是由Orange Labs實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，由Forsk公司發(fā)布和支持的高級(jí)的通用傳播模型，主要模擬三種傳播現(xiàn)象，垂直衍射，水平面的導(dǎo)向傳播及山脈區(qū)域的反射傳播。

CrossWave通過(guò)將導(dǎo)入的地圖clutter classes的地物與CrossWave所能識(shí)別的地物進(jìn)行匹配，從而生成一個(gè)個(gè)100米精度的柵格文件，這些單個(gè)柵格文件用來(lái)描敘地物環(huán)境，每個(gè)柵格配套一套特定的傳播系數(shù)，從而精確模擬不同地物環(huán)境的傳播特性。通過(guò)建筑物外形（3D建筑物矢量地圖）生成用于尋找發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間所有的傳播路徑的Graphs文件。從而可以更好的在街道環(huán)境中模擬水平導(dǎo)向傳播，比SPM模型更準(zhǔn)確。

表1：ANPOP+SPM與ATOLL+CROSSWAVE的對(duì)比

項(xiàng)目 ANPOP+SPM ATOLL+CROSSWAVE

覆蓋電平RSRP仿真 覆蓋仿真結(jié)果與路測(cè)結(jié)果整體分布基本一致，但在具體區(qū)域出現(xiàn)上下波動(dòng)情況，無(wú)法修正，仿真結(jié)果不夠精細(xì) 覆蓋仿真結(jié)果與路測(cè)結(jié)果基本一致，能很好的預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況

干擾情況SINR仿真 干擾仿真結(jié)果與路測(cè)結(jié)果整體分布基本一致，但在具體區(qū)域出現(xiàn)上下波動(dòng)情況，無(wú)法修正，仿真結(jié)果不夠精細(xì) 覆蓋仿真結(jié)果與路測(cè)結(jié)果比較偏悲觀，不過(guò)可以通過(guò)加權(quán)值予以修正，從而獲得較準(zhǔn)確的干擾情況

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求較高，經(jīng)緯度信息要求精確到站點(diǎn)級(jí)別，同一站點(diǎn)小區(qū)位置在樓面小范圍挪動(dòng)對(duì)仿真結(jié)果影響較小 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求很高，經(jīng)緯度信息需要精確到每一個(gè)小區(qū)，小區(qū)在樓面位置的挪動(dòng)對(duì)仿真結(jié)果影響較大

電子地圖要求 電子地圖精度為5米、20米均可，無(wú)需建筑物及建筑物高度信息 電子地圖必須采用5米精度，需包含建筑物及建筑物高度信息

運(yùn)算速度 采用SPM模型時(shí)，ANPOP軟件運(yùn)算速度較ATOLL慢。 支持多線程運(yùn)算，SPM模型較ANPOP快；CROSSWAVE模型計(jì)算量很大，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)大約為SPM模型的10至20倍，對(duì)電腦性能要求較高

通過(guò)對(duì)比我們可以發(fā)現(xiàn)，采用ATOLL CROSSWAVE射線跟蹤傳播模型的覆蓋電平RSRP仿真與DT路測(cè)的結(jié)果基本一致，能夠很好的預(yù)測(cè)實(shí)際的覆蓋電平值；干擾情況SINR仿真較DT路測(cè)的結(jié)果均顯得悲觀，不存在正負(fù)波動(dòng)的情況，可以在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上疊加權(quán)值來(lái)預(yù)測(cè)干擾情況，以獲得較準(zhǔn)確的干擾情況。

3.3 ANPOP+SPM與ATOLL+CROSSWAVE對(duì)比分析總結(jié)（如表一）

四、結(jié)束語(yǔ)

射線跟蹤模型充分考慮建筑物的特征和分布對(duì)信號(hào)傳播的影響，可以很好地模擬無(wú)線電波傳播，幫助我們進(jìn)行精確的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，很好地滿足越來(lái)越精細(xì)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃需要。密集市區(qū)環(huán)境下中高層建筑較多，建筑物平均高度或平均密度明顯高于城市內(nèi)周圍建筑物，建筑物對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度有著十分重要的影響，射線跟蹤模型的優(yōu)勢(shì)非常顯著。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Atoll技術(shù)文檔 “Atoll_Getting_Started_LTE_320_Chi”

[2] Atoll技術(shù)文檔 “Atoll_310_LTE ACP_Getting Started_chi”

[3] Atoll技術(shù)文檔 “CrossWave_Getting_Started_410_V3_Chi”

表1：ANPOP+SPM與ATOLL+CROSSWAVE的對(duì)比

項(xiàng)目 ANPOP+SPM ATOLL+CROSSWAVE

覆蓋電平RSRP仿真 覆蓋仿真結(jié)果與路測(cè)結(jié)果整體分布基本一致，但在具體區(qū)域出現(xiàn)上下波動(dòng)情況，無(wú)法修正，仿真結(jié)果不夠精細(xì) 覆蓋仿真結(jié)果與路測(cè)結(jié)果基本一致，能很好的預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況

干擾情況SINR仿真 干擾仿真結(jié)果與路測(cè)結(jié)果整體分布基本一致，但在具體區(qū)域出現(xiàn)上下波動(dòng)情況，無(wú)法修正，仿真結(jié)果不夠精細(xì) 覆蓋仿真結(jié)果與路測(cè)結(jié)果比較偏悲觀，不過(guò)可以通過(guò)加權(quán)值予以修正，從而獲得較準(zhǔn)確的干擾情況

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求較高，經(jīng)緯度信息要求精確到站點(diǎn)級(jí)別，同一站點(diǎn)小區(qū)位置在樓面小范圍挪動(dòng)對(duì)仿真結(jié)果影響較小 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求很高，經(jīng)緯度信息需要精確到每一個(gè)小區(qū)，小區(qū)在樓面位置的挪動(dòng)對(duì)仿真結(jié)果影響較大

電子地圖要求 電子地圖精度為5米、20米均可，無(wú)需建筑物及建筑物高度信息 電子地圖必須采用5米精度，需包含建筑物及建筑物高度信息

運(yùn)算速度 采用SPM模型時(shí)，ANPOP軟件運(yùn)算速度較ATOLL慢。 支持多線程運(yùn)算，SPM模型較ANPOP快；CROSSWAVE模型計(jì)算量很大，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)大約為SPM模型的10至20倍，對(duì)電腦性能要求較高

通過(guò)對(duì)比我們可以發(fā)現(xiàn)，采用ATOLL CROSSWAVE射線跟蹤傳播模型的覆蓋電平RSRP仿真與DT路測(cè)的結(jié)果基本一致，能夠很好的預(yù)測(cè)實(shí)際的覆蓋電平值；干擾情況SINR仿真較DT路測(cè)的結(jié)果均顯得悲觀，不存在正負(fù)波動(dòng)的情況，可以在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上疊加權(quán)值來(lái)預(yù)測(cè)干擾情況，以獲得較準(zhǔn)確的干擾情況。

3.3 ANPOP+SPM與ATOLL+CROSSWAVE對(duì)比分析總結(jié)（如表一）

四、結(jié)束語(yǔ)

射線跟蹤模型充分考慮建筑物的特征和分布對(duì)信號(hào)傳播的影響，可以很好地模擬無(wú)線電波傳播，幫助我們進(jìn)行精確的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，很好地滿足越來(lái)越精細(xì)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃需要。密集市區(qū)環(huán)境下中高層建筑較多，建筑物平均高度或平均密度明顯高于城市內(nèi)周圍建筑物，建筑物對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度有著十分重要的影響，射線跟蹤模型的優(yōu)勢(shì)非常顯著。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Atoll技術(shù)文檔 “Atoll_Getting_Started_LTE_320_Chi”

[2] Atoll技術(shù)文檔 “Atoll_310_LTE ACP_Getting Started_chi”

[3] Atoll技術(shù)文檔 “CrossWave_Getting_Started_410_V3_Chi”

表1：ANPOP+SPM與ATOLL+CROSSWAVE的對(duì)比

項(xiàng)目 ANPOP+SPM ATOLL+CROSSWAVE

覆蓋電平RSRP仿真 覆蓋仿真結(jié)果與路測(cè)結(jié)果整體分布基本一致，但在具體區(qū)域出現(xiàn)上下波動(dòng)情況，無(wú)法修正，仿真結(jié)果不夠精細(xì) 覆蓋仿真結(jié)果與路測(cè)結(jié)果基本一致，能很好的預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況

干擾情況SINR仿真 干擾仿真結(jié)果與路測(cè)結(jié)果整體分布基本一致，但在具體區(qū)域出現(xiàn)上下波動(dòng)情況，無(wú)法修正，仿真結(jié)果不夠精細(xì) 覆蓋仿真結(jié)果與路測(cè)結(jié)果比較偏悲觀，不過(guò)可以通過(guò)加權(quán)值予以修正，從而獲得較準(zhǔn)確的干擾情況

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求較高，經(jīng)緯度信息要求精確到站點(diǎn)級(jí)別，同一站點(diǎn)小區(qū)位置在樓面小范圍挪動(dòng)對(duì)仿真結(jié)果影響較小 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求很高，經(jīng)緯度信息需要精確到每一個(gè)小區(qū)，小區(qū)在樓面位置的挪動(dòng)對(duì)仿真結(jié)果影響較大

電子地圖要求 電子地圖精度為5米、20米均可，無(wú)需建筑物及建筑物高度信息 電子地圖必須采用5米精度，需包含建筑物及建筑物高度信息

運(yùn)算速度 采用SPM模型時(shí)，ANPOP軟件運(yùn)算速度較ATOLL慢。 支持多線程運(yùn)算，SPM模型較ANPOP快；CROSSWAVE模型計(jì)算量很大，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)大約為SPM模型的10至20倍，對(duì)電腦性能要求較高

通過(guò)對(duì)比我們可以發(fā)現(xiàn)，采用ATOLL CROSSWAVE射線跟蹤傳播模型的覆蓋電平RSRP仿真與DT路測(cè)的結(jié)果基本一致，能夠很好的預(yù)測(cè)實(shí)際的覆蓋電平值；干擾情況SINR仿真較DT路測(cè)的結(jié)果均顯得悲觀，不存在正負(fù)波動(dòng)的情況，可以在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上疊加權(quán)值來(lái)預(yù)測(cè)干擾情況，以獲得較準(zhǔn)確的干擾情況。

3.3 ANPOP+SPM與ATOLL+CROSSWAVE對(duì)比分析總結(jié)（如表一）

四、結(jié)束語(yǔ)

射線跟蹤模型充分考慮建筑物的特征和分布對(duì)信號(hào)傳播的影響，可以很好地模擬無(wú)線電波傳播，幫助我們進(jìn)行精確的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，很好地滿足越來(lái)越精細(xì)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃需要。密集市區(qū)環(huán)境下中高層建筑較多，建筑物平均高度或平均密度明顯高于城市內(nèi)周圍建筑物，建筑物對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度有著十分重要的影響，射線跟蹤模型的優(yōu)勢(shì)非常顯著。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Atoll技術(shù)文檔 “Atoll_Getting_Started_LTE_320_Chi”

[2] Atoll技術(shù)文檔 “Atoll_310_LTE ACP_Getting Started_chi”

[3] Atoll技術(shù)文檔 “CrossWave_Getting_Started_410_V3_Chi”