基于射線跟蹤的編組站場景5G覆蓋規劃方法

郭興海 彭程 吳睿涵

【摘要】? ? 鐵路5G專網是目前鐵路通信系統的重要工程。現采用射線跟蹤仿真方法，以豐臺西站貨場為研究場景。確定了場景RSRP和SINR標準，制定了使發射總功率最小的規劃目標。通過鏈路預算規劃場景天線數目，提出了快速計算場景RSRP情況的方法，建立了基于重疊復雜度的模型評價場景SINR情況的模型，從而提出天線角度規劃方法，篩選出10組最優天線角度組合。之后采用了模擬退火算法求出各角度組合下滿足RSRP和SINR標準的發射功率，選取各組中總發射功率最低者作為最終方案。現提出針對天線數目、天線角度和發射功率的一系列規劃和優化方法，在保證達到標準的情況下兼顧了計算的高效性，有利于鐵路5G專網的快速部署。

【關鍵詞】? ? 鐵路5G專網? ?射線跟蹤? ? 天線數目? ? 天線角度? ? 發射功率

Coverage Planning Method of 5G Private Network in Marshalling Station Scene Based on Ray-tracing Technology

Xinghai GUO1，Cheng PENG1，Ruihan WU1

（1. School of Electronic and Information Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044）

Abstract：Railway 5G private network is an important project of railway communication system. In this paper， the ray-tracing simulation method is adopted， and the freight yard of Fengtai West Railway Station is taken as the research scene. The RSRP and SINR standards of the scene are determined， and the planning goal of minimizing the total transmitting power is formulated. By planning the number of antennas in the scene through the link budget， a fast method to calculate the scene RSRP situation is proposed， and a model to evaluate the scene SINR situation based on the model of overlap complexity is established. The antenna angle planning method is proposed， and 10 groups of optimal antenna angle combinations are screened out. Then the simulated annealing algorithm was used to calculate the transmitting power satisfying the RSRP and SINR standards in each Angle combination， and the one with the lowest total transmitting power in each group was selected as the final scheme. In this paper， a series of planning and optimization methods for antenna number， antenna Angle and transmission power are proposed， which can guarantee the high efficiency of calculation while meeting the standards， which is conducive to the rapid deployment of 5G railway network.

Keywords：5G railway private network; ray-tracing; number of antennas; antenna angle; transmitting power;

引言

目前的GSM-R系統可以實現對列車的調度、監控及管理，也可以滿足旅客的簡單通信要求。但隨著智能調度以及視頻監控等列車安全輔助系統的應用，現有的技術已經無法滿足高速數據傳輸要求[1]。5G鐵路專網是在5G系統平臺上增加了鐵路運輸專用調度通信功能，可以更好地應用于鐵路運輸，并滿足下一代鐵路移動通信系統的功能及需求[2]。5G網絡對新一代鐵路的安全控制、調度管理起著至關重要的作用[3]。傳統的規劃和優化方法多基于既有經驗結合場景來設定基站站址和天線工參，并使用低速軌道車或人工測量獲取場景覆蓋場強，發現問題后進行優化。這會造成試驗測試與網絡規劃在時間上的剪刀差[4]，且存在盲目性較高、耗時長且勞動強度高的問題。因本文提出了基于射線跟蹤技術的網絡規劃方法，可降低網絡規劃初期的盲目性，在保證準確性的同時兼具計算開銷小的優點，有利于5G專網的快速部署。

一、仿真平臺、場景與參數設置

1.1 CloudRT[5]平臺簡介

CloudRT是一款基于射線跟蹤技術的仿真軟件，包括直射、反射、繞射、透射、散射五種電波傳播機理。

CloudRT的仿真結果包含每個收發機位置的信道沖激響應和所有多徑的詳細信息，包括多徑傳播機理類型、反散射階數和反散射點位置、到達時間、距離、復數域場強、路徑損耗、在垂直面和水平面的離開角和到達角等。對這些結果進行分析即可完成對場景的覆蓋規劃。

1.2 仿真場景與參數設置

豐臺西站為三級八場雙向縱列式編組站，貨場受周圍高層建筑物影響較小。本文選擇豐臺西站貨場作為仿真場景，并建立場景模型，如圖1所示。為建模與表達方便，本文將沿軌道方向記為x軸方向，垂直于軌道方向記為y軸方向。

仿真參數如表1所示：

站址選取應大體上給出基站的布局和預選站址的大致區域和位置，為規劃工作提供指導方向[6]。站址應盡量選擇樓頂、電線桿等作為依托，以降低建設成本。

本文選擇了場景中的兩個高樓樓頂作為基站選址，并在場景中部增加一個基站以減小站間距。基站位置如圖2所示。

本文中發射天線采用65°定向垂直極化天線，接收天線采用全向天線。基站和天線配置如表2所示：

接收天線為均勻撒點。車載天線設置在一臺HXD3型機車上方0.3 m，距機車最前端2 m之后。

二、優化目標與判決

作為列車專用網絡，覆蓋規劃必須優先保證場景RSRP和SINR達到要求，以確保業務質量和安全性[7]。5G基站耗電量過大是妨礙目前大規模建設的主要原因，因此本文以降低總功率為優化目標[8]。

業界對于2.1 GHz鐵路專網的RSRP和SINR標準尚不統一，本文對現有5G-NR在類似場景下的標準[9]進行了提高，設定為場景中95%區域滿足RSRP≥85 dBm，SINR≥3 dB。

三、天線數目規劃

本節采用鏈路預算的方法規劃天線數目[10]，并證明了在滿足場景RSRP要求的條件下，改變天線數目并不改變總功率。

鏈路預算首先要求出發射信號的最大衰減量，公式為：

（1）

式中PLθ，max是最大衰減量，Pi是第i個天線的發射功率，Gainθ， i是天線在θ角的增益，查詢天線增益表得到。L、R是損耗和余量，通常查閱文獻得到。Pmin是場景RSRP標準。

路徑損耗公式[11]為：

（2）

其中d0 = 100 m，n = 3.5。解出d從而得到在θ角的有效作用距離dθ，并將覆蓋范圍近似看作由一個個頂角為1°的等腰三角形組成，覆蓋面積為：

（3）

天線數目為：

（4）

天線數目規劃應當遵守兩個約束方程：

（5）

由式（1）（2）（3）（4）得到：

（6）

（7）

由（8）可知，當天線發射功率相同時，覆蓋場景所需總功率僅與各天線功率值有關，改變天線數目不能降低總功率。因此，本文選定了3根天線和4根天線兩種方案。

四、基站天線的組合方式與角度規劃

三天線和四天線的組合方式有4種，在各基站上的數量如表3：

對以上組合方式，先分別計算出最優天線角度組合，并在此基礎上分別進行功率優化，下文將詳細介紹各步驟的方法。

4.1 批量生成不同天線角度下的功率信息

天線角度的變化只改變各接收點多徑發出時的增益，可以通過變換天線增益矩陣來計算多徑新的增益和功率，從而求出各接收點在新角度下的功率信息。天線增益矩陣的變換方法如下：

水平角φ、俯仰角θ及對應的增益r構成一個360×180的矩陣r（φ， θ）。水平旋轉只需對矩陣行循環移位。豎直旋轉時，增益r同時是φ、θ的因變量，不能通過列循環移位改變，需以直角坐標為中間量進行坐標變換r（φ， θ）→r（ψ， ω），ψ是射線在xOz平面投影與+x軸的夾角，ω是射線與+y軸的夾角。

（8）

（9）

對每點的ψ加φ0以垂直旋轉，r（ψ， ω）→r（ψ'， ω'）。

（10）

ω'=ω? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

再進行如下反變換r（ψ'， ω'）→r（φ'， θ'），得到球坐標下角度。

（12）

（13）

原增益矩陣中的φ、θ的取值均為整數。

垂直旋轉之后的φ'、θ'一般不是整數，需要再調用二維插值函數計算整數φ'、θ'對應的增益，最終得到旋轉之后增益矩陣。

4.2 針對RSRP和SINR的角度優化

4.2.1 針對RSRP的優化

用Ri，w（i）（95%）表示當第i個天線位于w（i）角（w表示天線水平角u和俯仰角v的有序數對）時的第95%的RSRP值，并用idxi表示該值在原數組Ri，w（i）中的位置。算法為：

Ri = R1， w（1）（idxi） + … + Ri， w（i）（95%） + …

+ Rn， w（n）（idxi）? ? ? （i = 1，2，3，…，n） （14）

R = max（R1， R2， …， Rn） （15）

該算法是將第i個天線在θi角度下的場景95%功率點結合其他天線在該點的功率計算出RSRP，并在該角度組合下對n個天線都進行這樣的計算，選出最小的RSRP作為95% RSRP值。對一種天線組合方式中的所有角度組合遍歷這種算法，找到最大的95% RSRP值即為該組合方式下的最優化RSRP值。

據此計算場景95% RSRP值時并不非常準確，但只需計算場景中的數點，極大節約計算開銷，能在RSRP層面給予天線角度規劃以方向性的指引。

4.2.2 針對SINR的優化

針對SINR的優化，要同時考慮場景SINR數值大小和優化難度，這里先介紹重疊復雜度的概念。

在LTE同頻網絡中，將弱于服務小區信號強度6 dB以內且RSRP > ?105 dBm的區域定義為重疊覆蓋區域，重疊小區數每增加一個，SINR可下降40%以上[9]。本文中最多只有4根天線，因此將重疊復雜度SN定義如下：

若各天線在該接收點的RSRP相差小于6 dBm的個數為n，則重疊復雜度為n，若不存在相差小于6 dBm的RSRP，這一數值為0。

不同的重疊復雜度SINR優化的難度不同，重疊復雜度越高的位置功率優化難度越高，SINR數值越低。因此本文希望將不同的重疊復雜度賦予不同的權重，使得重疊復雜度較高的點盡可能少。

現建立統計全場景重疊復雜度ST的模型如下：

（16）

式（17）中n為統計點數，SNmax是重疊復雜度最大值，并對ST進行了歸一化。

對手持和車載天線兩種情況的ST分別計算并相加得到綜合重疊覆蓋情況SC。SC越大，說明天線間互相干擾的程度越高，反之則越低。

4.2.3基于RSRP和SINR的方案比選

進行方案比選需綜合考慮RSRP和SINR情況。

式（15）中R的角度組合僅僅是使RSRP最容易達到標準的組合，不一定利于SINR的優化。本文在三天線情況中篩選出R由大到小排列對應的前100組天線角度組合，作為針對SINR優化的預備組。

當探究四天線情況時，為避免同一基站上兩天線間的干擾，應保持兩天線張角大于65°。該張角對SINR優化的影響很大，因此對于每一組張角都保留100組天線角度組合作為預備組。

對于三天線情況，可直接篩選出SC最小的角度組合。對于四天線情況，本文將每一個天線張角預備組篩選出SC最小的天線組合，若該組合95% RSRP值或SC小于已篩選出所有方案的對應值則將其保留，否則淘汰。

另各天線水平角u旋轉范圍為0 ～ 360°，以10°步進，俯仰角v范圍為1 ～ 5°，以1°步進。u = 0表示天線指向+x軸，v = 0表示天線與xOy平面平行。得出最優化角度組合如上表（均為角度制）。

表4中的天線1、2、3逐一從1號基站向3號基站分布。

表5中的“2-1-1”表示1號基站上有2根天線，2號和3號各有1根天線，“1-2-1”和“1-1-2”以此類推。

表6中的天線1、2、3、4逐一從1號基站向3號基站分布。

五、功率優化

若天線i在接收點的功率為RPi，則該點總接收功率RP為：

（17）

同步增大每根天線的發射功率，使場景達到95%接收點RSRP > ? 85 dBm，然后使用模擬退火算法找出滿足95%區域SINR > 3 dB，并且發射總功率最小的功率組合。

使用模擬退火算法[12]求解最優功率組合的步驟如下：

1、給定初始溫度T0，并隨機生成初始解x0，計算相應的目標函數值f（x0），這里的目標函數為天線功率和;

2、令當前溫度等于冷卻進度表中的下一個值Ti;（第一次迭代時Ti = T0）

3、在當前解xi的附近隨機產生新解xj，計算新解的目標函數值f（xj）;（首次迭代xi = x0）

4、如果f（xj） < f（xi）且滿足約束條件，則接受新解xj;如果滿足約束條件但f（xj） > f（xi），則計算。然后隨機生成一個在區間[0，1]上服從均勻分布的隨機數r，如果r < p則接受新解xj;

5、在溫度Ti下，將步驟3和4重復Li次;

6、判斷是否滿足退出條件，如果滿足則退出，否則回到步驟2繼續迭代。

可以得到10種天線組合方案的最佳發射功率組合如下表：

方案2的總功率最小，選取方案2。方案2參數如表8：

分別畫出并統計手持與車載天線RSRP與SINR分布，如圖4、5、6所示。

六、結束語

5G鐵路專網的部署首先要保證安全性和通信質量，并在此條件下盡量節約能源，此外還應提高網絡建設的規劃效率。

本文基于射線跟蹤仿真平臺，利用電子地圖和建模軟件還原場景，實現了對場景電磁環境的軟件仿真，并基于仿真結果，提出了針對天線數目、天線在基站上的組合方式、天線角度和發射功率的優化分析方法，在保證了通信質量的前提下大大提高了分析效率，同時可將該方法應用到不同的場景。

參? 考? 文? 獻

[1]張純燕.淺談5G環境下的高速鐵路通信系統應用探索[J].通信管理與技術，2019（02）：28-30.

[2]楊艷.5G高鐵覆蓋及部署能力研究[J].電信技術，2019（10）：28-31.

[3]李雪，許揚.5G-R信令組網方案研究[J].鐵路通信信號工程技術，2020，17（10）：33-36.

[4]王孟重陽.5G在鐵路信號控制系統上的應用研究[J].商品與質量，2020，（35）：7.

[5]CloudRT， 2018. [Online]. Available： http：//www.raytracer.cloud/

[6]岳勝，于佳，蘇蕾等.5G無線網絡規劃與設計[M].北京：人民郵電出版社， 2019，183-184.

[7]李向良，文錦朝，賀雪梅，麥錦恩，王睿怡. 5G網絡覆蓋優化方法分析[A]. 中國通信學會.2019中國信息通信大會論文集（CICC 2019）[C].中國通信學會：人民郵電出版社電信科學編輯部，2019：4.

[8]喻上祿.淺談5G時代基站耗電量大的應對策略[J].中國新通信，2020，22（18）：27-28.

[9]韓瑋，江海，李曉彤.5G網絡設計與規劃優化探討[J].中興通訊技術，2019，25（04）：59-66.

[10]孫開宇，王洪梅，崔明，常鶴. 關于5G鏈路預算的研究[J]. 中國新通信. 2019（17）：51

[11]田斌等.無線通信[M].第2版.北京：電子工業出版社，2011：30-31.

[12]陳國飛.基于模擬退火的粒子群算法的函數優化研究[D]. 湖南：中南大學 ，2013：20-21.