X-Model傳播模型3D仿真在5G室內外協同規劃中應用與研究

藍萬順，劉大洋*，張悅，徐登軍，廖繁茂，李珂

（1.中國移動通信集團廣東有限公司，廣東 廣州 510623；2.華為技術有限公司，廣東 深圳 518129）

0 引言

傳播模型是無線網絡規劃的基礎能力，傳統2G/3G/4G網絡規劃大部分使用SPM/CostHata/OkumuraHata 等經驗傳播模型。5G 網絡的頻譜更高（C-band～mmWave），高頻信號反射、繞射、穿透和傳播能力相比Sub3G 更弱，對5G 網絡規劃技術提出更大的挑戰[1]。

基于國內5G 頻譜策略，需要啟動5G 同頻室內外協同立體組網，夯實基礎覆蓋和容量承載能力。如何在規劃階段評估室外信號在樓宇內部的覆蓋情況，通過精細化室分設計規避室內外同頻干擾，成為提升室內感知的一個重要挑戰。

鑒于此情況，需要有更高效的室內外信號評估方法，作為室內外協同規劃和精細化設計的數據輸入，引入射線追蹤模型進行3D 仿真，射線追蹤模型可以模擬出信號傳播路徑中的反射、繞射、散射、穿透等現象，適合于傳播環境復雜的城區環境。

通過室外信號3D 仿真，在不受限于樓宇限制準入情況下，批量高效輸出室外信號對樓宇外圈及樓宇內部的覆蓋評估，作為室分詳細設計的輸入與參考，通過調整室分建設優先級以及室分點位設計，實現室內外協同規劃，降低室內外信號干擾。室外信號3D 仿真的應用價值如下：

（1）基于3D 仿真進行室外信號對樓宇內部覆蓋的評估，用于指導5G 室分建設的優先級和室分系統精細化設計的參考。

（2）5G 移動通信網絡的高頻段存在通過室外信號覆蓋即可滿足室內覆蓋和速率要求的樓宇，此種場景在5G 低負載場景下，可以不用建設室分。

（3）5G 移動通信網絡的高頻段存在通過室外信號覆蓋即可滿足室內部分淺層區域覆蓋和速率要求的樓宇，此種場景下室分系統點位設計需要考慮與室外的協同優化。

1 Racye射線跟蹤傳播模型介紹

（1）Racye 傳播模型具有準確性高，效率快（分布式云化）的特點，解決無線信號由基站空口到UE 側的傳播路損計算問題。Racye 模型在無線網絡的位置如圖1 所示：

圖1 傳播模型

（2）Rayce 模型相對于傳統傳摸，包括業界射線追蹤傳播模型的Aster 模型，技術更加領先。

Aster 模型反射繞射損耗是經驗值，未考慮材質和角度。Aster 模型中經驗項參數過多，雖然可以使得校正結果更好，但容易造成過度擬合，最終降低預測準確性。而Rayce 模型的傳模公式計算簡化，只包括確定性多徑損耗計算和經驗修正項[6]。Rayce 模型的傳模公式如式(1)所示：

其中，Ldet為確定性（多徑）損耗計算，Lcor為經驗修正項。

確定性參數通過3D 路徑搜索和多徑損耗計算，波束全空間搜索，理論計算單次反射繞射損耗（角度、材質相關），直射反射繞射多路徑能量線性合并。經驗修正項參數包括8 個，傳播模型準確性取決于根據仿真場景和環境進行調整的準確度。

Rayce 整體模型公式如式(2) 所示：

其中，C1：常數因子，典型值為0；C2：距離因子，典型值為16；d：距離，單位m；C3：收發機高度因子，接收機高度包含實測數據實際高度，典型值為-0.72；Htx：收發距離高度，單位m；δ：頻率項系數，典型值為0.5；lossFSL：1 m 自由空間損耗，單位dB；LP：穿透損耗值，單位dB；CAnt：天線增益修正因子，典型值為1；LAnt：天線增益，單位dB；Lveg：植被損耗，單位dB；ε：多徑確定型因子；Lmulti-path：確定型路損，單位dB；C4：Direct Path 修正因子；Ldir：Direct Path 路徑損耗，單位dB；β：反射能量因子；Lref：反射路徑能量總和；γ：繞射/衍射能量因子；Ldif：繞射/衍射路徑能量總和。

Rayce 傳播模型基本原理是基于3D 地圖充分考慮建筑物特征和分布，對信號傳播影響得到射線的軌跡和特性，確定反射和繞射損耗等，在接收點處將所有路徑場強相干疊加。

2 X-Model傳播模型研究

2.1 Rayce模型面臨的挑戰

（1）場景定義量化難

場景邊界定義方法模糊，當前仿真場景定義需要依賴實景照片，數字地圖和人工識別，基于人工經驗劃分場景偏差因素大。

無線網絡場景定義無法借助行業、學術標準定義進行劃分和量化。例如對于“普通城區”的定義，3GPP 協議中描述的是10 m

（2）數據采集成本高

測試設備儀器貴，儀器設備使用復雜軟件，測試人員需投入高昂技術培訓費用。測試過程投入大，測試過程存在誤差風險，通常單一場景會采集多次數據，成本指數上升。

2.2 X-Model傳播模型核心優勢

（1）X-Model 傳播模型介紹

為應對上述Rayce 面臨的挑戰，華為開發X-Model自適應模型，基于全球模型校正經驗，通過自動化場景識別和匹配技術，達成免校正+高精度的傳播模型庫。

X-Model 自適應Rayce 傳播模型，本質上是對場景Rayce 射線追蹤模型的集成，通過場景自適應算法給每個參與仿真的小區一套傳模庫中最匹配該場景的Rayce 傳模參數。相比需要校正的Rayce 傳播模型，X-Model 通過場景自適應算法達到接近校正后Rayce 傳播模型的準確度，節約成本，提升效率。場景自適應算法基于高精度3D Vector矢量電子地圖，考慮頻段、天線高度、UE 高度、覆蓋區域內建筑物平均高度、樓間距、建筑物起伏、室內柵格占比等相關因素，選出傳模庫中相關系數最高的相應基線，即匹配傳模。X-Model 場景自適應建模流程如圖2 所示。

圖2 X-Model場景自適應建模流程

（2）數據標準化

1）數據源采集

數據源采集包括CW（Continuous Wave，連續波）數據，DT（Drive Test，道路測試）數據和OTT（Over The Top）數據，具體數據采集要求如下：

◆CW 數據采集站點位置需具備場景代表性，需要包含近、中、遠點數據，保證電平值域范圍內分布盡量均勻。

◆DT 數據采集時盡量保持低速，建議開啟鄰區測量，保證足夠單小區數據量，采集10 個小區以上。

◆OTT 數據采集，取忙時數據，不建議使用室內站點數據。

2）數據過濾

數據過濾是數據標準化要求的關鍵環節，需要考慮單小區數據量限制，關鍵指標范圍要求，GPS 信息和距離偏移等因素。詳細要求舉例如下：

◆CW/OTT 數據時，單小區數據量建議值為2 000，DT 數據時，單小區建議值為200；

◆需要將過高（超過MCL 理論值，MCL 最小耦合損耗值=UE 的最小發射功率-外界的干擾電平），過低（低于底噪）數據進行過濾；

◆結合GIS 信息，將數據點落在建筑物上的數據過濾刪除；

◆DT/OTT 數據建議值保留2R（小區實際覆蓋半徑）；

◆如果扇區為定向天線，建議保留主瓣方向內的數據。

（3）傳模校正自動化

X-Model 傳模自動校正流程如圖3 所示。

圖3 X-Model傳模自動校正流程

1）第一步：選取基礎模型

可以從基礎模型庫中根據覆蓋需求選擇傳播模型，包括射線模型Rayce 模型、Volcano 模型和Aster 模型等；經驗模型包括SPM 模型、Cost-hata 模型和Uma 模型等。

2）第二步：多參數尋優

通過建模方式將多項式中各項變量和常量因子同時考慮，進行多次迭代尋優，先尋找局部單項式最優解、次優解、最差解等多種組合，通過快速收斂方式得到全局多項式最優解。

3）第三步：輸出模型系數

路損模型中的經驗修正項Lcor中多項不確定因子輸出全局最優解的建議值。

（4）自動化場景識別節約成本-特征歸一化

X-model 自適應Rayce 射線跟蹤模型，采用Min-Max 歸一化算法，將源場景特征提取后，按照8 個特征進行歸一化，源場景特征是站點級，1）Is Indoor=建筑物投影面積占比，目的是建筑物密度；2）W=平均街道寬度；3）H=平均建筑物高度；4）HSITE=天線高度-接收機的高度；5）Los=路徑損耗，6）頻段；7）天線掛高與周邊建筑物高度值；8）建筑物的高度起伏特征。輸出的模型系數，站點特征映射到場景庫中的目標場景中。

Min-Max 歸一化公式如式(3) 所示：

其中，X表示某站點的特征原始值；Xmin表示X特征原始值分布的最小值；Xmax表示X特征原始值分布的最大值。

3 X-Model傳播模型仿真和應用

3.1 X-Model仿真準確性驗證

（1）商場場景

選取萬象城商業中心，通過實際測試與仿真結果數據據驗證仿真準確性。

1）萬象城樓宇外圈覆蓋實測與仿真結果對比：

SSB RSRP 實測與仿真趨勢一致，均值差異在7 dB 以內。萬象城外圈實測平均RSRP=-76.45 dBm，X-Model 仿真結果得到平均RSRP=-77.98 dBm，兩者相差1.53 dBm。該仿真結果非常精準在仿真模型業內屬于領先地位。萬象城樓宇室外一圈電平測試與仿真對比如表1 所示：

表1 萬象城樓宇室外一圈電平測試與仿真對比

詳細對比萬象城外圈仿真和實測的RSRP 結果，在實際地理位置上好中差點分布圖如圖4 所示。

圖4 萬象城建筑物內外圈仿真與實測電平對比

圖4 可以看出RSRP<-80 dBm 的黃色點分布位置，在左邊實測圖集中于萬象城左下角區域，而在仿真圖中，預測的RSRP<-80 dBm 的黃色點分布與實測完全保持一致。RSRP>-80 dBm 的綠點分布，實測圖和仿真圖也基本保持一致。

2）萬象城樓宇內覆蓋實測與仿真結果對比：

樓宇室內SSB RSRP 的實測與仿真趨勢一致，均值差異在7 dB 以內。萬象城樓宇內一樓實測平均RSRP=-101.33 dBm，X-model 仿真結果得到平均RSRP=-100.21 dBm，兩者相差1.12 dBm。二樓實測平均RSRP=-98.28 dBm，X-Model 仿真結果得到平均RSRP=-100.25 dBm，兩者相差1.97 dBm。室外信號在室內區域覆蓋，分樓層的實測與仿真的SSB RSRP 對比如表2 所示。

表2 室外信號在室內區域覆蓋，分樓層的實測與仿真的SSB RSRP對比

詳細對比萬象城樓宇內仿真和實測的RSRP 結果，在實際地理位置好中差點分布圖如圖4 所示，可以看出RSRP<-80 dBm 的黃色點分布位置，實測圖集中在樓宇內中心位置，而在仿真圖中，預測出的RSRP<-80 dBm的黃色點分布與實測完全保持一致。RSRP>-80 dBm 的綠點分布，實測圖和仿真圖也基本保持一致。

（2）寫字樓場景

選取寶豐大廈，通過實際測試與仿真結果數據驗證仿真準確性，分為樓宇外覆蓋測試和仿真結果比對、樓宇內覆蓋仿真與實測結果比對情況。

1）樓宇外圈覆蓋實測與仿真結果對比情況：

SSB RSRP 實測與仿真趨勢一致，均值差異在7 dB 內。寶豐大廈樓宇外圈實測平均RSRP=-75.72 dBm，X-Model 仿真結果得到平均RSRP=-69.15 dBm，兩者相差6.57 dBm。寶豐大廈樓宇室外一圈電平仿真和實測對比如表3 所示：

表3 寶豐大廈樓宇室外一圈電平仿真和實測對比

詳細對比寶豐大廈樓宇外圈仿真和實測的RSRP 結果，在實際地理位置好中差點分布圖如圖5 所示，可以看出RSRP<-75 dBm 的黃色點分布位置，實測圖集在于東南區域，在仿真圖中，預測的RSRP<-75 dBm 的黃色點分布與實測完全保持一致。RSRP>-75 dBm的綠點分布，實測圖中占比較低，仿真圖存在一定差異，但分布位置基本保持一致。

2）樓宇內圈覆蓋實測與仿真結果對比情況：

寶豐大廈樓宇內共計20 層樓高，存在物業協調準入問題，僅測試2F/7F/10F/13F/16F，五個樓層，目前覆蓋實測與仿真結果對比，均值差異在7 dB 以內。寶豐大廈室內SSB RSRP 的實測與仿真如表4 所示。

表4 寶豐大廈室內SSB RSRP的實測與仿真

詳細對比寶豐大廈樓宇內仿真和實測的RSRP 結果，在實際地理位置上好中差點分布圖如圖5 所示，可以看出RSRP<-95 dBm 的黃色點分布位置，實測圖集中在樓宇中間位置；在仿真圖中，預測的RSRP<-95 dBm 的黃色點分布與實測完全保持一致。RSRP>-95 dBm 的綠點分布，實測圖中占比較高，仿真圖存在一定差異，但分布位置基本保持一致。

圖5 寶豐大廈建筑物內外部信號強度實測與仿真對比

3.2 X-Model仿真在樓宇室內外信號覆蓋評估中的應用

（1）X-Model 仿真應用規則

參考中國移動集團發布室內建設相關要求，并結合室外信號再室內的速率測試結果，共同確定3D 仿真結果在室內外協同規劃中的應用規則。

1）參考中國移動集團發布《5G 室內深度覆蓋規劃設計準則及規范要求》，室內覆蓋設計電平和體驗要求如表5 所示，其中室內高價值區域5G 電平要求為-95 dBm以上，速率要求為200 Mbps 以上。

表5 《5G室內深度覆蓋規劃設計準則及規范要求》中，室內覆蓋設計的電平和體驗要求

考慮中國移動當前5G 建設初期，5G 覆蓋并未完全連續，網絡要求在5G RSRP ≥-105 dBm 的條件下，用戶才可以占用5G 信號，當5G RSRP<-105 dBm 時，讓用戶使用4G 信號。

2）參考《中國移動5G 二期規劃審核v2.0.7》樓宇滿足如下條件，可以不建設室分系統：

SSB-RSRP 高于電平-105 dBm 的采樣點百分比高于95%，或室內弱場SSB-RSRP 高于采樣點電平-113 dBm，不建議建設室內覆蓋系統；針對已有規劃宏站的場景，可考慮仿真分析。

仿真要求：建議仿真普通場景簡單結構樓宇區域室外邊緣電平高于-88 dBm 的比例在95%以上，至覆蓋樓宇中間位置穿透不超過2 堵墻，暫不建議建設室內覆蓋系統。其中-88 dBm 的標準，是按照實測2.6 G 頻段穿透不超過2 堵墻的平均穿損在17 dBm 來計算，-105 dBm+17 dBm=-88 dBm。

3）驗證室外信號在萬象城樓宇內的速率體驗，測試結果如下：

在移動信號不占用到室分系統覆蓋的情況下，樓宇淺層可以完全由室外信號覆蓋；1 樓/2 樓淺層區域室外信號在-95 dBm 以上的區域中，5G 下載速率在400 Mbps以上，滿足室內價值區域的5G 速率要求；

基于以上數據，3D 仿真數據對室內外協同規劃中的應用規則建議如下：

◆不需要建設室分的條件：

室外SSB RSRP>-88 dBm、占比≥95% 且室內SSB RSRP>-95 dBm 的比例≥80%。

◆需現場查看并考慮室內精準設計規避室內外同頻干擾的條件：

室外SSB RSRP>-88 dBm 的占比<95% 或者室內SSB RSRP>-95 dBm 的比例<80%。

（2）X-Model 仿真應用-區域規劃

選擇中國移動5G 建設發展領先城市深圳市內的某一網格區域，基于百度POI 信息識別到的116 座寫字樓與商場，對該網格內樓宇內進行X-model 傳模模型的仿真，評估結果如圖6 所示：

圖6 華強北區域室外信號仿真評估圖

將仿真結果按照寫字樓商場建筑物匯聚，評估116座室分場景的室內平均電平值，按照不需要建設室分的條件：室外SSB RSRP>-88 dBm 的占比≥95% 且室內SSB RSRP>-95 dBm 的比例≥80%要求對每個樓宇進行劃分，輸出室分建設優先級建議如表6 所示：

表6 深圳華強北區域寫字樓與商場的3D仿真評估結果

（3）X-Model 仿真應用-室分建設價值識別評估

1）選擇寶華大廈和裕暉大廈樓宇進行驗證，仿真結果如表7 所示：

表7 寶華大廈和裕暉大廈的3D仿真評估結果

2）現場調研情況匯總，與基于仿真評估的室分建議相同：

◆寶華大廈現場調研情況：

室分DAS 信號高于宏站6 dB，干擾大；宏站在室內的信號平均在-100 dBm 左右。

調研結論：

需要室內外協同建設室分系統，與仿真評估的建議一致。

◆裕暉大廈現場調研情況：

宏站信號高于室分10 dB 左右，干擾小，80% 以上區域占用宏站，而非DAS 室分系統；占用宏站后的下行MAC 層速率，最高可至1 Gbps。

調研結論：

不需要建設室分，與仿真評估的建議一致。

4 結論

國際統一標準衡量傳模準確性方式為，計算均方根誤差RMSE（Root Mean Squared Error）在7 dB 以內為優秀的傳播模型。現對X-Model 模型準確性進行實測校驗，多次路測結果對比傳播模型仿真結果得到差值Ei，RMSE 計算公式如式(4) 所示：

綜上所述本文詳細研究通過3D 仿真5G 室外信號對樓宇覆蓋的評估方案驗證與應用，實證證明X-Model 場景自適應Rayce 射線追蹤傳播模型RSRP 預測RMSE<7 dB，并且相比傳統Racye 射線跟蹤模型有以下優勢：

（1）X-Model 方案可以提升規劃效率，節省投入的情況下高效批量輸出室外信號在樓宇外圈以及樓宇內部的覆蓋情況。

（2）X-Model 傳播模型為自動化和免校正，準確度優于傳統交付方法和基線模型庫。

（3）X-Model 傳播模型對未來室內外協同實際建設具有重要指導意見，如，室外信號對室內干擾影響情況；無室分規劃情況下，室內覆蓋情況；高價值場景識別；指導室分建設的優先級。

（4）本文研究方案也可以應用到4.9 GHz、700 MHz大規模建網場景5G 頻段組網設計中。