基于自動化室內建模的5G基站信號仿真和優化選址方法

崔 揚 陳品祥 劉 光 董志海 劉增良 王凱松

(1. 北京市測繪設計研究院,北京 100038;2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室,北京 100038)

0 引言

華為在國際上首次提出室內第五代移動通信技術(5th generation mobile communication technology,5G)目標建網理念,助力運營商打造5G時代數字化的室內覆蓋網絡。由于室內場景復雜多樣、目標遮擋嚴重、目標間重疊等特點,與室外網絡建設相比,室內網絡建設花費時間更長、更加困難。因此,5G小基站選址將是基站建設的一項重要工作。目前,有很多學者已經研究5G基站選址方法,文獻[1-2]以城市基站建設作為研究,對移動通信基站規劃建設進行了探討和實踐,基站作為基礎建設納入城市的規劃設計中。文獻[3]在GIS技術無線通信基站選址的過程中指出：需要考慮多方面因素,提高選址的合理性、科學性、高效性。文獻[4]利用宏微基站相結合等策略來闡述如果提高5G基站選址的成功率。多數研究工作隨機給定測試點,以仿真軟件設置仿真參數,模擬基站信號的覆蓋情況[5-6],采用遺傳算法的搜索特性和免疫算法的自適應特征,來解決5G基站的選址問題,僅僅針對室外區域進行5G微基站選址,針對結構復雜的室內環境,無法保證選址結果的實用性和合理性,同時,并沒有考慮基站的優化效率。

目前,80%的業務將發生在室內場景,室內仍將是5G網絡時代覆蓋的重要方向[7]。因此,室內5G小基站選址將是基站建設的一項重要工作。有效的選址工作不僅可以提升投資效率,還可以降低基站的建設和維護成本。針對這一問題,本研究提出一種基于室內三維結構化模型的5G基站信號仿真和優化選址方法。主要模擬5G信號在傳播過程中的路徑損耗和墻面材料對信號造成的反射衰減損耗,同時基于貪婪優化算法設計了面向5G基站優化選址策略,目的是布設最少的基站數量達到5G信號最大覆蓋度。

1 基于自動化室內建模的5G信號仿真

本研究采用文獻[8]的方法自動化重建室內結構化模型,室內模型主要包括天花板、地板、墻面、窗戶、門等剛性結構,忽略了室內復雜的家具物品。在這種剛性結構的室內模型下,模擬通信遮擋關系。由于5G的毫米波的穿透損耗大,在室內環境的傳播主要是以直射、反射為主。在本研究中,利用信號傳播損耗模型計算信號傳播位置的能量值;同時考慮墻壁對反射信號造成的能量損耗,最終模擬5G信號的強度值。

1.1 信號傳播過程

5G信號波長較短,頻率較高,在室內空間的傳播過程中遇到墻壁會有很大程度上的衰減,同時衍射能力也很弱,也就是繞過阻擋物的能力很弱[9]。本研究主要基于重建的室內模型模擬5G信號在室內的傳播情況,即室內結構對通信遮擋關系。在信號傳播過程中,考慮入射和反射的衰減,以及多路徑效應。

在信號仿真過程中,利用射線追蹤算法,求解出信號當遇到模型結構中的墻壁、地板、物體表面及邊緣引起的反射等射線,從而可以得到收發端所有可能的傳播路徑。具體步驟為：基于重建的三維室內模型,從發射源向周圍空間隨機發出大量的射線,射線傳播可以視為球體的均勻剖分問題;當射線發射后,會去尋找路徑最短的平面入射點,計算反射路線,并繼續進行傳播。由于5G信號頻率較高,波長較短,傳播過程中受到建筑物等環境的影響,場強會迅速衰減。

1.2 信號傳播能量模型

在信號傳播過程中,本研究主要利用信號傳播損耗模型計算信號傳播位置的能量值;同時考慮重建的室內結構模型(墻面)對反射信號造成的損耗,以此模擬5G信號的強度值。

1.2.1直射場強(路徑損耗模型)

在信息傳播過程中,信號會產生一定的路徑損耗,為了滿足信號的覆蓋范圍以及移動用戶接收的信號質量,需要大量布設通信基站。然而,選擇合適的信號傳播模型,以精確計算和仿真收發端信號的傳播情況顯得尤為重要。通過研究發現,該過程主要與收發天線間的距離及路徑損耗有關[9-10]。通常無線信號在傳播過程中,如果收發信號兩端中間沒有障礙物遮擋,信號是直線傳播,即稱為視距傳播;如果有障礙物,信號不是直線傳播,即稱為非視距傳播[11]。其中,在典型的室內環境下,5G信號非視距傳播損耗模型和視距傳播損耗模型為

Lfs,dB-NLOS=32.4+31.9·lg(dp)+20·lg(f)

1≤dp≤86

(1)

Lfs,dB-LOS=32.4+17.3·lg(dp)+20·lg(f)

1≤dp≤100

(2)

式中，Lfs,dB-NLOS是非視距傳播信號的損耗值；Lfs,dB-LOS是視距傳播信號的損耗值；dp是收發天線的間距，單位為m；f是電磁波的頻率,該公式表明信號的頻率越大或傳播距離越長,傳播損耗越大[12]。

1.2.2反射場強

在信號的傳播過程中,通常考慮墻壁的材料屬性對反射信號造成的損耗,以此精確地模擬5G信號的強度值。根據信號反射原理,信號遇到障礙物時的入射波和反射波位于法線兩側,入射角等于反射角。如圖1所示,Ix和Rx分別表示源點和場點,S1和S2表示入射波路徑和反射波路徑,R為反射點,n為法線方向,θ為入射角和反射角[13]。

圖1 信號反射示意圖

反射波場強表示為

(3)

其融合了場點的垂直極化和水平極化分量,表示為

(4)

(5)

A(s2)是反射點R到場點Rx的振幅擴散因子,定義為

A(s2)=s1/(s1+s2)

(6)

(7)

反射系數公式[11]為

(8)

式中,ε為反射面等效電參數(由反射面材料屬性確定),定義為

ε=εr-j60σλ

(9)

式中，εr為反射面的相對介電常數；σ為導電率；λ為入射波的波長。

1.3 5G信號仿真

在現實室內場景中,5G無線信號會受到各種不確定因素的影響,包括移動的物體、不同材質的室內物品等,很難獲得完全確定的結果。因此,只能在室內固有建筑物下,計算信號主要的傳播路徑,舍棄影響小的多徑,利用比較普遍的建筑物材質參數代替無法準確地獲取建筑物信息。基站位置通常布設在天花板附近,因此,在模擬信號傳播情況時,接近天花板的位置給定高程確定二維水平面,將水平面劃分均勻格網(格網邊長1 m),判斷每個格網的中心是否屬于重建房屋的區域,以此來確定候選基站,該過程如圖2所示。

(a)重建的室內模型

(b)候選基站位置

在5G信號仿真中,以重建的三維室內結構化模型為基礎,利用射線追蹤原理,假定以每個候選基站為球體中心(xm,ym,zm),以隨機方向(dx,dy,dz)發射信號射線(實驗射線數量為15 000,現實情況的射線數量更多);rd是信號傳播距離,根據5G信號在室內環境的傳播特性,其最小傳播距離為0 m,最大傳播距離為100 m,當射線發射路徑超出了距離閾值,則停止傳播;當射線與室內模型的三角網相交,可得到三角網的索引號,并通過模型的結構信息確定三角網的法向量和語義標記,交點坐標為

(10)

(11)

在重建的室內結構模型下,信號傳播示意圖如圖3所示。

圖3 信號的傳播示意圖

在確定信號傳播射線路徑后,計算射線的能量值,射線采樣距離為0.05 m;信號直線傳播過程只考慮路徑損耗,強度損失函數如公式(2)所示,當5G的高頻信號傳播距離大于1 m時,信號強度會減弱。當信號遇到墻時,普通墻的材質為混凝土,信號穿過墻衰減將近20 dB[14],接收到信號很少,因此,只考慮信號遇到墻的反射傳播,反射衰減強度的計算如式(3)～式(9)所示。信號的仿真結果,如圖4和圖5所示,可以清晰地反映出信號的傳播情況,包括多路徑效應，墻面的反射、開口門的透射，以及傳播過程中信號的能量由強變弱。從圖4方框可以發現,由于信號遇到墻反射后急速衰減。從5G信號仿真結果表明,信號強度損耗與多種因素有關,包括射線的入射角度、收發天線之間的距離、障礙物的材質等。

圖4 遇到墻后信號急速衰減

基于自動化室內建模的5G信號仿真,考慮了信號在傳播過程中的路徑損耗和反射衰減損耗;由于實際室內場景更為復雜,并不能仿真出所有情況。在實驗中,我們采用國際攝影測量與遙感學會(International Society for Photogrammetry and Remote Sensing, ISPRS)提供的典型多層、多房屋的benchmark數據[15],重建其室內結構化模型,不具有5G信號的真值,因此沒有對信號強度分布進行驗證。本研究對5G信號大致傳播趨勢和覆蓋情況進行了仿真分析,并把后續的優化選址作為數據基礎,具有一定的實際應用價值。

2 基于室內結構化模型的5G小基站優化選址

本研究以重建的室內結構化模型與5G信號仿真為基礎,利用貪婪優化算法設計了面向5G通信基站優化選址方法[16]。在5G小基站優化選址過程中,候選基站格網劃分越精細,優化基站的位置越接近最優解,但也加大了運算時間。因此,為了保證基站位置的正確性、信號的覆蓋度,同時提升優化效率,本研究提出了多尺度格網的空間劃分策略進行5G小基站優化選址,旨在利用最少的基站達到5G信號最大覆蓋度。

2.1 基于均勻格網的候選基站優化選址

基于1節中的5G信號仿真結果,若將室內結構化模型均勻劃分為三維格網,計算每個候選基站所覆蓋的三維格網,處理時間較長。因此,為了提升計算效率,將三維房屋模型投影到二維平面,將其劃分為均勻格網,統計二維平面格網的索引號,如圖5所示。同時,將每個基站發射的三維強度射線投影到二維水平面,計算強度射線采樣點所在的二維格網的索引號。

圖5 二維平面格網

統計每個基站覆蓋的格網索引號,示例結果如下

(12)

式中，g1為格網的索引號。基于貪婪算法設計優化策略對候選基站進行規劃選址,核心思想是將基站的覆蓋度為限制值,基站的數量為期望值,在滿足限制值的情況下期望值最小,也就是利用最少的基站達到最大的室內覆蓋范圍,如公式13所示。

(13)

式中,xi是基站的索引號；cov(xi)是基站xi的覆蓋度。

將每個基站所覆蓋格網的數量排序,具有最大覆蓋網格數量的基站被視為優化基站,同時,其他基站的覆蓋格網與其求交,將求交后剩余網格數量排序;同理,將覆蓋度最大的基站列入優化基站中,以此類推,當場景的覆蓋度為80%的時候停止迭代,最終求得優化基站的位置和數量。

2.2 基于多尺度格網的候選基站優化選址

均勻格網的精細空間劃分,使優化基站的位置更接近最優解,然而,不必要的候選格網大大降低了運算效率。為了縮短運算時間，保證基站位置精度,本研究提出基于多尺度格網的空間劃分方法來優化5G小基站位置。

多尺度劃分的策略如下：重建房屋模型的長和寬分別劃分3～4個格網,因此,較為狹窄的走廊,或者面積較小的房屋,格網的分辨率相對較大;面積較大的房屋,格網的分辨率相對較小。由此,根據房屋的長寬尺度,可以自適應地確定格網的大小,多尺度劃分的示意圖如圖6所示。

圖6 多尺度劃分的二維平面格網

3 測試結果分析

本研究選擇重建的典型多層、多房屋室內結構化模型來驗證5G基站優化選址算法的性能。

3.1 5G基站優化選址分析

首先,基于均勻格網候選基站進行優化選址分析。將候選基站格網邊長分別設置為1 m、2 m、3 m、4 m,實施貪婪算法的優化策略,并分別統計優化后基站的數量、所用時間和信號的覆蓋度。優化結果如表1、表2和圖7所示,發現格網的邊長越小,模型的候選基站越多,優化的精度越高;也就是說空間格網的精細劃分,使優化的基站位置和數量更接近最優解,但優化時間較長;相反,格網的邊長越大,優化時間越少,優化精度也相對降低。見圖7(d)和(h),當格網的邊長為4 m時,基站數量并沒有優化,甚至在局部區域出現無信號的死角,不能保證信號的覆蓋度,主要原因是部分室內房屋的寬度小于4 m,例如，狹長的走廊,并沒有布設候選基站。以上結果表明，候選格網邊長的選擇是提升5G小基站優化選址效率、保證基站位置正確性的關鍵。

表1 一樓基站優化時間和數量

表2 二樓基站優化時間和數量

(a)格網邊長為1 m

(b)格網邊長為2 m

(d)格網邊長為4 m

采用2.2節介紹的基于多尺度格網進行候選基站優化選址,5G小基站優化結果如表3和圖8所示。

表3 基于多尺度格網的小基站優化情況

圖8 多尺度格網下5G小基站優化選址

由實驗結果可知：在保證信號覆蓋度的前提下優化的基站數量相對減少;同時,多尺度網格下優化基站位置與均勻格網優化基站位置基本一致。在局部狹窄區域增加格網的分辨率,在較為寬敞的區域降低格網的分辨率,這種自適應多尺度劃分策略可以減少不必要的候選格網數量,在保證基站位置精度和覆蓋度的同時,也提升了優化效率。

3.2 5G傳播信號強度分析

從重建的結構化模型和5G小基站優化選址結果可以發現,二樓的房屋面積比一樓的面積要大,然而,布設5G小基站的數量比一樓要少;原因是一樓的房屋較多,墻面的遮擋較大,因此信號損失較為嚴重,需要布設更多的基站才能滿足信號的覆蓋度。

然而，當不考慮墻面衰減或者墻面衰減較小，例如，玻璃墻，只考慮信號傳播過程的路徑衰減，采用公式(2)計算信號強度值。在重建的走廊和房屋模型分別布設了3個基站，見圖9(a)，信號仿真效果見圖9(b)；由5G信號覆蓋情況可以發現，當不考慮墻面材質衰減的情況下，放置2～3個小基站就可以滿足5G信號的覆蓋需求。

(a)基站位置

(b)信號多路徑傳播

從5G信號仿真和小基站優化選址的實驗結果和分析表明,5G基站想要達到較大的覆蓋效果,需要選擇一個最佳的放置位置。主要有以下的策略：①基站放置在天花板附近,輻射范圍較大,同時可以降低由室內物品遮擋而導致的無信號區域;②基站發射信號的位置盡量少穿越墻壁,或者讓其穿過可視的玻璃門或者玻璃窗戶,增加用戶的可視性,降低損耗,以滿足信號最大利用率。

4 結束語

本研究首次基于室內三維結構化模型進行5G信號仿真和小基站優化選址的方法研究,旨在布設最少的基站數量達到5G信號最大覆蓋度。實驗結果表明,本研究提出的方法可以為5G小基站布設提供可行性的解決方案,同時具有應用成本低、自動化程度高、效率高的優勢。在重建的室內模型中,僅僅包含一些剛性的結構要素,并不能包含室內物品。因此，在5G信號仿真和小基站優化選址的結果可能與真實情況有一定的差距,但本文的方法可用來輔助5G無線網絡進行快速規劃和部署。

在未來的研究中,我們將仿真不同材質的建筑物對信號的影響;同時,針對大規模室內場景,例如,機場、火車站、大型商場等進行5G小基站優化選址。