朱 立, 夏 洪, 錢 敏

(東華理工大學,江西撫州 344000)

基于 GIS的無線網(wǎng)絡覆蓋模擬建模

朱 立, 夏 洪, 錢 敏

(東華理工大學,江西撫州 344000)

覆蓋優(yōu)化作為網(wǎng)絡優(yōu)化的一個重要分支,其前提是建立一個有效的無線電傳播模式以模擬當前的網(wǎng)絡覆蓋情況?；趯崪y數(shù)據(jù)對 COST231-Hata經(jīng)典模型實施本地化校準,并融入 GIS開發(fā)技術,搭建了一個界面化的無線網(wǎng)絡覆蓋模擬平臺,實現(xiàn)了將信號場強值與信號傳播環(huán)境結合,使得小區(qū)的信號強度分布情況得以直觀呈現(xiàn),并為其他優(yōu)化工作提供了全程的界面支持。

覆蓋模擬;地理信息系統(tǒng);無線網(wǎng)絡

隨著無線通信事業(yè)的發(fā)展,用戶群逐漸龐大、網(wǎng)絡業(yè)務不斷推陳出新。同時,城市建設的快速更新和擴建使網(wǎng)絡的無線電傳播環(huán)境日趨復雜化 (宋俊德等,2000)。

覆蓋模擬的研究目的在于建立一個經(jīng)本地化校驗的吻合當?shù)匦盘杺鞑キh(huán)境的小區(qū)覆蓋模擬模型,使優(yōu)化人員對當前網(wǎng)絡的覆蓋狀況有直觀的了解,可為建網(wǎng)之前的網(wǎng)絡規(guī)劃設計、后續(xù)基站布局的優(yōu)化調(diào)整、日常的網(wǎng)絡工程參數(shù)維護等工作提供信息平臺支持。

1 對信號傳播模型研究現(xiàn)狀的分析

覆蓋優(yōu)化是建立在傳播模型對電波衰減的預測結果上的。對于傳播模型,有兩個研究方向:一種是基于電磁學原理及精確數(shù)學運算的確定性建模 (Wu et al.,2006),但由于其研究極具復雜性,應用范圍卻十分局限;另一種為基于數(shù)理統(tǒng)計的經(jīng)驗性建模 (Buvaneswari et al.,2005),根據(jù)實地勘測數(shù)據(jù),量化描述某一類地物環(huán)境因素參量和路徑損耗之間數(shù)學關系。其中,認可度較高的有 Okumura-Hata,CCIR,COST231-Hata等。但對模型的研究或應用,大多局限在數(shù)值估算階段,網(wǎng)絡信號相關信息以衰減曲線,或僅是數(shù)據(jù)報表的形式提交,對網(wǎng)絡運行狀況的分析與地物環(huán)境信息結合度不高,數(shù)據(jù)表現(xiàn)能力不強。筆者結合 GIS開發(fā)技術,建立一個符合當?shù)氐乩憝h(huán)境的覆蓋模擬模式,并使信號數(shù)據(jù)得以圖元、圖層的方式與地理環(huán)境匹配顯示,進而解決圖形化分析網(wǎng)絡覆蓋的難題。

2 信號傳播模型本地化校正

對于經(jīng)典模型的校準,將對實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,再按誤差最小原則通過曲線擬合得到校正公式。

2.1 路測數(shù)據(jù)的預處理

路測工作所獲取的數(shù)據(jù)綜合了地理信息和接收點信號強度。為保證模型校準的可靠程度,并合理地減少計算量以提高工作效率,對路測數(shù)據(jù)做如下預處理 (朱立,2009):

(1)數(shù)據(jù)取樣。因信號強度將隨基站輻射源—信號接收點 (T-R)距離的增加,而呈對數(shù)規(guī)律衰減(Wu et al.,2006),則樣本點的取樣工作按 T-R距離倍數(shù)遞增的原則進行。若希望達到進一步精度可在某些重要地形處做補充采樣。

(2)數(shù)據(jù)濾除。為了確保數(shù)據(jù)的準確性,首先要將不合理的數(shù)據(jù)剔除,包括在基站輻射源附近的數(shù)據(jù):信號強度 >-30 dBm,強度過于敏感,不具代表性;與輻射源相距太遠的數(shù)據(jù):信號強度 <-130 dBm,失真大,也不適合作訓練樣本。

(3)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。小區(qū)范圍內(nèi)各處的接收信號場強與信號衰減數(shù)據(jù)呈如下關系(Buvaneswari et al.,2005;郭俊強等,2008):

式中L為傳播過程中的路徑損耗,PR為接收功率,PT為基站輻射功率,G為各類附加增益和損耗的代數(shù)和,其取值都可通過天線參數(shù)以及業(yè)界經(jīng)驗標準值獲取。這樣,便把接收臺的信號強度轉(zhuǎn)換成了傳播路徑衰減,為信號損耗模型提供了可直接參與運算的數(shù)據(jù)。

2.2 最小二乘用于模型本地化校準

圖 1為所研究小區(qū)的定位圖片,經(jīng)緯度標注點(22°31′30.9″N,114°2′20.652″E)為該小區(qū)基站輻射源中心所在地?；镜挠嘘P參數(shù)如下:

基站信號輻射頻率為 1800 MHz;基站有效高度 (包括天線高度)為 40 m;接收臺測試天線高度為 1 m;小區(qū)區(qū)域類型為城區(qū);T-R距離為 1.5 km范圍內(nèi)。

參比若干經(jīng)驗模型的適用環(huán)境參數(shù) (郭俊強等,2008;Masaharu,1980),選取 COST231-Hata為校準基礎模型。

經(jīng)典 COST231-Hata模型公式為 (郭俊強等,2008):

式中 hm為路測天線高度,f為基站輻射頻率,hb為基站高度,cm為綜合修正因子,d為 T-R距離。

模型校準的實質(zhì)為針對不同地形環(huán)境,使上述公式系數(shù)更具本地化特征。由于筆者是基于單站點的校準,所以 hm,f,hb和 Cm參數(shù)均為確定的。對某個既定的基站覆蓋區(qū)域來說,COST231-Hata公式即可表示為一個只跟 T-R距離 d有關的計算路徑損耗 L的函數(shù),其形式為:

筆者做的建模工作即要提出一組校準系數(shù)。

記采樣數(shù)據(jù)有 N組,實際路徑損耗記為 Li,由校準式 (2.3)預測路徑損耗為。根據(jù)最小二乘數(shù)值擬合原理,希望Li與間誤差在平方和程度上趨近于零,即:

即可獲取修正后的參數(shù)[K0,K1],進而得到經(jīng)本地化校準的信號傳播模型。

3 基于 GIS的小區(qū)信號覆蓋模擬

基于本地化校準的網(wǎng)絡覆蓋模型,其本地性直接體現(xiàn)在當?shù)氐匚锾卣鞯鹊乩硇畔⑸?。電子地圖是網(wǎng)絡優(yōu)化的基礎,能夠使網(wǎng)絡優(yōu)化工程的實施更因“地”制宜。筆者引入 GIS開發(fā)技術,將表征小區(qū)信號信息的相關數(shù)據(jù)經(jīng)過地理編碼匹配存儲為具備地物屬性的空間數(shù)據(jù),并應客戶端需求將這樣的綜合型數(shù)據(jù)形象地反映在以數(shù)字地圖為背景的界面平臺上。

有關 GIS開發(fā),可選用了具備完善可視化圖形分析功能的地圖信息系統(tǒng)軟件 Map Info(Larry et al.,2008),用于對數(shù)字地圖的格式化處理;以及由Map Info公司提供的 ActivX控件——MapX(齊銳等,2003),用于 GIS的二次開發(fā)。

3.1 數(shù)字地圖的獲取

經(jīng)定位下載該基站小區(qū)約 5 km2的衛(wèi)星圖片,其 jpg格式不具備任何地理空間屬性。但將柵格圖像做經(jīng)緯度配準后,其成為具備地理坐標的 tab格式的地圖文件,與地理位置相關數(shù)據(jù)建立準確的關聯(lián)。

3.2 格網(wǎng)圖的創(chuàng)建

格網(wǎng)圖層的創(chuàng)建,是為將大范圍網(wǎng)絡劃分為細小的格網(wǎng)區(qū)域,用以無縫地分析小區(qū)范圍內(nèi)的信號分布情況。如此將點圖元轉(zhuǎn)換成區(qū)域圖元,對鄰近數(shù)據(jù)做精簡整合,并為信號預測提供可填充的空白網(wǎng)格,為覆蓋模擬專題圖的制作準備可渲染的圖元素材。

圖 2為 (5.0×10-4)0分度的格網(wǎng)圖層疊加在小區(qū)的數(shù)字地圖上,可見每個網(wǎng)格約為一條道路的寬度,大致符合研究精度。

這樣便基本完成了項目所需的 GIS準備工作,實現(xiàn)了數(shù)字地圖、區(qū)域劃分格網(wǎng)圖、路測數(shù)據(jù)點三個圖層的有序疊加,之后的模型建立、模擬覆蓋、優(yōu)化調(diào)整等工作均在此 GIS平臺上得以開展。

3.3 對 COST231-Hata模型的本地化校準

根據(jù) 2.2節(jié)的分析,本地化的信號損耗模型建立可轉(zhuǎn)化為對式 (2.5)的求解?；?Matlab的矩陣運算思想,模型的建立即求解如下矩陣方程:

圖 1 優(yōu)化區(qū)域的電子地圖Fig.1 D igitalm ap of opt im ized region

以經(jīng)數(shù)據(jù)預處理的 347個路測數(shù)據(jù)作為訓練樣本,提取它們的路徑距離字段和信號衰減字段分別累加,得到系數(shù)矩陣:

單站點本地化校準的信號損耗模型簡化為僅含兩項修正因子、只與輻射源中心和采樣點間的T-R距離 d有關的函數(shù):

圖 2 經(jīng)格網(wǎng)劃分的小區(qū)數(shù)字地圖Fig.2 D igitalm ap after grid partition

3.4 模型參數(shù)的驗證

以校準前的 COST231-Hata和校準后的COST231-Hata模型分別對小區(qū)范圍做信號傳播損耗的估測 (圖 3)。通過損耗曲線的對比,明顯發(fā)現(xiàn)校準前的損耗模型與現(xiàn)網(wǎng)路測數(shù)據(jù)存在較大程度上的偏差,其高估了環(huán)境中的信號衰減程度,而校準后的模型與當?shù)芈窚y值有較好的吻合。

圖 3 模型校準前后的路徑損耗曲線Fig.3 The curves of path-loss of pre and post Calibrat ion

將預測值與 9 308個采樣點的實際路測值做誤差比較 (表 1)。

表 1 模型校準前后的誤差對比Tab.1 Error comparision of p re and post Calibrat ion

所以,無論在定量的誤差分析上,還是預測曲線的直觀比對結果,都驗證了經(jīng)過修正校準,所得到的模型可以更好地擬合當?shù)氐穆窚y采樣數(shù)據(jù),能更精確地表征此類地形地貌中的電波衰減情況。

3.5 圖形化模擬小區(qū)信號覆蓋

校準模型的應用之一體現(xiàn)在對網(wǎng)絡覆蓋情況的直觀模擬。為增強數(shù)據(jù)表現(xiàn)能力,需要把信號場強分布的數(shù)值描述做一個圖形化的顯示。本文考慮創(chuàng)建范圍專題地圖,用以模擬優(yōu)化區(qū)域內(nèi)的信號覆蓋情況。覆蓋模擬結果如圖 4所示 (朱立,2009)。

圖 4 模擬網(wǎng)絡信號覆蓋專題圖Fig.4 Coverage them atic map of network signal

各信號強度值分布情況如表 2所示。

表 2 基站小區(qū)的信號覆蓋專題圖圖解Tab.2 Illustration of coverage them atic map

對于信號覆蓋盲區(qū),要斟酌整個網(wǎng)絡區(qū)域進行處理:若無其他基站負責該區(qū)域的服務,則可通過放置 PHS直放站、射頻拉遠技術等增強信號功率的方案 (Masaharu H,1980)提高盲區(qū)的信號強度,填補盲區(qū);若整個地區(qū)基站分布已經(jīng)比較密集,鄰頻干擾已經(jīng)演化成較為嚴重的問題,則需通過調(diào)整基站配置,甚至采用一些先進的軟硬件設備進一步降低該區(qū)域的信號強度,縮小該基站的覆蓋范圍以避免盲區(qū),提高網(wǎng)絡運行質(zhì)量。

4 結語

筆者得到了一個在較高程度上吻合當?shù)丨h(huán)境的損耗模型,并通過對一系列誤差指標的分析比對,驗證了校準模型的正確性和和相比于通用模型的優(yōu)勢性。最后,將修正后的模型用于對路測采樣工作無法觸及的區(qū)域做信息填充,并以專題圖形式給出了當?shù)鼐W(wǎng)絡覆蓋模擬情況的圖形化顯示。使得網(wǎng)絡的現(xiàn)存問題及各項優(yōu)化結果能直觀地體現(xiàn)在優(yōu)化區(qū)域中,為無線網(wǎng)絡廠商的運營決策解答了“在哪里”的關鍵性問題。

郭俊強,李成.2008.移動通信[M].北京:北京大學出版社:25-42.

齊銳,屈韶琳,陽琳赟.2003.用MapX開發(fā)地理信息系統(tǒng)[M].北京:清華大學出版社:52-78.

宋俊德,雷紅艷,潘陽發(fā).2000.我國無線網(wǎng)絡規(guī)劃、優(yōu)化和管理的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].通信世界,(5):18-204.

朱立.2009.無線網(wǎng)絡覆蓋模擬與應用研究.碩士學位論文.武漢:華中科技大學圖書館.

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The Research of Coverage Simulation Model ing of Wireless Network Based on GIS

ZHU Li, X IA Hong, Q IAN Min
(East China University of Technology,Fuzhou,JX 344000,China)

As an important branch of network opt imization,the precondition of it is to establish an effective propagation model to simulate the local network coverage.This thesis actualized the localization tuning on COST231-Hata model according to Drive Test data,got new breakthrough in introducing GIS into the model application,established a graphical interface platfor m of ne twork coverage simulation,and finally realized the combination with signal data and geographic infor mation,making the displaying of the signal distribution performs visually.Also,it provides full-period interface support in the whole wireless-network optimization.

tuning coverage s imulation;GIS;wireless network

TN91

:A

1674-3504(2010)04-384-05

10.3969/j.issn.1674-3504.2010.04.014

2010-09-15

朱 立 (1984—),工學碩士,助教,主要研究方向:無線網(wǎng)絡優(yōu)化。