李莉 陳海燕 李壯壯 時(shí)健

【摘要】 設(shè)計(jì)開發(fā)了3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化仿真軟件。該系統(tǒng)采用C#語言和ArcEngine可視化引擎開發(fā)計(jì)。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面，采用了柵格算法、Thiessen多邊形、和無向網(wǎng)絡(luò)等方法處理網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真中的復(fù)雜計(jì)算。在仿真教學(xué)方面，該系統(tǒng)結(jié)合高校教學(xué)實(shí)際情況提供了多種實(shí)用性的教學(xué)管理功能。該軟件既可以作為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工具軟件完成規(guī)劃中的復(fù)雜計(jì)算，又可作為通信專業(yè)的教學(xué)軟件進(jìn)行仿真教學(xué)。

【關(guān)鍵詞】 TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化 覆蓋

一、引言

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃是3G移動(dòng)通信系統(tǒng)建設(shè)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，是決定網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)劣的最基本前提。由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃涉及大量的復(fù)雜計(jì)算和概念抽象，如無線覆蓋預(yù)算、繞碼相關(guān)性計(jì)算、碼資源分配、相鄰小區(qū)規(guī)劃、鏈路損耗計(jì)算等，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃必須借助與工具軟件進(jìn)行。

3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與分析軟件可以將實(shí)際網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的復(fù)雜規(guī)劃計(jì)算通過快速仿真處理，用圖形和數(shù)據(jù)表的方式給出直觀的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃結(jié)果。另一方面，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的一些抽象概念也可以通過仿真軟件進(jìn)行直觀展示，有利于建立完整的對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的理解。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與分析軟件定位于TD-SCDMA技術(shù)，是一種新型的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與分析軟件，該軟件采用分布式、分層、模塊化、可伸縮、可組合的體系架構(gòu)，從基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)、用戶三個(gè)層面衡量網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)合功能強(qiáng)大的地理信息系統(tǒng)（GIS），為用戶提供基本運(yùn)營(yíng)指標(biāo)的顯示、定位與分析，不僅可以使運(yùn)營(yíng)商有效把握網(wǎng)絡(luò)所提供的業(yè)務(wù)運(yùn)行質(zhì)量，還可以運(yùn)用于實(shí)際教學(xué)，全面展現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化工作的核心內(nèi)容。

GIS在通信系統(tǒng)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，如本地資源網(wǎng)、光纖接入網(wǎng)、電信線路管理等都是基于GIS的開發(fā)應(yīng)用，這種電信地理信息系統(tǒng)把電信設(shè)備與當(dāng)?shù)氐牡貓D結(jié)合起來，再結(jié)合圖庫(kù)轉(zhuǎn)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電信設(shè)備的地圖化管理?；贕IS的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化系統(tǒng)將各種類型的基站同本地地圖有機(jī)地結(jié)合，能夠分析、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中基站的覆蓋狀況，及時(shí)獲取基站的工作信息，從而了解整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況。

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用三層架構(gòu)Client/Server模式，網(wǎng)管數(shù)據(jù)庫(kù)基于Oracle而建，為TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)提供性能管理、故障管理等數(shù)據(jù)資料，并記錄網(wǎng)絡(luò)中所有基站各個(gè)時(shí)刻的指標(biāo)信息，如圖1所示。規(guī)劃與優(yōu)化系統(tǒng)并不對(duì)網(wǎng)管數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修改，只是通過網(wǎng)管數(shù)據(jù)庫(kù)提供的接口，實(shí)時(shí)讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入到后臺(tái)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中。本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)基于SQL Server而建，數(shù)據(jù)庫(kù)中保存有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)管理和優(yōu)化功能所需要的數(shù)據(jù)資料。在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)之上，建立起呈現(xiàn)在客戶端的各項(xiàng)管理和優(yōu)化功能模塊，其主要功能是：覆蓋規(guī)劃是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有基站的覆蓋狀況進(jìn)行圖形化顯示，首先，軟件將導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中的基站信息，并結(jié)合詳細(xì)地地圖經(jīng)緯度信息，在地圖上顯示出來，然后根據(jù)內(nèi)嵌無線鏈路傳播模型，軟件能夠自動(dòng)根據(jù)基站的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算覆蓋半徑，并將覆蓋面積用圖形化的形式在客戶端顯示出來，便于維護(hù)管理人員進(jìn)行查看； 鄰區(qū)規(guī)劃是對(duì)每個(gè)基站下的相鄰小區(qū)進(jìn)行規(guī)劃，能夠查看鄰小區(qū)信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鄰區(qū)數(shù)據(jù)的輸出； 頻點(diǎn)規(guī)劃是對(duì)每個(gè)小區(qū)的頻點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，方便維護(hù)人員的使用； 擾碼規(guī)劃是可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)擾碼規(guī)劃、局部擾碼規(guī)劃和小區(qū)擾碼規(guī)劃等功能；性能分析可以實(shí)現(xiàn)基站信息的導(dǎo)入分析，根據(jù)實(shí)際維護(hù)工作的需求，實(shí)現(xiàn)添加、刪除、管理與維護(hù)各個(gè)基站的信息，為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化工作帶來方便。完整的軟件使用功能介紹可以查閱軟件的幫助說明。

三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于柵格法的無線信號(hào)覆蓋

無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，覆蓋規(guī)劃的主要功能是通過無線信號(hào)的傳播模型對(duì)規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行覆蓋計(jì)算。傳播模型按照適用環(huán)境來劃分可分為室外傳播模型和室內(nèi)傳播模型；按照傳播模型來源劃分可以分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃痛_定性模型。以往的研究人員和工程師通過對(duì)傳播環(huán)境的大量分析研究已經(jīng)提出了許多傳播模型，用于預(yù)測(cè)接受信號(hào)的中值場(chǎng)強(qiáng)。目前得到廣泛使用的傳播模型有Okumura-hata模型、COST321 Hata模型及通用模型等幾種[9]。

本系統(tǒng)采用的傳播模型是一種通用模型，它的系數(shù)由Hata公式導(dǎo)出。通用模型由下面的方程確定：

（1）首先根據(jù)基站的分布位置確定需要進(jìn)行覆蓋規(guī)劃計(jì)算的Raster數(shù)據(jù)的范圍，即所有基站在東南西北四個(gè)方向上最邊緣的位置。這樣做可以有效減少計(jì)算空間，加快計(jì)算和顯示速度。（2）從第一個(gè)扇區(qū)開始，根據(jù)扇區(qū)設(shè)定的參數(shù)確定每個(gè)扇區(qū)需要計(jì)算的范圍。在數(shù)據(jù)范圍內(nèi)逐格計(jì)算信號(hào)強(qiáng)度結(jié)果，對(duì)于已經(jīng)存在信號(hào)的象元取信號(hào)強(qiáng)度的最大值為Raster數(shù)據(jù)值。并在Raster數(shù)據(jù)多余波段存儲(chǔ)信號(hào)強(qiáng)度最大的扇區(qū)索引，直至所有的扇區(qū)都計(jì)算完。（3）根據(jù)計(jì)算的信號(hào)Raster數(shù)據(jù)，按照設(shè)定的信號(hào)強(qiáng)度大小，對(duì)符合要求的Raster數(shù)據(jù)部分按指定的顏色和圖層進(jìn)行顯示。

3.2 基于Thiessen多邊形的數(shù)據(jù)可視化

理論上小區(qū)的邊界范圍通常采用正六邊形表示，但實(shí)際系統(tǒng)中由于基站位置的隨意性，小區(qū)邊界不可能用正六邊形來表示，只能用多邊形表示。本系統(tǒng)中采用Thiessen多邊形法對(duì)小區(qū)的邊界范圍進(jìn)行圖形化展示。

荷蘭氣候?qū)W家A·H·Thiessen提出了一種根據(jù)離散分布的氣象站的降雨量來計(jì)算平均降雨量的方法，即將所有相鄰氣象站連成三角形，作這些三角形各邊的垂直平分線，于是每個(gè)氣象站周圍的若干垂直平分線便圍成一個(gè)多邊形。用這個(gè)多邊形內(nèi)所包含的一個(gè)唯一氣象站的降雨強(qiáng)度來表示這個(gè)多邊形區(qū)域內(nèi)的降雨強(qiáng)度，并稱這個(gè)多邊形為泰森多邊形。泰森多邊形又叫Voronoi圖或Dirichlet圖。Delaunay三角形是由與相鄰泰森多邊形共享一條邊的相關(guān)點(diǎn)連接而成的三角形。Delaunay三角形的外接圓圓心是與三角形相關(guān)的泰森多邊形的一個(gè)頂點(diǎn)。泰森多邊形是Delaunay圖的偶圖。

泰森多邊形具有以下特性：（1）每個(gè)泰森多邊形內(nèi)僅含有一個(gè)離散點(diǎn)數(shù)據(jù)；（2）泰森多邊形內(nèi)的點(diǎn)到相應(yīng)離散點(diǎn)的距離最近；（3）位于泰森多邊形邊上的點(diǎn)到其兩邊的離散點(diǎn)的距離相等。泰森多邊形可用于定性分析、統(tǒng)計(jì)分析、鄰近分析等。泰森多邊形示意圖如圖2所示。

仿真系統(tǒng)利用Thiessen多邊形計(jì)算扇區(qū)范圍的步驟如下：（1）將每個(gè)基站看做是平面上的一個(gè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，用Bowyer_Watson算法構(gòu)建這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的Delaunay三角網(wǎng)。（2）在得到的Delaunay三角網(wǎng)中，對(duì)每個(gè)頂點(diǎn)的三角形的邊做垂直平分線，連接每條垂直平分線，得到Thiessen多邊形。（3）根據(jù)每個(gè)基站上的扇區(qū)之間的相對(duì)角度與設(shè)定的扇區(qū)計(jì)算半徑，計(jì)算扇區(qū)的覆蓋扇形。（4）把得到的覆蓋扇形與基站的Thiessen多邊形求交即計(jì)算出每個(gè)扇區(qū)的覆蓋區(qū)域。

3.3 帶邊數(shù)約束的無向網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

在無線網(wǎng)絡(luò)的鄰小區(qū)規(guī)劃中，鄰區(qū)規(guī)劃的目的在于保證在小區(qū)服務(wù)邊界的手機(jī)能及時(shí)切換到信號(hào)最佳的鄰小區(qū)，以保證通話質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)性能。鄰區(qū)規(guī)劃數(shù)量應(yīng)該遵循適當(dāng)原則，決定兩個(gè)扇區(qū)是否為鄰小區(qū)主要取決于兩個(gè)扇區(qū)之間的距離、天線朝向角、扇區(qū)周圍的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及扇區(qū)預(yù)設(shè)的最大鄰區(qū)數(shù)量。

鄰區(qū)數(shù)據(jù)在規(guī)劃區(qū)域以內(nèi)本質(zhì)上可以表達(dá)為一個(gè)或多個(gè)有向圖網(wǎng)絡(luò)，而鄰接鏈表法是存儲(chǔ)有向圖結(jié)構(gòu)最有效的方法之一[8]。仿真系統(tǒng)在進(jìn)行鄰區(qū)自動(dòng)規(guī)劃時(shí)，采用鄰接鏈表法記錄鄰區(qū)數(shù)據(jù)，將扇區(qū)作為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，扇區(qū)的鄰小區(qū)關(guān)系作為網(wǎng)絡(luò)中的邊，鄰小區(qū)的重要性作為邊的權(quán)值加以存儲(chǔ)。鄰小區(qū)規(guī)劃計(jì)算的過程就是帶邊數(shù)約束的無向網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的過程。鄰區(qū)規(guī)劃步驟為：首先對(duì)符合要求的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接形成無向圖；然后將不符合參數(shù)約束的節(jié)點(diǎn)按照重要性排序刪除超出數(shù)量的邊，此時(shí)的無向圖即為鄰區(qū)規(guī)劃的結(jié)果。帶參數(shù)無向網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的過程如圖3所示。

鄰區(qū)規(guī)劃算法有兩個(gè)關(guān)鍵問題，一是對(duì)扇區(qū)之間可以設(shè)置鄰小區(qū)的條件的確定，二是當(dāng)扇區(qū)的鄰小區(qū)超過最大數(shù)量時(shí)對(duì)超出的數(shù)量如何取舍。系統(tǒng)首先將各扇區(qū)的鄰小區(qū)鏈表都置為空，然后根據(jù)扇區(qū)所屬基站之間的距離以及他們的相對(duì)朝向角決定是否應(yīng)該將兩個(gè)扇區(qū)設(shè)置為鄰小區(qū)。為了解決第二個(gè)關(guān)鍵問題，算法引入鄰區(qū)優(yōu)先級(jí)參數(shù)P。CellA與CellB的P值為：

K為距離角度歸一化參數(shù)，可以自行設(shè)置，將距離與相對(duì)角度統(tǒng)一處理。對(duì)每個(gè)扇區(qū)的鄰小區(qū)鏈表都按照權(quán)值排序。當(dāng)某個(gè)扇區(qū)的鄰小區(qū)數(shù)超過最大數(shù)量時(shí)，剔除鏈表中權(quán)值最大的鄰小區(qū)。

四、系統(tǒng)功能

系統(tǒng)采用多文檔界面的開發(fā)模式，系統(tǒng)界面包含標(biāo)準(zhǔn)化的菜單、工具欄以及導(dǎo)航樹。在主體程序的框架下，用不同的子窗體分別用于顯示環(huán)境地理信息數(shù)據(jù)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖4所示，圖中顯示為利用Thiessen多邊形法計(jì)算所得到小區(qū)的邊界。

仿真系統(tǒng)利用ArcEngine在GIS圖形圖像方面的顯示和處理功能，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的各過程都可以形象直觀地在軟件中顯示。系統(tǒng)對(duì)基站覆蓋規(guī)劃計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果得到的Raster數(shù)據(jù)按照設(shè)定的信號(hào)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)分為7種顏色，每種顏色覆蓋的范圍因所設(shè)定的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)而異。系統(tǒng)的仿真計(jì)算效果展示如圖5所示。

系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)鄰區(qū)規(guī)劃后，可以對(duì)任一一扇區(qū)進(jìn)行鄰區(qū)關(guān)系查詢。如圖6所示。其中紅色陰影小區(qū)為查詢的源小區(qū)，綠色陰影小區(qū)為源小區(qū)的鄰小區(qū)。仿真計(jì)算的結(jié)果可以直觀展示出相鄰小區(qū)之間的角度、距離、位置關(guān)系，以及鄰小區(qū)數(shù)量等信息。

五、小結(jié)

3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與分析軟件在地理信息系統(tǒng)強(qiáng)大功能的支持下，輔助Visual C++進(jìn)行集成二次開發(fā)，使得TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化的各種功能不斷得到完善，成功實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化工作的可視化、圖形化和信息化，為日常的3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)、管理工作帶來了眾多方便，改善與彌補(bǔ)了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化工作的不足。