梁松柏，陳鋒，宋海平，李文生

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基于高斯分布的基站天線最佳方向角定位算法

梁松柏1，陳鋒2，宋海平3，李文生1

（1.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司河南省分公司，河南 鄭州 450008；2.中興通訊股份有限公司河南分公司，河南 鄭州 450003；3.華為技術(shù)有限公司鄭州咨詢與系統(tǒng)集成部，河南 鄭州 450018）

為提高天饋問(wèn)題被發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確性和維護(hù)效率，提出了基于高斯分布的最佳方向角解決方案來(lái)診斷運(yùn)營(yíng)商天饋覆蓋問(wèn)題。首先計(jì)算UE上報(bào)的具有定位信息的每個(gè)MR采樣點(diǎn)與基站之間的位置方向信息，然后按照位置方向的一定角度間隔逐個(gè)統(tǒng)計(jì)各區(qū)間的MR采樣點(diǎn)占比，取MR采樣點(diǎn)占比最大的角度區(qū)間為該扇區(qū)的、基于用戶熱點(diǎn)分布的最佳天線方向角，最后將該最佳方向角與后臺(tái)天線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中基站方向角進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)天饋系統(tǒng)接反、天線覆蓋方向不合理、后臺(tái)天線數(shù)據(jù)庫(kù)錯(cuò)誤等一系列天饋相關(guān)問(wèn)題。經(jīng)驗(yàn)證，采用該算法發(fā)現(xiàn)天饋問(wèn)題的成本、準(zhǔn)確率和效率較現(xiàn)有方法有明顯改善?。

高斯分布；MR；天線；方向角；定位算法

1 引言

移動(dòng)基站天饋系統(tǒng)的方向角、下傾角、經(jīng)緯度等工程參數(shù)是影響移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和質(zhì)量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。天線方向角準(zhǔn)確與否，更是網(wǎng)絡(luò)覆蓋和質(zhì)量的基礎(chǔ)保障。因此，各大運(yùn)營(yíng)商均投入了大量人力物力來(lái)解決基站天線覆蓋方向合理性和后臺(tái)工程參數(shù)方向角準(zhǔn)確性等問(wèn)題。主要實(shí)現(xiàn)方式有3種：

?? 采取塔工現(xiàn)場(chǎng)逐站核查方式，耗時(shí)耗力、成本高昂、效率低下；

?? 在天線平臺(tái)加裝天饋測(cè)試儀表[1-5]（測(cè)量單元、傳感器、GPS模塊等），或測(cè)試終端加裝傳感器[6-7]或終端的硬件安裝和平臺(tái)搭建；

?? 采用普通軟件定位算法或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試定位法，比如采用基于源小區(qū)和鄰區(qū)電平分布、載干比和距離關(guān)系，判斷源小區(qū)的基站天線方位角[8]及方位角準(zhǔn)確性[9-10]；基于OMC中大量手機(jī)實(shí)測(cè)電平分布、干擾分類等數(shù)據(jù)，計(jì)算天線方位角及偏差[11-12]；根據(jù)MR與傳播模型和RSSI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)距離修正算法相結(jié)合的三角定位算法[13]，利用隨機(jī)個(gè)采樣點(diǎn)的直線距離，確定天線方位角[14]等，但都存在定位不準(zhǔn)、效率低的問(wèn)題[15-16]。

本文采用大數(shù)據(jù)工具對(duì)海量高精度位置的MR數(shù)據(jù)分析建模，發(fā)現(xiàn)并提出了一種基于高斯分布的基站天線方向角定位算法，并利用該算法發(fā)現(xiàn)現(xiàn)網(wǎng)基站天線方向角錯(cuò)誤、天饋接反及運(yùn)營(yíng)商天線數(shù)據(jù)庫(kù)工程參數(shù)錯(cuò)誤等一系列問(wèn)題。通過(guò)大量外場(chǎng)驗(yàn)證，該算法判斷天線方向角及問(wèn)題的可靠性和準(zhǔn)確性達(dá)到90%以上，可節(jié)省大量現(xiàn)場(chǎng)排查成本，提高問(wèn)題發(fā)現(xiàn)率。

2 算法解析

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站的天線在規(guī)劃設(shè)計(jì)初期，有明確的目標(biāo)覆蓋用戶，而用戶使用業(yè)務(wù)的集中度與人口密集度相關(guān)，因此用戶越密集，手機(jī)終端上報(bào)的精準(zhǔn)MR采樣點(diǎn)也就越集中，這種集中分布呈現(xiàn)高斯分布特點(diǎn)，為以下算法的實(shí)現(xiàn)提供了可靠的理論基礎(chǔ)。

首先計(jì)算每個(gè)含有定位信息的MR采樣點(diǎn)與基站之間的位置方向，然后依據(jù)用戶業(yè)務(wù)分布密度與MR采樣點(diǎn)數(shù)量之間的正相關(guān)性特點(diǎn)，按照一定角度間隔逐個(gè)統(tǒng)計(jì)該區(qū)間的MR采樣點(diǎn)數(shù)量和占比，通過(guò)高斯分布擬合算法確定天線最佳方向角，即取 MR采樣點(diǎn)數(shù)量最多或占比最大的角度區(qū)間為該基站（扇區(qū)）基于用戶熱點(diǎn)分布的、最佳的天線方向角，并以該最佳方向角與現(xiàn)網(wǎng)基站實(shí)際方向角進(jìn)行對(duì)比，得出天線方向角偏差過(guò)大、天線方向角不合理、天線接反、現(xiàn)網(wǎng)天線方向角與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)不一致等多種問(wèn)題，從而節(jié)約大量的現(xiàn)場(chǎng)天線核查資源。

基于MR的天線最佳方向角算法流程如圖1所示。

圖1 基于MR的天線最佳方向角算法流程

步驟1 從MR采集平臺(tái)通過(guò)ODBC提取基于位置信息的MR采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)見(jiàn)表1，是現(xiàn)網(wǎng)中提取到的原始的MR數(shù)據(jù)，包含小區(qū)標(biāo)識(shí)、電平值、載干比和經(jīng)緯度，其中經(jīng)緯度是本算法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)。單小區(qū)的MR采樣點(diǎn)數(shù)量累計(jì)不小于100個(gè)，以確保采樣點(diǎn)具備統(tǒng)計(jì)樣本特性，如果采樣點(diǎn)偏少，則取樣周期可延長(zhǎng)。

表1 具有經(jīng)緯度的MR樣本號(hào)舉例

步驟2 通過(guò)ADD語(yǔ)句在表1中增加方向角和距離字段，形成表2。與表1相比，表2新增了距離和方向角字段，其中距離字段用于存儲(chǔ)基站（天線）到該MR采樣點(diǎn)的距離，距離字段存儲(chǔ)的值用于計(jì)算該MR采樣點(diǎn)相對(duì)于基站天線的方向；方向角字段用于存儲(chǔ)基站（天線）到該MR采樣點(diǎn)的角度。

表2 具有距離和方向角字段的MR樣本號(hào)舉例

步驟3 計(jì)算每一個(gè)MR采樣點(diǎn)與該基站（天線）的距離（distance）和方向角（azimuth），并追加至MR采樣點(diǎn)表2中。

以基站（天線）位置為中心的四象限MR分布如圖2所示，一旦每個(gè)MR采樣點(diǎn)經(jīng)緯度確定，則每個(gè)MR采樣點(diǎn)在二維地圖上呈現(xiàn)，如MR1、MR2、MR3、MR4，并圍繞在該基站的周圍。此處四象限中心圓圈處為基站（天線）的位置，單個(gè)MR采樣點(diǎn)到該基站的距離和夾角遵循兩點(diǎn)一線距離公式及勾股定理。

步驟4 依據(jù)兩點(diǎn)之間的距離計(jì)算式為：

得出式（2）：

通過(guò)式（2）得到每個(gè)MR采樣點(diǎn)到基站天線的距離，即勾股定理中的“勾三股四弦五”的“弦五”。

通過(guò)式（3）得出每個(gè)MR采樣點(diǎn)映射到X橫軸的點(diǎn)與基站天線的距離，即勾股定理中的“勾三股四弦五”的“勾三”。

步驟5 根據(jù)勾股定理計(jì)算每個(gè)MR采樣點(diǎn)相對(duì)于該基站的角度：

if (MRlongitude=SITElongitude) and (MRlantitude> SITElantitude) then MRazimuth=90

else if (MRlogitude=SITElogitude) and (MRlatitude＜SITElatitude) then MRazimuth=270

else if (MRlatitude=SITElatitude) and (MRlongitude> SITElongitude) then MRazimuth=0

else if (MRlatitude=SITElatitude) and (MRlongitude＜SITElongitude) thenMRazimuth=180

else if (MRlongitude>SITElongitude) and (MRlatitude> SITElatitude) then MRAzimuth=90-acos（|MRMap_x∕ |MRDistance|）

else if (MRlongitude＜SITElongitude) and (MRlantitude＜SITElantitude) then MRazimuth=270-acos（|MRMap_x|/ |MRDistance|）

else if (MRlantitude＜SITElantitude) and (MRlongitude> SITElongitude) then MRAzimuth=90+acos（|MRMap_x||MRDistance|）

else if (MRlantitude=SITElantitude) and (MRlongitude＜SITElongitude) then MRazimuth=270+acos（|MRMap_x|/ |MRDistance|）

步驟6 采用高斯分布擬合方法統(tǒng)計(jì)MR采樣點(diǎn)，確定基站（天線）最佳方向角。

假設(shè)以天線水平波瓣寬度60o為區(qū)間，以基站（天線）的單個(gè)扇區(qū)為目標(biāo)，從0o開始，0o~60o為范圍統(tǒng)計(jì)夾角位于該范圍的MR采樣點(diǎn)數(shù)，并以角度10o為步長(zhǎng)，分別統(tǒng)計(jì)10o~70o、20o~80o、30o~90o、···、350o~50o各區(qū)間60o角內(nèi)MR采樣點(diǎn)數(shù)及占比，占比最大者為該基站（天線）扇區(qū)的最佳方位角。創(chuàng)建形成數(shù)據(jù)庫(kù)，見(jiàn)表3。

表3匯總了運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中該基站每個(gè)小區(qū)天線方向角，以及以天線主波瓣寬度為區(qū)間逐步迭代后的每個(gè)區(qū)間MR采樣點(diǎn)占比，這些區(qū)間的MR采樣點(diǎn)占比服從高斯分布，由此得出的、最大MR采樣點(diǎn)占比區(qū)間即該天線的最佳方向角。將數(shù)據(jù)庫(kù)表3表征為二維圖形，服從高斯分布，如圖3所示，高斯分布中心角度區(qū)間（該圖示例為150o~210o）的MR采樣點(diǎn)占比最大，則該角度區(qū)間為該天線的最佳方向角。

步驟7 通過(guò)最佳方位角與現(xiàn)網(wǎng)天線的方向角對(duì)比，發(fā)現(xiàn)天饋問(wèn)題。設(shè)置誤差偏離門限（依據(jù)定位精度要求，可設(shè)置為20o以上），以30o為門限判斷如下。

圖3 MR采樣點(diǎn)高斯分布圖（確定最佳方向角）

?? 天線水平波瓣寬度≥|基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)天線方向角-最佳方向角≥30o，則天線方向角偏移過(guò)大，原因有兩點(diǎn)：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)工程參數(shù)信息有誤，需要核準(zhǔn)后重新計(jì)算；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)信息正確，則需調(diào)整天饋方向角至最佳方向角；以上情況均需要現(xiàn)場(chǎng)核查處理。

?? 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)天線方向角-最佳方向角≤30o為正常誤差范圍，無(wú)須進(jìn)行任何操作。

?? 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)天線方向角-最佳方向角≥天線水平波瓣寬度，則天饋接反，屬于工程施工接線錯(cuò)誤，須優(yōu)先處理。

以上3種判斷方式有特殊情況：如果得出的最佳方向角與現(xiàn)網(wǎng)基站或小區(qū)的方向角分別在第四象限和第一象限時(shí)，判斷式需調(diào)整為：

方向角數(shù)值小的（第一象限方向角）+360°-方向角數(shù)值大的（第四象限方向角）| （4）

步驟8 問(wèn)題基站的天線方向角再次確認(rèn)。結(jié)合Google Earth三維地圖，進(jìn)一步核查確認(rèn)最佳方位角計(jì)算無(wú)誤且符合實(shí)際情況。

圖4（a）中，后臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄的專探于莊（該圖標(biāo)深色箭頭）基站第2小區(qū)天線覆蓋方向角110o（即右下角扇區(qū)），地圖顯示天線覆蓋一片空曠地，無(wú)明顯覆蓋目標(biāo)，而基于MR的高斯分布統(tǒng)計(jì)得出該小區(qū)的天線最佳方向角應(yīng)為70o，如圖4（b）中三葉圖的右邊第2扇區(qū)。經(jīng)該步驟驗(yàn)證該小區(qū)天線覆蓋方向確實(shí)不合理，其覆蓋目標(biāo)區(qū)域（用戶及業(yè)務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域）應(yīng)為70o左右，為用戶及建筑物密集區(qū)域。因此，通過(guò)該步驟可再次確認(rèn)該小區(qū)天線最佳方向角是否與業(yè)務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域和用戶的覆蓋要求相符。

圖4（b）中，確認(rèn)后，通過(guò)天饋調(diào)整，將專探于莊二扇區(qū)天線調(diào)整為該算法計(jì)算得出的天線最佳方向角70o，確保天線主波瓣最強(qiáng)信號(hào)覆蓋密集人群區(qū)域，提升用戶感知。

表3 具有天線參數(shù)、MR采樣點(diǎn)區(qū)間占比和最佳方向角字段的結(jié)果

圖4 Google Earth確認(rèn)并整改的扇區(qū)天線問(wèn)題實(shí)例

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 天饋接反

使用該算法對(duì)某地市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行核查，發(fā)現(xiàn)黔川路新建街-1扇區(qū)方向角（11 351小區(qū)）為123o，輸出結(jié)果見(jiàn)表4，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中該小區(qū)的方向角為40o，二者偏離83o左右；因二者偏離過(guò)大，依據(jù)判斷規(guī)則懷疑基站3個(gè)扇區(qū)之間天饋線接錯(cuò)。

通過(guò)MAPINFO工具對(duì)該站點(diǎn)1、3扇區(qū)的通過(guò)MAPINFO工具對(duì)該站點(diǎn)1、3扇區(qū)的MR采樣點(diǎn)分布進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5所示。

圖5 1135基站1扇區(qū)天線方向角270 o方向和3扇區(qū)10 o方向MR分布

圖5(a)顯示，三葉圖實(shí)色扇區(qū)為第一扇區(qū)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中的天線方向角指向?yàn)?0o，其MR采樣點(diǎn)理應(yīng)位于該扇區(qū)的上方（北）40o位置，而統(tǒng)計(jì)得出的該扇區(qū)MR采樣點(diǎn)的地理化呈現(xiàn)，實(shí)際位于該基站下方偏西區(qū)域，用戶主要分布在270o方向。圖5(b)顯示剛好相反，三葉圖深色扇區(qū)為第三扇區(qū)，其MR采樣點(diǎn)理應(yīng)位于該扇區(qū)的左邊（西）位置，而統(tǒng)計(jì)得出的該扇區(qū)MR采樣點(diǎn)的地理化呈現(xiàn)，用戶實(shí)際位于該基站上方（北）區(qū)域。說(shuō)明該站點(diǎn)的第一扇區(qū)、第三扇區(qū)存在明顯覆蓋相反的情況，經(jīng)該方法判斷為天線方向角接反。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程師上站核查，發(fā)現(xiàn)該站點(diǎn)的第一扇區(qū)、第三扇區(qū)確實(shí)接反。核查結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 黔川路新建街W_1小區(qū)基于MR計(jì)算的方向角

表5 黔川路新建街W天線方位角上站核查結(jié)果

表5顯示，黔川路新建街W基站因基站機(jī)房連接RRU的光纖與BBU接口板插錯(cuò)，導(dǎo)致該基站第一和第三扇區(qū)的天線方向角接反。

表6 汝陽(yáng)七里南F第一扇區(qū)天線方向角調(diào)整前后的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)

3.2 方向角不合理

圖6中，汝陽(yáng)七里南F站點(diǎn)位于山區(qū)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)顯示其第一扇區(qū)（深色扇葉標(biāo)注）天線方向角為30o，根據(jù)MR采樣分析計(jì)算和地圖確認(rèn)，其第一扇區(qū)用戶主要分布在80o方向，與計(jì)算得出的最佳天線方向角相符。因此建議將第一扇區(qū)方位角由30o調(diào)整到80o。天線方位角不合理現(xiàn)場(chǎng)天饋調(diào)整后觀察總體指標(biāo)正常見(jiàn)表6：該站點(diǎn)1扇區(qū)業(yè)務(wù)量日均增加1.5 GB，忙時(shí)最大用戶數(shù)增加1倍，達(dá)到預(yù)期效果。

圖6 汝陽(yáng)七里南F站點(diǎn)一扇區(qū)方向角調(diào)整示意

4 結(jié)束語(yǔ)

利用并處理一定周期的、海量的、精準(zhǔn)定位的MR采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，并計(jì)算與基站（天線）的距離和方向角，利用高斯分布統(tǒng)計(jì)擬合方法，確定MR采樣點(diǎn)最多的區(qū)域?yàn)橛脩裘芗瘏^(qū)域和業(yè)務(wù)密集區(qū)域，即該區(qū)域方向?yàn)榛咎炀€覆蓋的最佳方向角，發(fā)現(xiàn)并解決基站規(guī)劃設(shè)計(jì)天線方向角不合理、天線接反、現(xiàn)網(wǎng)天線方向角與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)不一致等多種問(wèn)題。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用，能快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并定位問(wèn)題，節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)天饋核查所需的大量人財(cái)物力資源。下一步將適時(shí)對(duì)多天線[15]和MIMO[16]技術(shù)開展此方向的研究。

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Optimal azimuth positioning algorithm for base station antenna based on Gaussian distribution

LIANG Songbai1, CHEN Feng2, SONG Haiping3, LI Wensheng1

1. Henan Branch of China United Network Communications Co., Ltd., Zhengzhou 450008, China 2. Henan Branch of ZTE Corporation, Zhengzhou 450003, China 3. Zhengzhou C&SI，Huawei Technologies Co., Ltd., Zhengzhou 450018, China

In order to improve the accuracy and efficiency of the discovery of the antenna-feeder problem, an optimal direction angle solution based on Gaussian distribution was proposed to diagnose the antenna-feeder coverage problems of operators. First of all, the location direction information between each MR sampling point reported by the UE and the base station was calculated, and then the proportion of MR sampling points in each interval was calculated, Based on the Gaussian distribution feature, the angle range with the largest proportion of MR sampling points was the appropriate azimuth, which was based on the user hotspot distribution of the sector. Finally, the date of optimal azimuth was compared with the base station azimuth in the background antenna database to detect antenna feeder problems, such as cross feeder, improper antenna coverage direction and incorrect background antenna database, and so on. The field verification shows that, the cost, accuracy and efficiency of the antenna-feeder problems are obviously improved compared with the existing methods.

Gaussian distribution, MR, antenna, azimuth, positioning algorithm

TN914

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018212

2017?03?31；

2017?05?10

梁松柏（1975?），男，現(xiàn)就職于中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司河南省分公司，主要從事移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量方面的研究工作。

陳鋒（1975?），男，現(xiàn)就職于中興通訊股份有限公司鄭州辦事處，主要從事無(wú)線產(chǎn)品技術(shù)支持和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)方面的工作。

宋海平（1983?），男，現(xiàn)就職于華為技術(shù)有限公司鄭州咨詢與系統(tǒng)集成部，主要從事無(wú)線網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)研究和項(xiàng)目應(yīng)用工作。

李文生（1982?），男，中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司河南省分公司工程師，主要從事無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量方面的研究工作。