［黃勁安 蔡子華］

1 引言

5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程基本一致，主要步驟包括網(wǎng)絡(luò)規(guī)模估算、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)仿真驗(yàn)證等。雖然由于5G引入了某些新技術(shù)、新頻段和新業(yè)務(wù)，在詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃上略有差異，但總體上差別不大。在5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，網(wǎng)絡(luò)仿真是必不可少的一項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)步驟，如圖1所示。

目前國(guó)內(nèi)從事無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的單位采用的主流仿真工具主要為法國(guó)Forsk的Atoll和英國(guó)Aircom的ASSET等國(guó)外軟件，但這些仿真軟件存在以下3個(gè)問(wèn)題：

（1）軟件本體：獲取軟件各核心模塊及射線(xiàn)追蹤模型license授權(quán)的成本高昂，企業(yè)通常只能購(gòu)買(mǎi)數(shù)套，大部分設(shè)計(jì)人員無(wú)法通過(guò)實(shí)操進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

（2）仿真地圖：仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性高度依賴(lài)于地圖的精度，高精度地圖需要花費(fèi)重金購(gòu)買(mǎi)，且需要不時(shí)更新，整體成本較高。

（3）軟件操作：仿真軟件對(duì)操作人員的素質(zhì)要求較高，既需要熟悉軟件本身的各項(xiàng)操作和功能，也要深入掌握基礎(chǔ)參數(shù)的設(shè)置和輸入。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃總體流程

5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際工程建設(shè)一般包含了可行性研究、總體設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)等階段，在初步設(shè)計(jì)階段，由于站址獲取工作的不順利而導(dǎo)致的站點(diǎn)變更現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，因此規(guī)劃設(shè)計(jì)人員同時(shí)需要對(duì)站址變更方案進(jìn)行評(píng)估，以確定變更后的站址位置是否符合覆蓋要求，而仿真也是站址變更方案評(píng)估時(shí)的主要手段。面對(duì)緊張的工程建設(shè)進(jìn)度，常規(guī)仿真軟件的操作復(fù)雜和應(yīng)用范圍窄的缺點(diǎn)暴露無(wú)遺。因此，尋找一種簡(jiǎn)單快速的5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方法，在特定場(chǎng)景下彌補(bǔ)常規(guī)仿真軟件的缺失，具有一定的必要性。

2 信道模型選擇

無(wú)線(xiàn)信道模型，在一般定義下是指對(duì)物理傳播環(huán)境建立的確定性或統(tǒng)計(jì)性數(shù)學(xué)描述，該描述以直接測(cè)量或建立在傳播理論基礎(chǔ)上的分析和計(jì)算機(jī)仿真等為手段，能夠有效、近似地表達(dá)無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境的傳播特征?，F(xiàn)有的信道模型大致上可分為三類(lèi)，一類(lèi)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的標(biāo)準(zhǔn)，一般為統(tǒng)計(jì)性模型，例如3GPP SCM/3D/D2D/HF、WINNER Ⅰ/Ⅱ/+、COST 259/273/2100/IC1004、ITU IMT-Advanced、IMT-2020、IEEE 802.11 TGn/TGac、QuaDRiGa、mmMAGIC、IEEE 802.15.3c/IEEE 802.11ad/aj/ay、MiWEBA、METIS、5GCM等，這些信道模型一般針對(duì)典型場(chǎng)景進(jìn)行劃分，沒(méi)有明確的劃分依據(jù)，其信道特性較宏觀(guān)，但信道模型相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算量小；另一類(lèi)是在統(tǒng)計(jì)性模型基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)量校正后獲得的信道模型，通過(guò)在多個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)景和多個(gè)頻段環(huán)境下進(jìn)行大量的測(cè)試，獲得與各個(gè)規(guī)劃環(huán)境相匹配的統(tǒng)計(jì)描述，從而使信道模型具有適應(yīng)不同規(guī)劃場(chǎng)景的針對(duì)性，但這類(lèi)模型的獲取途徑需耗費(fèi)大量人力物力，在追求降本增效的通信規(guī)劃設(shè)計(jì)行業(yè)內(nèi)難以大規(guī)模使用；還有一類(lèi)是在已知無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境的具體特征的前提下，利用電磁波傳播理論獲得的確定性模型，例如Atoll軟件常用的Crosswave、Aster射線(xiàn)追蹤模型，這類(lèi)信道模型的預(yù)測(cè)結(jié)果雖然比經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型更準(zhǔn)確，但對(duì)傳播環(huán)境的具體特征要求較高，需要匹配高精度三維矢量地圖，且計(jì)算過(guò)程更復(fù)雜。

因應(yīng)簡(jiǎn)單快速的實(shí)際需求，同時(shí)考慮使用成本，在信道模型選擇上，首先必須能包含影響高頻無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播的因素，如建筑物高度、街道寬度等；其次在適用頻段上，由于5G使用的頻率范圍較寬，需兼顧sub 6GHz和毫米波頻段的需求；第三，信道模型的計(jì)算要盡量簡(jiǎn)單，以節(jié)省預(yù)測(cè)時(shí)間，同時(shí)也需擺脫對(duì)高精度地圖的依賴(lài)，降低維護(hù)成本。綜合各種因素考慮，3GPP TR36.873和TR38.901模型基本能滿(mǎn)足要求。

3GPP TR36.873與3GPP TR38.901信道傳播模型都定義了UMa（城區(qū)宏站）、UMi（城區(qū)微站）、RMa（農(nóng)村宏站）和InH（室內(nèi)熱點(diǎn)）四類(lèi)場(chǎng)景，且同樣區(qū)分LOS（視距傳播）和NLOS（非視距傳播）場(chǎng)景，兩者的區(qū)別在于3GPP TR36.873的適用頻率范圍為2～6 GHz，而TR38.901的適用頻率范圍更寬，可拓展至0.5～100 GHz。此外，TR38.901模型與平均建筑物高度和街道寬度無(wú)關(guān)，僅與工作頻率、接收天線(xiàn)高度、天線(xiàn)間距離有關(guān)。

在5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋預(yù)測(cè)中，一般按照UE處于小區(qū)邊緣來(lái)考慮，由于UE與基站之間的傳輸路徑大概率受到遮擋，因此在做鏈路預(yù)算時(shí)需使用非視距傳播（NLOS）模型。圖2為3.5 GHz頻段下TR36.873模型和TR38.901模型在UMa和RMa場(chǎng)景下的非視距傳播路徑損耗關(guān)系對(duì)比。由圖可見(jiàn)，無(wú)論在RMa場(chǎng)景下還是在UMa場(chǎng)景下，二者的計(jì)算結(jié)果幾乎一致。

圖2 TR36.873與TR38.901模型對(duì)比

雖然TR36.873模型能更充分地考慮到建筑物高度和街道寬度等對(duì)高頻段信號(hào)傳播影響的因素，但由于其適用頻率范圍僅為2～6 GHz，不能適應(yīng)高頻段5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋預(yù)測(cè)的要求，因此具有更好通用性的TR38.901模型更能滿(mǎn)足需求。

TR38.901信道模型的核心部分為路徑損耗計(jì)算，具體計(jì)算模型如公式（1）所示：

其中：PLb為基礎(chǔ)的路徑損耗，需通過(guò)不同場(chǎng)景不同模型計(jì)算獲得；

PLtw為經(jīng)過(guò)建筑物外墻的穿透損耗；

PLin為建筑物內(nèi)部損耗；

σp為穿透損耗的標(biāo)準(zhǔn)差。

四類(lèi)場(chǎng)景UMa（城區(qū)宏站）、UMi（城區(qū)微站）、RMa（農(nóng)村宏站）和InH（室內(nèi)熱點(diǎn)）的路徑損耗分別如公式（2）、（3）、（4）和（5）所示：

其中：d3D為基站與UE之間的空間距離，單位為m；

h為建筑物的平均高度，單位為m；

fc為中心頻率，單位為GHz；

穿透損耗和內(nèi)部損耗分別如公式（6）、（7）所示。

其中：d2D為電磁波在建筑物內(nèi)部傳播的平面距離，單位為m；

f為中心頻率，單位為GHz。

此外，UE所處的位置與電磁波視距傳播的概率相關(guān)，系統(tǒng)在進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)需根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算得到的概率選擇恰當(dāng)?shù)男诺滥Ｐ汀?/p>

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

信道模型只能表達(dá)出UE與基站之間傳播路徑的衰耗，一般只能用于鏈路預(yù)算的編制，但無(wú)法反映規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量。因此信道模型只能作為計(jì)算的基礎(chǔ)，該種快速5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方法必須有系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)，最終使規(guī)劃設(shè)計(jì)人員通過(guò)該系統(tǒng)獲得與常規(guī)仿真軟件類(lèi)似的交付成果。

3.1 需求概述

5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的總體思路是通過(guò)將地圖數(shù)據(jù)柵格化，然后根據(jù)每個(gè)柵格所在的位置特征匹配合適的場(chǎng)景模型，然后計(jì)算出不同柵格的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值，按照數(shù)值輸出渲染圖層，最終在電子地圖上疊加渲染圖層，從而獲得預(yù)測(cè)結(jié)果圖，也可通過(guò)Excel表格輸出預(yù)測(cè)結(jié)果。

參照常規(guī)仿真工具的功能，該5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)功能如表1所示。

表1 5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的功能需求

需要注意的是，使用常規(guī)仿真軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋預(yù)測(cè)時(shí)，一般除了RSRP預(yù)測(cè)之外，還需輸出RS-SINR、上下行吞吐率等靜態(tài)指標(biāo)，某些場(chǎng)景下還需通過(guò)蒙地卡羅仿真進(jìn)行話(huà)務(wù)量預(yù)測(cè)。但考慮到該系統(tǒng)其中一個(gè)重要目的是提升預(yù)測(cè)速度，作為常規(guī)仿真軟件的補(bǔ)充，而并非要替代常規(guī)仿真軟件，因此在功能設(shè)計(jì)上只考慮RSRP預(yù)測(cè)的輸出即可。

3.2 場(chǎng)景判斷與匹配

信道場(chǎng)景匹配功能是該系統(tǒng)最關(guān)鍵的一環(huán)，必須準(zhǔn)確判斷出每個(gè)柵格歸屬的場(chǎng)景，才能獲得恰當(dāng)?shù)穆窂綋p耗計(jì)算模型。場(chǎng)景匹配主要有兩種渠道，一種是基于建筑矢量地圖數(shù)據(jù)的判斷，另一種是基于平面地圖POI（興趣點(diǎn)）數(shù)據(jù)的判斷。

（1）基于建筑矢量地圖數(shù)據(jù)的判斷

在常規(guī)渠道并不難獲得國(guó)內(nèi)大部分一線(xiàn)和二線(xiàn)城市的建筑矢量地圖，這類(lèi)地圖包含了建筑物的邊界輪廓矢量數(shù)據(jù)，矢量數(shù)據(jù)為地理信息軟件界常用的shapefile格式，在空間上將集合描述為點(diǎn)、折線(xiàn)或多邊形，地圖中通過(guò).shp和.shx文件記錄幾何形狀本身和特征幾何形狀的索引，還有包含幾何形狀柱狀屬性的.dbf文件。除此之外，矢量數(shù)據(jù)中還包含了建筑物的樓層屬性。圖3為基于建筑矢量地圖數(shù)據(jù)判斷的流程，最終目的在于將基站數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)匹配到對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景內(nèi)。

（2）基于平面地圖POI數(shù)據(jù)的判斷

如前文所述，國(guó)內(nèi)大部分一線(xiàn)城市和二線(xiàn)城市能較方便地獲取建筑物矢量地圖，換言之，三四線(xiàn)城市和一部分一二線(xiàn)城市的建筑物矢量地圖一般很難通過(guò)常規(guī)渠道獲得，即使能獲取，也需要付出較高的地圖采購(gòu)成本。在這種情況下，就需要考慮其他匹配方式，例如使用平面地圖的POI數(shù)據(jù)完成判斷和匹配流程。

圖3 基于建筑矢量地圖數(shù)據(jù)的匹配流程

Mapinfo是從事無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作常用的軟件之一，其通用的數(shù)據(jù)交換格式MIF包含了判斷和匹配流程所需的POI數(shù)據(jù)，其中的圖形數(shù)據(jù)和文本數(shù)據(jù)分別保存在.mif和.mid文件內(nèi)，采用ASCII碼編制而成，可以通過(guò)直接讀取這些數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，具體流程如圖4所示。從流程圖可以看出，使用此方法無(wú)法判斷出室內(nèi)熱點(diǎn)場(chǎng)景，主要是因?yàn)镻OI數(shù)據(jù)缺失了地理位置高度相關(guān)信息。但實(shí)際上5G中的室內(nèi)熱點(diǎn)場(chǎng)景一般需建設(shè)獨(dú)立室分系統(tǒng)，大部分室內(nèi)熱點(diǎn)無(wú)需通過(guò)室外站覆蓋解決，因此采用該方法對(duì)主要功能并無(wú)影響。

圖4 基于平面地圖POI數(shù)據(jù)的匹配流程

3.3 渲染呈現(xiàn)

在獲得各柵格的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)后，在系統(tǒng)前端描繪出柵格4個(gè)頂點(diǎn)組成的矩形，根據(jù)圖例中定義的RSRP數(shù)值所對(duì)應(yīng)的顏色，將矩形區(qū)域填充為該種顏色并顯示。另外也根據(jù)基站工參數(shù)據(jù)中定義的基站位置、方向角、基站名稱(chēng)等參數(shù)在前端顯示基站標(biāo)識(shí)，還有建筑矢量數(shù)據(jù)的渲染圖也需疊加在圖層上。

4 與常規(guī)仿真軟件的對(duì)比

利用前文所述的方法，可完成快速5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為測(cè)試該系統(tǒng)的效果，在廣東省某三線(xiàn)城市的核心城區(qū)選取了約2平方公里的區(qū)域，與日常從事規(guī)劃工作常用的Atoll軟件進(jìn)行了對(duì)比。

4.1 建筑物輪廓對(duì)比

圖5所示為快速5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的地圖細(xì)節(jié)與Atoll的對(duì)比，左邊為快速5G預(yù)測(cè)系統(tǒng)在同一區(qū)域顯示建筑物矢量圖的效果，右邊為Atoll軟件導(dǎo)入5 m精度矢量地圖的效果。由圖5可見(jiàn)，建筑物輪廓清晰，與Atoll的5 m精度矢量地圖效果基本相當(dāng)，但圖元豐富程度不及Atoll。

圖5 快速5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)地圖界面與Atoll的對(duì)比

4.2 預(yù)測(cè)結(jié)果輸出對(duì)比

圖6所示為快速5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的RSRP預(yù)測(cè)結(jié)果與Atoll的對(duì)比，左邊為快速5G預(yù)測(cè)系統(tǒng)輸出20米精度RSRP預(yù)測(cè)的效果，右邊為Atoll輸出20米精度RSRP預(yù)測(cè)的效果。由圖6可見(jiàn)，快速5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)結(jié)果比Atoll相對(duì)樂(lè)觀(guān)，顏色過(guò)度缺乏平滑度，但實(shí)測(cè)計(jì)算機(jī)輸出結(jié)果耗時(shí)僅需25秒，而Atoll耗時(shí)高達(dá)2分01秒。

圖6 快速5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)預(yù)測(cè)結(jié)果與Atoll的對(duì)比

4.3 操作簡(jiǎn)便程度對(duì)比

圖7所示為快速5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)與Atoll操作流程的對(duì)比，顯然，Atoll的操作步驟更多，除地圖導(dǎo)入工作外，還需進(jìn)行傳播模型設(shè)置，填寫(xiě)Site、Transmitter和Cell表，進(jìn)行全局設(shè)置和無(wú)線(xiàn)設(shè)備參數(shù)設(shè)置等，快速5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)明顯在操作簡(jiǎn)便性上優(yōu)于A(yíng)toll。

圖7 快速5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)與Atoll操作流程的對(duì)比

4.4 渲染精度

圖8所示為快速5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)5 m×5 m柵格精度與1 m×1 m柵格精度的RSRP預(yù)測(cè)效果，Atoll預(yù)測(cè)結(jié)果的精度受導(dǎo)入的矢量地圖精度制約，5米精度的地圖極限只能輸出5米精度的預(yù)測(cè)結(jié)果，但快速5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)能擺脫對(duì)地圖精度的依賴(lài)，可以按需調(diào)整渲染的柵格精細(xì)程度。

圖8 快速5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)5米與1米柵格精度效果對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

常規(guī)仿真工具參數(shù)配置復(fù)雜，且運(yùn)算量大，耗時(shí)較長(zhǎng)，延長(zhǎng)了規(guī)劃周期。本文提出的基于3GPP信道模型的快速5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方法盡管仍然存在不足之處，但從提升網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與站址變更效率和內(nèi)部降本增效的角度來(lái)看，仍然具有一定的價(jià)值。