劉晨吉 水天運 徐玲凌 劉 凡 中國移動通信集團(tuán)江西有限公司 南昌市 330038楊鼎成 南昌大學(xué) 南昌市 330031

0 引言

第五代移動通信技術(shù)（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）作為新一代寬帶移動通信技術(shù)，具有高速率、低時延和大連接等特點，可廣泛應(yīng)用于增強移動寬帶（Enhanced Mobile Broad‐band，eMBB）、超高可靠低時延通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，u RLLC）和海量機器類通 信 （Massive Machine Type Communication，mMTC）等場景。自2017年10月全國首個5G試驗站開通以來，伴隨著移動醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，5G已然成為支撐經(jīng)濟(jì)社會數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型，承載人機物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

為推進(jìn)建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強國、數(shù)字中國、智慧社會戰(zhàn)略部署，筆者基于開源Cesium虛擬地球引擎，實現(xiàn)三維實景建模與呈現(xiàn)。針對無線信號傳播難以模擬的難點，基于自有運維數(shù)據(jù)，采用高性能的射線追蹤仿真技術(shù)，實現(xiàn)AI輔助射線追蹤實時仿真平臺與5G規(guī)劃。基于自主搭建的Spark大數(shù)據(jù)集群，通過自研算法深度挖掘海量運維數(shù)據(jù)中的價值數(shù)據(jù)，應(yīng)用優(yōu)化經(jīng)驗算法設(shè)計專題應(yīng)用，支撐網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化生產(chǎn)運維問題精準(zhǔn)定位，自動提供精細(xì)優(yōu)化方案，實現(xiàn)面向未來數(shù)字化城市的5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化探索。

1 5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化現(xiàn)狀

5G網(wǎng)絡(luò)的部署場景包括三維樓宇、城區(qū)、郊區(qū)、山區(qū)、高速公路、高鐵沿線等地域，要實現(xiàn)準(zhǔn)確、高效、常態(tài)化的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化，需要依托精準(zhǔn)直觀的無線信道仿真規(guī)劃與真實網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果呈現(xiàn)平臺。然而，當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化軟件以工具式、半自動化的軟件應(yīng)用居多，需要輸入規(guī)劃區(qū)域的電子地圖數(shù)據(jù)、基站工參等參數(shù)，提供二維的網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量仿真結(jié)果，操作復(fù)雜且周期長，對于增量5G基站的覆蓋效果無法實現(xiàn)在原有仿真結(jié)果上的快速迭代，輸出結(jié)果無法對地形和建筑物高度直觀展示。

在實際生產(chǎn)工作中，要求5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化軟件不僅有承載和處理多維度大數(shù)據(jù)的能力，還需要直觀的空間信息展示，簡單的交互操作，方便的信息獲取方式，能夠支持仿真結(jié)果的快速迭代生成，對增量基站實現(xiàn)實時仿真。為此，筆者致力于探索一種數(shù)字化城市的三維可視化網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化平臺，以基于AI的射線追蹤算法實現(xiàn)無線信道仿真，使用海量現(xiàn)網(wǎng)運維數(shù)據(jù)作為規(guī)劃仿真的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，以空間關(guān)系數(shù)據(jù)庫作為規(guī)劃仿真結(jié)果和地理空間數(shù)據(jù)的存儲形式，使用3DTiles格式組織和可視化海量地理空間數(shù)據(jù)，構(gòu)建起全省建筑物、地形地貌、無線基站的三維數(shù)字化模型和5G無線網(wǎng)絡(luò)仿真數(shù)據(jù)及運維實測數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)，實現(xiàn)全省建筑物覆蓋三維渲染、射線追蹤的三維呈現(xiàn)、室內(nèi)覆蓋分層評估、實時規(guī)劃三維呈現(xiàn)等功能應(yīng)用，為5G網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提升打下基礎(chǔ)。

2 數(shù)字化城市三維建模

虛擬地球引擎Cesium是一種開源的、B/S架構(gòu)空間數(shù)據(jù)三維可視化技術(shù)，具有多維的空間尺度和友好直觀的三維可視化效果。Cesium利用3DTiles數(shù)據(jù)格式實現(xiàn)海量三維模型數(shù)據(jù)的可視化，大大提升了Web端三維可視化的性能。

筆者深入研究3DTiles定義的抽象性與靈活性在定義細(xì)節(jié)上的具體表現(xiàn)，特別是關(guān)于瓦片索引、對象映射、位置變換機制等的設(shè)定方式，設(shè)計出適合于表示建筑物瓦片數(shù)據(jù)的3DTiles的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。為高效傳輸與顯示海量空間數(shù)據(jù)，提出3DTiles索引與數(shù)據(jù)分離、空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)低耦合設(shè)計思路，主要步驟如下：第一，使用四叉樹索引結(jié)構(gòu)，保證瓦片索引結(jié)構(gòu)高效；第二，將位置變換矩陣放置到瓦片數(shù)據(jù)中，保證索引的數(shù)據(jù)量盡量小，體現(xiàn)索引與數(shù)據(jù)分離的低耦合設(shè)計思路；第三，瓦片要素中屬性數(shù)據(jù)僅存儲建筑物編號，將建筑物電平值等屬性采用數(shù)據(jù)庫存儲并通過服務(wù)訪問，體現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)低耦合設(shè)計思路。

圖1 構(gòu)建3D Tiles流程

結(jié)合實際生產(chǎn)需求，改造Cesium接口，實現(xiàn)Web服務(wù)與文件服務(wù)分離?；谏衔乃饕c數(shù)據(jù)分離、空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)低耦合的設(shè)計思路，筆者采用后臺訪問方式讀取海量數(shù)據(jù)文件，提出將web服務(wù)器與文件服務(wù)器分離的思路，將各三維數(shù)據(jù)索引文件放在Web服務(wù)器，海量數(shù)據(jù)文件放置在分布式文件服務(wù)器，改造Ce‐sium接口，采用后臺訪問方式讀取數(shù)據(jù)文件，大大提高平臺穩(wěn)定性及訪問速度，為開發(fā)一個多維度的三維GIS平臺打下了基礎(chǔ)。

圖2 加載江西省建筑物3D Tiles數(shù)據(jù)

3 AI輔助射線追蹤實時仿真與5G規(guī)劃

針對無線信號傳播難以模擬的難點，開展全網(wǎng)射線追蹤等無線信號仿真模型與算法的實證研究，基于運營商自有基站數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)實測海量數(shù)據(jù)，采用高性能的射線追蹤仿真技術(shù)，使用特色加速算法和基于機器學(xué)習(xí)的校準(zhǔn)算法，通過更真實的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)建模，能夠在確保仿真準(zhǔn)度的同時實現(xiàn)無線鏈路三維射線追蹤的快速實時仿真，模擬網(wǎng)絡(luò)實際情況，包括三維如樓宇各層的網(wǎng)絡(luò)情況和建站后的覆蓋效果，指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)部門開展實際網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作，指導(dǎo)規(guī)劃建設(shè)部門進(jìn)行站點規(guī)劃選址工作。

筆者在數(shù)字化城市三維建模的基礎(chǔ)上，對基站、鐵塔進(jìn)行三維建模，渲染具有高度、方向角、下傾角信息的基站模型，使用開源Blender軟件，生成基站、鐵塔模型。Cesium使用Entity接口繪制各種空間對象，渲染具有高度、方向角、下傾角信息的基站模型。詳見圖3江西省基站三維模型。

圖3 江西省基站三維模型

構(gòu)建豐富的場景模型庫、材質(zhì)參數(shù)庫以及天線模型庫，憑借在“射線跟蹤校正算法”“顯著結(jié)構(gòu)體的判決和搜索算法”“傳播環(huán)境空域準(zhǔn)平穩(wěn)區(qū)間判決與插值”三個關(guān)鍵問題上的突破，揭示信道特性與場景幾何特征、材質(zhì)特征和多種傳播機制疊加之間的映射關(guān)系，提升射線跟蹤仿真的精確度、靈活性以及大規(guī)模復(fù)雜場景信道仿真的效率，實現(xiàn)全網(wǎng)射線追蹤等無線信號仿真模型與算法的實證研究。詳見圖4三維射線追蹤示意圖。

4 運維大數(shù)據(jù)智能分析與5G優(yōu)化

應(yīng)用“全民測試，自動網(wǎng)優(yōu)”為設(shè)計主旨，基于自主搭建的Spark大數(shù)據(jù)集群，通過自研算法深度挖掘海量運維數(shù)據(jù)中的價值數(shù)據(jù)，應(yīng)用優(yōu)化經(jīng)驗算法設(shè)計專題應(yīng)用，支撐5G無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化生產(chǎn)運維問題精準(zhǔn)定位，自動提供精細(xì)優(yōu)化方案，逐步實現(xiàn)機器學(xué)習(xí)，智能優(yōu)化。

基于Spark大數(shù)據(jù)集群，挖掘信令、MR等運維數(shù)據(jù)，結(jié)合工參、掃樓測試等數(shù)據(jù)，對各場景全面分析，并進(jìn)行用戶維度關(guān)聯(lián)與融合，清洗冗余數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系。無線環(huán)境和工程參數(shù)通過校準(zhǔn)算法對融合數(shù)據(jù)進(jìn)行位置精度校準(zhǔn)，定位網(wǎng)絡(luò)問題，輸出優(yōu)化建議，實現(xiàn)了全省建筑物覆蓋三維渲染、射線追蹤三維呈現(xiàn)、室內(nèi)覆蓋分層評估、實時規(guī)劃三維呈現(xiàn)等功能應(yīng)用。

5 結(jié)束語

本文將射線跟蹤仿真器和Cesium相融合，突破傳統(tǒng)射線跟蹤技術(shù)與三維呈現(xiàn)技術(shù)的瓶頸與制約，實現(xiàn)高效靈活的計算架構(gòu)，實現(xiàn)5G覆蓋的規(guī)劃仿真與實景優(yōu)化，大大降低5G網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提升對人工勘察的依賴，系統(tǒng)性地提供5G網(wǎng)絡(luò)的三維可視規(guī)劃與優(yōu)化體驗，使無線規(guī)劃和優(yōu)化工作有準(zhǔn)確、直觀的數(shù)據(jù)支撐。