張利 寧夏回族自治區(qū)固原市公安局

引言

警用數(shù)字集群（PDT）通信系統(tǒng)是公安指揮調(diào)度的重要手段，目前全國各地公安機關(guān)基本已建成了本地PDT系統(tǒng)，并實現(xiàn)了部省市三級聯(lián)網(wǎng)，在大型活動保障和日常勤務(wù)指揮中均發(fā)揮了不可替代的作用。位于中國黃土高原的西北邊緣的某市，境內(nèi)以六盤山為南北脊柱，將其分為東西兩壁，呈南高北低之勢。海拔大部分在1500～2200米之間。受河水切割與沖擊，形成丘陵起伏、溝壑縱橫、梁峁交錯、山多川少，塬、梁、峁、壕交錯的地理特征。這些地形特點導(dǎo)致無線電波傳輸環(huán)境極其復(fù)雜，這也是該市PDT系統(tǒng)建設(shè)時遇到的主要難題，通過路測采集、傳模校正及軟件仿真等手段，不僅縮短了建設(shè)周期，也大大提高了基站覆蓋效率，目前全市共建設(shè)基站41座，實現(xiàn)了全市國道、省道、高速及重要公共場合的無線信號覆蓋。

一、山區(qū)地形無線基站建設(shè)選址的必要性

隨著社會信息化水平的整體提升，公安在指揮調(diào)度中對于集群通信的要求越來越高，模擬集群時代基本以高點建設(shè)為原則進行基站的選址，通常選取一個至高點覆蓋附近的一片廣域區(qū)域，這種選址思路在后期的使用過程中暴露出各種問題，在一定程度上影響了整個集群網(wǎng)絡(luò)的用戶體驗。數(shù)字集群（PDT）通信系統(tǒng)建設(shè)時，公安部科信局明確要求系統(tǒng)建設(shè)前應(yīng)進行專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計，進一步強調(diào)選址對于專網(wǎng)通信基站建設(shè)的關(guān)鍵作用。

某市山區(qū)地形占比較大，地廣人稀，基站站址的選擇對網(wǎng)絡(luò)覆蓋的影響作用更為顯著，有時候甚至起到了決定性作用。目前提供的電波傳輸模型大多是針對城市通信規(guī)劃建設(shè)的實際情況研究開發(fā)的，山區(qū)農(nóng)村地理環(huán)境復(fù)雜，電波傳播受地形影響十分顯著，基于準(zhǔn)平坦地形的覆蓋預(yù)測模型就更加難以發(fā)揮作用，一般工程人員進行無線基站選址時，難以充分考慮當(dāng)前復(fù)雜的地理狀況，只能憑借經(jīng)驗和有限的實地勘察試驗來確定站址的選擇，通常都把站點選在高山上，以期獲得較大的覆蓋范圍，但實際上，這種選址方式有很大的主觀性。為了解決以上問題，某市公安局在警用數(shù)字集群（PDT）通信系統(tǒng)建設(shè)基站選址時通過三維地圖模擬仿真的方式進行基站位置確認，充分計算地形對于無線信號的實際傳播影響。

二、基站選址流程

某市警用數(shù)字集群（PDT）通信系統(tǒng)的基站選址主要分四步進行，分別是準(zhǔn)備階段、預(yù)規(guī)劃階段、詳細規(guī)劃設(shè)計階段、工程實施階段。

（一）準(zhǔn)備階段

這一階段的主要工作是收集基站選址所需的業(yè)務(wù)需求、地形地貌等信息，并進行CW測試與傳播模型校正等，掌握覆蓋區(qū)的無線環(huán)境情況，為后面的覆蓋、容量規(guī)劃等提供依據(jù)。

1. 業(yè)務(wù)需求調(diào)研、資料收集

具體內(nèi)容包括覆蓋區(qū)域現(xiàn)有集群專網(wǎng)的覆蓋和使用情況、日常勤務(wù)和活動保障的區(qū)域及用戶數(shù)量、地形地貌情況、未來城市規(guī)劃發(fā)展情況等信息。

2. CW測試

CW測試是在需進行模型校正的區(qū)域內(nèi)進行車載測試，通過信號接收機采集測試區(qū)域的信號強度數(shù)據(jù)。采集的信號強度數(shù)據(jù)可以是CW 測試數(shù)據(jù)，也可以是已有網(wǎng)絡(luò)的實際測試數(shù)據(jù)。CW 測試是經(jīng)典的傳播模型校正測試方法，它是以CW 發(fā)射機作為信號源，采用全向天線發(fā)射信號，接收機在服務(wù)區(qū)內(nèi)各個方向的道路上進行測試，以得到不同方向、距離的信號強度值。

一個無線通信系統(tǒng)質(zhì)量的好壞，在很大程度上取決于無線信道傳輸質(zhì)量的好壞。無線通信靠的是無線電波的傳播，由于山區(qū)山高林密，地形復(fù)雜，有高山遮擋，無線電波傳輸環(huán)境復(fù)雜，在傳播時既可能有直射波，還可能產(chǎn)生大量的反射波、折射波、散射波和繞射波等，將引起較大的傳播損耗以及傳輸信號的隨機衰落，使信號衰落起伏大、場強分布不均勻，甚至出現(xiàn)信號盲區(qū)。為掌握該地區(qū)無線電磁波的傳播特點，本次PDT系統(tǒng)建設(shè)時進行了CW測試，CW測試前需根據(jù)覆蓋區(qū)的地形、建筑物、人口分布等將目標(biāo)覆蓋區(qū)域分為幾種區(qū)域（固原分為一般城區(qū)、近郊區(qū)、山區(qū)3類），對每種區(qū)域分別進行 CW 測試，以了解無線信號實際的路徑傳播損耗，作為后期的規(guī)劃設(shè)計工作的依據(jù)。

3. 業(yè)務(wù)預(yù)測

通過對一線用戶使用調(diào)研，結(jié)合前期相關(guān)資料調(diào)查收集，并根據(jù)整個覆蓋區(qū)內(nèi)不同區(qū)域的地形、建筑物及用戶分布特點將其劃分成不同的類型，針對各類區(qū)域分別確定其基本覆蓋要求、質(zhì)量要求、基站類型等，形成建設(shè)需求報告。

（二）預(yù)規(guī)劃階段

此階段主要收集可用的機房、鐵塔、鏈路資源，并結(jié)合前一階段形成的建設(shè)需求報告，進行基站數(shù)量和容量的預(yù)估，初步確定可用的基站位置和載波數(shù)量信息，并進行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)總體規(guī)模及投資估算等。

在山區(qū)基站的規(guī)劃選址方面，需要綜合考慮建設(shè)、運行和維護成本，科學(xué)合理布局基站，在做到滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋、業(yè)務(wù)需求的情況下，減少基站數(shù)量，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，可以借助衛(wèi)星地圖工具軟件選點，對當(dāng)?shù)氐牡匦魏突靖浇臒o線環(huán)境等有個初步了解，獲得較為準(zhǔn)確的全局性信息，然后再去現(xiàn)場實地調(diào)研。另外，擬建站站址最好利用現(xiàn)有運營商機房、鐵塔及光纖鏈路資源。

針對山區(qū)基站的選址，基站位置的合理比基站的高度更為重要，如圖1和圖2所示，在平坦地區(qū)，信號強度值與距離基站的遠近有明顯的線性關(guān)系，但在山區(qū)，由于地形的劇烈起伏，信號強度值與距離基站的遠近關(guān)系不再明顯，高點位置的基站將不能保證大范圍的連續(xù)有效覆蓋，并且多個高山基站容易造成重疊覆蓋區(qū)過多，導(dǎo)致漫游切換值難以設(shè)置，因此山區(qū)基站選址時基站位置更為關(guān)鍵，在預(yù)規(guī)劃階段可以多預(yù)設(shè)幾個點位，在模擬仿真階段選出最為合理的點位。

圖1 一般城區(qū)CW測試效果圖

圖2 山區(qū)地形CW測試效果圖

（三）詳細規(guī)劃設(shè)計階段

此階段的主要任務(wù)是以覆蓋規(guī)劃和容量規(guī)劃的結(jié)果為指導(dǎo)，進行實際的站址勘查、選擇、設(shè)計，并通過模擬仿真對規(guī)劃設(shè)計的效果進行驗證，如不滿足建設(shè)目標(biāo)則需要進行規(guī)劃設(shè)計方案的調(diào)整，直到滿足建設(shè)目標(biāo)為止。

1. 站點勘查、設(shè)計

該步的任務(wù)就是對覆蓋區(qū)進行實地勘查設(shè)計，進行站點的具體布置，確定基站類型（如標(biāo)準(zhǔn)基站、一體化基站、光纖直放站等），找出適合做基站站址的機房位置，并確定天線掛高、天線角度等參數(shù)。

需核實現(xiàn)有基站位置、高度是否適合建設(shè)PDT基站，機房、天面是否有足夠的位置布放PDT系統(tǒng)的設(shè)備、天線等，現(xiàn)有傳輸、電源、配套資源是否有充足的余量，是否需要新增等問題。如果和其他無線系統(tǒng)共址建設(shè)，還需要考慮系統(tǒng)之間的干擾控制問題，可通過空間隔離等方式對不同系統(tǒng)的天線進行隔離，使得系統(tǒng)間干擾降低到不影響雙方正常運作的程度。

站點選定后，為了了解網(wǎng)絡(luò)整體的覆蓋、容量、信號質(zhì)量水平，還需通過模擬仿真預(yù)測出網(wǎng)絡(luò)建成后各項指標(biāo)可能達到的水平，并通過和預(yù)期的建設(shè)目標(biāo)對比，判斷建設(shè)方案能否滿足建設(shè)目標(biāo)要求。

2. 傳播模型校正

傳播模型是移動通信網(wǎng)小區(qū)覆蓋半徑計算的基礎(chǔ)，而小區(qū)覆蓋半徑的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到了無線網(wǎng)絡(luò)站點規(guī)劃布局是否合理。同時，傳播模型也是計算發(fā)射端和接收端之間的無線傳播損耗，進而模擬出網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和干擾效果的必要條件。

由于各地的無線傳播環(huán)境千差萬別，如果僅僅根據(jù)默認參數(shù)或者經(jīng)驗參數(shù)，而無視各地實際的地形、地貌、建筑物、植被等對參數(shù)的影響，會導(dǎo)致所采用的傳播模型與各地實際不符，進而導(dǎo)致按照該模型進行規(guī)劃和建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)不能符合實際，或者站點間距過遠存在覆蓋、質(zhì)量問題，或者站點過于密集造成資源浪費和相互間的干擾。隨著計算機仿真模擬在規(guī)劃設(shè)計中的普及應(yīng)用，傳播模型作為模擬仿真準(zhǔn)確的必要條件也就更加重要。

在所有電波傳播模型中，Okumura-Hata（奧村-哈特）模型最接近我國350MHz大區(qū)制專網(wǎng)的覆蓋特性，因此選擇該模型作為基礎(chǔ)模型來校正傳模。某市公安局運用大區(qū)制專網(wǎng)規(guī)劃軟件PPLAN進行傳模校正和覆蓋仿真。在PPLAN規(guī)劃軟件中，電波傳輸模型的的數(shù)學(xué)表達式為：PL( dB)=K1+K2×lg(fc) +K3×lg(Hb)-a(hm)+(K4+K5×lg(Hb))×lg(Rd)+Kdiff×Diff_Loss+Clutter_Offset，導(dǎo)入3種場景的路測數(shù)據(jù)，做地理平均等數(shù)據(jù)處理，根據(jù)最小二乘擬合算法校正出K1、K4等系數(shù)，校正出某市一般城區(qū)傳模、某市近郊區(qū)傳模、某市山區(qū)傳模3種傳播模型。經(jīng)過傳模校正，建立了3種場景的電波傳播模型，詳見表1。

表1 某市350M專網(wǎng)傳播模型K系數(shù)表

3. 仿真分析

仿真分析采用PPLAN規(guī)劃軟件，導(dǎo)入某市的三維地圖和基站站址位置信息，給基站選擇相應(yīng)的地形傳播模型，并設(shè)定發(fā)射功率、合路器損耗、饋線損耗、天線增益等參數(shù)。對于PDT網(wǎng)絡(luò)而言，最主要的覆蓋評估指標(biāo)是接收電平值（Rxlevel）。接收電平值（Rxlevel）計算公式：接收電平值（Rxlevel）=基站發(fā)射功率+天線增益-線纜損耗-路徑傳播損失。

PPLAN規(guī)劃軟件對于不同范圍的接收電平值用不同顏色進行區(qū)分，如圖3和圖4所示，根據(jù)用戶對于不同應(yīng)用場景的覆蓋要求，可以通過選擇相應(yīng)顏色范圍以了解此基站是否滿足用戶使用需求。如果模擬仿真結(jié)果未能達到建設(shè)目標(biāo)，則需要結(jié)合實際情況對建設(shè)方案進行優(yōu)化調(diào)整，然后對優(yōu)化后的建設(shè)方案進行再次模擬預(yù)測，并對比預(yù)測結(jié)果和建設(shè)目標(biāo)，直到模擬預(yù)測結(jié)果達到或者優(yōu)于目標(biāo)。

圖3 一般城區(qū)基站仿真覆蓋效果示意圖

圖4 山區(qū)基站仿真覆蓋效果示意圖

如圖3和圖4所示，一般城區(qū)基站的有效覆蓋范圍呈現(xiàn)連續(xù)規(guī)則形態(tài)，但山區(qū)基站的有效覆蓋范圍呈現(xiàn)間斷不規(guī)則的形態(tài)，由此驗證了山區(qū)電波傳播環(huán)境的復(fù)雜性，也突顯了模擬仿真分析對于山區(qū)基站選址的重要性。

（四）工程實施階段

在前階段工作的基礎(chǔ)上進行實際的規(guī)劃實施工作以及一些必要的調(diào)整。該階段是整個網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的最后階段，該階段規(guī)劃設(shè)計人員的主要任務(wù)就是指導(dǎo)施工隊按照規(guī)劃設(shè)計要求進行站點的安裝、調(diào)測，有需要時結(jié)合實際情況對建設(shè)方案進行局部調(diào)整。

三、結(jié)語

該市警用數(shù)字集群（PDT）系統(tǒng)按照規(guī)劃設(shè)計的基站布局建設(shè)完成后，實現(xiàn)了目標(biāo)的完全覆蓋，特別山區(qū)的重點道路覆蓋率接近100%，系統(tǒng)投入使用后各個業(yè)務(wù)單位均高度認可，特別是模擬集群時代難攻克的一系列盲區(qū)問題均得到解決。通過路測采集、傳模校正和模擬仿真技術(shù)方案一方面通過實際路測校正貼合當(dāng)?shù)責(zé)o線電波傳播特點的傳播模型，另一方面通過三維地圖計算地形對于無線電波實際傳播衰落，確?；镜膶嶋H覆蓋半徑與預(yù)期高度一致，使得項目建設(shè)估算更為準(zhǔn)確，也大大縮短了建設(shè)工期。實踐表明，該技術(shù)在350M專網(wǎng)基站選址中方案可行，成果有效，具有一定的工程應(yīng)用價值，可以廣泛應(yīng)用于全國警用數(shù)字集群（PDT）系統(tǒng)的建設(shè)。