3G移动网络规划优化仿真软件的设计与实现

李莉 陈海燕 李壮壮 时健

【摘要】 设计开发了3G移动网络规划优化仿真软件。该系统采用C#语言和ArcEngine可视化引擎开发计。在技术实现方面，采用了栅格算法、Thiessen多边形、和无向网络等方法处理网络规划仿真中的复杂计算。在仿真教学方面，该系统结合高校教学实际情况提供了多种实用性的教学管理功能。该软件既可以作为网络规划工具软件完成规划中的复杂计算，又可作为通信专业的教学软件进行仿真教学。

【关键词】 TD-SCDMA 网络优化 覆盖

一、引言

网络规划是3G移动通信系统建设中一个非常重要的环节，是决定网络性能优劣的最基本前提。由于网络规划涉及大量的复杂计算和概念抽象，如无线覆盖预算、绕码相关性计算、码资源分配、相邻小区规划、链路损耗计算等，网络规划必须借助与工具软件进行。

3G移动网络优化与分析软件可以将实际网络建设中的复杂规划计算通过快速仿真处理，用图形和数据表的方式给出直观的网络规划结果。另一方面，对于网络规划中的一些抽象概念也可以通过仿真软件进行直观展示，有利于建立完整的对移动网络规划的理解。

二、系统结构与组成

3G移动网络优化与分析软件定位于TD-SCDMA技术，是一种新型的网络优化与分析软件，该软件采用分布式、分层、模块化、可伸缩、可组合的体系架构，从基础网络、业务、用户三个层面衡量网络，并对关键指标进行分析，结合功能强大的地理信息系统（GIS），为用户提供基本运营指标的显示、定位与分析，不仅可以使运营商有效把握网络所提供的业务运行质量，还可以运用于实际教学，全面展现网络规划与优化工作的核心内容。

GIS在通信系统的应用相当广泛，如本地资源网、光纤接入网、电信线路管理等都是基于GIS的开发应用，这种电信地理信息系统把电信设备与当地的地图结合起来，再结合图库转化技术，实现了电信设备的地图化管理。基于GIS的TD-SCDMA网络规划与优化系统将各种类型的基站同本地地图有机地结合，能够分析、优化网络中基站的覆盖状况，及时获取基站的工作信息，从而了解整个网络的运行状况。

本系统结构采用三层架构Client/Server模式，网管数据库基于Oracle而建，为TD-SCDMA网络提供性能管理、故障管理等数据资料，并记录网络中所有基站各个时刻的指标信息，如图1所示。规划与优化系统并不对网管数据库进行修改，只是通过网管数据库提供的接口，实时读取相关数据，将其导入到后台本地数据库中。本地数据库基于SQL Server而建，数据库中保存有系统实现各项管理和优化功能所需要的数据资料。在本地数据库基础之上，建立起呈现在客户端的各项管理和优化功能模块，其主要功能是：覆盖规划是对网络中现有基站的覆盖状况进行图形化显示，首先，软件将导入数据库中的基站信息，并结合详细地地图经纬度信息，在地图上显示出来，然后根据内嵌无线链路传播模型，软件能够自动根据基站的相关数据计算覆盖半径，并将覆盖面积用图形化的形式在客户端显示出来，便于维护管理人员进行查看； 邻区规划是对每个基站下的相邻小区进行规划，能够查看邻小区信息，实现自动邻区数据的输出； 频点规划是对每个小区的频点进行规划设计，方便维护人员的使用； 扰码规划是可以实现全网扰码规划、局部扰码规划和小区扰码规划等功能；性能分析可以实现基站信息的导入分析，根据实际维护工作的需求，实现添加、删除、管理与维护各个基站的信息，为网络规划与优化工作带来方便。完整的软件使用功能介绍可以查阅软件的帮助说明。

三、系统实现的关键技术

3.1 基于栅格法的无线信号覆盖

无线网络规划中，覆盖规划的主要功能是通过无线信号的传播模型对规划区域进行覆盖计算。传播模型按照适用环境来划分可分为室外传播模型和室内传播模型；按照传播模型来源划分可以分为经验模型和确定性模型。以往的研究人员和工程师通过对传播环境的大量分析研究已经提出了许多传播模型，用于预测接受信号的中值场强。目前得到广泛使用的传播模型有Okumura-hata模型、COST321 Hata模型及通用模型等几种[9]。

本系统采用的传播模型是一种通用模型，它的系数由Hata公式导出。通用模型由下面的方程确定：

（1）首先根据基站的分布位置确定需要进行覆盖规划计算的Raster数据的范围，即所有基站在东南西北四个方向上最边缘的位置。这样做可以有效减少计算空间，加快计算和显示速度。（2）从第一个扇区开始，根据扇区设定的参数确定每个扇区需要计算的范围。在数据范围内逐格计算信号强度结果，对于已经存在信号的象元取信号强度的最大值为Raster数据值。并在Raster数据多余波段存储信号强度最大的扇区索引，直至所有的扇区都计算完。（3）根据计算的信号Raster数据，按照设定的信号强度大小，对符合要求的Raster数据部分按指定的颜色和图层进行显示。

3.2 基于Thiessen多边形的数据可视化

理论上小区的边界范围通常采用正六边形表示，但实际系统中由于基站位置的随意性，小区边界不可能用正六边形来表示，只能用多边形表示。本系统中采用Thiessen多边形法对小区的边界范围进行图形化展示。

荷兰气候学家A·H·Thiessen提出了一种根据离散分布的气象站的降雨量来计算平均降雨量的方法，即将所有相邻气象站连成三角形，作这些三角形各边的垂直平分线，于是每个气象站周围的若干垂直平分线便围成一个多边形。用这个多边形内所包含的一个唯一气象站的降雨强度来表示这个多边形区域内的降雨强度，并称这个多边形为泰森多边形。泰森多边形又叫Voronoi图或Dirichlet图。Delaunay三角形是由與相邻泰森多边形共享一条边的相关点连接而成的三角形。Delaunay三角形的外接圆圆心是与三角形相关的泰森多边形的一个顶点。泰森多边形是Delaunay图的偶图。

泰森多边形具有以下特性：（1）每个泰森多边形内仅含有一个离散点数据；（2）泰森多边形内的点到相应离散点的距离最近；（3）位于泰森多边形边上的点到其两边的离散点的距离相等。泰森多边形可用于定性分析、统计分析、邻近分析等。泰森多边形示意图如图2所示。

仿真系统利用Thiessen多边形计算扇区范围的步骤如下：（1）将每个基站看做是平面上的一个离散数据点，用Bowyer_Watson算法构建这些数据点的Delaunay三角网。（2）在得到的Delaunay三角网中，对每个顶点的三角形的边做垂直平分线，连接每条垂直平分线，得到Thiessen多边形。（3）根据每个基站上的扇区之间的相对角度与设定的扇区计算半径，计算扇区的覆盖扇形。（4）把得到的覆盖扇形与基站的Thiessen多边形求交即计算出每个扇区的覆盖区域。

3.3 带边数约束的无向网络构建

在无线网络的邻小区规划中，邻区规划的目的在于保证在小区服务边界的手机能及时切换到信号最佳的邻小区，以保证通话质量和网络性能。邻区规划数量应该遵循适当原则，决定两个扇区是否为邻小区主要取决于两个扇区之间的距离、天线朝向角、扇区周围的无线网络环境以及扇区预设的最大邻区数量。

邻区数据在规划区域以内本质上可以表达为一个或多个有向图网络，而邻接链表法是存储有向图结构最有效的方法之一[8]。仿真系统在进行邻区自动规划时，采用邻接链表法记录邻区数据，将扇区作为网络中的节点，扇区的邻小区关系作为网络中的边，邻小区的重要性作为边的权值加以存储。邻小区规划计算的过程就是带边数约束的无向网络构建的过程。邻区规划步骤为：首先对符合要求的节点进行连接形成无向图；然后将不符合参数约束的节点按照重要性排序删除超出数量的边，此时的无向图即为邻区规划的结果。带参数无向网络构建的过程如图3所示。

邻区规划算法有两个关键问题，一是对扇区之间可以设置邻小区的条件的确定，二是当扇区的邻小区超过最大数量时对超出的数量如何取舍。系统首先将各扇区的邻小区链表都置为空，然后根据扇区所属基站之间的距离以及他们的相对朝向角决定是否应该将两个扇区设置为邻小区。为了解决第二个关键问题，算法引入邻区优先级参数P。CellA与CellB的P值为：

K为距离角度归一化参数，可以自行设置，将距离与相对角度统一处理。对每个扇區的邻小区链表都按照权值排序。当某个扇区的邻小区数超过最大数量时，剔除链表中权值最大的邻小区。

四、系统功能

系统采用多文档界面的开发模式，系统界面包含标准化的菜单、工具栏以及导航树。在主体程序的框架下，用不同的子窗体分别用于显示环境地理信息数据、移动网络基站数据和网络规划仿真结果数据。系统运行界面如图4所示，图中显示为利用Thiessen多边形法计算所得到小区的边界。

仿真系统利用ArcEngine在GIS图形图像方面的显示和处理功能，网络规划中的各过程都可以形象直观地在软件中显示。系统对基站覆盖规划计算，将计算结果得到的Raster数据按照设定的信号强度标准分为7种颜色，每种颜色覆盖的范围因所设定的强度标准而异。系统的仿真计算效果展示如图5所示。

系统对移动网络进行自动邻区规划后，可以对任一一扇区进行邻区关系查询。如图6所示。其中红色阴影小区为查询的源小区，绿色阴影小区为源小区的邻小区。仿真计算的结果可以直观展示出相邻小区之间的角度、距离、位置关系，以及邻小区数量等信息。

五、小结

3G移动网络优化与分析软件在地理信息系统强大功能的支持下，辅助Visual C++进行集成二次开发，使得TD-SCDMA网络规划与优化的各种功能不断得到完善，成功实现了网络规划与优化工作的可视化、图形化和信息化，为日常的3G移动通信网络的运营维护、管理工作带来了众多方便，改善与弥补了当前网络规划与优化工作的不足。