基于射线跟踪传播模型的仿真在城区LTE网络规划中的应用研究
2014-10-15贾全刘诗虎
贾全+刘诗虎
【摘要】 在密集城区LTE网络规划中，通用的传播模型和传统的仿真手段难以对网络覆盖和干扰情况做出精准预测，造成站点开通后实测的覆盖效果达不到规划目标值，影响了LTE建设进度和网络覆盖效果。通过在规划仿真过程中采用ATOLL的CROSSWAVE射线跟踪传播模型代替通SPM传播模型，能较好的模拟单个站点周边传播环境，有效提升站址规划的准确性。
【关键词】 atoll 精确仿真 射线跟踪
Abstract： In dense urban LTE network planning， universal propagation model and traditional simulation methods is difficult to make accurate forecasts of network coverage and interference， causing effects observed after the site opened up covering less than planned target， affecting the construction of LTE schedule and network coverage. ATOLL by CROSSWAVE propagation model using simulation in the planning process instead of generic SPM propagation model， capable of simulating the propagation environment surrounding a single site， effectively improve the accuracy of station site planning.
一、引言
在密集城区LTE网络规划中，由于区域内无线传播环境的复杂性，通用的传播模型和传统的仿真手段难以对网络覆盖和干扰情况做出精准预测，很有可能造成站点开通后实测的覆盖效果达不到规划目标值，需要后期进行大规模的优化和改造，极大影响了LTE建设进度和网络覆盖效果。针对密集城区LTE网络规划的难题，在规划仿真过程中采用ATOLL的CROSSWAVE射线跟踪传播模型代替通用SPM传播模型，能较好的模拟单个站点周边传播环境，有效提升站址规划的准确性。
二、CROSSWAVE射线跟踪传播模型仿真的实现原理
ATOLL的CROSSWAVE射线跟踪传播模型是一种射线跟踪模型。射线跟踪是一种被广泛用于移动通信和个人通信环境中的预测无线电波传播特性的技术，可以用来辨认出多径信道中收发之间所有可能的射线路径。一旦所有可能的射线被辨认出后，就可根据电波传播理论来计算每条射线的幅度、相位、延迟和极化，然后结合天线方向图和系统带宽就可得到接收点的所有射线的相干合成结果。
射线跟踪法的基本思想是：首先确定一个发射源的位置，根据3D地图上的建筑物特征和分布找出发射源到每个接收位置（测试点）光线的所有传播路径，然后根据菲涅耳等式和几何绕射理论/一致性绕射理论（GTD/UTD）等，确定反射和绕射损耗等，这样相应得到每条路径到每个测试点的场强，将同一测试点处到达的所有路径的场强做相干叠加，得到每一个测试点处总的接收场强。
基于射线跟踪传播模型的仿真，充分考虑建筑物的特征和分布对信号传播的影响，可以精确地进行网络规划，仿真后覆盖预测结果与实际路测情况一致性较好。
三、仿真结果与实测数据对比分析
为了更好验证射线跟踪传播模型的优异性，对LTE试验网试点区域展开了专题研究分析。我们采用了ANPOP仿真软件+通用SPM传播模型组合和ATOLL仿真软件+CROSSWAVE射线跟踪传播模型组合方式分别对试点区域进行仿真，通过与实测数据对比分析可以看出，采用ANPOP仿真软件+通用SPM传播模型的传统方式进行仿真，预测的覆盖电平及干扰情况与实际路测结果在整体分段统计中较为接近，但在具体区域对比中存在一定差距，部分路段仿真较实际路测结果或乐观或悲观，仿真结果不够精确，不能完全理想地支撑站址规划；采用ATOLL仿真软件+CROSSWAVE射线跟踪传播模型进行仿真，能较好的模拟站点周边传播环境，仿真预测结果与实际路测情况较为一致，具体分析情况如下：
3.1 ANPOP仿真软件+通用SPM传播模型分析结果
试点区域为密集城区，共有23个LTE站点。传统仿真方式采用ANPOP仿真软件+SPM传播模型，通过CW测试进行模型校正。（图1）
通过对比我们可以发现，ANPOP整体覆盖预测情况预测偏乐观。其中友谊路上方路段预测较实际情况要乐观很多，武汉展览馆路段较实际情况悲观；ANPOP整体干扰情况预测偏乐观。其中友谊路上方路段预测较实际情况要乐观很多，大京都宾馆路段较实际情况悲观。整体呈现一定的不均衡性。
3.2 ATOLL仿真软件+CROSSWAVE射线跟踪传播模型分析结果
基于射线跟踪传播模型的仿真方式采用ATOLL仿真软件+CROSSWAVE射线跟踪传播模型，CrossWave是由Orange Labs实验室开发，由Forsk公司发布和支持的高级的通用传播模型，主要模拟三种传播现象，垂直衍射，水平面的导向传播及山脉区域的反射传播。
CrossWave通过将导入的地图clutter classes的地物与CrossWave所能识别的地物进行匹配，从而生成一个个100米精度的栅格文件，这些单个栅格文件用来描叙地物环境，每个栅格配套一套特定的传播系数，从而精确模拟不同地物环境的传播特性。通过建筑物外形（3D建筑物矢量地图）生成用于寻找发射机和接收机之间所有的传播路径的Graphs文件。从而可以更好的在街道环境中模拟水平导向传播，比SPM模型更准确。
表1：ANPOP+SPM与ATOLL+CROSSWAVE的对比
项目 ANPOP+SPM ATOLL+CROSSWAVE
覆盖电平RSRP仿真 覆盖仿真结果与路测结果整体分布基本一致，但在具体区域出现上下波动情况，无法修正，仿真结果不够精细 覆盖仿真结果与路测结果基本一致，能很好的预测网络的覆盖情况
干扰情况SINR仿真 干扰仿真结果与路测结果整体分布基本一致，但在具体区域出现上下波动情况，无法修正，仿真结果不够精细 覆盖仿真结果与路测结果比较偏悲观，不过可以通过加权值予以修正，从而获得较准确的干扰情况
基础数据要求 基础数据要求较高，经纬度信息要求精确到站点级别，同一站点小区位置在楼面小范围挪动对仿真结果影响较小 基础数据要求很高，经纬度信息需要精确到每一个小区，小区在楼面位置的挪动对仿真结果影响较大
电子地图要求 电子地图精度为5米、20米均可，无需建筑物及建筑物高度信息 电子地图必须采用5米精度，需包含建筑物及建筑物高度信息
运算速度 采用SPM模型时，ANPOP软件运算速度较ATOLL慢。 支持多线程运算，SPM模型较ANPOP快；CROSSWAVE模型计算量很大，计算时长大约为SPM模型的10至20倍，对电脑性能要求较高
通过对比我们可以发现，采用ATOLL CROSSWAVE射线跟踪传播模型的覆盖电平RSRP仿真与DT路测的结果基本一致，能够很好的预测实际的覆盖电平值；干扰情况SINR仿真较DT路测的结果均显得悲观，不存在正负波动的情况，可以在仿真结果的基础上叠加权值来预测干扰情况，以获得较准确的干扰情况。
3.3 ANPOP+SPM与ATOLL+CROSSWAVE对比分析总结（如表一）
四、结束语
射线跟踪模型充分考虑建筑物的特征和分布对信号传播的影响，可以很好地模拟无线电波传播，帮助我们进行精确的网络规划，很好地满足越来越精细的网络规划需要。密集市区环境下中高层建筑较多，建筑物平均高度或平均密度明显高于城市内周围建筑物，建筑物对接收信号强度有着十分重要的影响，射线跟踪模型的优势非常显著。
参 考 文 献
[1] Atoll技术文档 “Atoll_Getting_Started_LTE_320_Chi”
[2] Atoll技术文档 “Atoll_310_LTE ACP_Getting Started_chi”
[3] Atoll技术文档 “CrossWave_Getting_Started_410_V3_Chi”
表1：ANPOP+SPM与ATOLL+CROSSWAVE的对比
项目 ANPOP+SPM ATOLL+CROSSWAVE
覆盖电平RSRP仿真 覆盖仿真结果与路测结果整体分布基本一致，但在具体区域出现上下波动情况，无法修正，仿真结果不够精细 覆盖仿真结果与路测结果基本一致，能很好的预测网络的覆盖情况
干扰情况SINR仿真 干扰仿真结果与路测结果整体分布基本一致，但在具体区域出现上下波动情况，无法修正，仿真结果不够精细 覆盖仿真结果与路测结果比较偏悲观，不过可以通过加权值予以修正，从而获得较准确的干扰情况
基础数据要求 基础数据要求较高，经纬度信息要求精确到站点级别，同一站点小区位置在楼面小范围挪动对仿真结果影响较小 基础数据要求很高，经纬度信息需要精确到每一个小区，小区在楼面位置的挪动对仿真结果影响较大
电子地图要求 电子地图精度为5米、20米均可，无需建筑物及建筑物高度信息 电子地图必须采用5米精度，需包含建筑物及建筑物高度信息
运算速度 采用SPM模型时，ANPOP软件运算速度较ATOLL慢。 支持多线程运算，SPM模型较ANPOP快；CROSSWAVE模型计算量很大，计算时长大约为SPM模型的10至20倍，对电脑性能要求较高
通过对比我们可以发现，采用ATOLL CROSSWAVE射线跟踪传播模型的覆盖电平RSRP仿真与DT路测的结果基本一致，能够很好的预测实际的覆盖电平值；干扰情况SINR仿真较DT路测的结果均显得悲观，不存在正负波动的情况，可以在仿真结果的基础上叠加权值来预测干扰情况，以获得较准确的干扰情况。
3.3 ANPOP+SPM与ATOLL+CROSSWAVE对比分析总结（如表一）
四、结束语
射线跟踪模型充分考虑建筑物的特征和分布对信号传播的影响，可以很好地模拟无线电波传播，帮助我们进行精确的网络规划，很好地满足越来越精细的网络规划需要。密集市区环境下中高层建筑较多，建筑物平均高度或平均密度明显高于城市内周围建筑物，建筑物对接收信号强度有着十分重要的影响，射线跟踪模型的优势非常显著。
参 考 文 献
[1] Atoll技术文档 “Atoll_Getting_Started_LTE_320_Chi”
[2] Atoll技术文档 “Atoll_310_LTE ACP_Getting Started_chi”
[3] Atoll技术文档 “CrossWave_Getting_Started_410_V3_Chi”
表1：ANPOP+SPM与ATOLL+CROSSWAVE的对比
项目 ANPOP+SPM ATOLL+CROSSWAVE
覆盖电平RSRP仿真 覆盖仿真结果与路测结果整体分布基本一致，但在具体区域出现上下波动情况，无法修正，仿真结果不够精细 覆盖仿真结果与路测结果基本一致，能很好的预测网络的覆盖情况
干扰情况SINR仿真 干扰仿真结果与路测结果整体分布基本一致，但在具体区域出现上下波动情况，无法修正，仿真结果不够精细 覆盖仿真结果与路测结果比较偏悲观，不过可以通过加权值予以修正，从而获得较准确的干扰情况
基础数据要求 基础数据要求较高，经纬度信息要求精确到站点级别，同一站点小区位置在楼面小范围挪动对仿真结果影响较小 基础数据要求很高，经纬度信息需要精确到每一个小区，小区在楼面位置的挪动对仿真结果影响较大
电子地图要求 电子地图精度为5米、20米均可，无需建筑物及建筑物高度信息 电子地图必须采用5米精度，需包含建筑物及建筑物高度信息
运算速度 采用SPM模型时，ANPOP软件运算速度较ATOLL慢。 支持多线程运算，SPM模型较ANPOP快；CROSSWAVE模型计算量很大，计算时长大约为SPM模型的10至20倍，对电脑性能要求较高
通过对比我们可以发现，采用ATOLL CROSSWAVE射线跟踪传播模型的覆盖电平RSRP仿真与DT路测的结果基本一致，能够很好的预测实际的覆盖电平值；干扰情况SINR仿真较DT路测的结果均显得悲观，不存在正负波动的情况，可以在仿真结果的基础上叠加权值来预测干扰情况，以获得较准确的干扰情况。
3.3 ANPOP+SPM与ATOLL+CROSSWAVE对比分析总结（如表一）
四、结束语
射线跟踪模型充分考虑建筑物的特征和分布对信号传播的影响，可以很好地模拟无线电波传播，帮助我们进行精确的网络规划，很好地满足越来越精细的网络规划需要。密集市区环境下中高层建筑较多，建筑物平均高度或平均密度明显高于城市内周围建筑物，建筑物对接收信号强度有着十分重要的影响，射线跟踪模型的优势非常显著。
参 考 文 献
[1] Atoll技术文档 “Atoll_Getting_Started_LTE_320_Chi”
[2] Atoll技术文档 “Atoll_310_LTE ACP_Getting Started_chi”
[3] Atoll技术文档 “CrossWave_Getting_Started_410_V3_Chi”
