基于Crosswave射线追踪模型的TD—LTE规划仿真

黄劲安

1 引言

无线电波的传播是移动通信的基础，历来是人们非常关注的研究课题。在移动通信中，发送到接收机的信号会受到传播环境中地形、地物的影响而产生绕射、反射和散射，因而形成多径传播。理论分析方法通常用射线来模拟电磁波束的传播，在确定接收机和发射机的天线高度及位置等具体特征后，根据直射、反射、折射、散射和透射等现象，再用电磁波理论推导出电波传播的路径损耗及有关信道参数。

路径损耗预测是无线网络规划的最重要一环，损耗值预测的准确程度与整个规划过程的准确性和合理性息息相关。历年来业内人员提出了很多针对不同传播环境的经验预测模型，这些模型可根据不同的环境数据获得所需的参数，从而达到和环境匹配，获得有针对性的结果，但这些模型一般只适用于天线挂高较高、覆盖半径较大的场景。而在现代移动通信网络中，特别是对于以高速数据业务为主的LTE网络而言，为了满足小区容量需要，小区的覆盖范围更小，因此站点密度更大。另外，密集市区中高层建筑较多，而且使用了较多的玻璃幕墙等新型建筑材料，产生的阻挡及反射对无线电波的传播影响比以往更大。多种因素结合下，经验预测模型的结果与实际网络情况就容易产生较大偏差，传统的经验模型显得难以满足网络规划的需要。

射线追踪技术是一种用于移动通信网络中预测无线电波传播特性的技术，通过辨认接收机和发射机之间的多径信道中所有可能的射线路径，结合系统带宽和天线方向图等信息，根据电波传播理论推导出每条射线的相位、幅度、延迟和极化等数据，从而推导出接收机所在位置的合成结果。由于射线追踪模型更贴近于电磁波在无线空间中的真实传播情况，可降低对模型校正的依赖，因此在LTE网络规划中应用更准确的射线追踪模型进行仿真，将使仿真结果更具价值。

2 传播模型概述

2.1 无线电波的传播方式

就无线电波传播而言，发射机与接收机之间最简单的方式是自由空间传播，传播方式主要分为以下4种：

（1）直射波及地面反射波：从发射天线直接到达接收天线的电波称为直射波，经过地面反射到达接收机的电波称为地面反射波，直射波和反射波叠加，可以加强某处的信号，也可以减弱某处的信号，因而产生了多径效应。

（2）绕射波：在实际情况下，电波的直射路径上存在各种障碍物，从而产生了绕射波，是阴影区域信号的主要电波来源，其频率越高，绕射信号就越弱。

（3）对流层反射波：产生于对流层，因对流层温度随高度变化，气象要素分布不均匀，所以电波呈弯曲状，传播具有很大的随机性，也具有连续波动的特性。

（4）电离层反射波：产生于电离层，同对流层一样，电离层也具有连续波动的特性，从电离层反射的电波可能有一个或多个跳跃，适用于超视距通信。

具体如图1所示：

2.2 传统的无线电波传播模型

（1）自由空间传播模型

所谓自由空间传播是指无线电波在理想的完全无阻挡的真空中传播，它只与频率f和距离d有关。其传播损耗公式为：

Lbf=32.5+20logf+20logd （1）

（2）Okumura-Hata模型

以距离和发射机天线的高度为依据，是应用较为广泛的覆盖预测模型，以准平滑地形的市区作基准，其余各区的影响均以校正因子的形式出现。校正这个模型要以建筑物在接收机附近的百分率、路径类型（陆地、海洋、混合）和大地不规则度为依据。其传播损耗公式为：

Lb=69.55+26.16logf-13.82logHb-α（Hm）+（44.9-6.55logHb）logd （2）

其中：

f：工作频率，单位为MHz；

Hb：基站天线有效高度，单位为m；

Hm：移动台天线有效高度，单位为m；

d：移动台与基站之间距离，单位为km；

α（Hm）：移动台天线高度因子，公式如下：

α（Hm）=（1.1logf-0.7）Hm-（1.56logf-0.8） （3）

（3）Longley-Rice（ITS）模型

该模型可用于估算地波与对流层散射的传播衰减，是统计模型，以传播理论为依据，同时结合实测数据，因此称为半经验预测模型，能预测自由空间中由地形的非规则性造成的中值传输衰落。使用该模型还必须考虑到其他有可能造成干扰的传播机理，包括电离层传播机理，随季节和昼夜时间变化的可能性；通过偶尔发生的E层，有可能允许在约70MHz频率上进行长距离传播。此外，还需考虑超折射和大气波导等。

2.3 射线追踪传播模型

上述的传统传播模型均为统计性模型，是利用测试数据进行统计分析得到的传播模型，一般计算量要小，对电子地图的数据要求也较低，并可利用测试数据加以修正。与之相对的模型为决定性模型，是根据传播路径上的地物、建筑物的几何信息，利用电波的绕射、反射特性作为理论的模型。其计算量大，对电子地图的数据要求也较高，需要建筑物的信息，可以不需要测试数据加以修正。射线追踪传播模型就属于决定性模型。

城市环境下，从发射天线到接收天线的路径上包括直射波、反射波、绕射波以及高阶的反射/绕射波等，如图2所示。因此，建筑物的高度、分布等因素对无线电波的传播有较大影响。射线追踪技术利用地理信息、到达角信息以及射线的多次反射和绕射等，来预测任意位置的无线电波传播情况。

LTE采用的无线制式和频段都与现有的2G、3G网络有差别，在无线传播特性上也存在较大差异。如果直接按照以往2G、3G网络的统计性模型进行LTE的网络规划仿真，可能会出现与现有经验不符的用户体验。

射线追踪模型还可以结合天线的辐射方向图，分别考虑天线辐射方向图对每条射线的影响，这是传统统计性模型所不能比拟的。由于射线追踪算法可以在3D空间中追踪每条射线，所以能够获得到达天线的射线方位角和仰角，从而得到比传统统计性模型更精确的数据。endprint

2.4 Crosswave传播模型

Crosswave是Atoll版本的射线追踪传播模型，由Orange Labs开发，由Forsk公司发布和支持，作为Atoll的一个可选功能使用。该模型支持所有无线技术以及传播环境，还可以利用CW测量数据进行自动模型校正，能模拟垂直衍射、水平导向传播、山脉反射这3种传播现象，支持多种无线网络制式，并支持200MHz—5GHz的频段范围。

Crosswave有以下3项功能以提高仿真准确性：

（1）Morphology地物形态匹配

该项功能在新建工程预处理时由DTM和Clutter Classes地图生成，只需生成一次，可将导入的地图Clutter Classes的地物与Crosswave所能识别并归类的Default Clutter Classes匹配，精确模拟不同地物环境的传播特性，最终得到一个与地图经度相对应的栅格文件，该文件用来描述地物环境，允许针对每种地物类型进行特定的优化，为每种地物分配一套特定的传播系数。

（2）Facet平面匹配

该项功能可模拟宏蜂窝小区的反射现象，特别适用于山脉地区，用于寻找发射机到接收机之间所有的传播路径。与Morphology一样，在新建工程预处理时由DTM和Clutter Classes地图生成，同样也只需要生成一次。但该项功能在使用3D建筑物矢量地图时，不可用于城区环境中。

（3）Graph建筑物矢量匹配

该项功能由建筑物外形生成（依赖于3D建筑物矢量地图），同样只需一次生成，用于寻找发射机和接收机之间所有的传播路径，可更好地在微蜂窝环境（峡谷环境）中模拟水平导向传播。Crosswave可以自动判决每一发射机是否在微蜂窝环境中，其判决的标准是发射机天线高度必须低于半径200m之内50%建筑物的高度，而且发射机半径200m以内至少有30栋建筑物。最终得到一个Graphs文件，其中包含分类的主要街道路径及街道宽度。

3 某区域基于Crosswave模型的TD-LTE网络仿真案例

3.1 仿真配置

（1）硬件平台

本次仿真使用PC配置如下：

◆CPU：Intel Core（TM） i7-4930k；

◆内存：16GB；

◆硬盘：250GB固态硬盘+2TB SATA硬盘。

（2）软件平台

本次仿真使用法国Forsk公司的Atoll软件，版本号为3.2.1.6147（64位），操作系统为Microsoft Windows 7 SP1。

（3）电子地图

本次仿真使用的地图精度为20m，地图投影系统为WGS 84/UTM zone 49N。

仿真参与计算的地图图层使用：

◆Heights：海拔高度；

◆Clutter：地物类型；

◆Building：矢量建筑物高度地图。

作为显示和参考的图层使用：

◆Vector：道路等；

◆Google Earth卫星地图资源。

（4）基本参数设置

◆频段：使用D频段（2 575—2 595MHz）的20MHz带宽频段；

◆Default Cyclic Prefix（CP长度）：Normal；

◆PDCCH Overhead（PDCCH开销）：3个符号时长；

◆PUCCH Overhead（PUCCH开销）：1RB；

◆Switch Point Periodicity（TDD切换点周期）：半帧；

◆Specical Subframe Configutation（特殊子帧配置）：SSP7（10：2：2），TDD上下行时隙配置为SA2：DSUDD-DSUDD（上下行比1：3）。

（5）传播模型匹配

如上文所述，在新建工程预处理时由DTM和Clutter Classes地图生成，只需生成一次。由于本次仿真使用的并非3D建筑物矢量地图，因此只需匹配Morphology和Facet这2项即可。

3.2 仿真输入

（1）Sites基站表

根据该区域站点清单，输入以下参数：

◆Name：基站名；

◆Longitude、Latitude：分别用来设置基站的经纬度，该值直接决定了基站位置及其对应位置的海拔地形的高度；

◆其余参数根据实际需要填写。

（2）Transmitters扇区表

根据该区域站点清单，输入以下参数：

◆Site、Transmitter、Active：分别为扇区所属基站、扇区名以及扇区的激活状态，如果Active未激活，则该扇区在整个仿真和预测计算中都不会被考虑；

◆Height、Azimuth、Mechanical Downtilt：扇区基础工参，分别代表天线挂高、方向角、机械下倾角等；

◆其余参数根据实际需要填写。

3.3 预测仿真结果

（1）RSRP（Reference Signal Receiving Power，参考信号接收功率）

某区域RSRP仿真效果图如图3所示。

（2）RS-SINR（Reference Signal-Signal to Interference plus Noise Ratio，公共参考信号信干噪比）

某区域RS-SINR仿真效果图如图4所示。

3.4 仿真结果对比及验证endprint

（1）使用Crosswave模型与SPM模型预测结果对比

为验证射线追踪模型与传统SPM模型的效果对比，在同一区域中分别采用了校正前后的Crosswave模型和SPM模型作比较，结果如表1所示：

由上述对比结果可知，校正后的Crosswave模型仿真结果离散程度更小，准确率更高。

（2）路测验证

为验证仿真效果与实际现网覆盖状况的吻合度，针对同一区域，对仿真出现弱覆盖和高干扰的区域进行了路测，具体如表2、图5和图6所示。

由上述对比结果可知，RSRP路测值与仿真吻合度较高，相差只有大约1dB；RS-SINR路测值与仿真差距较大，主要原因在于进行仿真时使用了50%的网络负荷，而现网实际用户数及话务量均不高，因此出现了一定的偏差。总体而言，使用Crosswave模型仿真的结果与实际情况仍然有较高吻合度。

4 结束语

综合以上理论分析以及实际案例应用可见，对于以高速数据业务为主的LTE网络而言，传统的各种经验模型已较难满足网络规划的需要。而射线追踪模型作为一种决定性模型，是根据传播路径上的地物、建筑物的几何信息，利用电波的绕射、反射特性作为依据的，只要有精度合适的电子地图，通过地物、平面等数据的匹配，无需通过测试数据的修正，也能得到更具参考性的仿真结果。实践也表明，通过Atoll的Crosswave模型仿真出来的结果更精确，更接近实际情况，因此对LTE网络规划也更有帮助。

但是，由于Crosswave模型对电子地图的精度及准确性要求较高，因此地图成本较传统的经验模型更高。另外，模型的计算将更复杂，对计算机硬件性能的要求也较高。由此可见，使用Crosswave模型的成本比传统的经验模型更高。但鉴于规划的准确性对日后的网络维护优化成本也有较大影响，所以在网络仿真中广泛使用更精确的Crosswave模型也是很有意义的。

参考文献：

[1] 宋斌，张斌. 射线追踪模型在无线城市网络规划中的应用[J]. 广东通信技术， 2009（10）： 60-67.

[2] 何明，高新，宋永胜. 基于Atoll的TD-LTE组网方案仿真与现网验证[J]. 移动通信， 2013（10）： 83-86.

[3] 郭梯云，邬国扬，李建东. 移动通信[M]. 西安： 西安电子科技大学出版社， 2000.

[4] 吕春霞. 射线跟踪模型及其在3G网络规划中的应用[J]. 通信世界， 2006（34B）： 14-15.

[5] 梅琼. 基于射线跟踪法的微蜂窝小区电波传播特性的研究[D]. 杭州： 浙江工业大学， 2004.endprint