空间三维分层仿真在LTE无线网络规划优化中的应用

韩云波，董江波，李楠，徐德平

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 引言

中国已正式进入LTE时代，LTE网络质量决定了运营商在LTE领域的竞争力。LTE无线网络规划建设质量至关重要。

目前的LTE网络规划仿真，主要就室外宏站对其所覆盖区域内各栅格点的覆盖效果进行预测，仿真时基于20 m地图进行仿真，暂时无法对LTE室内的覆盖效果进行预测。

同时随着LTE网络对覆盖预测准确性要求的提高，要求预测所用模型的准确性要更高，地图精度也要越高。为了达到对建筑物室内效果的预测，还需要更高精度的3D地图，从而对空间三维上各楼层的覆盖效果进行预测仿真。

2 技术原理和实现方法

为了达到LTE更加精细化的覆盖预测仿真，仿真所用电子地图的精度要高，内容更加丰富和精细，故要求使用5 m精度电子地图，且地图需包含矢量建筑物空间信息及高度属性信息。同时，引入射线跟踪模型，使得覆盖效果更加贴近实际路测效果。

5 m精度电子地图及射线跟踪功能的引入使得覆盖预测结果的准确性更好，为实现预测室外宏站对建筑物室内的覆盖效果，需要引入空间三维技术，以分析建筑物不同高度层上的覆盖效果。

下面介绍射线跟踪原理及空间三维GIS分层仿真技术。

2.1 射线跟踪原理

射线跟踪模型的基本原理是分析某种场景下无线电波从发射点传播到接收点理论上所有可能的传播途径，包括直射、反射、绕射等，通过接收点信号矢量叠加，计算得出接收信号场强。射线模型需要高精度的三维数字地图，至少5 m精度，1 m精度更好。由于对地图精度要求较高，所以用这种方法进行无线环境建模比较昂贵，一般只在密集城区使用就可以了。模型预测的准确性和数字地图的精确性、站点工程参数如天线位置、天线高度、方向角、下倾角等设置的准确性相关较大。

由于传统经验模型（如COST231-Hata模型)不能考虑到地物(主要是建筑物)的绕射，因此其预测结果是较为规则的方向图形状。Volcano模型的预测结果，其中可以明显地看到墙面反射、绕射造成的街道效应，其预测结果显然更加符合实际情况。

射线跟踪模型是精确进行城区网络规划的有效技术，在LTE的网络规划中应用射线追踪模型，能够帮助运营商准确规划优化无线网络，保证网络服务质量，在缺少成熟LTE网络借鉴的情况下帮助运营商打造精品网络。

2.2 分层仿真

实现建筑物分层仿真，是将接收机的接受天线高度调整到建筑物各楼层的高度，基于该高度进行射线跟踪覆盖预测仿真，覆盖预测时会考虑信号在建筑物间的反射、绕射、折射等因素；同时基于空间三维GIS技术，将采集及经运算分析后的数据进行表现、展示。三维数据相对二维数据更能表现出客观实际。

三维GIS与二维GIS一样，需要具备最基本的空间数据处理功能，如数据获取、数据组织、数据操纵、数据分析和数据表现等。相比于二维GIS，三维GIS具有以下优势。

空间信息的展示更为直观。相比二维GIS，三维GIS为空间信息的展示提供了更丰富、逼真的平台，使人们将抽象难懂的空间信息可视化和直观化，人们结合自己相关的经验就可以理解，从而做出准确而快速的判断。毫无疑问，三维GIS在可视化方面有着得天独厚的优势。

多维度空间分析功能更加强大。空间信

息的分析过程，往往是复杂、动态和抽象的，在数量繁多、关系复杂的空间信息面前，二维GIS的空间分析功能常具有一定的局限性，如淹没分析、地质分析、日照分析、空间扩散分析、通视性分析等高级空间分析功能，二维GIS是无法实现的。由于三维数据本身可以降维到二维，因此三维GIS自然也能包容二维GIS的空间分析功能。三维GIS强大的多维度空间分析功能，不仅是GIS空间分析功能的一次跨越，在更大程度上也充分体现了GIS的特点和优越性。

分层仿真是依托射线跟踪技术对规划区域内建筑物的不同楼层进行分别仿真，然后基于三维GIS技术将各层的仿真结果直观地呈现出来，仿真结果为LTE公共信道覆盖预测的结果（如RSRP、SINR等关键指标）。为了更好的进行三维展示，将矢量建筑物数据与分层仿真的结果叠加在一起，空间三维根据用户需求自定义仿真结果专题图，更加直观地呈现。

3 案例分析

规划仿真的基础是电子地图数据，基于地理信息系统和传播模型模拟目标区域的网络情况，反映网络质量，所以电子地图格式数据的准确性表达是前提。案例所使用地图数据为Planet格式的5 m精度地图，包括buildvetor矢量建筑物数据。

以深圳某密集城区场景为例，对规划区域贴地层（距离地面1.5 m高度层）及站点进行仿真，覆盖效果参见图1所示。

图1 仿真结果二维效果图

图1所示，仿真使用了5 m精度3D地图，包含建筑物空间及高度信息，使用射线跟踪模型时，其会根据实际建筑物的高度及边界进行反射、绕射、折射等计算，仿真结果也体现出了折射、反射等所产生的射线状效果。

如果用户需要对不同高度层进行仿真，只需设置接收机的接收天线高度，这样就可以计算得到不同仿真高度层上的覆盖结果。

图2 10 m高度层

图3 10 m高度层叠加建筑物

图2表示的是不同高度层上的仿真结果，图3是将3D建筑物与仿真效果图层叠加后的效果。图2中的中心区域（红黄绿渐变区域）对应的楼宇高度小于20 m，随着仿真高度的增加，该楼宇的覆盖效果会变好，当高度层达到20 m时，20 m已超过该建筑物的顶层高度，故仿真时已不考虑该建筑的穿透损耗，所以20 m高度层上该楼宇对应位置的覆盖效果会变得很好。

图4 分层仿真结果剖面图

图4为规划软件仿真后的效果图（立体剖面图），基于射线跟踪模型进行分层仿真，然后在空间三维GIS中展示分层仿真效果。

三维分层仿真的实现，克服了原有二维规划仿真中仅对贴地层进行仿真的瓶颈，可对三维空间内的栅格点进行仿真，为后续规划建设提供了多角度分析的基础。

4 技术应用

三维分层仿真的技术实现方案，可用于分析评估室外宏站覆盖室内的效果，给出建筑物是否需要部署室分系统的建议。下面介绍室外覆盖建筑物室内的三维分析统计算法，结合此算法给出室分部署建议。

（1）通过分析建筑物楼宇的边长，找出其最短边的长度小于用户指定宽度门限A（如15 m）的楼宇。对于建筑物最短边的长度大于A的楼宇，建议部署室分系统达到良好的覆盖效果；而对于最短边的长度小于A的楼宇再进行以下步骤分析，以判断该楼宇是否需要部署室分。

（2）在上述筛选出的建筑物中，对该建筑物的某高度层（如1.5 m）的仿真结果与该建筑物的立体空间轮廓做叠加分析，若该高度层的该建筑物内的RSRP值大于用户指定的某个门限B（如 -115 dBm）的栅格值数量占该高度层该建筑物内所有栅格数量的比例达到某个门限C（如95%）时，认为该高度层的楼宇内部可以达到室外宏站覆盖室内的目的。

（3）按照上述判定准则循环遍历该建筑物的其他高度层（如 5 m、10 m、20 m等），只要建筑物有一层不满足第2步的判定准则，则建议该建筑物部署室分系统；否则，该建筑不必部署室分，室外宏站可达到覆盖该建筑物室内的良好效果。

图5 部署室分楼宇筛选

基于射线跟踪及三维分层仿真技术，覆盖预测结果可体现室外对室内的覆盖效果，依据上述分析算法，为建筑物内是否需部署室分系统提供数据支撑（图5中红色表示需要部署室分的楼宇）。

5 结束语

为了提高LTE规划建设质量亦或给出指导无线优化，需要更加精细化的规划优化仿真手段。本文首先对射线跟踪模型的原理进行了探讨，基于射线跟踪模型及分层仿真的方法，对整个三维空间内的信号强度进行预测，将分层仿真的预测结果结合空间三维GIS技术进行三维覆盖效果展示。最后以深圳某密集场景分层仿真结果为例，描述了分层仿真方法在LTE规划仿真中的应用——通过室外宏站对建筑物室内的覆盖效果，给出建筑物内室分系统部署建议。

从规划建设及优化的角度来讲，射线跟踪模型的引入使得覆盖预测算法更加准确，可更好地指导LTE规划建设及后续优化；同时本文所提出的基于建筑物分层仿真室内覆盖结果的分析算法，为室内外协同规划优化提供有力参考。

[1] 肖清华，汪丁鼎，许光斌，等. TD-LTE网络规划设计与优化[M].北京：人民邮电出版社，2013.

[2] 蒋远，汤利民, 等. TD-LTE原理与网络规划设计[M]. 北京：人民邮电出版社，2012.

[3] 姚文闻. 确定性传播模型在移动通信网络规划与优化中的研究与应用[D]. 北京：北京邮电大学, 2012.