提高室内3D仿真准确性的方法探讨

2018-05-04于仰源孙宜军王磊罗海港

移动通信 2018年3期

于仰源，孙宜军，王磊，罗海港

（中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司，河南郑州 450052）

1 引言

目前，无线网络发展重点已从初期的广覆盖向深度覆盖转变，室内场景精准仿真预测是高效完善其覆盖的前提。一直以来，室内场景网络的仿真及预测效果不佳，限制了网络资源在室内场景的精准化投入。先进的3D射线模型可以真实模拟室外无线电波直射、反射、衍射、散射等传播效果，但其应用于室内场景仿真准确度仍十分有限，因此本文接下来将探讨提高室内3D仿真准确性的方法。

2 传统3D仿真方法介绍

2.1 3D射线跟踪模型

3D射线跟踪模型是一种采用射线跟踪法的创新通用传播模型，其依据是标准衍射理论（UTD, Uniform Theory of Diffraction）。根据标准衍射理论，高频率的电磁波远场传播特性可简化为射线（Ray）模型。因此射线跟踪模型实际上是采用光学方法，考虑电波的反射、衍射和散射，结合高精度的三维电子地图（包括建筑物矢量及建筑物高度），对传播损耗进行准确预测。射线跟踪算法把建筑物的反射简化为光滑平面反射、建筑物边缘散射以及建筑物边缘衍射，分析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，将3D传播路径被分为两个平面，一个是垂直平面，一个是水平面，分别是对两个平面进行绕射损耗的计算，再在接收天线处通过矢量叠加合成，计算出接收信号场强。3D传播模型模拟射线传播过程如图1所示：

图1 3D传播模型模拟射线传播过程

2.2 现有仿真方法的局限性分析

3D射线模型虽在室外空间可以展现良好的模拟效果，但对于室内空间信号模拟往往效果不佳。主要原因是不同建筑物的类型、高度、材质、密集程度等均不相同，3D射线模型无法精确计算信号穿墙进入室内的穿透损耗。具体地，现有仿真方法如下：

（1）导入高精度三维地图（一般为5 m精度），地图需包含地物类型、地物高度、位置等信息；

（2）将地图包含的各种地物类型，手工映射为3D射线模型中定义的地物类型；

（3）根据经验或CQT测试结果，自定义设置各种地类全局的穿透损耗及室内每单位距离损耗值（Out->Inside，Inside->Inside）。

此种方法的准确性关键在于设置的全局损耗值是否合理准确，而依据经验或者CQT测试结果缺乏客观全面。对于建筑物相对单一、分布均匀、高度统一的室内场景，由于信号的传播特性相近，信号穿墙的损耗存在一定的规律，可采用一些方法来客观估计，从而提升室内3D仿真的准确性。

3 提高室内3D仿真方法

3.1 3D模型关键参数修正

3D射线模型模拟室外信号进入室内及在室内场景传播，关键参数是每种地物类型的穿透损耗值及室内每单位距离损耗值。假设距离室外D（m）的室内某处整体损耗为PL（dB），室外进入室内穿墙损耗为A（dB），进入室内后每单位距离损耗为B（dB/m），此室内场景损耗可表示为：

本方法中，A、B通过MR数据进行修正，修正方法如下：

（1）选取目标区域内一周时间的MR数据（含有室内外标识）。

（2）MR数据栅格化处理：

1）将目标区域按20 m大小栅格划分；

2）统计每栅格内的室内/室外MR数据个数，并按多数数据标识栅格（若某栅格室内MR个数大于室外，则此栅格标识为室内栅格）；

3）分别计算室内/室外栅格对应MR数据的RSRP算术平均值，标识为该栅格的RSRP值。

（3）修正穿透损耗参数A、B：

1）假设某室外栅格RSRP值为RO，其相邻位置存在室内栅格且RSRP值为RI，A等于所有符合条件的（RO-RI）均值；

2）上述室内栅格RI，其相邻位置存在室内栅格且RSRP值为RII，则B等于区域内所有符合条件的（RIRII）/20均值（栅格精度为20 m）。

此方法是根据海量MR数据计算，具有真实、客观、全面等特点，克服了原方法主观、片面的缺点，且数据相对容易获得，计算结果准确，可大幅提升室内仿真预测结果的准确度。

3.2 基于3D射线模型的古城景区仿真验证

如图2所示，验证仿真区域选取为北方某古城景区，该古城外围城墙遮挡、城内建筑类型单一、建筑物分布均匀，区域内无线信号传播环境相似。

图2 古城景区建筑物示意图

本次仿真选择Atoll仿真软件，使用5 m精度地图，传播模型选择Atoll开发的3D射线模型CrossWave模型，对古城LTE网络做3D立体仿真，关键步骤如下：

（1）将三维5 m精度地图信息（包括海拔/Height、地类/Clutter、矢量/Vector、建筑物/Buildings）导入仿真软件，导入后效果如图3所示。

（2）网络工参导入、设置。

（3）3D射线传播模型设置：

1）选择CrossWave模型，并在其中导入对应类型的地图（具体设置可参见CreossWave模型的官方说明书）；

2）修正室外到室内的穿透损值及室内穿损值。

本次仿真的古城区域内已有相当数量的在网用户，可以选取近期某一周时间段20 m精度栅格化MR数据按3.1方法修正，室内外栅格RSRP值如图4所示（绿色代表室外栅格，红色为室内栅格）。

图3 三维地图导入后效果图

计算得到A=15 dB，B=0.07 dB/m，将修正参数设置如图5所示。

（4）仿真结果验证

修正3D射线模型的穿透损耗参数后，室内仿真结果准确性大幅提升。如图6所示，仿真结果与实际路测数据对比分析发现，仿真预测室内信号电平值与实际测试差距在5 dB以内，部分细节与实际几乎一致（接收机高度为1 m）。

3D立体仿真结果的原理是通过设置接收机不同高度，然后按不同接收机高度分别仿真，将仿真结果层层叠加、呈现立体3D效果。如图7所示，本次利用修正后3D射线模型，将接收机高度间隔为1 m，按1 m～9 m高度分别仿真，9层仿真结果叠加，形成空间3D立体仿真。

图4 室内外MR栅格数据

图5 修正后参数设置示意图

对仿真结果分析发现，区域内建筑物以2层以下为主，弱覆盖较多发生在1 m～3 m高度内的室内场景；而在高于3 m的空间，由于距离基站相对较近，遮挡较少，无线网络覆盖基本良好。此结论对后续精细网络补盲有较大价值。综上，修正3D射线模型仿真能精准预测实际室内覆盖情况，对网络的精准补盲、补优具有较大的参考价值。