CrossWave射线模型效果评估及无线仿真模型选取策略

雷鸣，黄小光，汪伟，赵品勇

（华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

1 引言

传播模型对无线网络规划而言非常重要，传播模型准确性与网络仿真效果可靠性息息相关，由于各地的无线传播环境千差万别，相应的传播模型也有较大差异，日常规划中采用传统传播模型前需要进行CW测试及校正就是为了得到更接近当地传播规律的模型。使用传统传播模型不仅需要花费大量人力物力进行CW测试，而且不论采用传统经验或者半经验模型进行校正后的模型准确性及场景通用性也都不高。

从原理上分析，3D射线跟踪模型是基于射线跟踪法用射线来表示电磁波束的传播，在确定了收发天线的位置以及周围建筑等环境特征后，根据电磁波的反射、绕射、透射、散射等波动现象，再借助于计算机就有可能精确地确定每一条射线的传播路径，从而可以应用一致绕射理论（UTD）的一些研究成果来准确预测微蜂窝区的场强（功率）分布，进而确定路径损耗、功率、迟延谱等[1]。相比传统模型，射线跟踪模型在无线网络仿真中具体效果如何还有待进一步验证。本文结合密集城区及农村场景，以CrossWave射线跟踪模型为例，对射线模型的仿真效果进行验证，以指导无线网络规划[2]。

2 CrossWave传播模型介绍

2.1 无线传播模型分类

传播模型主要受系统工作频率、收发天线距离、天线高度、地物地形等因素影响。根据传播模式的性质，无线传播模型可分为传统传播模型和确定性模型两大类。传统传播模型包括经验及半经验模型，主要有自由空间模型、Okumura-Hata模型、Cost-Hata模型和SPM模型，该类模型是通过特定场景下的测试数据进行统计分析得到的经验性公式模型，模型计算量要小，对电子地图的数据要求也较低，针对不同地区，需提前进行模型参数校正方可应用。确定性模型需要结合传播路径上的地物、建筑物的几何信息，利用电波的反射、绕射、衍射等特性作为理论的模型。高精度的数字地图信息则能较准确模拟出实际的信号路由，而3D射线跟踪模型则作为确定性模型的一种[7]。

2.2 CrossWave射线模型原理

由Orange Labs实验室开发的CrossWave是一种典型的确定性模型，作为3D射线传播模型典型代表，其支持移动所有无线系统技术，能满足200 MHz到5 GHz范围内的频段仿真需求，可通过CW测量数据进行模型校正，能较为真实模拟垂直衍射、水平导向传播、山脉反射等无线传播。其主要原理是利用导入三维数字地图数据，通过图形分析、映射算法等，生成CrossWave特有三个关键数据文件，具体如下：

（1）Morphology地物形态数据：由DTM和Clutter Classes地图联合生成的，具体原理是将地图中不同的Clutter Classes地物与CrossWave自定义的特定地物场景进行关联映射，从而确保每种地物场景都准确调用与之相对应的传播特性算法，每种地物拥有一套特定的传播参数，结合模型内部算法最终可生成一个用来描述地物环境的栅格数据文件，其映射关系如图1所示。

由于CrossWave模型区分地物类型选用不同传播特性，因此可以规避了传统二维模型基于部分场景校正后推广应用于所有场景带来的误差和不足。

（2）Facet平面数据：利用DTM地图生成，主要能够模拟山脉的信号反射，从而确保有效寻找发射机到接收机之间所有的传播路径，尤其能相对真实的反映出诸如山区场景的信号传播特性。

图1 CrossWave射线模型映射原理

（3）Graph建筑物矢量数据：由3D Building矢量地图生成的，主要用于模拟道路（地图上的街道）。Graphs信息可以让模型考虑在迷你和微蜂窝小区环境中的（水平）导向传播，用于寻找收发端之间的所有传播路径。

由此可知，相比传统经验公式模型而言，CrossWave射线跟踪模型不仅能支持水平传播，同时在信号垂直衍射、山脉反射等方面都能更为真实地进行模拟。

3 CrossWave模型分场景评估验证

3.1 城区场景应用效果验证

某密集城区内面积为5.1 km2，该区域内现有4G网络宏站37个，通过将所有实际DT样本点位处测试指标与基于CrossWave得出的仿真数据进行对比，评估仿真与测试RSRP、SINR的偏离值，形成效果图如图2所示。

通过对比，得出结论：（1）从直观渲染效果对比发现，道路面上大部分DT采样点位处仿真和DT得出的RSRP电平区间配色效果一致，即吻合度较高；（2）逐点对比分析仿真值与DT测试值，通过统计各个样本标准方差可以发现，RSRP标准偏差为8.08、SINR标准偏差为8.27，均达到传播模型矫正要求的8左右水平值，仿真对测试总体吻合度高。对密集城区场景而言，基于未经校正的CrossWave射线模型进行高精度仿真效果已经能够相对真实地反映出实际覆盖水平。

3.2 农村场景应用效果评估

农村场景要求覆盖范围广，无线地形环境复杂多样，村组间隔距离远且分散，尤其是部分山区农村受山体阻挡问题严重，传统经验模型在农村场景适用性较差。因此，针对农村场景，选用某平原及丘陵山区场景验证CrossWave在农村场景下的应用效果，评估其反射、绕射、衍射性能。

平原农村具备实际DT测试条件，采用DT测试与仿真对比方式进行验证，将DT得到的测试数据导入仿真软件进行直观评估，得出某验证区CrossWave仿真与实测的场强对比效果如图3所示。

可以发现，采用CrossWave进行仿真获取的道路覆盖与实际测试偏离值为8.87 dB，仿真可靠。

图2 RSRP及SINR指标仿真与测试偏离度对比效果

考虑到实测条件，山区农村场景在同等参数设置前提下，依次分别基于CrossqWave射线模型、Cost-Hata模型、SPM模型进行上下行覆盖预测，对比仿真效果差异性。以某个包括丘陵、山区特性的农村区域仿真为例，得到不同模型下行仿真预测效果如图4所示。

由图4可知，采用CrossWave仿真效果均优于传统经验模型，结合对农村实际覆盖效果的情况了解，CrossWave仿真对覆盖评估较为合理。同理，上行方向采用CrossWave仿真效果也更加接近真实情况，指标比传统经验模型更为合理，CrossWave仿真对农村场景可靠性更高。

3.3 CrossWave传播模型结论

通过对密集城区、平原、丘陵、山区农村场景的实测与仿真对比验证，采用CrossWave射线传播模型进行仿真可以得出以下结论：

（1）CrossWave提供比标准Hata模型更高的准确性，该模型精确度取决于仿真地图精度，仿真地图精度越高，模型越准确（高精度地图的3D矢量地图提高了街道无线传播的准确性）。

图3 平原农村场景的验证效果图

图4 下行方向不同模型仿真效果对比

（2）模型对每一种自定义场景类型会使用缺省的优化系数，在未校正情况下即可得到接近实际现网的预测效果，同时，当模型在某一频段校正后，可以从已校正的模型中推断计算出另外频段的优化系数，对于不同频段的支持能力得到优化。

（3）城区SPM校正合理后的性能（校正后标准方差低于6 dB）和射线追踪模型未校正前的效果相当，而当无线环境变得更加复杂而且更多不同地物类型时，CrossWave能得到更加与实际接近的效果。

（4）由于CrossWave传播计算考虑更多的功能（穿透植被，水平垂直衍射，反射折射、室外到室内穿透等），其消耗的计算时间大于SPM模型。

（5）CrossWave射线传播模型在城区及农村场景效果均更佳接近真实情况，对于不同场景间的通用性及可延升性比普通经验或半经验模型更优，因此，射线传播模型更加能够满足目前无线系统多、无线环境复杂背景下的网络仿真及评估。

表1 无线网传播模型选取策略

4 无线仿真中传播模型选取建议

无线传播模型是移动通信网小区规划的基础，各地无线传播环境千差万别，相应的传播模型也有较大差异，选用的传播模型的准确与否关系到小区规划是否合理，也直接影响规划建设方案的投资与收益，通过不同传播模型的对比验证，在日常无线网络规划中，传播模型选取建议如表1所示。CrossWave模型支持从微蜂窝、迷你蜂窝到宏蜂窝等所有的小区类型，满足任何类型的传播环境，包括密集城区、城区、郊区、乡村等场景的要求。经验证，即使未校正的CrossWave模型已经达到普通传播模型校正后的效果，在具备条件的情况下，也可利用CW测量数据进行传播环境的自动模型校正。

从CrossWave原理可知，仿真准确性跟各种地图可用性有很大关系，精度信息越高、图层信息越丰富的地图，能对CrossWave带来更精确的效果。因此，选用CrossWave模型同时，建议配合5 m高精度地图进行无线仿真能有效反映信号衍射、山脉反射等传播现象，从而更加真实评估信号在该地区的传播特性。开展仿真时，除需要提前生成前文提到的CrossWave三个核心数据文件外，模型配置中需提前规划设计其他附加模型参数，如需明确是否考虑水域计算、建筑物侧面衍射以及设置室内外穿透损量等。配合高精地图，选用CrossWave的仿真流程如图5所示：

图5 CrossWave模型结合高精地图的仿真流程

针对地图选用建议：在密集城区，建议所有的地图数据都导入，特别是3D建筑物矢量地图，对微蜂窝环境带来非常精确的效果。乡村环境下，建议最低的地图配置要求包括DTM地图和Clutter Calsses地图。

5 结束语

本文以典型的射线传播模型CrossWave为例，对3D射线模型在仿真中的应用效果进行验证性研究。在覆盖效果方面，通过对仿真与实测数据进行对比，发现基于3D射线模型的高精度仿真与实际效果是相对吻合的；在应用场景方面，对于密集城区场景下，3D模型在未进行模型校正下便能取得SPM校正后的效果，对于农村场景，射线模型比普通经验模型则具备合理性和可靠性。因此，相比传统经验模型而言，3D射线模型更能满足目前网络精准评估规划需求。目前，包括CrossWave在内的射线穿模模型在无线网络规划中也进行大范围推广应用，大大提升了仿真对网络规划指导的参考价值。