基于加权泰森多边形的无线网络优化算法研究

2018-11-24任小强杨弘刘文王晓龙

电信工程技术与标准化 2018年11期

任小强，杨弘，刘文，王晓龙

（中国移动通信集团甘肃有限公司兰州分公司，兰州 730000）

1 引言

无线网络优化是以一定经济的投入获得较好的收益，使得网络覆盖、容量和质量达到相对稳定的一系列过程，主要通过对网络进行话务量统计分析、现场测试数据采集、参数分析、硬件检查等手段，找出影响网络质量的原因，修改参数、调整网络结构和数据配置，确保系统高质量的运行，使现有网络资源获得最佳效益。常见的网络优化方法有话务量统计、路测、通话质量测试、用户投诉、信令分析等。近年来，由于三大运营商大多选用GSM升级改造的方法部署NB-IoT，这就使得原来的GSM网络质量被破坏，因此GSM和NB-IoT网络优化显得尤为重要。替换前GSM网络已经花费了几年时间进行了优化，网络质量基本完善，参数的基本配置和网络优化参数比较确定；另外GSM替换和割接工作中，运营商花费了大量的人力、物力、财力和时间进行现场指导施工，对于每个施工站点都配置监察组、督导组、优化组、分析组和施工组，每个环节都是通过替换前后对比来观察替换网络质量。为了节省成本和把握替换后GSM和NB-IoT网络质量，本文将引入泰森多边形算法，将传统的泰森多边形算法进行了相应改进，并使用加权算法对GSM网络进行替换指导和网络优化，选用兰州市安宁区GSM替换站点为例，使用加权改进的森多边形图对其进行GSM替换指导和替换后GSM网络进行优化，为当地运营商无线网络优化提供分析和制定决策的科学依据。

2 泰森多边形算法及相关原理简述

泰森多边形算法是是荷兰气候学家A·H·Thiessen提出的根据离散分布的气象站的降雨量来计算平均降雨量的方法。生成泰森多边形图的方法很多，常见的有分治法、扫描线算法和Delaunay三角剖分算法，实际软件中，大多集成了泰森多边形控件，如Visual Basic，MATLAB和Java EE等。泰森多边形在无线网络优化等领域具有广泛的应用，例如将电信网络运营过程中产生的海量业务数据与局站、基站、小区、街区、营业厅、渠道网点等这类地理空间对象建立关联，将信息实时反映在城市电子地图上，实现可视化管理，提高运营商网络运维的质量和效率。利用站点的经纬度信息构建的泰森多边形如图1所示。

图1 利用站点信息构建的泰森多边形图

3 基于加权泰森多边形的改进无线网络优化算法

3.1 用户密度与基站容量之比加权的泰森多边形优化算法

通信系统的正六边形覆盖区域，是基于整个服务区用户密度是均匀而建立起来的，是一种较为理想的模型。实际站点中，由于站点类型、高度、天线增益、配置数据、障碍物阻挡及安装位置等通信环境不同，基站覆盖区域并不是完全相同的。因此这里引入一个权重系数对其进行修正，这个权重系数由用户密度与基站容量的比值来确定，如果比值较大，则覆盖半径小些；反之，则应该大一些。这就是基于用户密度与基站容量之比加权的泰森多边形优化算法，可以较好的解决实际的无线环境对信号覆盖的影响。

3.2 基于扇区和逻辑位置改进的泰森多边形优化算法

传统的泰森多边形算法主要是基于全向天线工作的，基站是最小覆盖区域单位。外围站点是无边界的，最外围基站的覆盖范围不是封闭的，而是向外无线伸展的。实际上，基站的发射功率是有限的，随着基站距离的增大而减弱，因此外围基站的覆盖形状是有一个或者多个边是圆弧，一个站点一般具有3个小区，特别是话务量较多的密集区域还含有异频小区，最小的可操作单位应该是小区（一个天线的覆盖范围），另外站点的物理位置和实际的逻辑位置一般不在同一区域，据此需要针对传统的泰森多边形算法进行如下改造。

（1）以基站作为圆心，信号可以到达的最远距离为半径做圆，该圆与形成的未封闭泰森多边形的公共部分为该基站的实际信号覆盖范围。

（2）对于小区的划分，则按照一个基站的天线数目，划分相应的小区数目，将相邻两个小区夹角的角平分线与基站的泰森多边形边界围城的区域就是实际小区的覆盖面积。

（3）由于城市区域建筑物比较密集，信号阻挡严重，加上室分站点较多，信号覆盖的实际物理位置与逻辑位置往往不同，结合MR（测量报告），求解小区的逻辑位置，利用逻辑位置构建的泰森多边形更加准确。

4 算法验证及结论

4.1 小区的逻辑位置

在构建泰森多边形之前，由于物理环境的复杂性和站址位置的不准确性，首先需要确定站点的逻辑位置，记为Li，站点的实际位置就是规划站点的经纬度信息，记为Ti，两者差值的绝对值称为站点的绝对误差Ai，这里规定Ai的值不能大于100 m。

如果两者之间的绝对误差大于100 m，则需要核查站点规划信息是否准确。逻辑站点的位置确定方法较多，其中最常用的就是利用MR（Measurement Report，测量报告）。MR是终端周期性或者由于达到门限而向网络上报自身的测量信息，这些信息包括服务小区和6个最强邻小区的BCCH（Broodcast Control Channel，广播控制信道）信号的场强、质量、时间提前量、基站色码、BCCH频点和手机功率等级等信息，并可以通过计算得出上下行的路径损耗，这里利用MR中服务小区的BCCH信号的场强结合权重面积进行求解区域平均值，并使用时间提前量进行修正，共同估算站点逻辑位置。

4.2 实验结果分析

这里选用甘肃省兰州市安宁区簇一为研究对象，其中包括34个逻辑站点，已替换完成29个，未替换5个，替换占比为85.29%。这里为了说明问题，选取其中5个站点的15个小区，选取的5个站点均为宏站，且比较分散，基本分散于整个簇区域内。

替换前后分别构建加权的逻辑和物理泰森多边形图，然后对比他们的偏差与网络指标的关系进行指导优化和替换，这里的偏差包括物理站点与逻辑站点的绝对误差以及他们与替换后的误差。

为了验证该算法的准确性，核查替换前后的无线网络指标偏差与泰森多边形的偏差的关系，将他们的绝对偏差进行对比。首先将替换前后5个站点的15个小区的泰森多边形的绝对误差进行升序排序，横坐标为小区编号，误差从小到大，纵坐标分别为站点物理位置与逻辑位置的绝对偏差和无线网络指标，实验数据如图2、图3和图4所示。

图2 替换前后逻辑站点和物理站点的绝对偏差与切换成功率偏差的关系

图3 替换前后逻辑站点和物理站点的绝对偏差与掉话率偏差的关系

图4 替换前后逻辑站点和物理站点的绝对偏差与重叠覆盖率偏差的关系

移动通信中的切换是指移动台在与基站之间进行信息传输时，由于各种原因，需要从原来所用信道上转移到一个更适合的信道上进行信息传输的过程，它的成功与否通过切换成功率来统计。根据实验结果数据可以看出，切换成功率偏差随着替换前后泰森多边形的偏差增大而增大，在绝对偏差小于4时，网络指标比较稳定，随着绝对误差的增大，网络指标波动明显。

掉话率是移动通信中的重要指标，也称通话中断率，是指在移动通信的过程中，通信意外中断的几率。掉话率在移动通信网中是一项非常重要的指标，掉话率的高低在一定程度上体现了移动网通信质量的优劣。根据实验结果数据可以看出，掉话率偏差随着替换前后泰森多边形的偏差增大而增大，在绝对偏差小于3.8时，网络指标比较稳定，随着绝对误差的增大，网络指标波动明显。

重叠覆盖度主要是针对电平而言的，即定义邻小区电平与服务小区电平相差6以内且数量大于等于3个的区域定义为重叠覆盖区域。根据实验结果数据可以看出，重叠覆盖率偏差比较明显，在绝对偏差大于2时，网络指标波动明显，总体呈现上升趋势，随着替换前后泰森多边形的偏差增大而增大。

根据上述指标观察，为了减少GSM替换前后的无线网络指标的绝对偏差，重点核查替换前后的逻辑站点的泰森多边形偏差较大的6个小区，通过核查上述6个小区，发现部分小区存在方位角、下倾角、天线增益等与替换前相差较大，经过现场调整和更换天线后发现，构建的泰森多边形偏差总体稳定，处于可接受范围内。统计无线网络指标与泰森多边形的偏差发现，切换成功率、掉话率和重叠覆盖率等指标明显好转，基本与替换前完全一致（切换成功率除外），调整后无线网络指标与泰森多边形偏差的关系如图5和图6所示。切换成功率较差的原因是因为GSM替换前后设备厂家型号不同，加上物业阻挡，部分站点没有替换，导致异常家的插花现象严重。后台网管统计，替换前后的GSM其它网络指标也基本与替换前一致。