长江无线信号覆盖规划最优设计

王 浩，赵 伦

(1.广东松山职业技术学院 电子信息教研室，广东 韶关 512000；2.重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065)

0 引言

为了实现国家智慧长江的重要战略目标，完善长江航运信息系统，保障长江运输安全，避免航运交通事故的发生，方便江上运行的船只随时与长江航运指挥中心进行联系，获取相应的航道信息，就必须解决长江无线信号覆盖的问题[1]。

要实现长江无缝的无线信号覆盖，需要沿长江建设大约500个基站[2]。在进行基站建设之前，需要进行基站的站址选择，并对基站的相关参数进行规划。目前，主要是在Google Earth软件上进行基站位置规划，确保相邻2个基站之间距离不会相隔太远，并且进行基站参数设定，等基站建设完成后，再进行无线网络优化，调整基站参数，或者通过增加直放站或者新建小型基站来覆盖信号弱覆盖区域[3]，这样需要很长时间才能实现该片区域无线信号的正常覆盖，而且多次进行无线网络优化也增加了建网成本。

本文给出了无线信号覆盖仿真平台设计，把基站的相关参数信息输入仿真平台中，通过无线信号仿真，查看仿真结果是否满足无线信号覆盖需求。对不满足需求的基站，调正其基站参数，然后再进行仿真，经过多次仿真和参数调正，使最后的仿真结果满足长江无线信号覆盖需求。根据仿真结果进行新建基站的站址选择和参数设置，避免网络规划缺少客观依据，为新建网络提供一定的科学依据，同时也大大减轻后期无线网络优化的负担，从而缩短建网时间，减少建网成本，实现长江无线信号覆盖规划最优设计，满足智慧长江的要求[4]。

1 设计思路

在对某片区域无线信号覆盖进行仿真前，先在Google Earth软件上找到该区域的位置，将该区域放大到一定的比例，使Google Earth软件在电脑屏幕上显示的区域大概是3个基站覆盖的区域，记录该区域的最大经度、最小经度、最大纬度和最小纬度值，然后将屏幕截图并保存图片，记录图片的尺寸信息，得到每幅图片所有像素点的经纬度。用C语言编写一个程序，该程序可以读取每幅图片的所有像素点经纬度和该区域基站的参数信息，并通过无线链路衰减模型计算出该区域每幅图片上每个像素点的终端接收信号强度值[5]。运行Matlab软件，通过对仿真程序的编写，使仿真程序读取每一张图片的经纬度和尺寸信息、每个像素点的终端接收信号强度值，通过对这些信息进行处理，把终端的接收信号强度划分为多个区间，不同的区间在仿真图上用不同的颜色区分，仿真图上不同像素点的终端接收信号强度按照其对应的颜色进行显示，通过不同的仿真图反映长江上不同区域的无线信号覆盖情况。仿真流程图如图1所示。

图1 仿真流程

由于理论仿真与实际无线信号覆盖存在比较大的差距[6]，通过对实际无线信号覆盖测量值与网络仿真得到的数值进行对比分析，找出二者之间的偏差，根据该偏差的大小对无线链路衰减模型的校正参数进行设置，使仿真软件能对长江无线信号覆盖情况进行比较精准的仿真。

2 仿真方法

长江上采用无线网络对江面进行无线信号覆盖，网络工作频段为1 785～1 805 MHz，通信终端为CPE终端，通信终端采用以太网RJ45口与电脑相连，实现长江上运行船只的无线通信[7]。

长江上基站的业务覆盖半径是指小区内数据业务在满足业务质量条件下的最远接收距离，根据小区边缘数据业务速率需求，可以求出满足边缘业务要求的覆盖半径，即为小区的覆盖半径。LTE上行链路预算分析的计算过程实际上是最大允许路径损耗(MAPL)的计算。MAPL的计算主要是终端的最大发射功率和接收机灵敏度之间的差值，当然还要考虑所有影响覆盖因素的增益、损耗和余量[8]。具体的算式如下：

MAPL=Pmax-ReferenceSensitivity-Losses-Margins+Gains。

(1)

确定MAPL后，通过对应环境的传播模型就可以计算出对应的小区半径。传播模型是电波传播距离和传播损耗之间的关系，通常表示为：

PropagationLoss=K1+K2lg(Rcell)。

(2)

根据长江网络的无线信号工作频率和长江上的无线环境情况，采用COST-231 Hata模型计算长江网络无线链路衰减值[9]。具体取值如下：

K1 = 46.3 + 33.9lg(f) - 13.82lg(hb) -

α(hm)+Kc+Kx，

(3)

K2 =[44.9 - 6.55 × lg (hb)]，

(4)

式中，Kx为无线链路传播模型的校正系数。

用选择的无线链路传播模型进行C语言编程，该程序可以读取每幅图片的所有像素点经纬度和该区域基站的参数信息，将该区域基站的参数信息代入无线链路衰减模型，计算出该区域每幅图片上每个像素点的终端接收信号强度值[10]。

在Matlab软件上编写仿真程序，通过仿真程序读取每一张图片的经纬度和尺寸信息、该图片每个像素点的终端接收信号强度值，运用Matlab软件仿真功能进行无线信号覆盖仿真。由于不同像素点对应的地理位置不同，终端在不同位置接收无线信号强度也不同，所以不同像素点的终端接收功率也不相同。把终端的接收信号强度划分为多个区间，在仿真图上不同的区间用不同的颜色进行区分。将不同像素点的终端接收信号强度按照其对应的颜色进行显示，得到长江上不同区域的无线信号覆盖情况。

由于理论仿真与实际无线信号覆盖存在比较大的差距，所以需要对无线链路衰减模型进行校正。先选择一片已经开通基站并且能够保证正常无线信号覆盖的区域，同时该区域也比较容易进行无线信号覆盖数据测试。通过对该区域不同位置的终端接收信号功率进行数据测试，然后通过仿真软件对该区域进行仿真，将测试数据和仿真数据进行对比分析，通过数据对比分析的方法找出二者之间的偏差，根据该偏差的大小对无线链路衰减模型的校正参数进行设置[11]，使网络仿真的数据与实际信号测试的数据更加接近，从而使仿真软件能对长江无线信号覆盖情况进行比较精准的仿真，并能更好地指导实际无线网络建设。

3 仿真过程

以长江武汉段某连续3个基站覆盖区域为例介绍具体无线信号覆盖仿真过程，具体仿真过程如下：

① 在Google Earth软件上找到长江武汉段这3个基站区域的位置，将该区域放大到一定的比例，使Google Earth软件在电脑屏幕上显示这3个基站覆盖的区域[12]，该区域如图2所示。

图2 Google Earth区域地图

② 记录该区域的最大经度、最小经度、最大纬度和最小纬度值。然后屏幕截图并保存该图片，该图片的尺寸信息为1 440×791，具体的信息记录过程如图3所示。

GraphIDLatitudeLongitudeResolutionSouthernNorthernWesternEasternWidthHeightSite00130.19277830.335833113.803333114.1188891440791

图3图片信息截图

③ 输入该区域3个基站的相关参数信息，具体的信息记录过程如图4所示。

SiteIDGPSLongitudeLatitude方位角Azimuth下倾角Downtilt挂高Height频点Frequency最大发射功率MaxTxPower(dBm)天线类型Tpye天线增益BsAntGain(dBi)SiteName1113.89027730.272777190.03.030.0240.0123南康社区113.89027730.27277760.03.030.0140.01232113.98055530.301388265.03.030.0240.0123邓家口113.98055530.301388145.03.030.0140.01233114.04027730.242777310.03.045.0240.0123大咀114.04027730.24277790.03.045.0140.0123

图4基站参数信息截图

④ 通过C语言编写的程序读取该图片的所有像素点经纬度和3个基站的参数信息，并通过无线链路衰减模型计算出该区域图片上每个像素点的终端接收信号强度值[13]。该区域部分像素点的终端接收无线信号强度值如图5所示。

⑤ 运行Matlab软件，通过对仿真程序的编写，使仿真程序读取每一张图片的经纬度和尺寸信息、该图片每个像素点的终端接收信号强度值，通过仿真得到该区域3个基站的无线信号覆盖仿真图，如图6所示。

图5 像素点的终端接收信号强度值界面图

图6 网络仿真结果

从图6右边的色例可以看出，上面颜色比较浅的区域为终端接收信号功率比较大的区域，而下面颜色很深的区域为终端接收信号功率很小的区域。在无线信号覆盖仿真图中长江江面上如果出现深颜色区域，则表示该区域为无线信号弱覆盖区域[14]。可以看出，这3个基站可以满足长江武汉段该区域的无线信号覆盖要求，能够进行该区域的基站建设。

4 结束语

本文介绍了一款自主研发的无线信号覆盖仿真平台，利用Google Earth地图模拟无线环境，通过对不同位置的终端接收基站信号强度进行仿真，以确认无线网络规划中新建基站位置和其相关参数是否满足无线信号覆盖要求，如果不满足要求，需要更改基站相关参数，并重新仿真直到满足无线信号覆盖要求为止。通过该仿真平台进行长江无线信号仿真，根据仿真结果指导基站选址和网络建设，解决长江无线信号覆盖规划最优设计问题，满足智慧长江的要求[15]。