X-Model传播模型3D仿真在5G室内外协同规划中应用与研究

蓝万顺，刘大洋*，张悦，徐登军，廖繁茂，李珂

（1.中国移动通信集团广东有限公司，广东 广州 510623；2.华为技术有限公司，广东 深圳 518129）

0 引言

传播模型是无线网络规划的基础能力，传统2G/3G/4G网络规划大部分使用SPM/CostHata/OkumuraHata 等经验传播模型。5G 网络的频谱更高（C-band～mmWave），高频信号反射、绕射、穿透和传播能力相比Sub3G 更弱，对5G 网络规划技术提出更大的挑战[1]。

基于国内5G 频谱策略，需要启动5G 同频室内外协同立体组网，夯实基础覆盖和容量承载能力。如何在规划阶段评估室外信号在楼宇内部的覆盖情况，通过精细化室分设计规避室内外同频干扰，成为提升室内感知的一个重要挑战。

鉴于此情况，需要有更高效的室内外信号评估方法，作为室内外协同规划和精细化设计的数据输入，引入射线追踪模型进行3D 仿真，射线追踪模型可以模拟出信号传播路径中的反射、绕射、散射、穿透等现象，适合于传播环境复杂的城区环境。

通过室外信号3D 仿真，在不受限于楼宇限制准入情况下，批量高效输出室外信号对楼宇外圈及楼宇内部的覆盖评估，作为室分详细设计的输入与参考，通过调整室分建设优先级以及室分点位设计，实现室内外协同规划，降低室内外信号干扰。室外信号3D 仿真的应用价值如下：

（1）基于3D 仿真进行室外信号对楼宇内部覆盖的评估，用于指导5G 室分建设的优先级和室分系统精细化设计的参考。

（2）5G 移动通信网络的高频段存在通过室外信号覆盖即可满足室内覆盖和速率要求的楼宇，此种场景在5G 低负载场景下，可以不用建设室分。

（3）5G 移动通信网络的高频段存在通过室外信号覆盖即可满足室内部分浅层区域覆盖和速率要求的楼宇，此种场景下室分系统点位设计需要考虑与室外的协同优化。

1 Racye射线跟踪传播模型介绍

（1）Racye 传播模型具有准确性高，效率快（分布式云化）的特点，解决无线信号由基站空口到UE 侧的传播路损计算问题。Racye 模型在无线网络的位置如图1 所示：

图1 传播模型

（2）Rayce 模型相对于传统传摸，包括业界射线追踪传播模型的Aster 模型，技术更加领先。

Aster 模型反射绕射损耗是经验值，未考虑材质和角度。Aster 模型中经验项参数过多，虽然可以使得校正结果更好，但容易造成过度拟合，最终降低预测准确性。而Rayce 模型的传模公式计算简化，只包括确定性多径损耗计算和经验修正项[6]。Rayce 模型的传模公式如式(1)所示：

其中，Ldet为确定性（多径）损耗计算，Lcor为经验修正项。

确定性参数通过3D 路径搜索和多径损耗计算，波束全空间搜索，理论计算单次反射绕射损耗（角度、材质相关），直射反射绕射多路径能量线性合并。经验修正项参数包括8 个，传播模型准确性取决于根据仿真场景和环境进行调整的准确度。

Rayce 整体模型公式如式(2) 所示：

其中，C1：常数因子，典型值为0；C2：距离因子，典型值为16；d：距离，单位m；C3：收发机高度因子，接收机高度包含实测数据实际高度，典型值为-0.72；Htx：收发距离高度，单位m；δ：频率项系数，典型值为0.5；lossFSL：1 m 自由空间损耗，单位dB；LP：穿透损耗值，单位dB；CAnt：天线增益修正因子，典型值为1；LAnt：天线增益，单位dB；Lveg：植被损耗，单位dB；ε：多径确定型因子；Lmulti-path：确定型路损，单位dB；C4：Direct Path 修正因子；Ldir：Direct Path 路径损耗，单位dB；β：反射能量因子；Lref：反射路径能量总和；γ：绕射/衍射能量因子；Ldif：绕射/衍射路径能量总和。

Rayce 传播模型基本原理是基于3D 地图充分考虑建筑物特征和分布，对信号传播影响得到射线的轨迹和特性，确定反射和绕射损耗等，在接收点处将所有路径场强相干叠加。

2 X-Model传播模型研究

2.1 Rayce模型面临的挑战

（1）场景定义量化难

场景边界定义方法模糊，当前仿真场景定义需要依赖实景照片，数字地图和人工识别，基于人工经验划分场景偏差因素大。

无线网络场景定义无法借助行业、学术标准定义进行划分和量化。例如对于“普通城区”的定义，3GPP 协议中描述的是10 m

（2）数据采集成本高

测试设备仪器贵，仪器设备使用复杂软件，测试人员需投入高昂技术培训费用。测试过程投入大，测试过程存在误差风险，通常单一场景会采集多次数据，成本指数上升。

2.2 X-Model传播模型核心优势

（1）X-Model 传播模型介绍

为应对上述Rayce 面临的挑战，华为开发X-Model自适应模型，基于全球模型校正经验，通过自动化场景识别和匹配技术，达成免校正+高精度的传播模型库。

X-Model 自适应Rayce 传播模型，本质上是对场景Rayce 射线追踪模型的集成，通过场景自适应算法给每个参与仿真的小区一套传模库中最匹配该场景的Rayce 传模参数。相比需要校正的Rayce 传播模型，X-Model 通过场景自适应算法达到接近校正后Rayce 传播模型的准确度，节约成本，提升效率。场景自适应算法基于高精度3D Vector矢量电子地图，考虑频段、天线高度、UE 高度、覆盖区域内建筑物平均高度、楼间距、建筑物起伏、室内栅格占比等相关因素，选出传模库中相关系数最高的相应基线，即匹配传模。X-Model 场景自适应建模流程如图2 所示。

图2 X-Model场景自适应建模流程

（2）数据标准化

1）数据源采集

数据源采集包括CW（Continuous Wave，连续波）数据，DT（Drive Test，道路测试）数据和OTT（Over The Top）数据，具体数据采集要求如下：

◆CW 数据采集站点位置需具备场景代表性，需要包含近、中、远点数据，保证电平值域范围内分布尽量均匀。

◆DT 数据采集时尽量保持低速，建议开启邻区测量，保证足够单小区数据量，采集10 个小区以上。

◆OTT 数据采集，取忙时数据，不建议使用室内站点数据。

2）数据过滤

数据过滤是数据标准化要求的关键环节，需要考虑单小区数据量限制，关键指标范围要求，GPS 信息和距离偏移等因素。详细要求举例如下：

◆CW/OTT 数据时，单小区数据量建议值为2 000，DT 数据时，单小区建议值为200；

◆需要将过高（超过MCL 理论值，MCL 最小耦合损耗值=UE 的最小发射功率-外界的干扰电平），过低（低于底噪）数据进行过滤；

◆结合GIS 信息，将数据点落在建筑物上的数据过滤删除；

◆DT/OTT 数据建议值保留2R（小区实际覆盖半径）；

◆如果扇区为定向天线，建议保留主瓣方向内的数据。

（3）传模校正自动化

X-Model 传模自动校正流程如图3 所示。

图3 X-Model传模自动校正流程

1）第一步：选取基础模型

可以从基础模型库中根据覆盖需求选择传播模型，包括射线模型Rayce 模型、Volcano 模型和Aster 模型等；经验模型包括SPM 模型、Cost-hata 模型和Uma 模型等。

2）第二步：多参数寻优

通过建模方式将多项式中各项变量和常量因子同时考虑，进行多次迭代寻优，先寻找局部单项式最优解、次优解、最差解等多种组合，通过快速收敛方式得到全局多项式最优解。

3）第三步：输出模型系数

路损模型中的经验修正项Lcor中多项不确定因子输出全局最优解的建议值。

（4）自动化场景识别节约成本-特征归一化

X-model 自适应Rayce 射线跟踪模型，采用Min-Max 归一化算法，将源场景特征提取后，按照8 个特征进行归一化，源场景特征是站点级，1）Is Indoor=建筑物投影面积占比，目的是建筑物密度；2）W=平均街道宽度；3）H=平均建筑物高度；4）HSITE=天线高度-接收机的高度；5）Los=路径损耗，6）频段；7）天线挂高与周边建筑物高度值；8）建筑物的高度起伏特征。输出的模型系数，站点特征映射到场景库中的目标场景中。

Min-Max 归一化公式如式(3) 所示：

其中，X表示某站点的特征原始值；Xmin表示X特征原始值分布的最小值；Xmax表示X特征原始值分布的最大值。

3 X-Model传播模型仿真和应用

3.1 X-Model仿真准确性验证

（1）商场场景

选取万象城商业中心，通过实际测试与仿真结果数据据验证仿真准确性。

1）万象城楼宇外圈覆盖实测与仿真结果对比：

SSB RSRP 实测与仿真趋势一致，均值差异在7 dB 以内。万象城外圈实测平均RSRP=-76.45 dBm，X-Model 仿真结果得到平均RSRP=-77.98 dBm，两者相差1.53 dBm。该仿真结果非常精准在仿真模型业内属于领先地位。万象城楼宇室外一圈电平测试与仿真对比如表1 所示：

表1 万象城楼宇室外一圈电平测试与仿真对比

详细对比万象城外圈仿真和实测的RSRP 结果，在实际地理位置上好中差点分布图如图4 所示。

图4 万象城建筑物内外圈仿真与实测电平对比

图4 可以看出RSRP<-80 dBm 的黄色点分布位置，在左边实测图集中于万象城左下角区域，而在仿真图中，预测的RSRP<-80 dBm 的黄色点分布与实测完全保持一致。RSRP>-80 dBm 的绿点分布，实测图和仿真图也基本保持一致。

2）万象城楼宇内覆盖实测与仿真结果对比：

楼宇室内SSB RSRP 的实测与仿真趋势一致，均值差异在7 dB 以内。万象城楼宇内一楼实测平均RSRP=-101.33 dBm，X-model 仿真结果得到平均RSRP=-100.21 dBm，两者相差1.12 dBm。二楼实测平均RSRP=-98.28 dBm，X-Model 仿真结果得到平均RSRP=-100.25 dBm，两者相差1.97 dBm。室外信号在室内区域覆盖，分楼层的实测与仿真的SSB RSRP 对比如表2 所示。

表2 室外信号在室内区域覆盖，分楼层的实测与仿真的SSB RSRP对比

详细对比万象城楼宇内仿真和实测的RSRP 结果，在实际地理位置好中差点分布图如图4 所示，可以看出RSRP<-80 dBm 的黄色点分布位置，实测图集中在楼宇内中心位置，而在仿真图中，预测出的RSRP<-80 dBm的黄色点分布与实测完全保持一致。RSRP>-80 dBm 的绿点分布，实测图和仿真图也基本保持一致。

（2）写字楼场景

选取宝丰大厦，通过实际测试与仿真结果数据验证仿真准确性，分为楼宇外覆盖测试和仿真结果比对、楼宇内覆盖仿真与实测结果比对情况。

1）楼宇外圈覆盖实测与仿真结果对比情况：

SSB RSRP 实测与仿真趋势一致，均值差异在7 dB 内。宝丰大厦楼宇外圈实测平均RSRP=-75.72 dBm，X-Model 仿真结果得到平均RSRP=-69.15 dBm，两者相差6.57 dBm。宝丰大厦楼宇室外一圈电平仿真和实测对比如表3 所示：

表3 宝丰大厦楼宇室外一圈电平仿真和实测对比

详细对比宝丰大厦楼宇外圈仿真和实测的RSRP 结果，在实际地理位置好中差点分布图如图5 所示，可以看出RSRP<-75 dBm 的黄色点分布位置，实测图集在于东南区域，在仿真图中，预测的RSRP<-75 dBm 的黄色点分布与实测完全保持一致。RSRP>-75 dBm的绿点分布，实测图中占比较低，仿真图存在一定差异，但分布位置基本保持一致。

2）楼宇内圈覆盖实测与仿真结果对比情况：

宝丰大厦楼宇内共计20 层楼高，存在物业协调准入问题，仅测试2F/7F/10F/13F/16F，五个楼层，目前覆盖实测与仿真结果对比，均值差异在7 dB 以内。宝丰大厦室内SSB RSRP 的实测与仿真如表4 所示。

表4 宝丰大厦室内SSB RSRP的实测与仿真

详细对比宝丰大厦楼宇内仿真和实测的RSRP 结果，在实际地理位置上好中差点分布图如图5 所示，可以看出RSRP<-95 dBm 的黄色点分布位置，实测图集中在楼宇中间位置；在仿真图中，预测的RSRP<-95 dBm 的黄色点分布与实测完全保持一致。RSRP>-95 dBm 的绿点分布，实测图中占比较高，仿真图存在一定差异，但分布位置基本保持一致。

图5 宝丰大厦建筑物内外部信号强度实测与仿真对比

3.2 X-Model仿真在楼宇室内外信号覆盖评估中的应用

（1）X-Model 仿真应用规则

参考中国移动集团发布室内建设相关要求，并结合室外信号再室内的速率测试结果，共同确定3D 仿真结果在室内外协同规划中的应用规则。

1）参考中国移动集团发布《5G 室内深度覆盖规划设计准则及规范要求》，室内覆盖设计电平和体验要求如表5 所示，其中室内高价值区域5G 电平要求为-95 dBm以上，速率要求为200 Mbps 以上。

表5 《5G室内深度覆盖规划设计准则及规范要求》中，室内覆盖设计的电平和体验要求

考虑中国移动当前5G 建设初期，5G 覆盖并未完全连续，网络要求在5G RSRP ≥-105 dBm 的条件下，用户才可以占用5G 信号，当5G RSRP<-105 dBm 时，让用户使用4G 信号。

2）参考《中国移动5G 二期规划审核v2.0.7》楼宇满足如下条件，可以不建设室分系统：

SSB-RSRP 高于电平-105 dBm 的采样点百分比高于95%，或室内弱场SSB-RSRP 高于采样点电平-113 dBm，不建议建设室内覆盖系统；针对已有规划宏站的场景，可考虑仿真分析。

仿真要求：建议仿真普通场景简单结构楼宇区域室外边缘电平高于-88 dBm 的比例在95%以上，至覆盖楼宇中间位置穿透不超过2 堵墙，暂不建议建设室内覆盖系统。其中-88 dBm 的标准，是按照实测2.6 G 频段穿透不超过2 堵墙的平均穿损在17 dBm 来计算，-105 dBm+17 dBm=-88 dBm。

3）验证室外信号在万象城楼宇内的速率体验，测试结果如下：

在移动信号不占用到室分系统覆盖的情况下，楼宇浅层可以完全由室外信号覆盖；1 楼/2 楼浅层区域室外信号在-95 dBm 以上的区域中，5G 下载速率在400 Mbps以上，满足室内价值区域的5G 速率要求；

基于以上数据，3D 仿真数据对室内外协同规划中的应用规则建议如下：

◆不需要建设室分的条件：

室外SSB RSRP>-88 dBm、占比≥95% 且室内SSB RSRP>-95 dBm 的比例≥80%。

◆需现场查看并考虑室内精准设计规避室内外同频干扰的条件：

室外SSB RSRP>-88 dBm 的占比<95% 或者室内SSB RSRP>-95 dBm 的比例<80%。

（2）X-Model 仿真应用-区域规划

选择中国移动5G 建设发展领先城市深圳市内的某一网格区域，基于百度POI 信息识别到的116 座写字楼与商场，对该网格内楼宇内进行X-model 传模模型的仿真，评估结果如图6 所示：

图6 华强北区域室外信号仿真评估图

将仿真结果按照写字楼商场建筑物汇聚，评估116座室分场景的室内平均电平值，按照不需要建设室分的条件：室外SSB RSRP>-88 dBm 的占比≥95% 且室内SSB RSRP>-95 dBm 的比例≥80%要求对每个楼宇进行划分，输出室分建设优先级建议如表6 所示：

表6 深圳华强北区域写字楼与商场的3D仿真评估结果

（3）X-Model 仿真应用-室分建设价值识别评估

1）选择宝华大厦和裕晖大厦楼宇进行验证，仿真结果如表7 所示：

表7 宝华大厦和裕晖大厦的3D仿真评估结果

2）现场调研情况汇总，与基于仿真评估的室分建议相同：

◆宝华大厦现场调研情况：

室分DAS 信号高于宏站6 dB，干扰大；宏站在室内的信号平均在-100 dBm 左右。

调研结论：

需要室内外协同建设室分系统，与仿真评估的建议一致。

◆裕晖大厦现场调研情况：

宏站信号高于室分10 dB 左右，干扰小，80% 以上区域占用宏站，而非DAS 室分系统；占用宏站后的下行MAC 层速率，最高可至1 Gbps。

调研结论：

不需要建设室分，与仿真评估的建议一致。

4 结论

国际统一标准衡量传模准确性方式为，计算均方根误差RMSE（Root Mean Squared Error）在7 dB 以内为优秀的传播模型。现对X-Model 模型准确性进行实测校验，多次路测结果对比传播模型仿真结果得到差值Ei，RMSE 计算公式如式(4) 所示：

综上所述本文详细研究通过3D 仿真5G 室外信号对楼宇覆盖的评估方案验证与应用，实证证明X-Model 场景自适应Rayce 射线追踪传播模型RSRP 预测RMSE<7 dB，并且相比传统Racye 射线跟踪模型有以下优势：

（1）X-Model 方案可以提升规划效率，节省投入的情况下高效批量输出室外信号在楼宇外圈以及楼宇内部的覆盖情况。

（2）X-Model 传播模型为自动化和免校正，准确度优于传统交付方法和基线模型库。

（3）X-Model 传播模型对未来室内外协同实际建设具有重要指导意见，如，室外信号对室内干扰影响情况；无室分规划情况下，室内覆盖情况；高价值场景识别；指导室分建设的优先级。

（4）本文研究方案也可以应用到4.9 GHz、700 MHz大规模建网场景5G 频段组网设计中。