公安350兆专网山区地形基站选址的研究及实践

张利 宁夏回族自治区固原市公安局

引言

警用数字集群（PDT）通信系统是公安指挥调度的重要手段，目前全国各地公安机关基本已建成了本地PDT系统，并实现了部省市三级联网，在大型活动保障和日常勤务指挥中均发挥了不可替代的作用。位于中国黄土高原的西北边缘的某市，境内以六盘山为南北脊柱，将其分为东西两壁，呈南高北低之势。海拔大部分在1500～2200米之间。受河水切割与冲击，形成丘陵起伏、沟壑纵横、梁峁交错、山多川少，塬、梁、峁、壕交错的地理特征。这些地形特点导致无线电波传输环境极其复杂，这也是该市PDT系统建设时遇到的主要难题，通过路测采集、传模校正及软件仿真等手段，不仅缩短了建设周期，也大大提高了基站覆盖效率，目前全市共建设基站41座，实现了全市国道、省道、高速及重要公共场合的无线信号覆盖。

一、山区地形无线基站建设选址的必要性

随着社会信息化水平的整体提升，公安在指挥调度中对于集群通信的要求越来越高，模拟集群时代基本以高点建设为原则进行基站的选址，通常选取一个至高点覆盖附近的一片广域区域，这种选址思路在后期的使用过程中暴露出各种问题，在一定程度上影响了整个集群网络的用户体验。数字集群（PDT）通信系统建设时，公安部科信局明确要求系统建设前应进行专业的网络规划设计，进一步强调选址对于专网通信基站建设的关键作用。

某市山区地形占比较大，地广人稀，基站站址的选择对网络覆盖的影响作用更为显著，有时候甚至起到了决定性作用。目前提供的电波传输模型大多是针对城市通信规划建设的实际情况研究开发的，山区农村地理环境复杂，电波传播受地形影响十分显著，基于准平坦地形的覆盖预测模型就更加难以发挥作用，一般工程人员进行无线基站选址时，难以充分考虑当前复杂的地理状况，只能凭借经验和有限的实地勘察试验来确定站址的选择，通常都把站点选在高山上，以期获得较大的覆盖范围，但实际上，这种选址方式有很大的主观性。为了解决以上问题，某市公安局在警用数字集群（PDT）通信系统建设基站选址时通过三维地图模拟仿真的方式进行基站位置确认，充分计算地形对于无线信号的实际传播影响。

二、基站选址流程

某市警用数字集群（PDT）通信系统的基站选址主要分四步进行，分别是准备阶段、预规划阶段、详细规划设计阶段、工程实施阶段。

（一）准备阶段

这一阶段的主要工作是收集基站选址所需的业务需求、地形地貌等信息，并进行CW测试与传播模型校正等，掌握覆盖区的无线环境情况，为后面的覆盖、容量规划等提供依据。

1. 业务需求调研、资料收集

具体内容包括覆盖区域现有集群专网的覆盖和使用情况、日常勤务和活动保障的区域及用户数量、地形地貌情况、未来城市规划发展情况等信息。

2. CW测试

CW测试是在需进行模型校正的区域内进行车载测试，通过信号接收机采集测试区域的信号强度数据。采集的信号强度数据可以是CW 测试数据，也可以是已有网络的实际测试数据。CW 测试是经典的传播模型校正测试方法，它是以CW 发射机作为信号源，采用全向天线发射信号，接收机在服务区内各个方向的道路上进行测试，以得到不同方向、距离的信号强度值。

一个无线通信系统质量的好坏，在很大程度上取决于无线信道传输质量的好坏。无线通信靠的是无线电波的传播，由于山区山高林密，地形复杂，有高山遮挡，无线电波传输环境复杂，在传播时既可能有直射波，还可能产生大量的反射波、折射波、散射波和绕射波等，将引起较大的传播损耗以及传输信号的随机衰落，使信号衰落起伏大、场强分布不均匀，甚至出现信号盲区。为掌握该地区无线电磁波的传播特点，本次PDT系统建设时进行了CW测试，CW测试前需根据覆盖区的地形、建筑物、人口分布等将目标覆盖区域分为几种区域（固原分为一般城区、近郊区、山区3类），对每种区域分别进行 CW 测试，以了解无线信号实际的路径传播损耗，作为后期的规划设计工作的依据。

3. 业务预测

通过对一线用户使用调研，结合前期相关资料调查收集，并根据整个覆盖区内不同区域的地形、建筑物及用户分布特点将其划分成不同的类型，针对各类区域分别确定其基本覆盖要求、质量要求、基站类型等，形成建设需求报告。

（二）预规划阶段

此阶段主要收集可用的机房、铁塔、链路资源，并结合前一阶段形成的建设需求报告，进行基站数量和容量的预估，初步确定可用的基站位置和载波数量信息，并进行网络建设总体规模及投资估算等。

在山区基站的规划选址方面，需要综合考虑建设、运行和维护成本，科学合理布局基站，在做到满足网络覆盖、业务需求的情况下，减少基站数量，提高网络资源的利用率，可以借助卫星地图工具软件选点，对当地的地形和基站附近的无线环境等有个初步了解，获得较为准确的全局性信息，然后再去现场实地调研。另外，拟建站站址最好利用现有运营商机房、铁塔及光纤链路资源。

针对山区基站的选址，基站位置的合理比基站的高度更为重要，如图1和图2所示，在平坦地区，信号强度值与距离基站的远近有明显的线性关系，但在山区，由于地形的剧烈起伏，信号强度值与距离基站的远近关系不再明显，高点位置的基站将不能保证大范围的连续有效覆盖，并且多个高山基站容易造成重叠覆盖区过多，导致漫游切换值难以设置，因此山区基站选址时基站位置更为关键，在预规划阶段可以多预设几个点位，在模拟仿真阶段选出最为合理的点位。

图1 一般城区CW测试效果图

图2 山区地形CW测试效果图

（三）详细规划设计阶段

此阶段的主要任务是以覆盖规划和容量规划的结果为指导，进行实际的站址勘查、选择、设计，并通过模拟仿真对规划设计的效果进行验证，如不满足建设目标则需要进行规划设计方案的调整，直到满足建设目标为止。

1. 站点勘查、设计

该步的任务就是对覆盖区进行实地勘查设计，进行站点的具体布置，确定基站类型（如标准基站、一体化基站、光纤直放站等），找出适合做基站站址的机房位置，并确定天线挂高、天线角度等参数。

需核实现有基站位置、高度是否适合建设PDT基站，机房、天面是否有足够的位置布放PDT系统的设备、天线等，现有传输、电源、配套资源是否有充足的余量，是否需要新增等问题。如果和其他无线系统共址建设，还需要考虑系统之间的干扰控制问题，可通过空间隔离等方式对不同系统的天线进行隔离，使得系统间干扰降低到不影响双方正常运作的程度。

站点选定后，为了了解网络整体的覆盖、容量、信号质量水平，还需通过模拟仿真预测出网络建成后各项指标可能达到的水平，并通过和预期的建设目标对比，判断建设方案能否满足建设目标要求。

2. 传播模型校正

传播模型是移动通信网小区覆盖半径计算的基础，而小区覆盖半径的准确与否直接关系到了无线网络站点规划布局是否合理。同时，传播模型也是计算发射端和接收端之间的无线传播损耗，进而模拟出网络的覆盖和干扰效果的必要条件。

由于各地的无线传播环境千差万别，如果仅仅根据默认参数或者经验参数，而无视各地实际的地形、地貌、建筑物、植被等对参数的影响，会导致所采用的传播模型与各地实际不符，进而导致按照该模型进行规划和建设的网络不能符合实际，或者站点间距过远存在覆盖、质量问题，或者站点过于密集造成资源浪费和相互间的干扰。随着计算机仿真模拟在规划设计中的普及应用，传播模型作为模拟仿真准确的必要条件也就更加重要。

在所有电波传播模型中，Okumura-Hata（奥村-哈特）模型最接近我国350MHz大区制专网的覆盖特性，因此选择该模型作为基础模型来校正传模。某市公安局运用大区制专网规划软件PPLAN进行传模校正和覆盖仿真。在PPLAN规划软件中，电波传输模型的的数学表达式为：PL( dB)=K1+K2×lg(fc) +K3×lg(Hb)-a(hm)+(K4+K5×lg(Hb))×lg(Rd)+Kdiff×Diff_Loss+Clutter_Offset，导入3种场景的路测数据，做地理平均等数据处理，根据最小二乘拟合算法校正出K1、K4等系数，校正出某市一般城区传模、某市近郊区传模、某市山区传模3种传播模型。经过传模校正，建立了3种场景的电波传播模型，详见表1。

表1 某市350M专网传播模型K系数表

3. 仿真分析

仿真分析采用PPLAN规划软件，导入某市的三维地图和基站站址位置信息，给基站选择相应的地形传播模型，并设定发射功率、合路器损耗、馈线损耗、天线增益等参数。对于PDT网络而言，最主要的覆盖评估指标是接收电平值（Rxlevel）。接收电平值（Rxlevel）计算公式：接收电平值（Rxlevel）=基站发射功率+天线增益-线缆损耗-路径传播损失。

PPLAN规划软件对于不同范围的接收电平值用不同颜色进行区分，如图3和图4所示，根据用户对于不同应用场景的覆盖要求，可以通过选择相应颜色范围以了解此基站是否满足用户使用需求。如果模拟仿真结果未能达到建设目标，则需要结合实际情况对建设方案进行优化调整，然后对优化后的建设方案进行再次模拟预测，并对比预测结果和建设目标，直到模拟预测结果达到或者优于目标。

图3 一般城区基站仿真覆盖效果示意图

图4 山区基站仿真覆盖效果示意图

如图3和图4所示，一般城区基站的有效覆盖范围呈现连续规则形态，但山区基站的有效覆盖范围呈现间断不规则的形态，由此验证了山区电波传播环境的复杂性，也突显了模拟仿真分析对于山区基站选址的重要性。

（四）工程实施阶段

在前阶段工作的基础上进行实际的规划实施工作以及一些必要的调整。该阶段是整个网络规划的最后阶段，该阶段规划设计人员的主要任务就是指导施工队按照规划设计要求进行站点的安装、调测，有需要时结合实际情况对建设方案进行局部调整。

三、结语

该市警用数字集群（PDT）系统按照规划设计的基站布局建设完成后，实现了目标的完全覆盖，特别山区的重点道路覆盖率接近100%，系统投入使用后各个业务单位均高度认可，特别是模拟集群时代难攻克的一系列盲区问题均得到解决。通过路测采集、传模校正和模拟仿真技术方案一方面通过实际路测校正贴合当地无线电波传播特点的传播模型，另一方面通过三维地图计算地形对于无线电波实际传播衰落，确保基站的实际覆盖半径与预期高度一致，使得项目建设估算更为准确，也大大缩短了建设工期。实践表明，该技术在350M专网基站选址中方案可行，成果有效，具有一定的工程应用价值，可以广泛应用于全国警用数字集群（PDT）系统的建设。