基于射线追踪法的5G 室内无线网络规划与优化研究

杨云明

（中电科普天科技股份有限公司，广东 广州 510000）

0 引 言

随着5G 的不断发展和普及，室内无线网络的规划与优化成为社会关注的焦点。射线追踪法作为一种重要的分析和仿真方法，在5G 室内无线网络规划与优化中应用广泛。射线追踪法可以精准模拟无线信号在室内环境中的传播路径和衰减情况，为网络规划、信号覆盖、性能优化等提供指导。为深入理解移动终端在室内场景下的影响，文章深入研究移动终端的建模并进行仿真分析。考虑多普勒频移和移动轨迹对网络性能的影响，文章通过射线追踪法仿真比较终端在移动和静止时的接收功率，并提出相应的优化策略，为5G 室内无线网络的规划和优化提供一定的理论参考和实践指导。

1 基于射线追踪法的5G 无线网络传播基础

1.1 5G 的基础概念

随着全球无线通信技术的不断进步，5G 成为人们关注的焦点。5G 是一项革命性的技术，能为用户提供更快的数据传输速度、更低的延迟和更大的连接容量，同时具有更宽的带宽、更低的信号传播延迟和更高的信号覆盖范围，能够满足日益增长的移动通信需求。除了提供更好的移动通信服务，5G 还为智慧城市、自动驾驶车辆、工业物联网以及虚拟现实等领域提供关键技术支持。然而，要充分发挥5G 的作用，需要进行准确的无线网络规划和优化，以确保信号的可靠传输和用户的高质量体验[1]。因此，探索基于射线追踪法的5G 室内无线网络规划与优化至关重要。

1.2 经验传播模型

常用的经验传播模型主要包括衰减因子模型和室外到室内传播模型。

1.2.1 衰减因子模型

衰减因子模型是无线网络规划中常用的传播模型之一，用于描述信号在传输过程中的减弱程度。与对数距离路径损耗模型不同，衰减因子模型需要考虑更多的环境因素和特定场景中的衰减情况。

1.2.2 室外到室内传播模型

室外到室内传播模型是用来描述信号从室外环境传播到室内环境的衰减情况的模型，主要用于预测室内同一楼层或不同楼层的传播路径损耗PL，计算公式为

式中：PLb为室外路径损耗；PLtw为室外到室内的穿墙损耗；PLin为室内路径损耗。

1.3 射线追踪法

射线追踪法是一种常用的室内无线网络规划和优化方法。它基于电磁波的射线传播原理，通过模拟射线与环境中的物体相交和反射过程，估计信号在室内环境中的传播路径和衰减情况[2]。射线追踪法原理如图1 所示。

图1 射线追踪法原理

射线追踪法将室内环境划分为若干个小的三维区域，并在区域中投射射线，以模拟信号的传播，辨认由发射端到接收端的所有射线路径、与射线发生交互的面或者棱的电磁性质。

2 基于射线追踪法的无线网络规划与优化

2.1 无线网络规划中的优化参数

2.1.1 路径损耗

在无线网络规划中，路径损耗是一个重要参数，用于描述无线信号在传输过程中由于传播距离增加而导致的信号衰减情况。路径损耗的准确建模可以帮助评估信号的覆盖范围、接收功率、干扰以及容量等关键性能指标。

路径损耗真值的常用定义式为

式中：GT,Max和GR,Max分别为发射天线和接收天线的最大增益；LS为系统中其他损耗的总和；PR和PT分别为接收功率和发射功率。

仿真中，通过接收到的每条射线路径的复电场相干叠加得到接收端信号。PR为射线路径功率的总和，公式为

式中：NP为总的射线路径数；Pi为第i条路径的时间平均功率，可通过电场振幅进行计算。

2.1.2 时延扩展

时延扩展是无线网络规划与优化中的另一个重要参数，描述信号传输过程中的时延增加情况。时延扩展是信号传播的距离增加、信号经过的路径数量增加或信号受到干扰等因素引起的[3]。在室内无线网络中，引起时延扩展的影响因素较多，包括传输介质、反射、散射以及多径传播等。本次仿真利用均方根（Root Mean Square，RMS）多径时延扩展来描述功率延迟分布情况，表达式为

式中：ti为第i条射线路径的到达时间；为射线路径平均到达时间。

2.2 RF 优化中无线网络质量评估指标

2.2.1 RF 优化概述

无线射频信号（Radio Frequency，RF）的优化是通过调整和优化射频参数，以提高无线网络的性能和覆盖范围。RF 优化在无线网络的规划、部署、运营等阶段起着关键作用，旨在提高信号质量、信号覆盖面积和容量，并减少无线网络中的信号干扰和噪声。

2.2.2 网络优化及RF 优化流程

网络优化是无线网络规划与优化中的关键环节。RF 优化是确保无线网络性能最佳的重要步骤。网络优化包括规划、部署和优化。实现 RF 优化的方法如下。首先需要进行数据采集和分析，通过现场测试和测量获取网络关键数据。其次，需要识别并分析问题，找出性能瓶颈和潜在问题。再次，通过调整RF参数进行优化，包括发射功率、天线方向性等，并在优化后对网络进行验证和调整，确保达到预期效果。最后，进行维护与监测，定期监测网络性能参数，及时发现并解决问题，保持网络的稳定运行。RF 优化流程如图2 所示。

图2 RF 优化流程

2.2.3 参考信号接收功率

参考信号接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）是无线网络中衡量信号强度的重要指标之一。在长期演进（Long Term Evolution，LTE）系统中，RSRP 和参考信号接收质量（Reference Signal Receiving Quality，RSRQ）常被用于测量功率。RSRP在5G NR 与LTE 系统中的定义基本相同，有较小区别。5G NR 摒弃了LTE 系统中的小区参考信号（Cell Reference Signal，CRS）概念，因此5G NR 中的RSRP基于其他物理信号进行定义[4]。目前，主要定义了2种RSRP 概念，即同步信号接收功率（Synchronization Signal Reference Signal Received Power，SS-RSRP）和信道状态信息参考信号接收功率（Channel State Information Reference Signal Received Power，CSI-RSRP）。SSRSRP 被定义为携带辅同步信号资源粒子功率的线性平均值。CSI-RSRP被定义为在已配置的CSI-RS情景中，测量带宽内携带的CSI-RSRP 配置的资源粒子功率的线性平均值。SS-RSRP 和CSI-RSRP 均能够更准确地衡量5G NR 系统中的信号强度。通过测量和分析指标，可以评估无线网络中的接收信号质量，进而指导网络的优化和规划工作。

3 移动终端在室内场景下的建模与仿真分析

3.1 多普勒频移

多普勒频移是无线通信中由于发射设备和接收设备间的相对运动引起的信号频率变化现象。当信号源（如移动设备）和接收设备之间发生相对运动时，信号的频率会发生偏移。移动源的多普勒频移如图3 所示。

3.2 移动轨迹建模

移动轨迹建模是对移动对象在空间中的运动轨迹进行建模和预测，在交通管理、无线通信和位置服务等领域具有重要的应用价值。其目的是通过分析和处理移动对象的历史位置数据，预测和模拟其未来的运动行为。

3.3 终端移动和终端静止时的接收功率仿真对比

终端移动和终端静止时的接收功率是无线通信系统设计和优化中重点考虑的因素。通过仿真对比分析，评估终端移动和终端静止时信号接收功率的差异和性能[5]。以28 GHz 毫米波覆盖室内多层楼梯道场景为例，分别研究单输入单输出（Single-Input Single-Output，SISO）系统、单极化多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）系统和双极化MIMO 系统下的终端移动和终端静止接收功率，测量结果如表1 ～表3 所示。

表1 SISO 系统同一移动轨迹不同移速下的测量数据

表2 单极化MIMO 系统同一移动轨迹不同移速下的测量数据

表3 双极化MIMO 系统同一移动轨迹不同移速下的测量数据

由表1 ～表3 可知，接收端移动速度越大，偏移越大，对接收功率的影响也越大。因此，在无线网络规划与优化过程中，不能忽视移动终端带来的影响。

4 结 论

文章深入研究和分析了基于射线追踪法的5G 室内无线网络规划与优化、射线追踪法的原理和应用、无线网络规划中的优化参数以及RF 优化中的质量评估指标，并通过建模与仿真分析的方式验证基于射线追踪法的5G 室内无线网络规划与优化方法的有效性。未来，可以进一步探索其他的优化方法和算法，以提高无线网络的性能和覆盖范围。