基于路測數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)絡仿真研究

董玉濤，南作用 ，翟麗平(.中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信集團有限公司，北京0040；.中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京00048；.華北水利水電學院，河南 鄭州 4500)

0 前言

在移動通信網(wǎng)絡規(guī)劃建設期間，無線網(wǎng)絡仿真在站址規(guī)劃、信道配置、接口配置、頻率規(guī)劃、擾碼規(guī)劃、鄰區(qū)規(guī)劃、覆蓋評估等環(huán)節(jié)中扮演重要的角色。網(wǎng)絡運營期間，無線網(wǎng)絡仿真又可輔助工程優(yōu)化人員進行網(wǎng)絡問題查找定位、優(yōu)化方案評估等。網(wǎng)絡仿真是移動通信網(wǎng)絡不可或缺的重要方法，但由于傳播模型、地理信息、算法等因素的影響，仿真準確度倍受懷疑，致使其在移動通信網(wǎng)絡中的受關注程度日益降低。如何有效、便捷地提升無線網(wǎng)絡仿真無疑是網(wǎng)絡規(guī)劃設計人員長期研究的課題。

1 問題分析

影響網(wǎng)絡仿真準確度有2個重要的基礎數(shù)據(jù)，即接收電平和接收質量，對于WCDMA系統(tǒng)而言即為Ec和Ec/Io，基于此可以有效地評估無線網(wǎng)絡的覆蓋、切換、干擾、容量等。而這2個基礎數(shù)據(jù)中，接收電平Ec又是Ec/Io計算的必要條件和基礎。一定程度上可以這樣說，接收電平Ec預測的準確是Ec/Io以及基于此計算的所有數(shù)據(jù)和結果的基礎。

近幾年，隨著移動網(wǎng)絡的發(fā)展，各運營商不同程度地對無線網(wǎng)絡進行CW測試、路測、CQT等測試，積累了大量無線網(wǎng)絡測試數(shù)據(jù)。如何利用該數(shù)據(jù)進行更為便捷、精確的網(wǎng)絡仿真，對網(wǎng)絡建設和運營有著重要的意義。

2 技術理論分析

網(wǎng)絡仿真時，通常先基于傳播模型、小區(qū)參數(shù)、地理信息計算每個像素的空間路徑損耗，再基于空間損耗直接計算接收電平，進而計算接收質量、干擾、切換以及進行Monte Carlo仿真等等。所以，仿真中路徑損耗計算是各種仿真結果計算的基礎。

假設通過校正后的傳播模型或通用傳播模型計算出來的結果如圖1中“路徑預測”，通過路測或CQT測試的數(shù)據(jù)為“測試數(shù)據(jù)”，將其數(shù)學合成，具體過程如圖1所示。

圖1 路徑預測和測試數(shù)據(jù)合成示意

可采用式(1)計算預測合成值。

式中:

Pcom——路徑預測合成值

Ppre——預測值

ρ——預測數(shù)據(jù)在合成數(shù)據(jù)中占比

Pmeas——測試數(shù)據(jù)值

由式(1)可知:Pcom是預測值和測試數(shù)據(jù)的合成；ρ為工程經(jīng)驗值，可根據(jù)路測數(shù)據(jù)時效、測試環(huán)境和仿真環(huán)境的擬合程度等因素綜合確定。

直觀而言，式(1)針對路測數(shù)據(jù)點、通過路測數(shù)據(jù)計算的間接數(shù)據(jù)點和預測數(shù)據(jù)重合。路測數(shù)據(jù)和預測數(shù)據(jù)不重合時，則引入滾降因子和內插法，計算路測數(shù)據(jù)周圍間接數(shù)據(jù)點。

內插法是用一組已知的自變量的值和與它對應的函數(shù)值來求一種未知函數(shù)其他值的近似計算方法，其本質為利用數(shù)據(jù)間的相關性特點的一種數(shù)值逼近算法，常用于天文學、農(nóng)歷計算中。仿真軟件中具體使用的內插法為

式中:

n——測試點臨近點數(shù)，仿真軟件中點對應像素，通常取1～4

Δi——臨近第i點的預測數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)差

α——滾降系數(shù)(α≥1)

據(jù)此計算的內插值，即基于路測數(shù)據(jù)周圍間接數(shù)據(jù)點，再根據(jù)式(1)計算出合理的校正值，據(jù)此可將測點數(shù)據(jù)向外圍延伸，進一步修正測點附近點數(shù)據(jù)，拓展該方法的應用。

利用權值和內插法可有效修正通過模型校正預測出來的路徑損耗。針對特定場景可方便、有效地得到較為準確的路徑損耗。

另外，也可借助已有的路測或CQT測試數(shù)據(jù)對通用傳播模型或校正后的傳播模型進行再次修正，以盡可能地保證傳播模型和仿真場景的相關度。通過這樣的修正，使未通過內插法修正的其他點預測值盡可能地精確。

3 工程應用探討

工程中，根據(jù)路測數(shù)據(jù)應用不同建議按照圖2所示流程進行。

從圖2可以看出，路測數(shù)據(jù)在基于路測數(shù)據(jù)的仿真中，有2次會對路徑損耗進行修正，具體如下:

圖2 路測數(shù)據(jù)仿真應用流程

a)使用路測/CQT測試進行分析，在已經(jīng)修正的多個傳播模型中，根據(jù)接收電平進行統(tǒng)計分析，初步選擇小區(qū)最適合的傳播模型。

b)使用路測數(shù)據(jù)對小區(qū)通用傳播模型或已經(jīng)修正的傳播模型進行再修正，再修正的目的主要用以使已有的傳播模型更加貼近要仿真區(qū)域的環(huán)境。這是因為即使對原傳播模型與仿真區(qū)域在同一城市，由于現(xiàn)在城市經(jīng)濟、建設發(fā)展迅速，同一城市不同區(qū)域，無線傳播環(huán)境間的相關性也較大。而用仿真區(qū)域的路測/CQT對傳播模型再次修正，可使路徑預測結果更為貼近仿真區(qū)域的環(huán)境，增強仿真結果與實際環(huán)境間的相似度。在此過程中，修正的對象為基礎預測傳播模型，即修正整個仿真區(qū)域整體路徑預測數(shù)據(jù)。修正方式也僅僅是用仿真環(huán)境中部分數(shù)據(jù)修正其他數(shù)據(jù)，這樣并不能達到非常理想的效果，但可在原修正模型的基礎上進行更為精確的修正。

c)針對路測/CQT測點及其附近路徑預測數(shù)據(jù)，可利用其進行再次修正。這樣，如設置合理的加權系數(shù)、滾降系數(shù)，可以達到測點及其附近的預測數(shù)據(jù)可與實際路測數(shù)據(jù)非常貼近，且一定程度上可以彌補由于地圖、算法、傳播模型等因素引起的誤差。

從以上流程及應用方式可以看出，對于特定環(huán)境，如高速/高鐵等交通線、城市道路等線覆蓋或點覆蓋，基于該方式可多次、有效修正計算機環(huán)境帶來的誤差。對于整個城市或者區(qū)域而言，該方式可使修正的數(shù)據(jù)最大限度地貼近實際無線環(huán)境。

可用以下方式進行結果評定。

a)對于傳播模型的再次修正，可采用與傳統(tǒng)模型校正相同的方式，但由于采用手機終端方式，數(shù)據(jù)采樣速率約5 s/點，數(shù)據(jù)量會遠遠小于接收機采樣速率，這樣需引入式(3)對結果進行評定。

式中:

Estd——修正標準方差

E0——模型校正后的標準方差

N——測點數(shù)量

從式(3)可以看出:當數(shù)據(jù)量較少時(通常數(shù)據(jù)量少于1萬點時)，采用該方式可有效地修正方差值，并基于此評判再次修正傳播模型的結果將更為科學有效。其中基于路測/CQT數(shù)據(jù)進行傳播模型分配也是基于此。

b)對于測點及其周圍的數(shù)據(jù)，可采用路測數(shù)據(jù)與仿真軟件預測值對比的方式進行評定，即:

式中:

x1i——i點的預測值

x2i——i點的實測值

N——測點數(shù)

評判時要求平均誤差Y軍接近0，均方差RMS和標準偏差STD越小越好。

同時，在應用過程中應注意以下幾個問題。

a)如用路測數(shù)據(jù)再修正模型進行面域仿真，則被測站點能有效代表區(qū)域內其他站點的無線環(huán)境、地物類型、天線高度等。

b)根據(jù)仿真軟件使用的數(shù)字地圖，確定主要的地物類型，要求主要的地物類型至少收集到300～400有效數(shù)據(jù)點，以保證對地物因子的有效校正。

c)要求采集數(shù)據(jù)分布基本符合lg(d)曲線形狀。

d)由于路測/CQT測試數(shù)據(jù)收集終端為商用終端，商用終端信號接收靈敏度間約有±10 dB正常偏差，且該方式測點采樣速率常大于5 s/點。為豐富測試數(shù)據(jù)及均衡終端間差異，測試時可選用多部終端進行測試，多部手機數(shù)據(jù)統(tǒng)一進行處理。另外，根據(jù)地圖精度、數(shù)據(jù)點距離差，實際處理數(shù)據(jù)是在原始數(shù)據(jù)進行平均合并的基礎上進行的。這樣，有效的數(shù)據(jù)會少于原始測試數(shù)據(jù)。

e)建議在可對無線環(huán)境和街道分類的情況下進行數(shù)據(jù)采集，這樣導入時就可按照線性直達和非線性環(huán)境分別進行導入修正。

f)要求被測站點的天線、有效發(fā)射功率EiRP等與測試時配置一致，并將其作為校正站點配置數(shù)據(jù)。如全向或寬波瓣天線，應先考慮將其進行必要的轉換。

g)通常，路測數(shù)據(jù)采集是在車內完成的，CQT常常也在建筑物內部進行撥打。無線仿真時，預測的路徑損耗通?；谑彝猸h(huán)境，如為室內或其他環(huán)境，則直接疊加相應的穿透損耗。而測試數(shù)據(jù)已經(jīng)包含車、建筑物的穿透損耗。所以，如果仿真環(huán)境與路測采集環(huán)境相同，則基礎數(shù)據(jù)無需修正，否則需根據(jù)無線網(wǎng)絡仿真環(huán)境對路測數(shù)據(jù)進行相應的修正，即計算有效的接收電平。

h)無線測試中，通常不能關聯(lián)到小區(qū)的Cell ID。其可用如下方式進行WCDMA網(wǎng)絡Cell ID關聯(lián):優(yōu)先通過UCID(RNCID+CI)分離小區(qū)，再通過CGI(由MCC、MNC、LAC、CI值組成)， 最后考慮通過 CI/MCC/MNC和距離，CI/UARFCN和距離，SC/UARFCN和距離；對于GSM網(wǎng)絡:優(yōu)先通過CGI(由MCC、MNC、LAC、CI值組成)，其次通過CI/MCC/MNC和距離，CI/BCCH和距離，BCCH/BSIC和距離進行小區(qū)識別關聯(lián)。其中距離即為仿真區(qū)域內最大擾碼/頻率復用距離的一半，其常需人工方式進行處理，則基于點 1(x1，y1)、點 2(x2，y2)的距離 d(km)為

d=arccos(siny1siny2cos(x1-x2)+cosy1cosy2)×111.195(8)

i)對于非正常數(shù)據(jù)過濾，可參考CW模型校正值，即:排除Ec≥-40 dBm或Ec≤-120 dBm的點，通常接收機和手機接收靈敏度差約為12 dB(考慮器件及天線安裝方式等)，另該非正常數(shù)據(jù)過濾是基于有效的接收電平進行的。

j)對于新建站，可利用基于路測/CQT數(shù)據(jù)修正模型進行路徑損耗預測。

k)如頻段臨近，可用相近頻段路測數(shù)據(jù)進行修正，但需考慮頻段差異引起的損耗，并在處理前對路測數(shù)據(jù)進行相應的修正。

4 工程案例

本文以某運營商某時期京津高鐵為例，按照如上方法進行WCDMA無線網(wǎng)絡仿真。

數(shù)據(jù)采集采用火車車廂內，用WCDMA商用手機2部，分別進行長呼和短呼，共約51 080個測點，仿真無線網(wǎng)絡室外環(huán)境。根據(jù)相關測試，火車車廂穿透損耗按照7 dB考慮，對測試數(shù)據(jù)有效接收電平進行修正。

修正完之后，利用式(8)、測試到相關編號進行Cell ID識別。識別完之后的文件，導入仿真軟件Aircom EnterPrise V6.2進行相關處理。

首先，此次仿真基于已經(jīng)修正的4個模型(見表1)。

根據(jù)路測數(shù)據(jù)與各模型預測值的平均誤差、均方差、標準偏差，為每個小區(qū)分配初始傳播模型。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，最終仿真軟件僅選定Mod_r一種傳播模型。

對Mod_r，基于路測數(shù)據(jù)進行再校正，具體結果如表2所示。

表1 基本傳播模型

表2 修正后傳播模型

修正后的模型不僅僅用于京津高鐵線上的仿真，更重要的是基于這些抽樣點修正相關小區(qū)的覆蓋。對于線上的點，再設置路測數(shù)據(jù)與預測數(shù)據(jù)的權值(路測數(shù)據(jù)0.8、預測數(shù)據(jù)0.2、滾降因子1.1)進行預測。此處，可以通過其中1個小區(qū)的仿真與路測結果的對比情況來看該方法的效果。

表3示出的是預測值與路測值對比匯總；圖3示出的是誤差值與距離關系。

從表4看來，使用路測數(shù)據(jù)對仿真中路徑預測結果修正平均誤差與標準方差可降至與CW模型校正結果相當。

表3 預測值與路測值對比匯總

5 結束語

本文主要介紹了利用路測/CQT測試修正仿真中路徑損耗的方法。該方法與常規(guī)CW模型校正相比，具有方法簡單、易操作，無需另行架設發(fā)射機進行專門路測，又能良好的兼容CW模型校正結果，取得更為精確的路徑損耗計算。與射線跟蹤模型方法相比，無需高精度地圖，且仿真效率高，同等條件下，仿真結果更接近實際測試值。該方法是目前較為科學、可行的減少路徑損耗預測的方法，希望本文對無線網(wǎng)絡仿真有一定的參考意義。

表4 小區(qū)路測值與預測值詳細情況一覽(摘錄部分數(shù)據(jù))