3G移動網(wǎng)絡規(guī)劃優(yōu)化仿真軟件的設計與實現(xiàn)

李莉 陳海燕 李壯壯 時健

【摘要】 設計開發(fā)了3G移動網(wǎng)絡規(guī)劃優(yōu)化仿真軟件。該系統(tǒng)采用C#語言和ArcEngine可視化引擎開發(fā)計。在技術實現(xiàn)方面，采用了柵格算法、Thiessen多邊形、和無向網(wǎng)絡等方法處理網(wǎng)絡規(guī)劃仿真中的復雜計算。在仿真教學方面，該系統(tǒng)結合高校教學實際情況提供了多種實用性的教學管理功能。該軟件既可以作為網(wǎng)絡規(guī)劃工具軟件完成規(guī)劃中的復雜計算，又可作為通信專業(yè)的教學軟件進行仿真教學。

【關鍵詞】 TD-SCDMA 網(wǎng)絡優(yōu)化 覆蓋

一、引言

網(wǎng)絡規(guī)劃是3G移動通信系統(tǒng)建設中一個非常重要的環(huán)節(jié)，是決定網(wǎng)絡性能優(yōu)劣的最基本前提。由于網(wǎng)絡規(guī)劃涉及大量的復雜計算和概念抽象，如無線覆蓋預算、繞碼相關性計算、碼資源分配、相鄰小區(qū)規(guī)劃、鏈路損耗計算等，網(wǎng)絡規(guī)劃必須借助與工具軟件進行。

3G移動網(wǎng)絡優(yōu)化與分析軟件可以將實際網(wǎng)絡建設中的復雜規(guī)劃計算通過快速仿真處理，用圖形和數(shù)據(jù)表的方式給出直觀的網(wǎng)絡規(guī)劃結果。另一方面，對于網(wǎng)絡規(guī)劃中的一些抽象概念也可以通過仿真軟件進行直觀展示，有利于建立完整的對移動網(wǎng)絡規(guī)劃的理解。

二、系統(tǒng)結構與組成

3G移動網(wǎng)絡優(yōu)化與分析軟件定位于TD-SCDMA技術，是一種新型的網(wǎng)絡優(yōu)化與分析軟件，該軟件采用分布式、分層、模塊化、可伸縮、可組合的體系架構，從基礎網(wǎng)絡、業(yè)務、用戶三個層面衡量網(wǎng)絡，并對關鍵指標進行分析，結合功能強大的地理信息系統(tǒng)（GIS），為用戶提供基本運營指標的顯示、定位與分析，不僅可以使運營商有效把握網(wǎng)絡所提供的業(yè)務運行質量，還可以運用于實際教學，全面展現(xiàn)網(wǎng)絡規(guī)劃與優(yōu)化工作的核心內容。

GIS在通信系統(tǒng)的應用相當廣泛，如本地資源網(wǎng)、光纖接入網(wǎng)、電信線路管理等都是基于GIS的開發(fā)應用，這種電信地理信息系統(tǒng)把電信設備與當?shù)氐牡貓D結合起來，再結合圖庫轉化技術，實現(xiàn)了電信設備的地圖化管理?；贕IS的TD-SCDMA網(wǎng)絡規(guī)劃與優(yōu)化系統(tǒng)將各種類型的基站同本地地圖有機地結合，能夠分析、優(yōu)化網(wǎng)絡中基站的覆蓋狀況，及時獲取基站的工作信息，從而了解整個網(wǎng)絡的運行狀況。

本系統(tǒng)結構采用三層架構Client/Server模式，網(wǎng)管數(shù)據(jù)庫基于Oracle而建，為TD-SCDMA網(wǎng)絡提供性能管理、故障管理等數(shù)據(jù)資料，并記錄網(wǎng)絡中所有基站各個時刻的指標信息，如圖1所示。規(guī)劃與優(yōu)化系統(tǒng)并不對網(wǎng)管數(shù)據(jù)庫進行修改，只是通過網(wǎng)管數(shù)據(jù)庫提供的接口，實時讀取相關數(shù)據(jù)，將其導入到后臺本地數(shù)據(jù)庫中。本地數(shù)據(jù)庫基于SQL Server而建，數(shù)據(jù)庫中保存有系統(tǒng)實現(xiàn)各項管理和優(yōu)化功能所需要的數(shù)據(jù)資料。在本地數(shù)據(jù)庫基礎之上，建立起呈現(xiàn)在客戶端的各項管理和優(yōu)化功能模塊，其主要功能是：覆蓋規(guī)劃是對網(wǎng)絡中現(xiàn)有基站的覆蓋狀況進行圖形化顯示，首先，軟件將導入數(shù)據(jù)庫中的基站信息，并結合詳細地地圖經緯度信息，在地圖上顯示出來，然后根據(jù)內嵌無線鏈路傳播模型，軟件能夠自動根據(jù)基站的相關數(shù)據(jù)計算覆蓋半徑，并將覆蓋面積用圖形化的形式在客戶端顯示出來，便于維護管理人員進行查看； 鄰區(qū)規(guī)劃是對每個基站下的相鄰小區(qū)進行規(guī)劃，能夠查看鄰小區(qū)信息，實現(xiàn)自動鄰區(qū)數(shù)據(jù)的輸出； 頻點規(guī)劃是對每個小區(qū)的頻點進行規(guī)劃設計，方便維護人員的使用； 擾碼規(guī)劃是可以實現(xiàn)全網(wǎng)擾碼規(guī)劃、局部擾碼規(guī)劃和小區(qū)擾碼規(guī)劃等功能；性能分析可以實現(xiàn)基站信息的導入分析，根據(jù)實際維護工作的需求，實現(xiàn)添加、刪除、管理與維護各個基站的信息，為網(wǎng)絡規(guī)劃與優(yōu)化工作帶來方便。完整的軟件使用功能介紹可以查閱軟件的幫助說明。

三、系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術

3.1 基于柵格法的無線信號覆蓋

無線網(wǎng)絡規(guī)劃中，覆蓋規(guī)劃的主要功能是通過無線信號的傳播模型對規(guī)劃區(qū)域進行覆蓋計算。傳播模型按照適用環(huán)境來劃分可分為室外傳播模型和室內傳播模型；按照傳播模型來源劃分可以分為經驗模型和確定性模型。以往的研究人員和工程師通過對傳播環(huán)境的大量分析研究已經提出了許多傳播模型，用于預測接受信號的中值場強。目前得到廣泛使用的傳播模型有Okumura-hata模型、COST321 Hata模型及通用模型等幾種[9]。

本系統(tǒng)采用的傳播模型是一種通用模型，它的系數(shù)由Hata公式導出。通用模型由下面的方程確定：

（1）首先根據(jù)基站的分布位置確定需要進行覆蓋規(guī)劃計算的Raster數(shù)據(jù)的范圍，即所有基站在東南西北四個方向上最邊緣的位置。這樣做可以有效減少計算空間，加快計算和顯示速度。（2）從第一個扇區(qū)開始，根據(jù)扇區(qū)設定的參數(shù)確定每個扇區(qū)需要計算的范圍。在數(shù)據(jù)范圍內逐格計算信號強度結果，對于已經存在信號的象元取信號強度的最大值為Raster數(shù)據(jù)值。并在Raster數(shù)據(jù)多余波段存儲信號強度最大的扇區(qū)索引，直至所有的扇區(qū)都計算完。（3）根據(jù)計算的信號Raster數(shù)據(jù)，按照設定的信號強度大小，對符合要求的Raster數(shù)據(jù)部分按指定的顏色和圖層進行顯示。

3.2 基于Thiessen多邊形的數(shù)據(jù)可視化

理論上小區(qū)的邊界范圍通常采用正六邊形表示，但實際系統(tǒng)中由于基站位置的隨意性，小區(qū)邊界不可能用正六邊形來表示，只能用多邊形表示。本系統(tǒng)中采用Thiessen多邊形法對小區(qū)的邊界范圍進行圖形化展示。

荷蘭氣候學家A·H·Thiessen提出了一種根據(jù)離散分布的氣象站的降雨量來計算平均降雨量的方法，即將所有相鄰氣象站連成三角形，作這些三角形各邊的垂直平分線，于是每個氣象站周圍的若干垂直平分線便圍成一個多邊形。用這個多邊形內所包含的一個唯一氣象站的降雨強度來表示這個多邊形區(qū)域內的降雨強度，并稱這個多邊形為泰森多邊形。泰森多邊形又叫Voronoi圖或Dirichlet圖。Delaunay三角形是由與相鄰泰森多邊形共享一條邊的相關點連接而成的三角形。Delaunay三角形的外接圓圓心是與三角形相關的泰森多邊形的一個頂點。泰森多邊形是Delaunay圖的偶圖。

泰森多邊形具有以下特性：（1）每個泰森多邊形內僅含有一個離散點數(shù)據(jù)；（2）泰森多邊形內的點到相應離散點的距離最近；（3）位于泰森多邊形邊上的點到其兩邊的離散點的距離相等。泰森多邊形可用于定性分析、統(tǒng)計分析、鄰近分析等。泰森多邊形示意圖如圖2所示。

仿真系統(tǒng)利用Thiessen多邊形計算扇區(qū)范圍的步驟如下：（1）將每個基站看做是平面上的一個離散數(shù)據(jù)點，用Bowyer_Watson算法構建這些數(shù)據(jù)點的Delaunay三角網(wǎng)。（2）在得到的Delaunay三角網(wǎng)中，對每個頂點的三角形的邊做垂直平分線，連接每條垂直平分線，得到Thiessen多邊形。（3）根據(jù)每個基站上的扇區(qū)之間的相對角度與設定的扇區(qū)計算半徑，計算扇區(qū)的覆蓋扇形。（4）把得到的覆蓋扇形與基站的Thiessen多邊形求交即計算出每個扇區(qū)的覆蓋區(qū)域。

3.3 帶邊數(shù)約束的無向網(wǎng)絡構建

在無線網(wǎng)絡的鄰小區(qū)規(guī)劃中，鄰區(qū)規(guī)劃的目的在于保證在小區(qū)服務邊界的手機能及時切換到信號最佳的鄰小區(qū)，以保證通話質量和網(wǎng)絡性能。鄰區(qū)規(guī)劃數(shù)量應該遵循適當原則，決定兩個扇區(qū)是否為鄰小區(qū)主要取決于兩個扇區(qū)之間的距離、天線朝向角、扇區(qū)周圍的無線網(wǎng)絡環(huán)境以及扇區(qū)預設的最大鄰區(qū)數(shù)量。

鄰區(qū)數(shù)據(jù)在規(guī)劃區(qū)域以內本質上可以表達為一個或多個有向圖網(wǎng)絡，而鄰接鏈表法是存儲有向圖結構最有效的方法之一[8]。仿真系統(tǒng)在進行鄰區(qū)自動規(guī)劃時，采用鄰接鏈表法記錄鄰區(qū)數(shù)據(jù)，將扇區(qū)作為網(wǎng)絡中的節(jié)點，扇區(qū)的鄰小區(qū)關系作為網(wǎng)絡中的邊，鄰小區(qū)的重要性作為邊的權值加以存儲。鄰小區(qū)規(guī)劃計算的過程就是帶邊數(shù)約束的無向網(wǎng)絡構建的過程。鄰區(qū)規(guī)劃步驟為：首先對符合要求的節(jié)點進行連接形成無向圖；然后將不符合參數(shù)約束的節(jié)點按照重要性排序刪除超出數(shù)量的邊，此時的無向圖即為鄰區(qū)規(guī)劃的結果。帶參數(shù)無向網(wǎng)絡構建的過程如圖3所示。

鄰區(qū)規(guī)劃算法有兩個關鍵問題，一是對扇區(qū)之間可以設置鄰小區(qū)的條件的確定，二是當扇區(qū)的鄰小區(qū)超過最大數(shù)量時對超出的數(shù)量如何取舍。系統(tǒng)首先將各扇區(qū)的鄰小區(qū)鏈表都置為空，然后根據(jù)扇區(qū)所屬基站之間的距離以及他們的相對朝向角決定是否應該將兩個扇區(qū)設置為鄰小區(qū)。為了解決第二個關鍵問題，算法引入鄰區(qū)優(yōu)先級參數(shù)P。CellA與CellB的P值為：

K為距離角度歸一化參數(shù)，可以自行設置，將距離與相對角度統(tǒng)一處理。對每個扇區(qū)的鄰小區(qū)鏈表都按照權值排序。當某個扇區(qū)的鄰小區(qū)數(shù)超過最大數(shù)量時，剔除鏈表中權值最大的鄰小區(qū)。

四、系統(tǒng)功能

系統(tǒng)采用多文檔界面的開發(fā)模式，系統(tǒng)界面包含標準化的菜單、工具欄以及導航樹。在主體程序的框架下，用不同的子窗體分別用于顯示環(huán)境地理信息數(shù)據(jù)、移動網(wǎng)絡基站數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡規(guī)劃仿真結果數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運行界面如圖4所示，圖中顯示為利用Thiessen多邊形法計算所得到小區(qū)的邊界。

仿真系統(tǒng)利用ArcEngine在GIS圖形圖像方面的顯示和處理功能，網(wǎng)絡規(guī)劃中的各過程都可以形象直觀地在軟件中顯示。系統(tǒng)對基站覆蓋規(guī)劃計算，將計算結果得到的Raster數(shù)據(jù)按照設定的信號強度標準分為7種顏色，每種顏色覆蓋的范圍因所設定的強度標準而異。系統(tǒng)的仿真計算效果展示如圖5所示。

系統(tǒng)對移動網(wǎng)絡進行自動鄰區(qū)規(guī)劃后，可以對任一一扇區(qū)進行鄰區(qū)關系查詢。如圖6所示。其中紅色陰影小區(qū)為查詢的源小區(qū)，綠色陰影小區(qū)為源小區(qū)的鄰小區(qū)。仿真計算的結果可以直觀展示出相鄰小區(qū)之間的角度、距離、位置關系，以及鄰小區(qū)數(shù)量等信息。

五、小結

3G移動網(wǎng)絡優(yōu)化與分析軟件在地理信息系統(tǒng)強大功能的支持下，輔助Visual C++進行集成二次開發(fā)，使得TD-SCDMA網(wǎng)絡規(guī)劃與優(yōu)化的各種功能不斷得到完善，成功實現(xiàn)了網(wǎng)絡規(guī)劃與優(yōu)化工作的可視化、圖形化和信息化，為日常的3G移動通信網(wǎng)絡的運營維護、管理工作帶來了眾多方便，改善與彌補了當前網(wǎng)絡規(guī)劃與優(yōu)化工作的不足。