基于Crosswave射線追蹤模型的TD—LTE規(guī)劃仿真

黃勁安

1 引言

無線電波的傳播是移動通信的基礎(chǔ)，歷來是人們非常關(guān)注的研究課題。在移動通信中，發(fā)送到接收機的信號會受到傳播環(huán)境中地形、地物的影響而產(chǎn)生繞射、反射和散射，因而形成多徑傳播。理論分析方法通常用射線來模擬電磁波束的傳播，在確定接收機和發(fā)射機的天線高度及位置等具體特征后，根據(jù)直射、反射、折射、散射和透射等現(xiàn)象，再用電磁波理論推導(dǎo)出電波傳播的路徑損耗及有關(guān)信道參數(shù)。

路徑損耗預(yù)測是無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的最重要一環(huán)，損耗值預(yù)測的準確程度與整個規(guī)劃過程的準確性和合理性息息相關(guān)。歷年來業(yè)內(nèi)人員提出了很多針對不同傳播環(huán)境的經(jīng)驗預(yù)測模型，這些模型可根據(jù)不同的環(huán)境數(shù)據(jù)獲得所需的參數(shù)，從而達到和環(huán)境匹配，獲得有針對性的結(jié)果，但這些模型一般只適用于天線掛高較高、覆蓋半徑較大的場景。而在現(xiàn)代移動通信網(wǎng)絡(luò)中，特別是對于以高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主的LTE網(wǎng)絡(luò)而言，為了滿足小區(qū)容量需要，小區(qū)的覆蓋范圍更小，因此站點密度更大。另外，密集市區(qū)中高層建筑較多，而且使用了較多的玻璃幕墻等新型建筑材料，產(chǎn)生的阻擋及反射對無線電波的傳播影響比以往更大。多種因素結(jié)合下，經(jīng)驗預(yù)測模型的結(jié)果與實際網(wǎng)絡(luò)情況就容易產(chǎn)生較大偏差，傳統(tǒng)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ惋@得難以滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的需要。

射線追蹤技術(shù)是一種用于移動通信網(wǎng)絡(luò)中預(yù)測無線電波傳播特性的技術(shù)，通過辨認接收機和發(fā)射機之間的多徑信道中所有可能的射線路徑，結(jié)合系統(tǒng)帶寬和天線方向圖等信息，根據(jù)電波傳播理論推導(dǎo)出每條射線的相位、幅度、延遲和極化等數(shù)據(jù)，從而推導(dǎo)出接收機所在位置的合成結(jié)果。由于射線追蹤模型更貼近于電磁波在無線空間中的真實傳播情況，可降低對模型校正的依賴，因此在LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中應(yīng)用更準確的射線追蹤模型進行仿真，將使仿真結(jié)果更具價值。

2 傳播模型概述

2.1 無線電波的傳播方式

就無線電波傳播而言，發(fā)射機與接收機之間最簡單的方式是自由空間傳播，傳播方式主要分為以下4種：

（1）直射波及地面反射波：從發(fā)射天線直接到達接收天線的電波稱為直射波，經(jīng)過地面反射到達接收機的電波稱為地面反射波，直射波和反射波疊加，可以加強某處的信號，也可以減弱某處的信號，因而產(chǎn)生了多徑效應(yīng)。

（2）繞射波：在實際情況下，電波的直射路徑上存在各種障礙物，從而產(chǎn)生了繞射波，是陰影區(qū)域信號的主要電波來源，其頻率越高，繞射信號就越弱。

（3）對流層反射波：產(chǎn)生于對流層，因?qū)α鲗訙囟入S高度變化，氣象要素分布不均勻，所以電波呈彎曲狀，傳播具有很大的隨機性，也具有連續(xù)波動的特性。

（4）電離層反射波：產(chǎn)生于電離層，同對流層一樣，電離層也具有連續(xù)波動的特性，從電離層反射的電波可能有一個或多個跳躍，適用于超視距通信。

具體如圖1所示：

2.2 傳統(tǒng)的無線電波傳播模型

（1）自由空間傳播模型

所謂自由空間傳播是指無線電波在理想的完全無阻擋的真空中傳播，它只與頻率f和距離d有關(guān)。其傳播損耗公式為：

Lbf=32.5+20logf+20logd （1）

（2）Okumura-Hata模型

以距離和發(fā)射機天線的高度為依據(jù)，是應(yīng)用較為廣泛的覆蓋預(yù)測模型，以準平滑地形的市區(qū)作基準，其余各區(qū)的影響均以校正因子的形式出現(xiàn)。校正這個模型要以建筑物在接收機附近的百分率、路徑類型（陸地、海洋、混合）和大地不規(guī)則度為依據(jù)。其傳播損耗公式為：

Lb=69.55+26.16logf-13.82logHb-α（Hm）+（44.9-6.55logHb）logd （2）

其中：

f：工作頻率，單位為MHz；

Hb：基站天線有效高度，單位為m；

Hm：移動臺天線有效高度，單位為m；

d：移動臺與基站之間距離，單位為km；

α（Hm）：移動臺天線高度因子，公式如下：

α（Hm）=（1.1logf-0.7）Hm-（1.56logf-0.8） （3）

（3）Longley-Rice（ITS）模型

該模型可用于估算地波與對流層散射的傳播衰減，是統(tǒng)計模型，以傳播理論為依據(jù)，同時結(jié)合實測數(shù)據(jù)，因此稱為半經(jīng)驗預(yù)測模型，能預(yù)測自由空間中由地形的非規(guī)則性造成的中值傳輸衰落。使用該模型還必須考慮到其他有可能造成干擾的傳播機理，包括電離層傳播機理，隨季節(jié)和晝夜時間變化的可能性；通過偶爾發(fā)生的E層，有可能允許在約70MHz頻率上進行長距離傳播。此外，還需考慮超折射和大氣波導(dǎo)等。

2.3 射線追蹤傳播模型

上述的傳統(tǒng)傳播模型均為統(tǒng)計性模型，是利用測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析得到的傳播模型，一般計算量要小，對電子地圖的數(shù)據(jù)要求也較低，并可利用測試數(shù)據(jù)加以修正。與之相對的模型為決定性模型，是根據(jù)傳播路徑上的地物、建筑物的幾何信息，利用電波的繞射、反射特性作為理論的模型。其計算量大，對電子地圖的數(shù)據(jù)要求也較高，需要建筑物的信息，可以不需要測試數(shù)據(jù)加以修正。射線追蹤傳播模型就屬于決定性模型。

城市環(huán)境下，從發(fā)射天線到接收天線的路徑上包括直射波、反射波、繞射波以及高階的反射/繞射波等，如圖2所示。因此，建筑物的高度、分布等因素對無線電波的傳播有較大影響。射線追蹤技術(shù)利用地理信息、到達角信息以及射線的多次反射和繞射等，來預(yù)測任意位置的無線電波傳播情況。

LTE采用的無線制式和頻段都與現(xiàn)有的2G、3G網(wǎng)絡(luò)有差別，在無線傳播特性上也存在較大差異。如果直接按照以往2G、3G網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計性模型進行LTE的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真，可能會出現(xiàn)與現(xiàn)有經(jīng)驗不符的用戶體驗。

射線追蹤模型還可以結(jié)合天線的輻射方向圖，分別考慮天線輻射方向圖對每條射線的影響，這是傳統(tǒng)統(tǒng)計性模型所不能比擬的。由于射線追蹤算法可以在3D空間中追蹤每條射線，所以能夠獲得到達天線的射線方位角和仰角，從而得到比傳統(tǒng)統(tǒng)計性模型更精確的數(shù)據(jù)。endprint

2.4 Crosswave傳播模型

Crosswave是Atoll版本的射線追蹤傳播模型，由Orange Labs開發(fā)，由Forsk公司發(fā)布和支持，作為Atoll的一個可選功能使用。該模型支持所有無線技術(shù)以及傳播環(huán)境，還可以利用CW測量數(shù)據(jù)進行自動模型校正，能模擬垂直衍射、水平導(dǎo)向傳播、山脈反射這3種傳播現(xiàn)象，支持多種無線網(wǎng)絡(luò)制式，并支持200MHz—5GHz的頻段范圍。

Crosswave有以下3項功能以提高仿真準確性：

（1）Morphology地物形態(tài)匹配

該項功能在新建工程預(yù)處理時由DTM和Clutter Classes地圖生成，只需生成一次，可將導(dǎo)入的地圖Clutter Classes的地物與Crosswave所能識別并歸類的Default Clutter Classes匹配，精確模擬不同地物環(huán)境的傳播特性，最終得到一個與地圖經(jīng)度相對應(yīng)的柵格文件，該文件用來描述地物環(huán)境，允許針對每種地物類型進行特定的優(yōu)化，為每種地物分配一套特定的傳播系數(shù)。

（2）Facet平面匹配

該項功能可模擬宏蜂窩小區(qū)的反射現(xiàn)象，特別適用于山脈地區(qū)，用于尋找發(fā)射機到接收機之間所有的傳播路徑。與Morphology一樣，在新建工程預(yù)處理時由DTM和Clutter Classes地圖生成，同樣也只需要生成一次。但該項功能在使用3D建筑物矢量地圖時，不可用于城區(qū)環(huán)境中。

（3）Graph建筑物矢量匹配

該項功能由建筑物外形生成（依賴于3D建筑物矢量地圖），同樣只需一次生成，用于尋找發(fā)射機和接收機之間所有的傳播路徑，可更好地在微蜂窩環(huán)境（峽谷環(huán)境）中模擬水平導(dǎo)向傳播。Crosswave可以自動判決每一發(fā)射機是否在微蜂窩環(huán)境中，其判決的標準是發(fā)射機天線高度必須低于半徑200m之內(nèi)50%建筑物的高度，而且發(fā)射機半徑200m以內(nèi)至少有30棟建筑物。最終得到一個Graphs文件，其中包含分類的主要街道路徑及街道寬度。

3 某區(qū)域基于Crosswave模型的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)仿真案例

3.1 仿真配置

（1）硬件平臺

本次仿真使用PC配置如下：

◆CPU：Intel Core（TM） i7-4930k；

◆內(nèi)存：16GB；

◆硬盤：250GB固態(tài)硬盤+2TB SATA硬盤。

（2）軟件平臺

本次仿真使用法國Forsk公司的Atoll軟件，版本號為3.2.1.6147（64位），操作系統(tǒng)為Microsoft Windows 7 SP1。

（3）電子地圖

本次仿真使用的地圖精度為20m，地圖投影系統(tǒng)為WGS 84/UTM zone 49N。

仿真參與計算的地圖圖層使用：

◆Heights：海拔高度；

◆Clutter：地物類型；

◆Building：矢量建筑物高度地圖。

作為顯示和參考的圖層使用：

◆Vector：道路等；

◆Google Earth衛(wèi)星地圖資源。

（4）基本參數(shù)設(shè)置

◆頻段：使用D頻段（2 575—2 595MHz）的20MHz帶寬頻段；

◆Default Cyclic Prefix（CP長度）：Normal；

◆PDCCH Overhead（PDCCH開銷）：3個符號時長；

◆PUCCH Overhead（PUCCH開銷）：1RB；

◆Switch Point Periodicity（TDD切換點周期）：半幀；

◆Specical Subframe Configutation（特殊子幀配置）：SSP7（10：2：2），TDD上下行時隙配置為SA2：DSUDD-DSUDD（上下行比1：3）。

（5）傳播模型匹配

如上文所述，在新建工程預(yù)處理時由DTM和Clutter Classes地圖生成，只需生成一次。由于本次仿真使用的并非3D建筑物矢量地圖，因此只需匹配Morphology和Facet這2項即可。

3.2 仿真輸入

（1）Sites基站表

根據(jù)該區(qū)域站點清單，輸入以下參數(shù)：

◆Name：基站名；

◆Longitude、Latitude：分別用來設(shè)置基站的經(jīng)緯度，該值直接決定了基站位置及其對應(yīng)位置的海拔地形的高度；

◆其余參數(shù)根據(jù)實際需要填寫。

（2）Transmitters扇區(qū)表

根據(jù)該區(qū)域站點清單，輸入以下參數(shù)：

◆Site、Transmitter、Active：分別為扇區(qū)所屬基站、扇區(qū)名以及扇區(qū)的激活狀態(tài)，如果Active未激活，則該扇區(qū)在整個仿真和預(yù)測計算中都不會被考慮；

◆Height、Azimuth、Mechanical Downtilt：扇區(qū)基礎(chǔ)工參，分別代表天線掛高、方向角、機械下傾角等；

◆其余參數(shù)根據(jù)實際需要填寫。

3.3 預(yù)測仿真結(jié)果

（1）RSRP（Reference Signal Receiving Power，參考信號接收功率）

某區(qū)域RSRP仿真效果圖如圖3所示。

（2）RS-SINR（Reference Signal-Signal to Interference plus Noise Ratio，公共參考信號信干噪比）

某區(qū)域RS-SINR仿真效果圖如圖4所示。

3.4 仿真結(jié)果對比及驗證endprint

（1）使用Crosswave模型與SPM模型預(yù)測結(jié)果對比

為驗證射線追蹤模型與傳統(tǒng)SPM模型的效果對比，在同一區(qū)域中分別采用了校正前后的Crosswave模型和SPM模型作比較，結(jié)果如表1所示：

由上述對比結(jié)果可知，校正后的Crosswave模型仿真結(jié)果離散程度更小，準確率更高。

（2）路測驗證

為驗證仿真效果與實際現(xiàn)網(wǎng)覆蓋狀況的吻合度，針對同一區(qū)域，對仿真出現(xiàn)弱覆蓋和高干擾的區(qū)域進行了路測，具體如表2、圖5和圖6所示。

由上述對比結(jié)果可知，RSRP路測值與仿真吻合度較高，相差只有大約1dB；RS-SINR路測值與仿真差距較大，主要原因在于進行仿真時使用了50%的網(wǎng)絡(luò)負荷，而現(xiàn)網(wǎng)實際用戶數(shù)及話務(wù)量均不高，因此出現(xiàn)了一定的偏差?？傮w而言，使用Crosswave模型仿真的結(jié)果與實際情況仍然有較高吻合度。

4 結(jié)束語

綜合以上理論分析以及實際案例應(yīng)用可見，對于以高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主的LTE網(wǎng)絡(luò)而言，傳統(tǒng)的各種經(jīng)驗?zāi)Ｐ鸵演^難滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的需要。而射線追蹤模型作為一種決定性模型，是根據(jù)傳播路徑上的地物、建筑物的幾何信息，利用電波的繞射、反射特性作為依據(jù)的，只要有精度合適的電子地圖，通過地物、平面等數(shù)據(jù)的匹配，無需通過測試數(shù)據(jù)的修正，也能得到更具參考性的仿真結(jié)果。實踐也表明，通過Atoll的Crosswave模型仿真出來的結(jié)果更精確，更接近實際情況，因此對LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃也更有幫助。

但是，由于Crosswave模型對電子地圖的精度及準確性要求較高，因此地圖成本較傳統(tǒng)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ透?。另外，模型的計算將更?fù)雜，對計算機硬件性能的要求也較高。由此可見，使用Crosswave模型的成本比傳統(tǒng)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ透?。但鑒于規(guī)劃的準確性對日后的網(wǎng)絡(luò)維護優(yōu)化成本也有較大影響，所以在網(wǎng)絡(luò)仿真中廣泛使用更精確的Crosswave模型也是很有意義的。

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