廣覆蓋下無(wú)線仿真的新型位置感知驅(qū)動(dòng)研究

劉超

摘 要：根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟2015年的報(bào)告，全球仍有42億人無(wú)法接入網(wǎng)絡(luò)，消除數(shù)字鴻溝的任務(wù)艱巨。李克強(qiáng)總理在2016年政府工作報(bào)告里也明確提出中國(guó)將建成全球最大的4G網(wǎng)絡(luò)。但與此同時(shí)，巨大的建設(shè)量、超短的建設(shè)周期對(duì)無(wú)線仿真提出更高要求，而運(yùn)營(yíng)商由于仿真失當(dāng)造成的損失常高達(dá)其年度預(yù)算近三成，而根因就在于在地勢(shì)復(fù)雜多變的廣覆蓋區(qū)域仿真精度不高。本研究從理論上探討利用頻譜掃描定位干擾源的方法來(lái)有效提升基于RSSI的位置感知的精度，以驅(qū)動(dòng)校正無(wú)線傳播模型，更高效地提升仿真精度，減輕因仿真精度低導(dǎo)致的在后期網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的資源浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：位置感知 廣覆蓋 無(wú)線仿真

中圖分類號(hào)：TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）08（c）-0146-02

根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟2015年的報(bào)告，全球仍有42億人口無(wú)法接入網(wǎng)絡(luò)，消除數(shù)字鴻溝的任務(wù)十分艱巨；國(guó)內(nèi)來(lái)看，截止2013年，三大主流電信業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商已基本完成3G網(wǎng)絡(luò)的商用與優(yōu)化，并開(kāi)始全面部署4G網(wǎng)絡(luò)，李克強(qiáng)總理在2016年政府工作報(bào)告里也明確提出中國(guó)將建成全球最大的4G網(wǎng)絡(luò)。但同時(shí)，巨大的設(shè)施建設(shè)量、超短的驗(yàn)收周期對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)仿真提出了更高要求。而有數(shù)據(jù)表明，移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商因無(wú)線網(wǎng)絡(luò)仿真失當(dāng)所造成的經(jīng)濟(jì)損失可高達(dá)該運(yùn)營(yíng)商年度預(yù)算的近三成，其主因是傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)預(yù)測(cè)精度不高，特別是在地形復(fù)雜、地勢(shì)多變的廣覆蓋區(qū)域。

1 傳播環(huán)境與傳播模型

無(wú)線規(guī)劃是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的首要環(huán)節(jié)，是開(kāi)展工程建設(shè)的基礎(chǔ)，它是一個(gè)系統(tǒng)性工作，規(guī)劃的最終目的是為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和建設(shè)成本之間的平衡[1]。無(wú)線仿真的本質(zhì)就是在滿足運(yùn)營(yíng)商建網(wǎng)性能指標(biāo)前提下利用有限的頻譜帶寬和最小的建網(wǎng)成本達(dá)到最大面積覆蓋、最優(yōu)資源效率和最小系統(tǒng)干擾。根據(jù)無(wú)線傳播環(huán)境的差異，目標(biāo)場(chǎng)景一般可以分為密集城區(qū)、普通城區(qū)、郊區(qū)和廣覆蓋區(qū)等四類，其中廣覆蓋區(qū)特指森林、山脈、沙漠等地區(qū)，這些區(qū)域地勢(shì)存在較大高差，無(wú)線信號(hào)傳播阻礙大，為這類區(qū)域提供較為準(zhǔn)確的無(wú)線仿真一直是較難課題。

而廣覆蓋區(qū)域無(wú)線仿真成敗的關(guān)鍵就在于無(wú)線傳播模型的校正，因?yàn)樵谠擃I(lǐng)域，雖然更為精確的傳播預(yù)測(cè)方法如射線跟蹤技術(shù)[2-3]等早已獲得深入研究，但經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图捌湫Ｕ蚴褂贸杀镜?、?jì)算復(fù)雜度低等優(yōu)勢(shì)，仍然在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中得到普遍使用。眾所周知，暴露的無(wú)線信號(hào)本質(zhì)上是電磁波，在傳播中受環(huán)境影響而損耗，這種損耗隨傳播距離而變大，遇到障礙物會(huì)自然衰落。而量化無(wú)線信號(hào)的損耗絕非易事，在工程實(shí)踐中常需建立數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算信道損耗，這就是傳播模型[4]。如適用于宏蜂窩的模型有Okumura模型、Hata模型等，還有適用于微蜂窩的模型如Manhattan Model、Feuerstein PCS等。

選擇了合適的傳播模型之后，在使用之前還必須經(jīng)過(guò)校正，而校正數(shù)據(jù)源于CW測(cè)試、路測(cè)和位置感知。而且，廣覆蓋區(qū)的用戶行為較為復(fù)雜且規(guī)律性較差，建筑物缺乏位置數(shù)據(jù)更新，因此位置感知是校正過(guò)程的關(guān)鍵輸入。

2 位置感知與位置計(jì)算

地理位置是地理學(xué)探討的常見(jiàn)范式之一，是地物與周圍環(huán)境要素互相作用的總和[5]。但地理位置在目前語(yǔ)義下已超出地理學(xué)的范疇，并在多學(xué)科與多技術(shù)的交叉融合中誕生很多全新的研究視角和科學(xué)問(wèn)題，如位置感知與位置計(jì)算[6]。

位置計(jì)算是實(shí)現(xiàn)空間智能的關(guān)鍵技術(shù)，是指通過(guò)一種或多種定位系統(tǒng)獲取特定個(gè)體或物品的位置過(guò)程[7]，又可依據(jù)關(guān)鍵技術(shù)不同而分為室內(nèi)定位和室外定位，它以定位技術(shù)為基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和位置服務(wù)為目標(biāo)，已經(jīng)成功應(yīng)用于國(guó)土資源調(diào)查、精細(xì)農(nóng)業(yè)作業(yè)、車輛位置監(jiān)控導(dǎo)航、鐵道機(jī)車監(jiān)控、實(shí)時(shí)位移檢測(cè)等方面，并已成為智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)行業(yè)的迫切需求和全球信息產(chǎn)業(yè)新競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。位置感知方法眾多，如美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning system，GPS）[8]，以及基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)輔助的A-GPS、偽衛(wèi)星（Pseudolite）、無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）等解決方案。不同的位置感知技術(shù)各有其優(yōu)勢(shì)與缺陷：比如GPS，雖然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地?zé)o縫覆蓋，但對(duì)民用領(lǐng)域的開(kāi)放精度有限，而且衛(wèi)星本身就意味著巨額的部署成本和能量消耗，信號(hào)在地形復(fù)雜地勢(shì)多變的廣覆蓋區(qū)域也更容易被屏蔽，不適用本研究場(chǎng)景，因此需要研究衛(wèi)星定位以外的方式。目前，國(guó)家正大力建設(shè)無(wú)線基站、無(wú)線熱點(diǎn)等通信基礎(chǔ)設(shè)施，越來(lái)越多的手持設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施之間已實(shí)現(xiàn)日常通信，而這些設(shè)備之間也已實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。利用這些無(wú)線通信模塊，在提供數(shù)據(jù)服務(wù)的同時(shí)，借助終端RSSI（Receive d Signal Strength Indication）進(jìn)行定位，既方便又可節(jié)約大量成本，是本研究一種較為理想的定位方式。RSSI描述的是信號(hào)強(qiáng)度，然后依據(jù)場(chǎng)強(qiáng)結(jié)果來(lái)估算發(fā)射端和接收端的距離以實(shí)現(xiàn)定位。現(xiàn)階段基于RSSI的定位算法的主要問(wèn)題是在廣覆蓋環(huán)境下接收端的RSSI容易受到外界干擾而不穩(wěn)定，所以導(dǎo)致定位誤差大，而造成干擾的原因較多，如輔助通信設(shè)備對(duì)無(wú)線信號(hào)的透?jìng)?。本研究的主要目?biāo)正是通過(guò)干擾源的有效定位找出誤差存在的具體原因，并通過(guò)實(shí)測(cè)與模擬修正基于RSSI的節(jié)點(diǎn)定位算法。這不但能實(shí)現(xiàn)較高精度的定位，同時(shí)也將優(yōu)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的商用質(zhì)量。

3 高精度仿真驅(qū)動(dòng)模式

通過(guò)研究不同地域尺度、不同地勢(shì)高差、不同話務(wù)模型對(duì)仿真結(jié)果的影響，可建立廣覆蓋下基于修正RSSI的位置感知新方案，驅(qū)動(dòng)高精度無(wú)線仿真。同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)采用更便捷、經(jīng)濟(jì)的定位技術(shù)以達(dá)到該特定場(chǎng)景的無(wú)縫覆蓋，提升無(wú)線仿真平臺(tái)在廣覆蓋下的仿真精度，降低資源浪費(fèi)。下圖是本研究的驅(qū)動(dòng)模式圖。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，探索廣覆蓋環(huán)境下輔助通信設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)和定位精度的影響，修正位置感知算法，反演傳播模型，驅(qū)動(dòng)無(wú)線覆蓋仿真，并綜合考慮通視域、用戶行為、話務(wù)分布等諸多因素進(jìn)行模型校正，建立可時(shí)空回溯的多尺度場(chǎng)強(qiáng)仿真數(shù)據(jù)庫(kù)，可以更高效地提升無(wú)線仿真的精度，減輕后期網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的資源浪費(fèi)。

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