郭興海 彭程 吳睿涵

【摘要】? ? 鐵路5G專網(wǎng)是目前鐵路通信系統(tǒng)的重要工程。現(xiàn)采用射線跟蹤仿真方法，以豐臺西站貨場為研究場景。確定了場景RSRP和SINR標(biāo)準(zhǔn)，制定了使發(fā)射總功率最小的規(guī)劃目標(biāo)。通過鏈路預(yù)算規(guī)劃場景天線數(shù)目，提出了快速計算場景RSRP情況的方法，建立了基于重疊復(fù)雜度的模型評價場景SINR情況的模型，從而提出天線角度規(guī)劃方法，篩選出10組最優(yōu)天線角度組合。之后采用了模擬退火算法求出各角度組合下滿足RSRP和SINR標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)射功率，選取各組中總發(fā)射功率最低者作為最終方案。現(xiàn)提出針對天線數(shù)目、天線角度和發(fā)射功率的一系列規(guī)劃和優(yōu)化方法，在保證達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的情況下兼顧了計算的高效性，有利于鐵路5G專網(wǎng)的快速部署。

【關(guān)鍵詞】? ? 鐵路5G專網(wǎng)? ?射線跟蹤? ? 天線數(shù)目? ? 天線角度? ? 發(fā)射功率

Coverage Planning Method of 5G Private Network in Marshalling Station Scene Based on Ray-tracing Technology

Xinghai GUO1，Cheng PENG1，Ruihan WU1

（1. School of Electronic and Information Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044）

Abstract：Railway 5G private network is an important project of railway communication system. In this paper， the ray-tracing simulation method is adopted， and the freight yard of Fengtai West Railway Station is taken as the research scene. The RSRP and SINR standards of the scene are determined， and the planning goal of minimizing the total transmitting power is formulated. By planning the number of antennas in the scene through the link budget， a fast method to calculate the scene RSRP situation is proposed， and a model to evaluate the scene SINR situation based on the model of overlap complexity is established. The antenna angle planning method is proposed， and 10 groups of optimal antenna angle combinations are screened out. Then the simulated annealing algorithm was used to calculate the transmitting power satisfying the RSRP and SINR standards in each Angle combination， and the one with the lowest total transmitting power in each group was selected as the final scheme. In this paper， a series of planning and optimization methods for antenna number， antenna Angle and transmission power are proposed， which can guarantee the high efficiency of calculation while meeting the standards， which is conducive to the rapid deployment of 5G railway network.

Keywords：5G railway private network; ray-tracing; number of antennas; antenna angle; transmitting power;

引言

目前的GSM-R系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對列車的調(diào)度、監(jiān)控及管理，也可以滿足旅客的簡單通信要求。但隨著智能調(diào)度以及視頻監(jiān)控等列車安全輔助系統(tǒng)的應(yīng)用，現(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)無法滿足高速數(shù)據(jù)傳輸要求[1]。5G鐵路專網(wǎng)是在5G系統(tǒng)平臺上增加了鐵路運(yùn)輸專用調(diào)度通信功能，可以更好地應(yīng)用于鐵路運(yùn)輸，并滿足下一代鐵路移動通信系統(tǒng)的功能及需求[2]。5G網(wǎng)絡(luò)對新一代鐵路的安全控制、調(diào)度管理起著至關(guān)重要的作用[3]。傳統(tǒng)的規(guī)劃和優(yōu)化方法多基于既有經(jīng)驗(yàn)結(jié)合場景來設(shè)定基站站址和天線工參，并使用低速軌道車或人工測量獲取場景覆蓋場強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)問題后進(jìn)行優(yōu)化。這會造成試驗(yàn)測試與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃在時間上的剪刀差[4]，且存在盲目性較高、耗時長且勞動強(qiáng)度高的問題。因本文提出了基于射線跟蹤技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法，可降低網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃初期的盲目性，在保證準(zhǔn)確性的同時兼具計算開銷小的優(yōu)點(diǎn)，有利于5G專網(wǎng)的快速部署。

一、仿真平臺、場景與參數(shù)設(shè)置

1.1 CloudRT[5]平臺簡介

CloudRT是一款基于射線跟蹤技術(shù)的仿真軟件，包括直射、反射、繞射、透射、散射五種電波傳播機(jī)理。

CloudRT的仿真結(jié)果包含每個收發(fā)機(jī)位置的信道沖激響應(yīng)和所有多徑的詳細(xì)信息，包括多徑傳播機(jī)理類型、反散射階數(shù)和反散射點(diǎn)位置、到達(dá)時間、距離、復(fù)數(shù)域場強(qiáng)、路徑損耗、在垂直面和水平面的離開角和到達(dá)角等。對這些結(jié)果進(jìn)行分析即可完成對場景的覆蓋規(guī)劃。

1.2 仿真場景與參數(shù)設(shè)置

豐臺西站為三級八場雙向縱列式編組站，貨場受周圍高層建筑物影響較小。本文選擇豐臺西站貨場作為仿真場景，并建立場景模型，如圖1所示。為建模與表達(dá)方便，本文將沿軌道方向記為x軸方向，垂直于軌道方向記為y軸方向。

仿真參數(shù)如表1所示：

站址選取應(yīng)大體上給出基站的布局和預(yù)選站址的大致區(qū)域和位置，為規(guī)劃工作提供指導(dǎo)方向[6]。站址應(yīng)盡量選擇樓頂、電線桿等作為依托，以降低建設(shè)成本。

本文選擇了場景中的兩個高樓樓頂作為基站選址，并在場景中部增加一個基站以減小站間距?；疚恢萌鐖D2所示。

本文中發(fā)射天線采用65°定向垂直極化天線，接收天線采用全向天線。基站和天線配置如表2所示：

接收天線為均勻撒點(diǎn)。車載天線設(shè)置在一臺HXD3型機(jī)車上方0.3 m，距機(jī)車最前端2 m之后。

二、優(yōu)化目標(biāo)與判決

作為列車專用網(wǎng)絡(luò)，覆蓋規(guī)劃必須優(yōu)先保證場景RSRP和SINR達(dá)到要求，以確保業(yè)務(wù)質(zhì)量和安全性[7]。5G基站耗電量過大是妨礙目前大規(guī)模建設(shè)的主要原因，因此本文以降低總功率為優(yōu)化目標(biāo)[8]。

業(yè)界對于2.1 GHz鐵路專網(wǎng)的RSRP和SINR標(biāo)準(zhǔn)尚不統(tǒng)一，本文對現(xiàn)有5G-NR在類似場景下的標(biāo)準(zhǔn)[9]進(jìn)行了提高，設(shè)定為場景中95%區(qū)域滿足RSRP≥85 dBm，SINR≥3 dB。

三、天線數(shù)目規(guī)劃

本節(jié)采用鏈路預(yù)算的方法規(guī)劃天線數(shù)目[10]，并證明了在滿足場景RSRP要求的條件下，改變天線數(shù)目并不改變總功率。

鏈路預(yù)算首先要求出發(fā)射信號的最大衰減量，公式為：

（1）

式中PLθ，max是最大衰減量，Pi是第i個天線的發(fā)射功率，Gainθ， i是天線在θ角的增益，查詢天線增益表得到。L、R是損耗和余量，通常查閱文獻(xiàn)得到。Pmin是場景RSRP標(biāo)準(zhǔn)。

路徑損耗公式[11]為：

（2）

其中d0 = 100 m，n = 3.5。解出d從而得到在θ角的有效作用距離dθ，并將覆蓋范圍近似看作由一個個頂角為1°的等腰三角形組成，覆蓋面積為：

（3）

天線數(shù)目為：

（4）

天線數(shù)目規(guī)劃應(yīng)當(dāng)遵守兩個約束方程：

（5）

由式（1）（2）（3）（4）得到：

（6）

（7）

由（8）可知，當(dāng)天線發(fā)射功率相同時，覆蓋場景所需總功率僅與各天線功率值有關(guān)，改變天線數(shù)目不能降低總功率。因此，本文選定了3根天線和4根天線兩種方案。

四、基站天線的組合方式與角度規(guī)劃

三天線和四天線的組合方式有4種，在各基站上的數(shù)量如表3：

對以上組合方式，先分別計算出最優(yōu)天線角度組合，并在此基礎(chǔ)上分別進(jìn)行功率優(yōu)化，下文將詳細(xì)介紹各步驟的方法。

4.1 批量生成不同天線角度下的功率信息

天線角度的變化只改變各接收點(diǎn)多徑發(fā)出時的增益，可以通過變換天線增益矩陣來計算多徑新的增益和功率，從而求出各接收點(diǎn)在新角度下的功率信息。天線增益矩陣的變換方法如下：

水平角φ、俯仰角θ及對應(yīng)的增益r構(gòu)成一個360×180的矩陣r（φ， θ）。水平旋轉(zhuǎn)只需對矩陣行循環(huán)移位。豎直旋轉(zhuǎn)時，增益r同時是φ、θ的因變量，不能通過列循環(huán)移位改變，需以直角坐標(biāo)為中間量進(jìn)行坐標(biāo)變換r（φ， θ）→r（ψ， ω），ψ是射線在xOz平面投影與+x軸的夾角，ω是射線與+y軸的夾角。

（8）

（9）

對每點(diǎn)的ψ加φ0以垂直旋轉(zhuǎn)，r（ψ， ω）→r（ψ'， ω'）。

（10）

ω'=ω? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

再進(jìn)行如下反變換r（ψ'， ω'）→r（φ'， θ'），得到球坐標(biāo)下角度。

（12）

（13）

原增益矩陣中的φ、θ的取值均為整數(shù)。

垂直旋轉(zhuǎn)之后的φ'、θ'一般不是整數(shù)，需要再調(diào)用二維插值函數(shù)計算整數(shù)φ'、θ'對應(yīng)的增益，最終得到旋轉(zhuǎn)之后增益矩陣。

4.2 針對RSRP和SINR的角度優(yōu)化

4.2.1 針對RSRP的優(yōu)化

用Ri，w（i）（95%）表示當(dāng)?shù)趇個天線位于w（i）角（w表示天線水平角u和俯仰角v的有序數(shù)對）時的第95%的RSRP值，并用idxi表示該值在原數(shù)組Ri，w（i）中的位置。算法為：

Ri = R1， w（1）（idxi） + … + Ri， w（i）（95%） + …

+ Rn， w（n）（idxi）? ? ? （i = 1，2，3，…，n） （14）

R = max（R1， R2， …， Rn） （15）

該算法是將第i個天線在θi角度下的場景95%功率點(diǎn)結(jié)合其他天線在該點(diǎn)的功率計算出RSRP，并在該角度組合下對n個天線都進(jìn)行這樣的計算，選出最小的RSRP作為95% RSRP值。對一種天線組合方式中的所有角度組合遍歷這種算法，找到最大的95% RSRP值即為該組合方式下的最優(yōu)化RSRP值。

據(jù)此計算場景95% RSRP值時并不非常準(zhǔn)確，但只需計算場景中的數(shù)點(diǎn)，極大節(jié)約計算開銷，能在RSRP層面給予天線角度規(guī)劃以方向性的指引。

4.2.2 針對SINR的優(yōu)化

針對SINR的優(yōu)化，要同時考慮場景SINR數(shù)值大小和優(yōu)化難度，這里先介紹重疊復(fù)雜度的概念。

在LTE同頻網(wǎng)絡(luò)中，將弱于服務(wù)小區(qū)信號強(qiáng)度6 dB以內(nèi)且RSRP > ?105 dBm的區(qū)域定義為重疊覆蓋區(qū)域，重疊小區(qū)數(shù)每增加一個，SINR可下降40%以上[9]。本文中最多只有4根天線，因此將重疊復(fù)雜度SN定義如下：

若各天線在該接收點(diǎn)的RSRP相差小于6 dBm的個數(shù)為n，則重疊復(fù)雜度為n，若不存在相差小于6 dBm的RSRP，這一數(shù)值為0。

不同的重疊復(fù)雜度SINR優(yōu)化的難度不同，重疊復(fù)雜度越高的位置功率優(yōu)化難度越高，SINR數(shù)值越低。因此本文希望將不同的重疊復(fù)雜度賦予不同的權(quán)重，使得重疊復(fù)雜度較高的點(diǎn)盡可能少。

現(xiàn)建立統(tǒng)計全場景重疊復(fù)雜度ST的模型如下：

（16）

式（17）中n為統(tǒng)計點(diǎn)數(shù)，SNmax是重疊復(fù)雜度最大值，并對ST進(jìn)行了歸一化。

對手持和車載天線兩種情況的ST分別計算并相加得到綜合重疊覆蓋情況SC。SC越大，說明天線間互相干擾的程度越高，反之則越低。

4.2.3基于RSRP和SINR的方案比選

進(jìn)行方案比選需綜合考慮RSRP和SINR情況。

式（15）中R的角度組合僅僅是使RSRP最容易達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的組合，不一定利于SINR的優(yōu)化。本文在三天線情況中篩選出R由大到小排列對應(yīng)的前100組天線角度組合，作為針對SINR優(yōu)化的預(yù)備組。

當(dāng)探究四天線情況時，為避免同一基站上兩天線間的干擾，應(yīng)保持兩天線張角大于65°。該張角對SINR優(yōu)化的影響很大，因此對于每一組張角都保留100組天線角度組合作為預(yù)備組。

對于三天線情況，可直接篩選出SC最小的角度組合。對于四天線情況，本文將每一個天線張角預(yù)備組篩選出SC最小的天線組合，若該組合95% RSRP值或SC小于已篩選出所有方案的對應(yīng)值則將其保留，否則淘汰。

另各天線水平角u旋轉(zhuǎn)范圍為0 ～ 360°，以10°步進(jìn)，俯仰角v范圍為1 ～ 5°，以1°步進(jìn)。u = 0表示天線指向+x軸，v = 0表示天線與xOy平面平行。得出最優(yōu)化角度組合如上表（均為角度制）。

表4中的天線1、2、3逐一從1號基站向3號基站分布。

表5中的“2-1-1”表示1號基站上有2根天線，2號和3號各有1根天線，“1-2-1”和“1-1-2”以此類推。

表6中的天線1、2、3、4逐一從1號基站向3號基站分布。

五、功率優(yōu)化

若天線i在接收點(diǎn)的功率為RPi，則該點(diǎn)總接收功率RP為：

（17）

同步增大每根天線的發(fā)射功率，使場景達(dá)到95%接收點(diǎn)RSRP > ? 85 dBm，然后使用模擬退火算法找出滿足95%區(qū)域SINR > 3 dB，并且發(fā)射總功率最小的功率組合。

使用模擬退火算法[12]求解最優(yōu)功率組合的步驟如下：

1、給定初始溫度T0，并隨機(jī)生成初始解x0，計算相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值f（x0），這里的目標(biāo)函數(shù)為天線功率和;

2、令當(dāng)前溫度等于冷卻進(jìn)度表中的下一個值Ti;（第一次迭代時Ti = T0）

3、在當(dāng)前解xi的附近隨機(jī)產(chǎn)生新解xj，計算新解的目標(biāo)函數(shù)值f（xj）;（首次迭代xi = x0）

4、如果f（xj） < f（xi）且滿足約束條件，則接受新解xj;如果滿足約束條件但f（xj） > f（xi），則計算。然后隨機(jī)生成一個在區(qū)間[0，1]上服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)r，如果r < p則接受新解xj;

5、在溫度Ti下，將步驟3和4重復(fù)Li次;

6、判斷是否滿足退出條件，如果滿足則退出，否則回到步驟2繼續(xù)迭代。

可以得到10種天線組合方案的最佳發(fā)射功率組合如下表：

方案2的總功率最小，選取方案2。方案2參數(shù)如表8：

分別畫出并統(tǒng)計手持與車載天線RSRP與SINR分布，如圖4、5、6所示。

六、結(jié)束語

5G鐵路專網(wǎng)的部署首先要保證安全性和通信質(zhì)量，并在此條件下盡量節(jié)約能源，此外還應(yīng)提高網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的規(guī)劃效率。

本文基于射線跟蹤仿真平臺，利用電子地圖和建模軟件還原場景，實(shí)現(xiàn)了對場景電磁環(huán)境的軟件仿真，并基于仿真結(jié)果，提出了針對天線數(shù)目、天線在基站上的組合方式、天線角度和發(fā)射功率的優(yōu)化分析方法，在保證了通信質(zhì)量的前提下大大提高了分析效率，同時可將該方法應(yīng)用到不同的場景。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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