董玉濤，南作用 ，翟麗平(.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司，北京0040；.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，北京00048；.華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 4500)

0 前言

在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)期間，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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(píng)估等環(huán)節(jié)中扮演重要的角色。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)期間，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)仿真又可輔助工程優(yōu)化人員進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題查找定位、優(yōu)化方案評(píng)估等。網(wǎng)絡(luò)仿真是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)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(zhǔn)確度倍受懷疑，致使其在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的受關(guān)注程度日益降低。如何有效、便捷地提升無(wú)線網(wǎng)絡(luò)仿真無(wú)疑是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)人員長(zhǎng)期研究的課題。

1 問(wèn)題分析

影響網(wǎng)絡(luò)仿真準(zhǔn)確度有2個(gè)重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，即接收電平和接收質(zhì)量，對(duì)于WCDMA系統(tǒng)而言即為Ec和Ec/Io，基于此可以有效地評(píng)估無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、切換、干擾、容量等。而這2個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中，接收電平Ec又是Ec/Io計(jì)算的必要條件和基礎(chǔ)。一定程度上可以這樣說(shuō)，接收電平Ec預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確是Ec/Io以及基于此計(jì)算的所有數(shù)據(jù)和結(jié)果的基礎(chǔ)。

近幾年，隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，各運(yùn)營(yíng)商不同程度地對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行CW測(cè)試、路測(cè)、CQT等測(cè)試，積累了大量無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試數(shù)據(jù)。如何利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行更為便捷、精確的網(wǎng)絡(luò)仿真，對(duì)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)有著重要的意義。

2 技術(shù)理論分析

網(wǎng)絡(luò)仿真時(shí)，通常先基于傳播模型、小區(qū)參數(shù)、地理信息計(jì)算每個(gè)像素的空間路徑損耗，再基于空間損耗直接計(jì)算接收電平，進(jìn)而計(jì)算接收質(zhì)量、干擾、切換以及進(jìn)行Monte Carlo仿真等等。所以，仿真中路徑損耗計(jì)算是各種仿真結(jié)果計(jì)算的基礎(chǔ)。

假設(shè)通過(guò)校正后的傳播模型或通用傳播模型計(jì)算出來(lái)的結(jié)果如圖1中“路徑預(yù)測(cè)”，通過(guò)路測(cè)或CQT測(cè)試的數(shù)據(jù)為“測(cè)試數(shù)據(jù)”，將其數(shù)學(xué)合成，具體過(guò)程如圖1所示。

圖1 路徑預(yù)測(cè)和測(cè)試數(shù)據(jù)合成示意

可采用式(1)計(jì)算預(yù)測(cè)合成值。

式中:

Pcom——路徑預(yù)測(cè)合成值

Ppre——預(yù)測(cè)值

ρ——預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)在合成數(shù)據(jù)中占比

Pmeas——測(cè)試數(shù)據(jù)值

由式(1)可知:Pcom是預(yù)測(cè)值和測(cè)試數(shù)據(jù)的合成；ρ為工程經(jīng)驗(yàn)值，可根據(jù)路測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)效、測(cè)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(duì)路測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)、通過(guò)路測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的間接數(shù)據(jù)點(diǎn)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)重合。路測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)不重合時(shí)，則引入滾降因子和內(nèi)插法，計(jì)算路測(cè)數(shù)據(jù)周圍間接數(shù)據(jù)點(diǎn)。

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

式中:

n——測(cè)試點(diǎn)臨近點(diǎn)數(shù)，仿真軟件中點(diǎn)對(duì)應(yīng)像素，通常取1～4

Δi——臨近第i點(diǎn)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)差

α——滾降系數(shù)(α≥1)

據(jù)此計(jì)算的內(nèi)插值，即基于路測(cè)數(shù)據(jù)周圍間接數(shù)據(jù)點(diǎn)，再根據(jù)式(1)計(jì)算出合理的校正值，據(jù)此可將測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)向外圍延伸，進(jìn)一步修正測(cè)點(diǎn)附近點(diǎn)數(shù)據(jù)，拓展該方法的應(yīng)用。

利用權(quán)值和內(nèi)插法可有效修正通過(guò)模型校正預(yù)測(cè)出來(lái)的路徑損耗。針對(duì)特定場(chǎng)景可方便、有效地得到較為準(zhǔn)確的路徑損耗。

另外，也可借助已有的路測(cè)或CQT測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)通用傳播模型或校正后的傳播模型進(jìn)行再次修正，以盡可能地保證傳播模型和仿真場(chǎng)景的相關(guān)度。通過(guò)這樣的修正，使未通過(guò)內(nèi)插法修正的其他點(diǎn)預(yù)測(cè)值盡可能地精確。

3 工程應(yīng)用探討

工程中，根據(jù)路測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用不同建議按照?qǐng)D2所示流程進(jìn)行。

從圖2可以看出，路測(cè)數(shù)據(jù)在基于路測(cè)數(shù)據(jù)的仿真中，有2次會(huì)對(duì)路徑損耗進(jìn)行修正，具體如下:

圖2 路測(cè)數(shù)據(jù)仿真應(yīng)用流程

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

b)使用路測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)小區(qū)通用傳播模型或已經(jīng)修正的傳播模型進(jìn)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?yàn)榧词箤?duì)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(jì)、建設(shè)發(fā)展迅速，同一城市不同區(qū)域，無(wú)線傳播環(huán)境間的相關(guān)性也較大。而用仿真區(qū)域的路測(cè)/CQT對(duì)傳播模型再次修正，可使路徑預(yù)測(cè)結(jié)果更為貼近仿真區(qū)域的環(huán)境，增強(qiáng)仿真結(jié)果與實(shí)際環(huán)境間的相似度。在此過(guò)程中，修正的對(duì)象為基礎(chǔ)預(yù)測(cè)傳播模型，即修正整個(gè)仿真區(qū)域整體路徑預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。修正方式也僅僅是用仿真環(huán)境中部分?jǐn)?shù)據(jù)修正其他數(shù)據(jù)，這樣并不能達(dá)到非常理想的效果，但可在原修正模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行更為精確的修正。

c)針對(duì)路測(cè)/CQT測(cè)點(diǎn)及其附近路徑預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，可利用其進(jìn)行再次修正。這樣，如設(shè)置合理的加權(quán)系數(shù)、滾降系數(shù)，可以達(dá)到測(cè)點(diǎn)及其附近的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)可與實(shí)際路測(cè)數(shù)據(jù)非常貼近，且一定程度上可以彌補(bǔ)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(yīng)用方式可以看出，對(duì)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(diǎn)覆蓋，基于該方式可多次、有效修正計(jì)算機(jī)環(huán)境帶來(lái)的誤差。對(duì)于整個(gè)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(shí)際無(wú)線環(huán)境。

可用以下方式進(jìn)行結(jié)果評(píng)定。

a)對(duì)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(jī)終端方式，數(shù)據(jù)采樣速率約5 s/點(diǎn)，數(shù)據(jù)量會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于接收機(jī)采樣速率，這樣需引入式(3)對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)定。

式中:

Estd——修正標(biāo)準(zhǔn)方差

E0——模型校正后的標(biāo)準(zhǔn)方差

N——測(cè)點(diǎn)數(shù)量

從式(3)可以看出:當(dāng)數(shù)據(jù)量較少時(shí)(通常數(shù)據(jù)量少于1萬(wàn)點(diǎn)時(shí))，采用該方式可有效地修正方差值，并基于此評(píng)判再次修正傳播模型的結(jié)果將更為科學(xué)有效。其中基于路測(cè)/CQT數(shù)據(jù)進(jìn)行傳播模型分配也是基于此。

b)對(duì)于測(cè)點(diǎn)及其周圍的數(shù)據(jù)，可采用路測(cè)數(shù)據(jù)與仿真軟件預(yù)測(cè)值對(duì)比的方式進(jìn)行評(píng)定，即:

式中:

x1i——i點(diǎn)的預(yù)測(cè)值

x2i——i點(diǎn)的實(shí)測(cè)值

N——測(cè)點(diǎn)數(shù)

評(píng)判時(shí)要求平均誤差Y軍接近0，均方差RMS和標(biāo)準(zhǔn)偏差STD越小越好。

同時(shí)，在應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

a)如用路測(cè)數(shù)據(jù)再修正模型進(jìn)行面域仿真，則被測(cè)站點(diǎn)能有效代表區(qū)域內(nèi)其他站點(diǎn)的無(wú)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(diǎn)，以保證對(duì)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(cè)/CQT測(cè)試數(shù)據(jù)收集終端為商用終端，商用終端信號(hào)接收靈敏度間約有±10 dB正常偏差，且該方式測(cè)點(diǎn)采樣速率常大于5 s/點(diǎn)。為豐富測(cè)試數(shù)據(jù)及均衡終端間差異，測(cè)試時(shí)可選用多部終端進(jìn)行測(cè)試，多部手機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行處理。另外，根據(jù)地圖精度、數(shù)據(jù)點(diǎn)距離差，實(shí)際處理數(shù)據(jù)是在原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平均合并的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。這樣，有效的數(shù)據(jù)會(huì)少于原始測(cè)試數(shù)據(jù)。

e)建議在可對(duì)無(wú)線環(huán)境和街道分類的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這樣導(dǎo)入時(shí)就可按照線性直達(dá)和非線性環(huán)境分別進(jìn)行導(dǎo)入修正。

f)要求被測(cè)站點(diǎn)的天線、有效發(fā)射功率EiRP等與測(cè)試時(shí)配置一致，并將其作為校正站點(diǎn)配置數(shù)據(jù)。如全向或?qū)挷ò晏炀€，應(yīng)先考慮將其進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換。

g)通常，路測(cè)數(shù)據(jù)采集是在車內(nèi)完成的，CQT常常也在建筑物內(nèi)部進(jìn)行撥打。無(wú)線仿真時(shí)，預(yù)測(cè)的路徑損耗通?；谑彝猸h(huán)境，如為室內(nèi)或其他環(huán)境，則直接疊加相應(yīng)的穿透損耗。而測(cè)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(cè)采集環(huán)境相同，則基礎(chǔ)數(shù)據(jù)無(wú)需修正，否則需根據(jù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境對(duì)路測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的修正，即計(jì)算有效的接收電平。

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

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

i)對(duì)于非正常數(shù)據(jù)過(guò)濾，可參考CW模型校正值，即:排除Ec≥-40 dBm或Ec≤-120 dBm的點(diǎn)，通常接收機(jī)和手機(jī)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(guò)濾是基于有效的接收電平進(jìn)行的。

j)對(duì)于新建站，可利用基于路測(cè)/CQT數(shù)據(jù)修正模型進(jìn)行路徑損耗預(yù)測(cè)。

k)如頻段臨近，可用相近頻段路測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，但需考慮頻段差異引起的損耗，并在處理前對(duì)路測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的修正。

4 工程案例

本文以某運(yùn)營(yíng)商某時(shí)期京津高鐵為例，按照如上方法進(jìn)行WCDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)仿真。

數(shù)據(jù)采集采用火車車廂內(nèi)，用WCDMA商用手機(jī)2部，分別進(jìn)行長(zhǎng)呼和短呼，共約51 080個(gè)測(cè)點(diǎn)，仿真無(wú)線網(wǎng)絡(luò)室外環(huán)境。根據(jù)相關(guān)測(cè)試，火車車廂穿透損耗按照7 dB考慮，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)有效接收電平進(jìn)行修正。

修正完之后，利用式(8)、測(cè)試到相關(guān)編號(hào)進(jìn)行Cell ID識(shí)別。識(shí)別完之后的文件，導(dǎo)入仿真軟件Aircom EnterPrise V6.2進(jìn)行相關(guān)處理。

首先，此次仿真基于已經(jīng)修正的4個(gè)模型(見(jiàn)表1)。

根據(jù)路測(cè)數(shù)據(jù)與各模型預(yù)測(cè)值的平均誤差、均方差、標(biāo)準(zhǔn)偏差，為每個(gè)小區(qū)分配初始傳播模型。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，最終仿真軟件僅選定Mod_r一種傳播模型。

對(duì)Mod_r，基于路測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行再校正，具體結(jié)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(diǎn)修正相關(guān)小區(qū)的覆蓋。對(duì)于線上的點(diǎn)，再設(shè)置路測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的權(quán)值(路測(cè)數(shù)據(jù)0.8、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)0.2、滾降因子1.1)進(jìn)行預(yù)測(cè)。此處，可以通過(guò)其中1個(gè)小區(qū)的仿真與路測(cè)結(jié)果的對(duì)比情況來(lái)看該方法的效果。

表3示出的是預(yù)測(cè)值與路測(cè)值對(duì)比匯總；圖3示出的是誤差值與距離關(guān)系。

從表4看來(lái)，使用路測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)仿真中路徑預(yù)測(cè)結(jié)果修正平均誤差與標(biāo)準(zhǔn)方差可降至與CW模型校正結(jié)果相當(dāng)。

表3 預(yù)測(cè)值與路測(cè)值對(duì)比匯總

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了利用路測(cè)/CQT測(cè)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(jiǎn)單、易操作，無(wú)需另行架設(shè)發(fā)射機(jī)進(jìn)行專門(mén)路測(cè)，又能良好的兼容CW模型校正結(jié)果，取得更為精確的路徑損耗計(jì)算。與射線跟蹤模型方法相比，無(wú)需高精度地圖，且仿真效率高，同等條件下，仿真結(jié)果更接近實(shí)際測(cè)試值。該方法是目前較為科學(xué)、可行的減少路徑損耗預(yù)測(cè)的方法，希望本文對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)仿真有一定的參考意義。

表4 小區(qū)路測(cè)值與預(yù)測(cè)值詳細(xì)情況一覽(摘錄部分?jǐn)?shù)據(jù))