高向鵬， 王妙妙， 曹小曙

(1.西安郵電大學(xué) 監(jiān)察處，陜西 西安 710121；2. 中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275；3. 陜西師范大學(xué) 交通地理與空間規(guī)劃研究所，陜西 西安710062)

陜西省無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化評價及其空間格局

高向鵬1， 王妙妙2， 曹小曙3

(1.西安郵電大學(xué) 監(jiān)察處，陜西 西安 710121；2. 中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275；3. 陜西師范大學(xué) 交通地理與空間規(guī)劃研究所，陜西 西安710062)

以陜西省為例，從GSM網(wǎng)絡(luò)性能、TD網(wǎng)絡(luò)性能、LTE網(wǎng)絡(luò)性能、WLAN網(wǎng)絡(luò)性能、四網(wǎng)協(xié)同、資源占用等系統(tǒng)出發(fā)，構(gòu)建省域無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化評價指標(biāo)體系，定量評價 2014 年陜西省各城市無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化水平和空間差異。結(jié)果顯示，2014年陜西省10個城市無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化存在顯著差異，渭南、延安和西安處于領(lǐng)先地位，形成北部優(yōu)于南部的無線網(wǎng)優(yōu)化空間格局。

無線網(wǎng)絡(luò)；優(yōu)化評價；空間格局

無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化成為目前移動通信領(lǐng)域研究的熱點和重點話題。國內(nèi)外學(xué)者在無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方面的研究主要集中在無線網(wǎng)絡(luò)頻譜資源分析[1-4]、無線網(wǎng)絡(luò)動態(tài)特性與管理[5-8]、無線網(wǎng)絡(luò)編碼感知[9-10]、無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法和面臨的問題[11-20]，如文獻[11]通過對地面數(shù)字電視廣播(Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcasting，DTMB)路測系統(tǒng)和路測數(shù)據(jù)的分析，開發(fā)了測試分析用的平面電子地圖，并給出了通過調(diào)整區(qū)域發(fā)射機的參數(shù)或者增加發(fā)射設(shè)備優(yōu)化DTMB網(wǎng)絡(luò)；文獻[16]構(gòu)建改進橢圓曲線密碼理論加密模型，以排除的形式獲取合法有效的節(jié)點私鑰，簡化加密過程，利用改進算法進行大型網(wǎng)絡(luò)通信中無證書公鑰體制下的加密優(yōu)化；文獻[18]通過自適應(yīng)調(diào)整分片的長度，在干擾攻擊頻繁時減少長度以獲得更好的魯棒性，在攻擊概率較低時增大長度以提高效率，提出自適應(yīng)無速率通信可有效抵御干擾攻擊并獲得較高的通信效率?，F(xiàn)有關(guān)于無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方面的研究多局限于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和算法本身的改進與優(yōu)化，但優(yōu)化的結(jié)果與城市之間的差異研究的較少。本文以城市為研究單元，對陜西省各城市無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的結(jié)果進行評價，進而分析各城市的空間差異。

1 研究設(shè)計

1.1 無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化評價指標(biāo)體系

GSM(Global System for Mobile Communication)網(wǎng)絡(luò)性能、TD(Time Division)網(wǎng)絡(luò)性能、LTE(Long Term Evolution)網(wǎng)絡(luò)性能、WLAN(Wireless Local Area Networks)網(wǎng)絡(luò)性能、四網(wǎng)協(xié)同、資源占用等因素共同影響一個城市的無線網(wǎng)絡(luò)總體運行，也決定了不同城市無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的差異性。在對省域各城市無線網(wǎng)絡(luò)整體了解的基礎(chǔ)上，通過甄選無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化評價指標(biāo)體系，實現(xiàn)對省域各城市無線網(wǎng)絡(luò)運行評價及其空間差異格局?？紤]到評價指標(biāo)的系統(tǒng)性、科學(xué)性、合理性、代表性及其數(shù)據(jù)可獲取性，根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化系統(tǒng)的復(fù)雜性，側(cè)重GSM網(wǎng)絡(luò)性能、TD網(wǎng)絡(luò)性能、LTE網(wǎng)絡(luò)性能、WLAN網(wǎng)絡(luò)性能、四網(wǎng)協(xié)同、資源占用6個子系統(tǒng)，共37個指標(biāo)，構(gòu)建陜西省各城市無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化評價指標(biāo)體系，如表1所示。

表1 省域無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化評價指標(biāo)體系

續(xù)表

1.2 數(shù)據(jù)來源

以陜西省2014年為例，GSM網(wǎng)絡(luò)性能、TD網(wǎng)絡(luò)性能、LTE網(wǎng)絡(luò)性能、WLAN網(wǎng)絡(luò)性能、網(wǎng)絡(luò)測試、四網(wǎng)協(xié)同、資源占用各指標(biāo)來源于筆者在陜西通信管理局調(diào)研的數(shù)據(jù)，經(jīng)計算整理而得。

1.3 研究方法

考慮到省域各城市無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化評價指標(biāo)眾多，存在復(fù)雜性和不確定性。因此選用主成分分析定量評估各城市無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化情況。主成分分析法[21]是考察多個變量之間相關(guān)性的一種多元統(tǒng)計方法，其基本思想在于不損失大量信息的前提下，通過降維處理用較少的變量來替代原來的變量做進一步的分析。對構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化評價的指標(biāo)體系由下而上逐級綜合，使多個指標(biāo)變量降維為少數(shù)幾個能夠盡可能多地攜帶原始指標(biāo)信息的主成分變量，確定各層次指標(biāo)綜合函數(shù)的權(quán)系數(shù)，進而構(gòu)建各層指標(biāo)的計量模型。主成分分析的思路主要為得到標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)矩陣、確定相關(guān)系數(shù)矩陣、計算累計貢獻率、根據(jù)特征值大于1和累積貢獻率大于85%的準(zhǔn)則選取主成分分析法提取公因子。根據(jù)因子分析法進行正交旋轉(zhuǎn)得到旋轉(zhuǎn)后37項指標(biāo)變量在公因子上的荷載矩陣，用其進行因子命名解釋。記指標(biāo)體系原來的基本變量為X1，X2，…，Xp，他們的主成分指標(biāo)為F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)m(m≤n)，則

F1=L11X1+L12X2+…,+L1pXPF2=L21X1+L22X2+…,+L2pXpFm=Lm1X1+Lm2X2+…,+LmpXp

(1)

式中，Lmp分別是X1，X2，…，Xp的相關(guān)矩陣的m個較大的特征值所對應(yīng)的特征向量，F(xiàn)1是X1，X2，…，Xn的一切線性組合中方差最大者，F(xiàn)2是方差次大者且與F1不相關(guān)，F(xiàn)m的方差處于第m位且與F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)m-1都不相關(guān)。在實際應(yīng)用中，常挑選方差貢獻最大的幾個主成分，這樣既減少了變量數(shù)目，又簡化了變量之間的關(guān)系。

基于各指標(biāo)主成分得分，運用熵值法[22]確定各指標(biāo)的權(quán)重，熵是對不確定性的一種度量，用熵值來判斷某個指標(biāo)的離散程度，指標(biāo)的離散程度越大，該指標(biāo)對綜合評價的影響越大，根據(jù)熵的特性和熵值法求權(quán)重的具體步驟如下。

設(shè)m個樣本的n個評價指標(biāo)的初始數(shù)據(jù)矩陣為X={xij}m×n，其中xij表示第i個評估對象的第j個指標(biāo)值。

1) 計算第j項指標(biāo)下第i個評估對象指標(biāo)值的比重pij

(2)

2) 計算第j項指標(biāo)的熵值ej

(3)

3) 計算第j項指標(biāo)的差異性系數(shù)gj

gj=1-ej

(4)

4) 計算指標(biāo)的權(quán)重wj

(5)

通過計算熵值獲得各城市無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化評價指數(shù)，進而運用Arcgis10.1空間分析功能實現(xiàn)可視化。Arcgis10.1是一款功能強大的基于服務(wù)器的GIS(Geographic Information Systems)軟件，其空間分析功能主要通過ArcMap程序來實現(xiàn)，ArcMap按照要素屬性編輯和表現(xiàn)圖形，提供了一體化的完整地圖繪制、顯示、編輯和輸出的集成環(huán)境，具有地圖數(shù)字化、可視化、數(shù)據(jù)處理和變換、空間分析、空間查詢、規(guī)劃決策、圖形結(jié)果輸出等功能。其中可視化是用地理方式操作數(shù)據(jù)可以讓使用者看到以前看不到的格局，以及地面上看不到或無法直接量算的要素和現(xiàn)象，揭示潛在的趨勢和分布狀況，以及獲得新的視野[23]。

2 2014年陜西省無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化評價

2.1 2014年陜西省無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化主成分分析

使用SPSS19.0軟件對某移動運營商陜西省各城市的無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化指標(biāo)進行計算和統(tǒng)計，按照特征根大于1的主因子選取原則，共提取7個主因子，累積貢獻率達到96.50%，反映原始變量的絕大部分信息，具有顯著代表性，能解釋陜西省各城市無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化水平，如表2所示。

表2 總方差解釋

續(xù)表

依據(jù)旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣，界定陜西省各城市無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主成分，見表3。

表3 正交旋轉(zhuǎn)后主成分載荷矩陣

續(xù)表

(1) 主成分F1的貢獻率為41.425%，它在客戶接入成功率、客戶關(guān)聯(lián)成功率、T網(wǎng)超閑小區(qū)比例、T網(wǎng)零業(yè)務(wù)小區(qū)比例、4G零業(yè)務(wù)小區(qū)比例等指標(biāo)上，反映了WLAN的便利性、快速性和覆蓋率，可命名為“WLAN性能因子”；(2) 主成分F2貢獻率為57.875%，它在TCH(Traffic Channel, 業(yè)務(wù)信道)分配失敗率、半速率話務(wù)占比、T(即TD網(wǎng))網(wǎng)碼資源利用率等指標(biāo)上，主要反映了TD網(wǎng)絡(luò)資源的占用情況，可命名為“TD網(wǎng)性能因子”；(3) 主成分F3貢獻率為73.476%，它在GSM掉話率、高干擾小區(qū)比例等指標(biāo)上，表征了GSM網(wǎng)絡(luò)的運行情況，可命名為“GSM網(wǎng)性能因子”；(4) 主成分F4貢獻率為82.779%，它在GSM接通率、高質(zhì)差小區(qū)比例、超忙AP占比等指標(biāo)上，一定程度上反映了GSM網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)的協(xié)同作用，可命名為“GW(GSM & WLAN)二網(wǎng)協(xié)同因子”；(5) 主成分F5貢獻率為87.905%，它在無線掉線率、2G高流量小區(qū)WLAN覆蓋率等指標(biāo)上，一定程度上反映了LTE網(wǎng)絡(luò)性能和WLAN網(wǎng)絡(luò)性能，可命名為“LW二網(wǎng)協(xié)同因子”；(6) 主成分F6貢獻率為92.543%，在TBF(Temporary Block Flow, 臨時塊流)擁塞率、G(即GSM)網(wǎng)高無線利用率小區(qū)比例等指標(biāo)上，反映了四網(wǎng)系統(tǒng)功能，可命名為“四網(wǎng)協(xié)同因子”；(7) 主成分F7貢獻率為96.500%，與GSM掉話率、數(shù)據(jù)質(zhì)差小區(qū)比例、T網(wǎng)PS(Packet Switch，分組域)域系統(tǒng)間切換成功率、超閑AP(Access Point, 接入點)占比、G網(wǎng)無線利用率、T網(wǎng)零業(yè)務(wù)小區(qū)比例有較大的正相關(guān)，可命名為綜合因子。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的原始數(shù)據(jù)，將主因子F1到F7的數(shù)值乘以各自方差的算術(shù)平方根，得出各主成分的得分，見表4。

表4 主成分得分矩陣

將計算出的各主成分得分標(biāo)準(zhǔn)化，利用熵值法對得到的主成分進行賦權(quán)，加權(quán)求和得陜西省各城市無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化評價指數(shù)，見表5。該指數(shù)越高，說明該城市無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化程度越高，反之越低。

表5 2014年陜西省各城市無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化得分

2.2 2014年陜西省無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化水平比較

從綜合評價指數(shù)值看，西安、延安、銅川、安康的無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化較好，在平均水平之上；咸陽、寶雞、渭南、榆林、漢中、商洛無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化得分在平均值之下，在未來應(yīng)加強無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各指標(biāo)的協(xié)調(diào)性與協(xié)作性以促進無線網(wǎng)絡(luò)的健康發(fā)展。

從各單項因子得分上看，在WLAN性能因子上，西安、延安、榆林和銅川得分較高，WLAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)在這四個城市中發(fā)展較好，咸陽、寶雞、渭南、漢中、安康、商洛應(yīng)提升城市WLAN 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；在TD網(wǎng)性能因子上，商洛、咸陽、榆林、銅川、安康得分均高于平均值，西安、渭南、延安、漢中、寶雞得分低于平均值。TD網(wǎng)終端的移動速度受現(xiàn)有DSP運算速度的限制和TD網(wǎng)容量等因素的影響，陜西省邊緣城市的TD網(wǎng)發(fā)展較好；在GSM網(wǎng)性能因子上，西安、安康、漢中、商洛得分高于平均值，其他城市低于平均值，反映了西安等城市的GSM發(fā)展的完善性；在GW二網(wǎng)協(xié)同因子上，主要是GSM和WLAN相互補充和協(xié)調(diào)發(fā)展，寶雞、渭南、延安、漢中、安康得分在平均值以上，說明這5個城市在GSM和WLAN相互補充發(fā)展方面做的較好；在LW(即LTE、WLAN)二網(wǎng)協(xié)同因子上，主要是LTE網(wǎng)和WLAN網(wǎng)的互補，渭南、延安、榆林、銅川、漢中、安康在LTE網(wǎng)和WLAN網(wǎng)的協(xié)調(diào)與互補方面得到優(yōu)化，得分較高；在四網(wǎng)協(xié)同因子上，延安、銅川、安康、商洛得分高于平均值，說明這4個城市WLAN、GSM、LTE、TD網(wǎng)協(xié)調(diào)與互補方面優(yōu)化較好；在綜合因子上，咸陽、寶雞、安康得分高于平均值，反映其無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化較好；在綜合評價指數(shù)方面，可以看出渭南、延安和西安在2014年無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化較好，其次為銅川、漢中、渭南、榆林、咸陽、商洛、寶雞。

3 2014年陜西省無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化空間差異

基于2014年陜西省各城市無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化評價指數(shù)，采用Arcgis10.1空間分析功能，運用自然斷裂點法分類，將代表各城市無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的指標(biāo)評價結(jié)果進行可視化，如圖1所示。

(a) WLAN網(wǎng)性能因子

(b) TD網(wǎng)性能因子

(c) GSM網(wǎng)性能因子

(d) GW二網(wǎng)協(xié)同因子

(e) LW二網(wǎng)協(xié)同因子

(f) 四網(wǎng)協(xié)同因子

(g) 綜合因子

(h) 評價指數(shù)

從各因子空間格局上來看，陜西省各城市在WLAN網(wǎng)性能因子上形成以西安為中心向四周遞減的圈層結(jié)構(gòu)；在TD網(wǎng)性能因子上形成中部西安最低，邊緣榆林、安康、商洛較高的“凹陷區(qū)”格局；在GSM網(wǎng)性能因子上形成“十字”型但南部優(yōu)于北部的空間格局；在GW二網(wǎng)協(xié)同因子上形成以寶雞、漢中為高值中心，邊緣城市為低值中心的反“L”型空間格局；在LW二網(wǎng)協(xié)同因子上形成以安康為中心，其他城市高低相間的插花般空間格局；在四網(wǎng)協(xié)同因子上形成商洛為高值中心，西安和寶雞為低值中心的“十”字型空間格局；在綜合因子上形成以安康為高值中心，咸陽為次高值中心，商洛為低值中心的高低相間的斑點狀空間格局；在評價指數(shù)上，形成以延安為中心，西安和安康為次中心，銅川和漢中為第三層，榆林、咸陽、渭南、商洛為第四層，寶雞處于低值中心，總體上形成北部優(yōu)于南部的無線網(wǎng)優(yōu)化空間格局。

4 結(jié)語

以陜西省為例，以其各城市為研究單元，運用主成分分析法對各城市無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化進行評價，西安、延安、榆林、銅川、咸陽、寶雞、渭南、漢中、安康、商洛在WLAN網(wǎng)性能因子、TD網(wǎng)性能因子、GSM網(wǎng)性能因子、GW二網(wǎng)協(xié)同因子、LW二網(wǎng)協(xié)同因子、四網(wǎng)協(xié)同因子、綜合因子等代表無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重要指標(biāo)方面各具優(yōu)勢，總體上看渭南、延安和西安在2014年無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化領(lǐng)先，其次為銅川、漢中、渭南、榆林、咸陽、商洛、寶雞；綜合評價指數(shù)在空間上形成以延安為中心，西安和安康為次中心，銅川和漢中為第三層，榆林、咸陽、渭南、商洛為第四層，寶雞處于低值中心，總體上形成北部優(yōu)于南部的無線網(wǎng)優(yōu)化空間格局。

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[責(zé)任編輯：汪湘]

Shanxi province wireless network optimization evaluation and its spatial pattern

GAO Xiangpeng1, WANG Miaomiao2, CAO Xiaoshu3

(1. The Supervision Division, Xi’an University of Posts and Telecommunications. Xi’an 710121, China;2. School of Geography Science and Planning, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China;3. Institute of Transport Geography and Spatial Planning, Shaanxi Normal University, Xi’an 710119, China)

Based on systems of the GSM network, TD network performance, LTE network, WLAN network performance, four networks and collaborative performance and resource consumption, an index system of a province-wide radio network optimization is built to quantitative evaluate the city wireless network optimization level and spatial differences for cities of Shaanxi Province in 2014. The results show that there are significant differences in wireless network optimization for 10 cities of Shaanxi Province in 2014. Weinan, Yanan and Xi’an are in a leading position to compare with other cities, which wireless network optimization spatial pattern of the North is better than the South.

wireless network，optimization assessment，spatial pattern

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.04.021

2015-05-26

國家自然科學(xué)基金資助項目(41171139,41130747)

高向鵬(1972-)，男，碩士，工程師，從事網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟信息化研究。E-mail：gaoxp@xupt.edu.cn 王妙妙(1985-)，女，博士研究生，研究方向為交通地理與城市發(fā)展。E-mail：wangmiaomiao0202@126.com

TP393

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2095-6533(2015)04-0102-10