李睿，佘莎，麥磊鑫

3D室內(nèi)高精度仿真方法研究

李睿，佘莎，麥磊鑫

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510630）

研究3D高精度室內(nèi)覆蓋仿真對提高規(guī)劃技術(shù)水平、提升競爭力具有重要的意義，因此結(jié)合實(shí)際工程，研究一種3D高精度室內(nèi)仿真方法，并側(cè)重關(guān)鍵參數(shù)取值、室內(nèi)覆蓋評估和指標(biāo)統(tǒng)計(jì)方法的研究。依據(jù)這種方法，可以快速準(zhǔn)確通過仿真的形式進(jìn)行室內(nèi)覆蓋預(yù)測，更加充分合理地評估利用覆蓋預(yù)測結(jié)果，大大提高工作效率。

室內(nèi)覆蓋 深度覆蓋 高精度仿真

1 引言

1.1 研究背景和意義

在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段需要通過仿真來評估室內(nèi)的覆蓋效果，定位存在弱覆蓋的區(qū)域，進(jìn)行室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)，或者采取部署室外小基站、分布系統(tǒng)等綜合覆蓋手段，解決深度覆蓋問題，提升用戶感知。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真主要針對室外覆蓋進(jìn)行二維平面上的預(yù)測，而3D高精度仿真可以對室內(nèi)覆蓋進(jìn)行立體的精細(xì)化的評估，3D高精度仿真是全新的仿真技術(shù)和重要的規(guī)劃分析手段。研究3D高精度室內(nèi)覆蓋仿真對提高規(guī)劃技術(shù)水平，提升競爭力具有重要的意義，因此本文接下來將對3D室內(nèi)高精度仿真方法進(jìn)行研究。

1.2 3D室內(nèi)高精度仿真概述

3D室內(nèi)高精度仿真針對的是室外站點(diǎn)對建筑物樓層內(nèi)的仿真覆蓋預(yù)測，實(shí)現(xiàn)預(yù)測區(qū)域范圍內(nèi)高層乃至超高層建筑物內(nèi)部各層的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)情況，采用的地圖精度為5 m地圖，地圖需包含建筑物高度信息和建筑物矢量數(shù)據(jù)。

基于仿真性能以及操作界面友好等因素考慮，F(xiàn)orsk公司的Atoll應(yīng)用較廣泛。本文的3D室內(nèi)高精度仿真方法的研究即基于Atoll仿真軟件。

3D室內(nèi)高精度仿真流程：1）新建仿真項(xiàng)目：一個(gè)項(xiàng)目即一個(gè)工程，首先在Atoll中新建一個(gè)工程；2）導(dǎo)入電子地圖：涉及坐標(biāo)系設(shè)置，柵格地圖、3D矢量地圖的導(dǎo)入；3）設(shè)置校正傳播模型；4）導(dǎo)入工參信息：涉及Sites表、Transmitters表、Cells表信息的導(dǎo)入設(shè)置；5）繪制計(jì)算區(qū)域：根據(jù)研究需要來繪制計(jì)算區(qū)域，計(jì)算區(qū)域過大會(huì)導(dǎo)致整個(gè)仿真計(jì)算時(shí)間過長；6）計(jì)算路損；7）多樓層覆蓋預(yù)測；8）Google Earth呈現(xiàn)；9）數(shù)據(jù)提取和分析。

操作流程圖如圖1所示：

圖1 3D室內(nèi)高精度仿真操作流程圖

2 關(guān)鍵參數(shù)取值研究

2.1 室內(nèi)外穿透損耗實(shí)測結(jié)果

不同建筑墻體材質(zhì)穿透損耗實(shí)測統(tǒng)計(jì)值如表1所示：

表1 不同建筑墻體材質(zhì)穿透損耗實(shí)測統(tǒng)計(jì)值

上述測試數(shù)據(jù)針對室外信號(hào)穿透單面墻體至室內(nèi)終端使用位置的穿透損耗，適用于對已知建筑墻體材質(zhì)、位置和構(gòu)造的重點(diǎn)建筑單獨(dú)建模。

此外，還需要對一定區(qū)域內(nèi)的建筑進(jìn)行整體分析，這些區(qū)域存在大多數(shù)建筑比單面建筑墻體構(gòu)造更復(fù)雜的情況。

在實(shí)際無線傳播環(huán)境中，針對一定區(qū)域內(nèi)無法確認(rèn)詳細(xì)建筑墻體構(gòu)造等信息的批量建筑，可以進(jìn)行建筑整體的建模。根據(jù)建筑本身的用途分類，具有相同或相似功能的建筑體也同時(shí)具有相同和相似的建筑材質(zhì)、位置和構(gòu)造風(fēng)格，例如部分大型醫(yī)院的墻體因?yàn)槠湓O(shè)備功能的需求，建筑墻體的材質(zhì)和厚度會(huì)具有通性的特點(diǎn)。

根據(jù)不同建筑物類型進(jìn)行抽樣測試，得到如表2所示的結(jié)果，高檔酒店和大型醫(yī)院的穿透損耗較高，都超過20 dB；普通住宅的穿透損耗在14 dB左右。

表2 不同類型建筑物穿透損耗實(shí)測統(tǒng)計(jì)值

上述測試數(shù)據(jù)針對室外信號(hào)穿透建筑整體至室內(nèi)終端可使用位置的穿透損耗，適用于對建筑墻體材質(zhì)、位置和構(gòu)造未知的批量建筑區(qū)域進(jìn)行整體建模。

2.2 室內(nèi)外穿透損耗設(shè)置調(diào)整方法

對每一棟建筑賦予穿透損耗時(shí)，如果建筑物數(shù)量不大，可手動(dòng)定義重點(diǎn)建筑的穿透損耗；如果建筑物數(shù)量較大，可以根據(jù)建筑物中心點(diǎn)所處的地圖位置進(jìn)行地貌類型分類，從而分類定義其穿透損耗。

從建筑類型整體分類，主要區(qū)分設(shè)置的建議值如表3所示。

此表僅對仿真定義的building類型均值配置，對于一些特別的重點(diǎn)建筑，比如高度、覆蓋面積較大（大于一定限值）的建筑，仍需手動(dòng)確認(rèn)其墻體材質(zhì)等詳細(xì)信息。

在crosswave預(yù)測模型中，上述的配置請?zhí)砑拥絙uildings vector的tab圖層中，分屬兩個(gè)名為Outside_ Inside和Inside_Inside的列中，在導(dǎo)入到模型工程中之后，在模型選項(xiàng)內(nèi)，務(wù)必在crosswave模型屬性頁的Propagation選項(xiàng)卡中勾選Losses from 3D building vectors，這樣在仿真運(yùn)算的時(shí)候?yàn)槊恳粋€(gè)building vector的polygon讀取損耗。

表3 仿真室內(nèi)外穿透損耗設(shè)置建議值

通過材質(zhì)區(qū)別或功能區(qū)別對不同建筑的穿透損耗進(jìn)行建模，有助于提高3D室內(nèi)高精度仿真的精度和效率。

3 室內(nèi)覆蓋評估和指標(biāo)統(tǒng)計(jì)方法研究

3.1 指標(biāo)數(shù)據(jù)輸出結(jié)果解析

（1）數(shù)據(jù)輸出原始結(jié)果

室內(nèi)3D仿真輸出結(jié)果的列表頭（精度級別）：劃定區(qū)域、劃定樓宇編號(hào)、每棟樓宇一層圖例（內(nèi)含總和以及每一種圖例信息）等。

室內(nèi)3D仿真輸出結(jié)果的行表頭（分類）：表面積、表面積占比、每種包含在內(nèi)的地物類型定義下的面積和面積占比等。

圖2示例為某地市全球通大廈及其周邊小范圍區(qū)域內(nèi)樓宇3D高精度仿真輸出報(bào)表。

（2）數(shù)據(jù)輸出結(jié)構(gòu)解析

圖2的第一級行表頭為該次仿真指定分析的樓宇，第二級行表頭為樓宇分層結(jié)構(gòu)，分為了1.5 m、4.5 m等高度的多層覆蓋信息，第三級行表頭為指定的圖例部分，其中每一層有對應(yīng)的圖例劃分部分的覆蓋面積（若選中百分比，將在后續(xù)中對應(yīng)體現(xiàn)）。

圖2的各個(gè)列表頭在地物類型上分別劃分了存在的各building類型、對應(yīng)的面積（或百分比），若劃分到每一棟building的每一層精度，則如下所述：

圖2中Name列標(biāo)識(shí)為Hot-Spot：83224（即指定的建筑ID）區(qū)域內(nèi)的覆蓋情況報(bào)表。此表后續(xù)的信息通常只在其中一種building類型中有數(shù)值（每一棟building通常只對應(yīng)一種類型），可以看出，此表面積信息都是0.000025的整倍數(shù)，這是因?yàn)樵诖斯こ讨惺褂玫氖? m×5 m的計(jì)算精度，0.000025即為最小計(jì)算單元格。此表內(nèi)含該建筑室內(nèi)每一層的覆蓋情況。

綜上，我們獲取3D高精度仿真下的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過對該部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)化的統(tǒng)計(jì)分析，即可得出需要分析的覆蓋問題關(guān)鍵點(diǎn)。

3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)評估方法

可以得到不同精度等級的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分別精確到整個(gè)仿真區(qū)域、仿真區(qū)域內(nèi)的每一棟樓宇、每一棟樓宇內(nèi)的每一層。建議小范圍內(nèi)使用高精度生成報(bào)表，如果polygon范圍過大，不建議精度太高，否則會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量巨大。

生成指定區(qū)域（building數(shù)量不宜過多）內(nèi)每一棟building及其每一層精度的報(bào)表方法如下（在所需的多層圖例計(jì)算出結(jié)果之后進(jìn)行如下操作）：首先對指定區(qū)域內(nèi)的building單獨(dú)從整個(gè)仿真區(qū)域中剪切出來，構(gòu)成一個(gè)新的tab圖層，其范圍內(nèi)每個(gè)polygon對應(yīng)表中存儲(chǔ)相關(guān)信息。指定區(qū)域如圖3所示：

圖2 某地市全球通大廈室內(nèi)3D仿真原始輸出結(jié)果（部分示例）

圖3 3D室內(nèi)高精度仿真樓宇切割

用于切割的相關(guān)信息至少要有每棟建筑的唯一標(biāo)識(shí)（此工程中為Planet_Id），如圖4所示：

圖4 3D室內(nèi)高精度仿真樓宇切割后的圖層

然后在工程的GEO窗口內(nèi)的Zone目錄下的Hot Spots圖層中導(dǎo)入上面新構(gòu)成的tab圖層。圖5（a）為未導(dǎo)入Hot Spots的圖層，圖5（b）為導(dǎo)入Hot Spots的圖層，可見其每一棟建筑輪廓即為導(dǎo)入的每一個(gè)Hot Spots。

圖5 導(dǎo)入切割后的建筑物圖層前后對比

然后對所計(jì)算的prediction進(jìn)行Generate Report，其中，針對仿真數(shù)據(jù)分析所需進(jìn)行選擇，如圖6所示：

圖6 預(yù)測報(bào)告數(shù)據(jù)勾選

在列中選中了每棟建筑的唯一標(biāo)識(shí)（Hot Spots：Planet_Id），以便在報(bào)表中進(jìn)行后續(xù)區(qū)分。生成的報(bào)表視所選建筑物數(shù)目、樓層高度、總面積情況產(chǎn)生輸出，根據(jù)信號(hào)覆蓋達(dá)標(biāo)的相關(guān)要求，進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析。

4 工程仿真結(jié)果實(shí)例

以某大學(xué)仿真為例進(jìn)行說明。

4.1 室內(nèi)立體仿真輸出效果

某大學(xué)附近地理信息如圖7所示。校園內(nèi)建筑物類型主要是教學(xué)樓和宿舍樓，樓層平均高度為5～6層，在該校園及周邊共分布9個(gè)LTE室外站點(diǎn)。

圖7 某大學(xué)地理信息及LTE室外站點(diǎn)分布情況

該大學(xué)室內(nèi)立體仿真整體效果如圖8所示。西區(qū)飯?zhí)眉敖坦W(xué)生宿舍區(qū)室內(nèi)信號(hào)覆蓋最好；北部的教學(xué)區(qū)行政辦公及實(shí)驗(yàn)樓室內(nèi)信號(hào)覆蓋良好；東區(qū)飯?zhí)眉敖坦W(xué)生宿舍室內(nèi)信號(hào)覆蓋達(dá)標(biāo)，局部區(qū)域可以考慮加強(qiáng)覆蓋，優(yōu)化用戶感知體驗(yàn)；校園中部的體育館覆蓋最差，未達(dá)到室內(nèi)覆蓋標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 某大學(xué)室內(nèi)立體仿真整體效果

4.2 仿真結(jié)果詳細(xì)分析

如圖9所示，西區(qū)飯?zhí)眉敖坦W(xué)生宿舍區(qū)域內(nèi)規(guī)劃建設(shè)有2個(gè)LTE室外站點(diǎn)，信號(hào)覆蓋較好，通過詳細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，室內(nèi)平均RSRP為-95dBm以上。

圖9 西區(qū)飯?zhí)眉敖坦W(xué)生宿舍仿真結(jié)果

如圖10所示，教學(xué)區(qū)行政辦公及實(shí)驗(yàn)樓區(qū)域規(guī)劃建設(shè)3個(gè)LTE室外站點(diǎn)，信號(hào)覆蓋良好。局部區(qū)域可以考慮加強(qiáng)覆蓋，以優(yōu)化用戶感知體驗(yàn)。

圖10 教學(xué)區(qū)行政辦公及實(shí)驗(yàn)樓仿真結(jié)果

如圖11所示，東區(qū)飯?zhí)眉敖坦W(xué)生宿舍區(qū)域規(guī)劃建設(shè)1個(gè)LTE室外站點(diǎn)，室內(nèi)信號(hào)覆蓋整體達(dá)標(biāo)，局部區(qū)域可以考慮加強(qiáng)覆蓋，以優(yōu)化用戶感知體驗(yàn)。

圖11 東區(qū)飯?zhí)眉敖坦W(xué)生宿舍仿真結(jié)果

如圖12所示，校園中部的體育館覆蓋效果較差，通過詳細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，底部起1.5 m一層、4.5 m二層直至10.5 m四層以內(nèi)，平均RSRP都在-115 dBm以下，未達(dá)到室內(nèi)覆蓋標(biāo)準(zhǔn)。

圖12 體育館仿真結(jié)果

4.3 問題解決建議

通過某大學(xué)的3D室內(nèi)高精度仿真，共發(fā)現(xiàn)1個(gè)弱覆蓋問題、2個(gè)優(yōu)化調(diào)整問題。建議對校園中部的體育館新建室分系統(tǒng)解決其弱覆蓋問題，對教學(xué)區(qū)和東區(qū)飯?zhí)玫木植坑脩趔w驗(yàn)提升區(qū)域，可考慮對周邊站點(diǎn)進(jìn)行RF調(diào)整。

綜上，3D室內(nèi)仿真可以在一定程度上觀察室外基站對附近3D建筑室內(nèi)的覆蓋效果，并作出是否需建設(shè)室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)或小基站來改良覆蓋的判斷。但是受限于Crosswave模型只能對所接觸的第一層阻擋物（墻壁）模擬，并不能計(jì)算第二層阻擋物的效果，仿真結(jié)果僅可以作為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)參考的一項(xiàng)依據(jù)。在此仿真評估的基礎(chǔ)上，可以再結(jié)合現(xiàn)場點(diǎn)測、用戶投訴、話統(tǒng)、MR數(shù)據(jù)等多個(gè)維度，綜合評估室內(nèi)覆蓋情況，提出最終的室內(nèi)覆蓋問題解決建議。

5 結(jié)束語

本文通過對3D室內(nèi)高精度仿真關(guān)鍵參數(shù)的理論分析，并結(jié)合實(shí)際穿透損耗進(jìn)行室內(nèi)覆蓋總體評估和細(xì)化覆蓋評估，精細(xì)化、數(shù)據(jù)化地呈現(xiàn)室內(nèi)覆蓋效果，以此進(jìn)行精準(zhǔn)化室內(nèi)覆蓋問題的發(fā)掘，指導(dǎo)后續(xù)規(guī)劃和優(yōu)化工程的實(shí)施。

未來的研究方向?qū)⒗^續(xù)尋求結(jié)合室內(nèi)外協(xié)同仿真，進(jìn)行更加精細(xì)化的覆蓋問題分析，通過更全面細(xì)致的理論參數(shù)和更系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中復(fù)雜的構(gòu)成進(jìn)行分析，以期對工程建設(shè)有更加準(zhǔn)確的指導(dǎo)價(jià)值。

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Research on Method of 3D High-Precision Simulation

LI Rui, SHE Sha, MAI Leixin
(Guangdong Planning and Designing Institute of Telecommunications Co., Ltd., Guangzhou 510630, China)

The 3D high-precision indoor coverage simulation is of great significance to the enhancement of planning technology level and competiveness. Therefore, a method of 3D high-precision indoor simulation, whose focus is the key parameter selection, indoor coverage evaluation and indicator statistical method, was investigated based on the engineering practice. By means of this method, the indoor coverage can be fast and accurately predicted by simulations. The predicted coverage results can be fully and reasonably utilized to highly enhance working efficacy.

indoor coverage deep coverage high-precision simulation

李睿：助理工程師，學(xué)士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司通信設(shè)計(jì)師，研究方向?yàn)?D高精度室內(nèi)仿真。

佘莎：助理工程師，碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司通信設(shè)計(jì)師，研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化。

麥磊鑫：工程師，博士畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，現(xiàn)任廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司項(xiàng)目經(jīng)理，研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.15.013

TN915

A

1006-1010(2017)15-0069-06

李睿,佘莎,麥磊鑫. 3D室內(nèi)高精度仿真方法研究[J]. 移動(dòng)通信, 2017,41(15): 69-74.

2017-03-22

責(zé)任編輯：黃耿東 huanggengdong@mbcom.cn