雷鳴，黃小光，汪偉，趙品勇

（華信咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

1 引言

傳播模型對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃而言非常重要，傳播模型準(zhǔn)確性與網(wǎng)絡(luò)仿真效果可靠性息息相關(guān)，由于各地的無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境千差萬(wàn)別，相應(yīng)的傳播模型也有較大差異，日常規(guī)劃中采用傳統(tǒng)傳播模型前需要進(jìn)行CW測(cè)試及校正就是為了得到更接近當(dāng)?shù)貍鞑ヒ?guī)律的模型。使用傳統(tǒng)傳播模型不僅需要花費(fèi)大量人力物力進(jìn)行CW測(cè)試，而且不論采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)或者半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行校正后的模型準(zhǔn)確性及場(chǎng)景通用性也都不高。

從原理上分析，3D射線(xiàn)跟蹤模型是基于射線(xiàn)跟蹤法用射線(xiàn)來(lái)表示電磁波束的傳播，在確定了收發(fā)天線(xiàn)的位置以及周?chē)ㄖ拳h(huán)境特征后，根據(jù)電磁波的反射、繞射、透射、散射等波動(dòng)現(xiàn)象，再借助于計(jì)算機(jī)就有可能精確地確定每一條射線(xiàn)的傳播路徑，從而可以應(yīng)用一致繞射理論（UTD）的一些研究成果來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)微蜂窩區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)（功率）分布，進(jìn)而確定路徑損耗、功率、遲延譜等[1]。相比傳統(tǒng)模型，射線(xiàn)跟蹤模型在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)仿真中具體效果如何還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。本文結(jié)合密集城區(qū)及農(nóng)村場(chǎng)景，以CrossWave射線(xiàn)跟蹤模型為例，對(duì)射線(xiàn)模型的仿真效果進(jìn)行驗(yàn)證，以指導(dǎo)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃[2]。

2 CrossWave傳播模型介紹

2.1 無(wú)線(xiàn)傳播模型分類(lèi)

傳播模型主要受系統(tǒng)工作頻率、收發(fā)天線(xiàn)距離、天線(xiàn)高度、地物地形等因素影響。根據(jù)傳播模式的性質(zhì)，無(wú)線(xiàn)傳播模型可分為傳統(tǒng)傳播模型和確定性模型兩大類(lèi)。傳統(tǒng)傳播模型包括經(jīng)驗(yàn)及半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，主要有自由空間模型、Okumura-Hata模型、Cost-Hata模型和SPM模型，該類(lèi)模型是通過(guò)特定場(chǎng)景下的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到的經(jīng)驗(yàn)性公式模型，模型計(jì)算量要小，對(duì)電子地圖的數(shù)據(jù)要求也較低，針對(duì)不同地區(qū)，需提前進(jìn)行模型參數(shù)校正方可應(yīng)用。確定性模型需要結(jié)合傳播路徑上的地物、建筑物的幾何信息，利用電波的反射、繞射、衍射等特性作為理論的模型。高精度的數(shù)字地圖信息則能較準(zhǔn)確模擬出實(shí)際的信號(hào)路由，而3D射線(xiàn)跟蹤模型則作為確定性模型的一種[7]。

2.2 CrossWave射線(xiàn)模型原理

由Orange Labs實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的CrossWave是一種典型的確定性模型，作為3D射線(xiàn)傳播模型典型代表，其支持移動(dòng)所有無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)，能滿(mǎn)足200 MHz到5 GHz范圍內(nèi)的頻段仿真需求，可通過(guò)CW測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校正，能較為真實(shí)模擬垂直衍射、水平導(dǎo)向傳播、山脈反射等無(wú)線(xiàn)傳播。其主要原理是利用導(dǎo)入三維數(shù)字地圖數(shù)據(jù)，通過(guò)圖形分析、映射算法等，生成CrossWave特有三個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)文件，具體如下：

（1）Morphology地物形態(tài)數(shù)據(jù)：由DTM和Clutter Classes地圖聯(lián)合生成的，具體原理是將地圖中不同的Clutter Classes地物與CrossWave自定義的特定地物場(chǎng)景進(jìn)行關(guān)聯(lián)映射，從而確保每種地物場(chǎng)景都準(zhǔn)確調(diào)用與之相對(duì)應(yīng)的傳播特性算法，每種地物擁有一套特定的傳播參數(shù)，結(jié)合模型內(nèi)部算法最終可生成一個(gè)用來(lái)描述地物環(huán)境的柵格數(shù)據(jù)文件，其映射關(guān)系如圖1所示。

由于CrossWave模型區(qū)分地物類(lèi)型選用不同傳播特性，因此可以規(guī)避了傳統(tǒng)二維模型基于部分場(chǎng)景校正后推廣應(yīng)用于所有場(chǎng)景帶來(lái)的誤差和不足。

（2）Facet平面數(shù)據(jù)：利用DTM地圖生成，主要能夠模擬山脈的信號(hào)反射，從而確保有效尋找發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間所有的傳播路徑，尤其能相對(duì)真實(shí)的反映出諸如山區(qū)場(chǎng)景的信號(hào)傳播特性。

圖1 CrossWave射線(xiàn)模型映射原理

（3）Graph建筑物矢量數(shù)據(jù)：由3D Building矢量地圖生成的，主要用于模擬道路（地圖上的街道）。Graphs信息可以讓模型考慮在迷你和微蜂窩小區(qū)環(huán)境中的（水平）導(dǎo)向傳播，用于尋找收發(fā)端之間的所有傳播路徑。

由此可知，相比傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式模型而言，CrossWave射線(xiàn)跟蹤模型不僅能支持水平傳播，同時(shí)在信號(hào)垂直衍射、山脈反射等方面都能更為真實(shí)地進(jìn)行模擬。

3 CrossWave模型分場(chǎng)景評(píng)估驗(yàn)證

3.1 城區(qū)場(chǎng)景應(yīng)用效果驗(yàn)證

某密集城區(qū)內(nèi)面積為5.1 km2，該區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)宏站37個(gè)，通過(guò)將所有實(shí)際DT樣本點(diǎn)位處測(cè)試指標(biāo)與基于CrossWave得出的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估仿真與測(cè)試RSRP、SINR的偏離值，形成效果圖如圖2所示。

通過(guò)對(duì)比，得出結(jié)論：（1）從直觀渲染效果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，道路面上大部分DT采樣點(diǎn)位處仿真和DT得出的RSRP電平區(qū)間配色效果一致，即吻合度較高；（2）逐點(diǎn)對(duì)比分析仿真值與DT測(cè)試值，通過(guò)統(tǒng)計(jì)各個(gè)樣本標(biāo)準(zhǔn)方差可以發(fā)現(xiàn)，RSRP標(biāo)準(zhǔn)偏差為8.08、SINR標(biāo)準(zhǔn)偏差為8.27，均達(dá)到傳播模型矯正要求的8左右水平值，仿真對(duì)測(cè)試總體吻合度高。對(duì)密集城區(qū)場(chǎng)景而言，基于未經(jīng)校正的CrossWave射線(xiàn)模型進(jìn)行高精度仿真效果已經(jīng)能夠相對(duì)真實(shí)地反映出實(shí)際覆蓋水平。

3.2 農(nóng)村場(chǎng)景應(yīng)用效果評(píng)估

農(nóng)村場(chǎng)景要求覆蓋范圍廣，無(wú)線(xiàn)地形環(huán)境復(fù)雜多樣，村組間隔距離遠(yuǎn)且分散，尤其是部分山區(qū)農(nóng)村受山體阻擋問(wèn)題嚴(yán)重，傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谵r(nóng)村場(chǎng)景適用性較差。因此，針對(duì)農(nóng)村場(chǎng)景，選用某平原及丘陵山區(qū)場(chǎng)景驗(yàn)證CrossWave在農(nóng)村場(chǎng)景下的應(yīng)用效果，評(píng)估其反射、繞射、衍射性能。

平原農(nóng)村具備實(shí)際DT測(cè)試條件，采用DT測(cè)試與仿真對(duì)比方式進(jìn)行驗(yàn)證，將DT得到的測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真軟件進(jìn)行直觀評(píng)估，得出某驗(yàn)證區(qū)CrossWave仿真與實(shí)測(cè)的場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比效果如圖3所示。

可以發(fā)現(xiàn)，采用CrossWave進(jìn)行仿真獲取的道路覆蓋與實(shí)際測(cè)試偏離值為8.87 dB，仿真可靠。

圖2 RSRP及SINR指標(biāo)仿真與測(cè)試偏離度對(duì)比效果

考慮到實(shí)測(cè)條件，山區(qū)農(nóng)村場(chǎng)景在同等參數(shù)設(shè)置前提下，依次分別基于CrossqWave射線(xiàn)模型、Cost-Hata模型、SPM模型進(jìn)行上下行覆蓋預(yù)測(cè)，對(duì)比仿真效果差異性。以某個(gè)包括丘陵、山區(qū)特性的農(nóng)村區(qū)域仿真為例，得到不同模型下行仿真預(yù)測(cè)效果如圖4所示。

由圖4可知，采用CrossWave仿真效果均優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停Y(jié)合對(duì)農(nóng)村實(shí)際覆蓋效果的情況了解，CrossWave仿真對(duì)覆蓋評(píng)估較為合理。同理，上行方向采用CrossWave仿真效果也更加接近真實(shí)情況，指標(biāo)比傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透鼮楹侠?，CrossWave仿真對(duì)農(nóng)村場(chǎng)景可靠性更高。

3.3 CrossWave傳播模型結(jié)論

通過(guò)對(duì)密集城區(qū)、平原、丘陵、山區(qū)農(nóng)村場(chǎng)景的實(shí)測(cè)與仿真對(duì)比驗(yàn)證，采用CrossWave射線(xiàn)傳播模型進(jìn)行仿真可以得出以下結(jié)論：

（1）CrossWave提供比標(biāo)準(zhǔn)Hata模型更高的準(zhǔn)確性，該模型精確度取決于仿真地圖精度，仿真地圖精度越高，模型越準(zhǔn)確（高精度地圖的3D矢量地圖提高了街道無(wú)線(xiàn)傳播的準(zhǔn)確性）。

圖3 平原農(nóng)村場(chǎng)景的驗(yàn)證效果圖

圖4 下行方向不同模型仿真效果對(duì)比

（2）模型對(duì)每一種自定義場(chǎng)景類(lèi)型會(huì)使用缺省的優(yōu)化系數(shù)，在未校正情況下即可得到接近實(shí)際現(xiàn)網(wǎng)的預(yù)測(cè)效果，同時(shí)，當(dāng)模型在某一頻段校正后，可以從已校正的模型中推斷計(jì)算出另外頻段的優(yōu)化系數(shù)，對(duì)于不同頻段的支持能力得到優(yōu)化。

（3）城區(qū)SPM校正合理后的性能（校正后標(biāo)準(zhǔn)方差低于6 dB）和射線(xiàn)追蹤模型未校正前的效果相當(dāng)，而當(dāng)無(wú)線(xiàn)環(huán)境變得更加復(fù)雜而且更多不同地物類(lèi)型時(shí)，CrossWave能得到更加與實(shí)際接近的效果。

（4）由于CrossWave傳播計(jì)算考慮更多的功能（穿透植被，水平垂直衍射，反射折射、室外到室內(nèi)穿透等），其消耗的計(jì)算時(shí)間大于SPM模型。

（5）CrossWave射線(xiàn)傳播模型在城區(qū)及農(nóng)村場(chǎng)景效果均更佳接近真實(shí)情況，對(duì)于不同場(chǎng)景間的通用性及可延升性比普通經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透鼉?yōu)，因此，射線(xiàn)傳播模型更加能夠滿(mǎn)足目前無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)多、無(wú)線(xiàn)環(huán)境復(fù)雜背景下的網(wǎng)絡(luò)仿真及評(píng)估。

表1 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)傳播模型選取策略

4 無(wú)線(xiàn)仿真中傳播模型選取建議

無(wú)線(xiàn)傳播模型是移動(dòng)通信網(wǎng)小區(qū)規(guī)劃的基礎(chǔ)，各地?zé)o線(xiàn)傳播環(huán)境千差萬(wàn)別，相應(yīng)的傳播模型也有較大差異，選用的傳播模型的準(zhǔn)確與否關(guān)系到小區(qū)規(guī)劃是否合理，也直接影響規(guī)劃建設(shè)方案的投資與收益，通過(guò)不同傳播模型的對(duì)比驗(yàn)證，在日常無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，傳播模型選取建議如表1所示。CrossWave模型支持從微蜂窩、迷你蜂窩到宏蜂窩等所有的小區(qū)類(lèi)型，滿(mǎn)足任何類(lèi)型的傳播環(huán)境，包括密集城區(qū)、城區(qū)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村等場(chǎng)景的要求。經(jīng)驗(yàn)證，即使未校正的CrossWave模型已經(jīng)達(dá)到普通傳播模型校正后的效果，在具備條件的情況下，也可利用CW測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳播環(huán)境的自動(dòng)模型校正。

從CrossWave原理可知，仿真準(zhǔn)確性跟各種地圖可用性有很大關(guān)系，精度信息越高、圖層信息越豐富的地圖，能對(duì)CrossWave帶來(lái)更精確的效果。因此，選用CrossWave模型同時(shí)，建議配合5 m高精度地圖進(jìn)行無(wú)線(xiàn)仿真能有效反映信號(hào)衍射、山脈反射等傳播現(xiàn)象，從而更加真實(shí)評(píng)估信號(hào)在該地區(qū)的傳播特性。開(kāi)展仿真時(shí)，除需要提前生成前文提到的CrossWave三個(gè)核心數(shù)據(jù)文件外，模型配置中需提前規(guī)劃設(shè)計(jì)其他附加模型參數(shù)，如需明確是否考慮水域計(jì)算、建筑物側(cè)面衍射以及設(shè)置室內(nèi)外穿透損量等。配合高精地圖，選用CrossWave的仿真流程如圖5所示：

圖5 CrossWave模型結(jié)合高精地圖的仿真流程

針對(duì)地圖選用建議：在密集城區(qū)，建議所有的地圖數(shù)據(jù)都導(dǎo)入，特別是3D建筑物矢量地圖，對(duì)微蜂窩環(huán)境帶來(lái)非常精確的效果。鄉(xiāng)村環(huán)境下，建議最低的地圖配置要求包括DTM地圖和Clutter Calsses地圖。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以典型的射線(xiàn)傳播模型CrossWave為例，對(duì)3D射線(xiàn)模型在仿真中的應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證性研究。在覆蓋效果方面，通過(guò)對(duì)仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)基于3D射線(xiàn)模型的高精度仿真與實(shí)際效果是相對(duì)吻合的；在應(yīng)用場(chǎng)景方面，對(duì)于密集城區(qū)場(chǎng)景下，3D模型在未進(jìn)行模型校正下便能取得SPM校正后的效果，對(duì)于農(nóng)村場(chǎng)景，射線(xiàn)模型比普通經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣t具備合理性和可靠性。因此，相比傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投裕?D射線(xiàn)模型更能滿(mǎn)足目前網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)評(píng)估規(guī)劃需求。目前，包括CrossWave在內(nèi)的射線(xiàn)穿模模型在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中也進(jìn)行大范圍推廣應(yīng)用，大大提升了仿真對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃指導(dǎo)的參考價(jià)值。