崔 揚 陳品祥 劉 光 董志海 劉增良 王凱松

(1. 北京市測繪設計研究院,北京 100038;2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室,北京 100038)

0 引言

華為在國際上首次提出室內(nèi)第五代移動通信技術(shù)(5th generation mobile communication technology,5G)目標建網(wǎng)理念,助力運營商打造5G時代數(shù)字化的室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡。由于室內(nèi)場景復雜多樣、目標遮擋嚴重、目標間重疊等特點,與室外網(wǎng)絡建設相比,室內(nèi)網(wǎng)絡建設花費時間更長、更加困難。因此,5G小基站選址將是基站建設的一項重要工作。目前,有很多學者已經(jīng)研究5G基站選址方法,文獻[1-2]以城市基站建設作為研究,對移動通信基站規(guī)劃建設進行了探討和實踐,基站作為基礎建設納入城市的規(guī)劃設計中。文獻[3]在GIS技術(shù)無線通信基站選址的過程中指出：需要考慮多方面因素,提高選址的合理性、科學性、高效性。文獻[4]利用宏微基站相結(jié)合等策略來闡述如果提高5G基站選址的成功率。多數(shù)研究工作隨機給定測試點,以仿真軟件設置仿真參數(shù),模擬基站信號的覆蓋情況[5-6],采用遺傳算法的搜索特性和免疫算法的自適應特征,來解決5G基站的選址問題,僅僅針對室外區(qū)域進行5G微基站選址,針對結(jié)構(gòu)復雜的室內(nèi)環(huán)境,無法保證選址結(jié)果的實用性和合理性,同時,并沒有考慮基站的優(yōu)化效率。

目前,80%的業(yè)務將發(fā)生在室內(nèi)場景,室內(nèi)仍將是5G網(wǎng)絡時代覆蓋的重要方向[7]。因此,室內(nèi)5G小基站選址將是基站建設的一項重要工作。有效的選址工作不僅可以提升投資效率,還可以降低基站的建設和維護成本。針對這一問題,本研究提出一種基于室內(nèi)三維結(jié)構(gòu)化模型的5G基站信號仿真和優(yōu)化選址方法。主要模擬5G信號在傳播過程中的路徑損耗和墻面材料對信號造成的反射衰減損耗,同時基于貪婪優(yōu)化算法設計了面向5G基站優(yōu)化選址策略,目的是布設最少的基站數(shù)量達到5G信號最大覆蓋度。

1 基于自動化室內(nèi)建模的5G信號仿真

本研究采用文獻[8]的方法自動化重建室內(nèi)結(jié)構(gòu)化模型,室內(nèi)模型主要包括天花板、地板、墻面、窗戶、門等剛性結(jié)構(gòu),忽略了室內(nèi)復雜的家具物品。在這種剛性結(jié)構(gòu)的室內(nèi)模型下,模擬通信遮擋關(guān)系。由于5G的毫米波的穿透損耗大,在室內(nèi)環(huán)境的傳播主要是以直射、反射為主。在本研究中,利用信號傳播損耗模型計算信號傳播位置的能量值;同時考慮墻壁對反射信號造成的能量損耗,最終模擬5G信號的強度值。

1.1 信號傳播過程

5G信號波長較短,頻率較高,在室內(nèi)空間的傳播過程中遇到墻壁會有很大程度上的衰減,同時衍射能力也很弱,也就是繞過阻擋物的能力很弱[9]。本研究主要基于重建的室內(nèi)模型模擬5G信號在室內(nèi)的傳播情況,即室內(nèi)結(jié)構(gòu)對通信遮擋關(guān)系。在信號傳播過程中,考慮入射和反射的衰減,以及多路徑效應。

在信號仿真過程中,利用射線追蹤算法,求解出信號當遇到模型結(jié)構(gòu)中的墻壁、地板、物體表面及邊緣引起的反射等射線,從而可以得到收發(fā)端所有可能的傳播路徑。具體步驟為：基于重建的三維室內(nèi)模型,從發(fā)射源向周圍空間隨機發(fā)出大量的射線,射線傳播可以視為球體的均勻剖分問題;當射線發(fā)射后,會去尋找路徑最短的平面入射點,計算反射路線,并繼續(xù)進行傳播。由于5G信號頻率較高,波長較短,傳播過程中受到建筑物等環(huán)境的影響,場強會迅速衰減。

1.2 信號傳播能量模型

在信號傳播過程中,本研究主要利用信號傳播損耗模型計算信號傳播位置的能量值;同時考慮重建的室內(nèi)結(jié)構(gòu)模型(墻面)對反射信號造成的損耗,以此模擬5G信號的強度值。

1.2.1直射場強(路徑損耗模型)

在信息傳播過程中,信號會產(chǎn)生一定的路徑損耗,為了滿足信號的覆蓋范圍以及移動用戶接收的信號質(zhì)量,需要大量布設通信基站。然而,選擇合適的信號傳播模型,以精確計算和仿真收發(fā)端信號的傳播情況顯得尤為重要。通過研究發(fā)現(xiàn),該過程主要與收發(fā)天線間的距離及路徑損耗有關(guān)[9-10]。通常無線信號在傳播過程中,如果收發(fā)信號兩端中間沒有障礙物遮擋,信號是直線傳播,即稱為視距傳播;如果有障礙物,信號不是直線傳播,即稱為非視距傳播[11]。其中,在典型的室內(nèi)環(huán)境下,5G信號非視距傳播損耗模型和視距傳播損耗模型為

Lfs,dB-NLOS=32.4+31.9·lg(dp)+20·lg(f)

1≤dp≤86

(1)

Lfs,dB-LOS=32.4+17.3·lg(dp)+20·lg(f)

1≤dp≤100

(2)

式中，Lfs,dB-NLOS是非視距傳播信號的損耗值；Lfs,dB-LOS是視距傳播信號的損耗值；dp是收發(fā)天線的間距，單位為m；f是電磁波的頻率,該公式表明信號的頻率越大或傳播距離越長,傳播損耗越大[12]。

1.2.2反射場強

在信號的傳播過程中,通?？紤]墻壁的材料屬性對反射信號造成的損耗,以此精確地模擬5G信號的強度值。根據(jù)信號反射原理,信號遇到障礙物時的入射波和反射波位于法線兩側(cè),入射角等于反射角。如圖1所示,Ix和Rx分別表示源點和場點,S1和S2表示入射波路徑和反射波路徑,R為反射點,n為法線方向,θ為入射角和反射角[13]。

圖1 信號反射示意圖

反射波場強表示為

(3)

其融合了場點的垂直極化和水平極化分量,表示為

(4)

(5)

A(s2)是反射點R到場點Rx的振幅擴散因子,定義為

A(s2)=s1/(s1+s2)

(6)

(7)

反射系數(shù)公式[11]為

(8)

式中,ε為反射面等效電參數(shù)(由反射面材料屬性確定),定義為

ε=εr-j60σλ

(9)

式中，εr為反射面的相對介電常數(shù)；σ為導電率；λ為入射波的波長。

1.3 5G信號仿真

在現(xiàn)實室內(nèi)場景中,5G無線信號會受到各種不確定因素的影響,包括移動的物體、不同材質(zhì)的室內(nèi)物品等,很難獲得完全確定的結(jié)果。因此,只能在室內(nèi)固有建筑物下,計算信號主要的傳播路徑,舍棄影響小的多徑,利用比較普遍的建筑物材質(zhì)參數(shù)代替無法準確地獲取建筑物信息。基站位置通常布設在天花板附近,因此,在模擬信號傳播情況時,接近天花板的位置給定高程確定二維水平面,將水平面劃分均勻格網(wǎng)(格網(wǎng)邊長1 m),判斷每個格網(wǎng)的中心是否屬于重建房屋的區(qū)域,以此來確定候選基站,該過程如圖2所示。

(a)重建的室內(nèi)模型

(b)候選基站位置

在5G信號仿真中,以重建的三維室內(nèi)結(jié)構(gòu)化模型為基礎,利用射線追蹤原理,假定以每個候選基站為球體中心(xm,ym,zm),以隨機方向(dx,dy,dz)發(fā)射信號射線(實驗射線數(shù)量為15 000,現(xiàn)實情況的射線數(shù)量更多);rd是信號傳播距離,根據(jù)5G信號在室內(nèi)環(huán)境的傳播特性,其最小傳播距離為0 m,最大傳播距離為100 m,當射線發(fā)射路徑超出了距離閾值,則停止傳播;當射線與室內(nèi)模型的三角網(wǎng)相交,可得到三角網(wǎng)的索引號,并通過模型的結(jié)構(gòu)信息確定三角網(wǎng)的法向量和語義標記,交點坐標為

(10)

(11)

在重建的室內(nèi)結(jié)構(gòu)模型下,信號傳播示意圖如圖3所示。

圖3 信號的傳播示意圖

在確定信號傳播射線路徑后,計算射線的能量值,射線采樣距離為0.05 m;信號直線傳播過程只考慮路徑損耗,強度損失函數(shù)如公式(2)所示,當5G的高頻信號傳播距離大于1 m時,信號強度會減弱。當信號遇到墻時,普通墻的材質(zhì)為混凝土,信號穿過墻衰減將近20 dB[14],接收到信號很少,因此,只考慮信號遇到墻的反射傳播,反射衰減強度的計算如式(3)～式(9)所示。信號的仿真結(jié)果,如圖4和圖5所示,可以清晰地反映出信號的傳播情況,包括多路徑效應，墻面的反射、開口門的透射，以及傳播過程中信號的能量由強變?nèi)?。從圖4方框可以發(fā)現(xiàn),由于信號遇到墻反射后急速衰減。從5G信號仿真結(jié)果表明,信號強度損耗與多種因素有關(guān),包括射線的入射角度、收發(fā)天線之間的距離、障礙物的材質(zhì)等。

圖4 遇到墻后信號急速衰減

基于自動化室內(nèi)建模的5G信號仿真,考慮了信號在傳播過程中的路徑損耗和反射衰減損耗;由于實際室內(nèi)場景更為復雜,并不能仿真出所有情況。在實驗中,我們采用國際攝影測量與遙感學會(International Society for Photogrammetry and Remote Sensing, ISPRS)提供的典型多層、多房屋的benchmark數(shù)據(jù)[15],重建其室內(nèi)結(jié)構(gòu)化模型,不具有5G信號的真值,因此沒有對信號強度分布進行驗證。本研究對5G信號大致傳播趨勢和覆蓋情況進行了仿真分析,并把后續(xù)的優(yōu)化選址作為數(shù)據(jù)基礎,具有一定的實際應用價值。

2 基于室內(nèi)結(jié)構(gòu)化模型的5G小基站優(yōu)化選址

本研究以重建的室內(nèi)結(jié)構(gòu)化模型與5G信號仿真為基礎,利用貪婪優(yōu)化算法設計了面向5G通信基站優(yōu)化選址方法[16]。在5G小基站優(yōu)化選址過程中,候選基站格網(wǎng)劃分越精細,優(yōu)化基站的位置越接近最優(yōu)解,但也加大了運算時間。因此,為了保證基站位置的正確性、信號的覆蓋度,同時提升優(yōu)化效率,本研究提出了多尺度格網(wǎng)的空間劃分策略進行5G小基站優(yōu)化選址,旨在利用最少的基站達到5G信號最大覆蓋度。

2.1 基于均勻格網(wǎng)的候選基站優(yōu)化選址

基于1節(jié)中的5G信號仿真結(jié)果,若將室內(nèi)結(jié)構(gòu)化模型均勻劃分為三維格網(wǎng),計算每個候選基站所覆蓋的三維格網(wǎng),處理時間較長。因此,為了提升計算效率,將三維房屋模型投影到二維平面,將其劃分為均勻格網(wǎng),統(tǒng)計二維平面格網(wǎng)的索引號,如圖5所示。同時,將每個基站發(fā)射的三維強度射線投影到二維水平面,計算強度射線采樣點所在的二維格網(wǎng)的索引號。

圖5 二維平面格網(wǎng)

統(tǒng)計每個基站覆蓋的格網(wǎng)索引號,示例結(jié)果如下

(12)

式中，g1為格網(wǎng)的索引號?；谪澙匪惴ㄔO計優(yōu)化策略對候選基站進行規(guī)劃選址,核心思想是將基站的覆蓋度為限制值,基站的數(shù)量為期望值,在滿足限制值的情況下期望值最小,也就是利用最少的基站達到最大的室內(nèi)覆蓋范圍,如公式13所示。

(13)

式中,xi是基站的索引號；cov(xi)是基站xi的覆蓋度。

將每個基站所覆蓋格網(wǎng)的數(shù)量排序,具有最大覆蓋網(wǎng)格數(shù)量的基站被視為優(yōu)化基站,同時,其他基站的覆蓋格網(wǎng)與其求交,將求交后剩余網(wǎng)格數(shù)量排序;同理,將覆蓋度最大的基站列入優(yōu)化基站中,以此類推,當場景的覆蓋度為80%的時候停止迭代,最終求得優(yōu)化基站的位置和數(shù)量。

2.2 基于多尺度格網(wǎng)的候選基站優(yōu)化選址

均勻格網(wǎng)的精細空間劃分,使優(yōu)化基站的位置更接近最優(yōu)解,然而,不必要的候選格網(wǎng)大大降低了運算效率。為了縮短運算時間，保證基站位置精度,本研究提出基于多尺度格網(wǎng)的空間劃分方法來優(yōu)化5G小基站位置。

多尺度劃分的策略如下：重建房屋模型的長和寬分別劃分3～4個格網(wǎng),因此,較為狹窄的走廊,或者面積較小的房屋,格網(wǎng)的分辨率相對較大;面積較大的房屋,格網(wǎng)的分辨率相對較小。由此,根據(jù)房屋的長寬尺度,可以自適應地確定格網(wǎng)的大小,多尺度劃分的示意圖如圖6所示。

圖6 多尺度劃分的二維平面格網(wǎng)

3 測試結(jié)果分析

本研究選擇重建的典型多層、多房屋室內(nèi)結(jié)構(gòu)化模型來驗證5G基站優(yōu)化選址算法的性能。

3.1 5G基站優(yōu)化選址分析

首先,基于均勻格網(wǎng)候選基站進行優(yōu)化選址分析。將候選基站格網(wǎng)邊長分別設置為1 m、2 m、3 m、4 m,實施貪婪算法的優(yōu)化策略,并分別統(tǒng)計優(yōu)化后基站的數(shù)量、所用時間和信號的覆蓋度。優(yōu)化結(jié)果如表1、表2和圖7所示,發(fā)現(xiàn)格網(wǎng)的邊長越小,模型的候選基站越多,優(yōu)化的精度越高;也就是說空間格網(wǎng)的精細劃分,使優(yōu)化的基站位置和數(shù)量更接近最優(yōu)解,但優(yōu)化時間較長;相反,格網(wǎng)的邊長越大,優(yōu)化時間越少,優(yōu)化精度也相對降低。見圖7(d)和(h),當格網(wǎng)的邊長為4 m時,基站數(shù)量并沒有優(yōu)化,甚至在局部區(qū)域出現(xiàn)無信號的死角,不能保證信號的覆蓋度,主要原因是部分室內(nèi)房屋的寬度小于4 m,例如，狹長的走廊,并沒有布設候選基站。以上結(jié)果表明，候選格網(wǎng)邊長的選擇是提升5G小基站優(yōu)化選址效率、保證基站位置正確性的關(guān)鍵。

表1 一樓基站優(yōu)化時間和數(shù)量

表2 二樓基站優(yōu)化時間和數(shù)量

(a)格網(wǎng)邊長為1 m

(b)格網(wǎng)邊長為2 m

(d)格網(wǎng)邊長為4 m

采用2.2節(jié)介紹的基于多尺度格網(wǎng)進行候選基站優(yōu)化選址,5G小基站優(yōu)化結(jié)果如表3和圖8所示。

表3 基于多尺度格網(wǎng)的小基站優(yōu)化情況

圖8 多尺度格網(wǎng)下5G小基站優(yōu)化選址

由實驗結(jié)果可知：在保證信號覆蓋度的前提下優(yōu)化的基站數(shù)量相對減少;同時,多尺度網(wǎng)格下優(yōu)化基站位置與均勻格網(wǎng)優(yōu)化基站位置基本一致。在局部狹窄區(qū)域增加格網(wǎng)的分辨率,在較為寬敞的區(qū)域降低格網(wǎng)的分辨率,這種自適應多尺度劃分策略可以減少不必要的候選格網(wǎng)數(shù)量,在保證基站位置精度和覆蓋度的同時,也提升了優(yōu)化效率。

3.2 5G傳播信號強度分析

從重建的結(jié)構(gòu)化模型和5G小基站優(yōu)化選址結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),二樓的房屋面積比一樓的面積要大,然而,布設5G小基站的數(shù)量比一樓要少;原因是一樓的房屋較多,墻面的遮擋較大,因此信號損失較為嚴重,需要布設更多的基站才能滿足信號的覆蓋度。

然而，當不考慮墻面衰減或者墻面衰減較小，例如，玻璃墻，只考慮信號傳播過程的路徑衰減，采用公式(2)計算信號強度值。在重建的走廊和房屋模型分別布設了3個基站，見圖9(a)，信號仿真效果見圖9(b)；由5G信號覆蓋情況可以發(fā)現(xiàn)，當不考慮墻面材質(zhì)衰減的情況下，放置2～3個小基站就可以滿足5G信號的覆蓋需求。

(a)基站位置

(b)信號多路徑傳播

從5G信號仿真和小基站優(yōu)化選址的實驗結(jié)果和分析表明,5G基站想要達到較大的覆蓋效果,需要選擇一個最佳的放置位置。主要有以下的策略：①基站放置在天花板附近,輻射范圍較大,同時可以降低由室內(nèi)物品遮擋而導致的無信號區(qū)域;②基站發(fā)射信號的位置盡量少穿越墻壁,或者讓其穿過可視的玻璃門或者玻璃窗戶,增加用戶的可視性,降低損耗,以滿足信號最大利用率。

4 結(jié)束語

本研究首次基于室內(nèi)三維結(jié)構(gòu)化模型進行5G信號仿真和小基站優(yōu)化選址的方法研究,旨在布設最少的基站數(shù)量達到5G信號最大覆蓋度。實驗結(jié)果表明,本研究提出的方法可以為5G小基站布設提供可行性的解決方案,同時具有應用成本低、自動化程度高、效率高的優(yōu)勢。在重建的室內(nèi)模型中,僅僅包含一些剛性的結(jié)構(gòu)要素,并不能包含室內(nèi)物品。因此，在5G信號仿真和小基站優(yōu)化選址的結(jié)果可能與真實情況有一定的差距,但本文的方法可用來輔助5G無線網(wǎng)絡進行快速規(guī)劃和部署。

在未來的研究中,我們將仿真不同材質(zhì)的建筑物對信號的影響;同時,針對大規(guī)模室內(nèi)場景,例如,機場、火車站、大型商場等進行5G小基站優(yōu)化選址。