偏遠(yuǎn)地區(qū)5G無線網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)選址評估方法的研究

1、    偏遠(yuǎn)地區(qū)5g無線網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)選址評估方法的研究    邱東來 成立華【摘 要】為了解決5g無線網(wǎng)絡(luò)基站在偏遠(yuǎn)地區(qū)精準(zhǔn)選址面臨的困境，提出了一種量化選址效果的評估辦法，將點(diǎn)覆蓋以及線覆蓋通過離散取樣統(tǒng)一到了一套數(shù)學(xué)計算模型中，并通過案例進(jìn)行了驗證。該方法具有低成本、簡單實用的特點(diǎn)，能夠有效地指導(dǎo)偏遠(yuǎn)地區(qū)5g基站精準(zhǔn)選址建設(shè)。5g精準(zhǔn)選址；偏遠(yuǎn)地區(qū)5g基站規(guī)劃；選址評估辦法1 引言根據(jù)我國國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要，2020年之前將實現(xiàn)5g商用。北京時間2018年6月14日，3gpp全會批準(zhǔn)了第五代移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（5g nr）獨(dú)立組網(wǎng)功能凍結(jié)，至此5g已經(jīng)

2、完成第一階段全功能標(biāo)準(zhǔn)化工作。全球運(yùn)營商、設(shè)備廠商、終端廠商均進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)全面沖刺新階段。5g總體愿景是信息隨心至，萬物觸手及。而要實現(xiàn)這一愿景，無所不在的5g無線網(wǎng)絡(luò)是重要保障。2017年11月15日，工信部官網(wǎng)發(fā)布關(guān)于第五代移動通信系統(tǒng)使用3 300 mhz3 600 mhz和4 800 mhz5 000 mhz頻段相關(guān)事宜的通知，明確了3 300 mhz3 400 mhz（原則上限室內(nèi)使用）、3 400 mhz3 600 mhz和4 800 mhz5 000 mhz頻段作為5g系統(tǒng)的工作頻段，我國成為國際上率先發(fā)布5g系統(tǒng)在中頻段內(nèi)頻率使用規(guī)劃的國家。該頻率使用規(guī)劃能夠兼顧系統(tǒng)覆蓋和大容量

3、的基本需求，是我國5g系統(tǒng)先期部署的主要頻段。而根據(jù)目前全球各運(yùn)營商的5g頻率計劃情況，24.25 ghz27.5 ghz和40.5 ghz43.5 ghz是最有希望獲得全球協(xié)同的毫米波頻段。根據(jù)電磁波傳播特性，頻率越高，在傳播過程中衰減越快，這意味著5g基站的覆蓋半徑將越小。據(jù)初步評估，為了實現(xiàn)和4g相同的覆蓋效果，5g的基站數(shù)量將要達(dá)到4g基站數(shù)量的23倍。在偏遠(yuǎn)地區(qū)，如農(nóng)村、山區(qū)、旅游景區(qū)等地方，過去大基站廣覆蓋的覆蓋模式將不再適用。在5g時代，如何實現(xiàn)5g基站的精準(zhǔn)選址將是偏遠(yuǎn)地區(qū)5g無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成敗的關(guān)鍵。2 偏遠(yuǎn)地區(qū)5g基站重規(guī)劃的迫切需求不同頻段的電磁波在偏遠(yuǎn)地區(qū)的傳播特性存在非

4、常大的差異。根據(jù)“惠更斯-菲涅爾”原理，假設(shè)電磁波從a點(diǎn)自由傳播至p點(diǎn)，a點(diǎn)和p點(diǎn)之間的距離為d，為電磁波波長，則存在一個以a點(diǎn)和p點(diǎn)為焦點(diǎn)的橢球體，該橢球體的截面最大半徑f如式（1）所示，該橢球體稱為第一菲涅爾橢球。f=（d）1/2/2 （1）第一菲涅爾橢球是a點(diǎn)至p點(diǎn)的電磁波傳播的主要通道。如圖1所示，雖然障礙物z1沒有阻擋ap之間的幾何射線，但是由于已經(jīng)進(jìn)入了第一菲涅爾橢球，所以z1將對p點(diǎn)的接收場強(qiáng)形成影響，ap兩點(diǎn)之間不能視為自由空間傳播；另外，雖然z2已經(jīng)阻擋到了ap之間的幾何射線，但是由于第一菲涅爾橢球沒有完全被阻擋，因此p點(diǎn)仍然可以收到a傳播過來的信號，這就是所謂的電磁波繞射。

5、從式（1）可以看到，不同頻段系統(tǒng)的第一菲涅爾橢球最大截面半徑不同。表1是以ap距離為500 m的標(biāo)準(zhǔn)計算出來不同頻段系統(tǒng)的第一菲涅爾橢球最大截面半徑。表1 不同頻段系統(tǒng)第一菲涅爾橢球最大截面半徑序號 系統(tǒng) 代表頻段 最大半徑/m1 2g/3g 800 mhz 6.852 4g 1 800 mhz 4.563 中頻段5g 3.5 ghz 3.274 高頻段5g 28 ghz 1.16從表1可見，頻段越高，第一菲涅爾橢球最大截面半徑越小，第一菲涅爾橢球越細(xì)長。在圖1的a點(diǎn)、p點(diǎn)、障礙物z2相對位置不變的前提下，頻段越高，障礙物的相對遮擋面積就越大，p點(diǎn)接收到的場強(qiáng)就越小。a點(diǎn)和p點(diǎn)之間越接近于直線

6、傳播。這意味著，在偏遠(yuǎn)地區(qū)，對于2g、3g、4g可以實現(xiàn)電磁波繞射進(jìn)行目標(biāo)覆蓋的基站站址，對于高頻段5g系統(tǒng)已經(jīng)不再適用。5g面臨著偏遠(yuǎn)地區(qū)大規(guī)模站址重新規(guī)劃的迫切需求。3 偏遠(yuǎn)地區(qū)5g基站精準(zhǔn)選址面臨的困境由于5g系統(tǒng)頻率高、傳輸損耗大的特點(diǎn)，5g基站的精準(zhǔn)選址具有非常重要的意義同時也面臨著一些困境，主要有以下幾點(diǎn)：（1）偏遠(yuǎn)地區(qū)存在地廣人稀、道路彎曲的特點(diǎn)，覆蓋目標(biāo)分散。而5g頻段高，覆蓋距離短，精準(zhǔn)定位待覆蓋目標(biāo)是一個重要的前提。此外偏遠(yuǎn)地區(qū)地形地貌復(fù)雜、阻擋多，而5g系統(tǒng)在傳輸?shù)臅r候接近于直線傳播，這意味著在針對待覆蓋目標(biāo)精準(zhǔn)布設(shè)5g基站時，需要考慮非常復(fù)雜的環(huán)境因素。（2）在以往的基

7、站選址中，更多是依靠選址工程師實地勘察，依據(jù)經(jīng)驗在現(xiàn)場針對覆蓋目標(biāo)選取若干個備選站址，之后在電子地圖上結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行整體判斷，最終確定選址位置。這種選址流程，更多依靠選址工程師的主觀經(jīng)驗，不同的人可能有不同的理解，無法保證選址位置最優(yōu)。（3）目前對選址缺乏一套行之有效、簡便且低成本的評估方法。在選址評估中，一種辦法是進(jìn)行模擬測試，在擬選址位置架設(shè)模擬天線進(jìn)行模擬信號發(fā)射，通過測試來評估擬建設(shè)基站的覆蓋效果。這種辦法無疑將極大地消耗人力、物力以及時間，并不實用。還有一種辦法是仿真評估。這需要采購價格不菲的仿真軟件，同時要對選址人員進(jìn)行仿真培訓(xùn)，成本高。同時仿真的效果受限于三維電子地圖的精度，精度越

8、高，價格越貴。目前普遍使用的偏遠(yuǎn)地區(qū)三維電子地圖是50 m精度，用以宏觀評估網(wǎng)絡(luò)建成后的整體覆蓋效果，不宜作為小范圍覆蓋情況的精準(zhǔn)評估。由于無法在基站建設(shè)之前進(jìn)行有效評估，在以往的無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，只能等基站建成后，進(jìn)行覆蓋測試，根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行天饋工參微調(diào)。但是因為基站已經(jīng)建成，位置無法移動，并不能從根本上保證覆蓋效果，往往需要對盲區(qū)進(jìn)行補(bǔ)充基站覆蓋，增加了建設(shè)成本。面對復(fù)雜的環(huán)境影響，受限于選址人員的主觀經(jīng)驗，缺乏一套行之有效的選址評估辦法，這些都為5g基站的精準(zhǔn)選址帶來了挑戰(zhàn)。4 偏遠(yuǎn)地區(qū)5g基站精準(zhǔn)選址的評估辦法對于農(nóng)村、山區(qū)、旅游景區(qū)等偏遠(yuǎn)地區(qū)，在5g無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，重點(diǎn)需要保障民眾聚

9、集區(qū)、勞作區(qū)、道路等的覆蓋。為了有效評估5g基站選址質(zhì)量，本文結(jié)合常用的三維地圖軟件，提出一套評估辦法，并量化選址效果。圖2為偏遠(yuǎn)地區(qū)選址的典型模型：圖2中，擬選址位置為t，基站覆蓋半徑為r，待覆蓋目標(biāo)為村莊vm以及鄉(xiāng)村道路s。當(dāng)待覆蓋目標(biāo)距離選址位置超出r則認(rèn)為不能覆蓋。si為鄉(xiāng)村道路s上按照一定距離離散化的點(diǎn)，tsi為t和si之間的距離，且tsi滿足視距傳播無阻擋。量化評估選址位置t的步驟如下：（1）判斷t是否可以視距覆蓋村莊，且tvm的距離是否滿足小于等于r，如果都滿足，則可以進(jìn)行下一步評估，同時計qm為覆蓋村莊獲得的分值，可以歸納為點(diǎn)覆蓋分值。（2）利用三維地圖軟件，識別t能夠進(jìn)行視距

10、覆蓋的鄉(xiāng)村道路s的范圍，將該路段按照一定的間隔距離離散化為一系列獨(dú)立的點(diǎn)si。（3）以覆蓋半徑作為基準(zhǔn)，剔除掉tsi長度大于覆蓋半徑的離散點(diǎn)，計取其他離散點(diǎn)對應(yīng)的tsi的分值并求和，可以歸納為線覆蓋分值，tsi越小，覆蓋效果越好，線覆蓋分值越大。（4）選址t的評估結(jié)果為點(diǎn)覆蓋分值與線覆蓋分值之和。用q表示t選址效果的量化結(jié)果，用數(shù)學(xué)式可以表示如下：（2）其中，為冪指數(shù)，當(dāng)>1時，tsi小于覆蓋半徑，且越小，覆蓋效果越好，分值升高得越快。c為一個常量，c和qm的相對關(guān)系可以表示在偏遠(yuǎn)地區(qū)的選址評估中，村莊、勞作區(qū)、景點(diǎn)等點(diǎn)覆蓋和道路等線覆蓋的重要性比較。5 選址評估辦法在實際選址中的應(yīng)用圖

11、3為本文提出的選址評估辦法應(yīng)用案例。在本案例中，需要覆蓋的目標(biāo)為村莊及道路，其中道路的總長度s為3 391 m。經(jīng)過在三維地圖軟件中篩選，備選站址有t1t5共5個。假定本案例中基站覆蓋半徑為1 000 m。（1）首先判斷t1t5距離村莊是否在覆蓋半徑范圍內(nèi)且有無阻擋，經(jīng)測量t1、t2、t4均滿足要求，t3和t5不滿足要求，剔除出備選站址清單。（2）通過三維地圖軟件的高程配置文件查詢，可以方便地判斷從備選站址發(fā)出至道路的射線是否被阻擋，從而得到各備選站址無阻擋的覆蓋道路路段。圖4是各備選站址至道路的分段高程配置文件，波峰即備選站址位置，波谷即道路，波峰和波谷之間的連線沒有被阻擋即滿足視距傳播要求

12、。表2為利用圖4的辦法得到的不同備選站址的視距覆蓋道路路段。（3）利用軟件工具對各備選站址的覆蓋路段進(jìn)行離散取點(diǎn)si，在本案例中按照1 m的間隔取樣。本案例中假定覆蓋村莊和以r/2距離覆蓋的道路同等重要，在這里設(shè)定覆蓋村莊能得到100分，則以r/2的距離覆蓋每個離散點(diǎn)能得到100/3 391分，即約為0.03分。式（2）中的冪指數(shù)取1，即常量c等于0.03/2=0.015。則式（2）演化為：（3）（4）圖5為利用軟件工具讀取各個離散點(diǎn)si的經(jīng)緯度及高程值，結(jié)合備選站址的經(jīng)緯度及高程值，根據(jù)三角形勾股定理，即可計算得出tsi的值，剔除tsi大于r的離散點(diǎn)，進(jìn)而利用式（3）可得出各備選站址的最終評

13、估分值：qt1=145.99分，qt2=187.17分，qt4=208.14分。根據(jù)最終評估分值，可見備選站址t4是相對較佳的站址位置。本案例用一個比較簡單的選址例子進(jìn)一步闡述了本文提出的選址評估辦法的操作步驟，同時驗證了本方法的實用性。當(dāng)需要同時覆蓋多個點(diǎn)目標(biāo)、多條道路時，可以優(yōu)化配置不同點(diǎn)目標(biāo)的qm、c等值，式（2）的數(shù)學(xué)模型均能夠很好地適用。6 結(jié)束語本文分析了5g系統(tǒng)頻段特點(diǎn)和偏遠(yuǎn)地區(qū)基站選址規(guī)劃的困境，提出了一套量化評估基站選址效果的方法，并給出了數(shù)學(xué)計算模型，同時對實際案例進(jìn)行了分析。該方法利用三維地圖軟件及相關(guān)的工具軟件，在對經(jīng)緯度、高程值離散取樣進(jìn)行數(shù)學(xué)計算的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一了點(diǎn)覆

14、蓋以及線覆蓋的評估，量化了基站選址的效果，具有低成本、簡單實用的特點(diǎn)，能夠有效地指導(dǎo)偏遠(yuǎn)地區(qū)基站精準(zhǔn)選址建設(shè)。利用地圖軟件進(jìn)行二次開發(fā)，用算法編程實現(xiàn)本文提出的評估方法的智能化分析，可以作為下一步的研究方向。參考文獻(xiàn)：1 劉凱凱. 偏遠(yuǎn)山地區(qū)域fdd 900mhz精準(zhǔn)選址方法研究j. 電信技術(shù)， 2018（4）： 5-7.2 黃凱麗. 山區(qū)環(huán)境電波傳播預(yù)測的改進(jìn)算法研究d. 南京： 南京郵電大學(xué)， 2017.3 高磊，張光偉. 移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真平臺的三維數(shù)字地圖建設(shè)j. 地理空間信息， 2017，15（5）： 110-111.4 楊衛(wèi)星. 結(jié)合數(shù)字地圖的電波傳播預(yù)測計算軟件原型的研制d. 南京： 南京郵電大學(xué)， 2016.5 馮永勝. 基于數(shù)字地圖預(yù)處理技術(shù)的城市微蜂窩電波傳播射線跟蹤算法研究d. 西安： 西安電子科技大學(xué)， 2013.6 鄭俊杰，王先峰，羅順湖. 面向5g移動通信的基站選址方法及優(yōu)化策略研究j. 電信網(wǎng)技術(shù)， 2017（11）： 71-74.7 李朝衍. 基于gis技術(shù)無線通信基站選址與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化j. 通訊世界， 2017（