射线跟踪模型在LTE无线网络规划中的应用

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1.无线传播模型[3]

无线传播模型表示的是在某种特定环境或传播路径下电波的传播损耗情况，其主要研究对象是传播路径上障碍物阴影效应带来的慢衰落影响。它在规划软件中的主要作用有路径损耗或接收信号强度预测、小区半径估算和邻小区估算等。根据传播模式的性质，无线传播模型可分为三大类：

（1）经验模型

经验模型是根据大量的测量结果统计分析导出的模型，其优点是方法简单，不需要相关环境的详细信息，但是不能提供非常精确的路径损耗估算值。由于经验模型计算的是闭式形式的公式，所以可以很容易和快速地应用它们。常用的模型包括Okumura-Hata模型、COST231-Hata模型、Lee模型、CCIR 模型等。

（2）半经验模型

半经验模型是基于把确定性方法用于一般的市区或室内环境中导出的模型。为了改善它们和实验结果的一致性，则根据实验结果对等式进行修正，得到的等式是天线周围地区某个规定特性的函数。其应用同样很容易、速度很快，但使用时需要校正, 其预测值一样不够精确, 另外其对地理信息系统的要求相对较高, 需要提供接收机所在街道的宽度、建筑物的平均高度、接收天线的高度等信息。常见的模型包括COST 231-Walfisch- Ikegami模型、Walfish&Bertoni模型等。

（3）确定性模型

确定性模型是对具体的现场环境直接应用电磁理论计算的方法。环境的描述从地形地物数据库中得到，在环境描述中可以找到不同的精度等级。其优点是预测值比较准确, 使用时不需要校正，缺点是计算工作量大, 对地理信息系统要求较高。在确定性模型中，已使用的几种技术包括射线跟踪的方法、积分方程（IE)法及有限差分时域法(FDTD)等。

射线跟踪模型[4]作为一种确定模型是基于射线跟踪法用射线来表示电磁波束的传播，在确定了收发天线的位置以及周围建筑等环境特征后，根据电磁波的反射、绕射、透射、散射等波动现象，再借助于计算机就有可能精确地确定每一条射线的传播路径，从而可以应用一致绕射理论(UTD)的一些研究成果来准确预测微蜂窝区的场强 (功率)分布，进而确定路径损耗、功率迟延谱等，对移动通信工程设计具有重要实用意义的信道参数。

2.射线跟踪模型在LTE无线网络规划中的应用分析

2.1预测流程

首先对问题区域进行现场实地勘察、路测，根据勘察和路测结果，一方面选择建模方式，一方面拟定新建站方式（站址、站高、天线方位角、天线下倾角），然后通过建模仿真，根据仿真结果调整建站方案直到覆盖效果达到要求为止，预测流程图如下所示：

图1 预测流程图

Fig.1 The Flow Chart of Prediction

2.2 LTE关键指标分析

   

    目前评价LTE无线质量好坏的重要指标为RSRP、RSSI、RS-SINR以及数据吞吐率，前三种指标表述如下：

1）RSRP(Reference Signal Receiving Power，参考信号接收功率)，是衡量系统无线网络覆盖率的重要指标。RSRP是一个表示接收信号强度的绝对值，一定程度上可反映移动台距离基站的远近，因此这个KPI值可以用来度量小区覆盖范围大小。RSRP是承载小区参考信号RE上的线性平均功率。

2）RSSI(Received Signal Strength Indicator，接收信号强度指示)指的是测量带宽内，UE接收到的包含端口0参考信号RE的一个符号所有RB的总接收功率（以W为单位）的线性平均，包括服务小区和非服务小区的信号，以及邻信道干扰、热噪声等，和UMTS中的RSSI概念是一致的；

3）RS-SINR（（RS-SINR = RSRP/(RS RSSI-RSRP)，载波干扰噪声比），反映了用户信道环境和用户速率存在一定相关性。由于此项指标与厂家实现相关，目前较难确定统一的RS-SINR取值，且中国移动没有相关值供参考，建议在规划初期暂不考虑此项指标，并在以后的研究中继续补充完善。

2.3误差分析

本节选取某城市一密集市区场景为该市某居民社区，该社区由多栋居民楼构成，特点是情况复杂，结构多样，高低不一，环境各异，用户集中，我们首先对该社区进行仿真（分别采用增强型宏蜂窝模型与射线跟踪模型），并与该社区单站 DT(Drive Test)测试结果进行比较分析。本次单站的RSRP仿真结果与测试结果比较如图2所示：

增强型宏蜂窝模型法

射线跟踪法

路测结果

图2 单站的RSRP仿真结果与测试结果分布比较

Fig.2 Comparison of Simulation Results and Drive Test by RSRP

从图2可以看出，对该社区的仿真分布结果和实际测试分布结果进行比较，可以发现基于射线跟踪法仿真与路测结果比较吻合。表1进一步对仿真结果与测试结果进行统计比较。

表1  两种预测方法与实际值的比较

Table 1 Differences of Simulation Results and Drive Test

RSRP	路测	射线跟踪法	增强型宏蜂窝法	射线跟踪与路测差值	增强型宏蜂窝法与路测差值
>-60dB	0.18%	0.95%	0.64%	0.77%	0.46%
>-80dB	5.71%	6.69%	18.03%	0.98%	12.32%
>-90dB	39.83%	43.95%	70.47%	4.12%	30.64%
>-100 dB	82.60%	76.75%	100.0%	5.85%	17.40%
>-113 dB	100.0%	94.90%	100.0%	5.10%	0.00%
>-125 dB	100.0%	100.00%	100.0%	0.00%	0.00%

从表1 看出，由于增强型宏蜂窝模型忽略了无线环境细节对传播慢衰落的影响，其仿真效果与实际路测结果相差较大，当RSRP>-90dB时，误差超过30%；基于射线跟踪模型的仿真效果与实际路测结果较为相近，当RSRP>-100dB时，两者的统计比例差值为5.85%，总体误差控制6%以内。

2.4 预测实例

基于射线跟踪模型的仿真方法由于其在准确度的优越性，因此建议在基站合理布局和优化中尽肯采用射线跟踪法模型。本节重点分析前期基于射线跟踪模型的仿真对LTE试验网基站布局的影响及其指导意义。

本节选取某城市一条公交线路进行仿真，该条公交线路为经过密集市区的一条普通公交线路，前期已有部署11个3G基站，目前要求对该线路进行LTE网络覆盖。在对该线路进行LTE试验网络进行部署之前，对该线路进行前期仿真试验，其仿真结果如下图所示：

仿真区域俯视图

仿真效果图

图3 某市一公交线路仿真结果

Fig.3 Simulation Result of Bus Line

如上图所示，经过软件仿真优化调整，黑圈主测区域覆盖较差，该LTE试验网需新增一个基站才能连片。因此，在黑圈区域规划一个新增站点，考虑现网站距及现场勘察情况，新增站点情况如下图所示。

图4 新增规划点信息

Fig.4 Information of The Planning Base Station

在获得新增站点的站点信息后（站高、天线方位角、天线下倾角），再次通过建模仿真，根据仿真结果与未建站前进行比较，结果如图5所示。通过下图加0站前后仿真效果对比，新增站点后，其覆盖效果达到要求，改站可以建设。

加站前仿真效果

加站后仿真效果

图5 加站前后仿真效果对比

Fig.5 Comparison of Simulation Results after Planning

这条线路所有的LTE基站建立起来后（11+1），对其覆盖效果进行了测试。结果如下，满足网络覆盖要求：

图6 加站后路测RSRP结果

Fig.6 Drive Test by RSRP after Planning

3 .结束语

LTE由于频段高，空间传播和穿透损耗大，基站覆盖能力有限。基于传统无线传播模型预测方法则与实际结果相差较大。本文采用的基于射线跟踪模型的预测方法较为准确预测空间传播和穿透损耗，与实际结果相吻合。在LTE基站的部署中，采用高精度的射线跟踪模型预规划方法能减少工程上的反复与判断失误，达到较为准确的预规划效果。