一種實現開闊水域網絡規劃的方法
2023-09-19 16:07:40 2
專利名稱：一種實現開闊水域網絡規劃的方法
技術領域：
本發明涉及行動網路規劃技術，尤其涉及一種適用於開闊水域無線覆蓋的網絡規劃方法。
背景技術：
在進行移動通信網絡建設中，首先需要對無線行動網路進行網絡規劃，其目的之一是確定較佳的基站位置。在進行網絡規劃時，需要計算不同基站覆蓋區域內的信號強度，同時計算鄰信道和同信道幹擾等情況。傳統的網絡規劃方法為進行現場模擬，即以小型發射機替代基站進行發射，同時對覆蓋區域進行實際測量，以獲取覆蓋效果，該方法費時費力，效率低，因而現今已很少被採用。
隨著網絡規劃技術的發展，技術人員通過數字圖建立多種地表狀況下的無線傳播模型，用於對無線網絡的覆蓋效果進行預測。利用高精度的無線傳播模型預測方法並通過計算機計算，通過比較和評估計算機輸出的所有方案的性能，能夠容易地選出最佳網絡配置規劃方案。因此，傳播模型的準確與否關係到整個無線移動通信網絡規劃質量。目前常見的用於網絡規劃的無線傳播模型包括適用於陸地環境下宏蜂窩覆蓋預測的Cost231-Hata，Okumura-Hata模型等；以及適用於微蜂窩覆蓋預測的Cost231 Walfish-Ikegami模型，以及適用於海面傳播環境的二波模型等。
隨著移動通信應用的普及，運營商已經建設並開通了覆蓋近海區域的無線通信網絡(如已有的GSM通信網或CDMA通信網)。在開闊水域移動通信網絡的規劃建設和網絡優化工程實施中，需要可用於開闊水域環境下的無線傳播預測模型。
目前，海面覆蓋的網絡規劃方法為建立基站周圍地表信息或傳播環境信息；根據二波模型的計算方法獲取基站信號的傳播損耗，進而得到覆蓋區域內信號強度；比較不同網絡結構下信號強度等網絡覆蓋性能，並最終決定移動通信網絡結構。
上述規劃方法中，二波模型只考慮直達波和反射波的影響。移動臺接收到的反射波看作是直達波的複製品，反射波的頻率與直達波頻率相同，由於傳播路徑不同，使反射波的幅度和相位相對直達波發生變化，因而，現有技術中，移動臺接收到的基站信號功率表示為直達波與反射波的矢量和，並且，由於海面船隻的移動速度較慢，一般不會超過60km/h，因而對多譜勒頻移忽略不計。
Pr＝P0|1+ae-jφexp(jΔφ)|2上式中，Pr為接收功率；P0為直達波接收功率；ae-jφ為反射係數，其中a為振幅，φ為相位；Δφ為直達波與反射波之間的相位差，所述相位差是由於直達波與反射波之間的路徑差Δd引起。
=2d=22HtHr1000d]]>其中，Ht為基站天線高度，單位米；Hr為移動臺天線高度，單位米；d為傳播距離，單位公裡。用路徑損耗表示的二波模型計算式為Lpath=L0-10log[2-2cos(4HtHr1000d)]]]>其中L0為自由空間傳播損耗。
由二波模型的計算式可知，在開闊水域這種開闊的傳播環境下，現有的網絡規劃方法只考慮直達波和反射波的影響，而沒有考慮地球曲率對無線信號衰減的作用，因而，目前應用二波模型所進行的網絡規劃，僅限於對基站信號進行視距範圍內的預測；二波模型對無線傳播損耗的計算較為粗略，因此，採用該模型進行網絡規劃時無法實際滿足工程需求，尤其是在接近基站的可視距離時，其誤差範圍將進一步擴大。
發明內容
本發明要解決的問題是提供一種實現開闊水域網絡規劃的方法，該方法能夠較精確的預測網絡覆蓋質量，並且對基站信號的預測不局限於視距範圍內，進而本發明的網絡規劃方法能夠提供較佳的網絡覆蓋方案。
為解決上述技術問題，本發明的目的是通過以下技術方案實現的應用至少兩維矢量圖確定基站的覆蓋區域；定位區域中基站位置，沿基站覆蓋方向在矢量圖中選擇點集，將所述點集劃分為三個部分進行存儲，從基站到基站可視距離點為點集第一部分，從基站可視距離點到基站與終端的可視交點為點集第二部分，超過所述基站與終端可視交點的地球陰影區為點集第三部分；分別確定點集各部分的傳播路徑損耗，獲取各採樣點上的基站信號強度。
上述方法中，所述點集第一部分的傳播路徑損耗採用自由空間損耗模型進行近似計算。
所述點集第二部分的傳播路徑損耗採用自由空間損耗模型並參考附加繞射損耗進行近似計算，其計算方法具體表示為Lp＝32.44+20lgf+10γlg(dkm)+6(dkm-d1)/d2其中，d1為基站到基站可視距離點的距離；d2為基站可視距離點到基站與終端的可視交點的距離。
採用第二部分傳播路徑損耗計算方法，並加入修正值以獲得點集第三部分的傳播路徑損耗，其計算方法具體表示為Lp＝32.44+20lgf+10γlg(dkm)+20lg
其中v=-Re[1-sin(+)/(sin+sin)]2dkm(d1+d2)[(dkm-(d1+d2)],]]>d1為基站到基站可視距離點的距離；d2為基站可視距離點到基站與終端的可視交點的距離；α＝(d1+d2)/Re，β＝[dkm-(d1+d2)]/Re，其中Re為地球等效半徑。
在上述方法中，當基站的覆蓋方向存在能夠影響電波傳播的因素時，如該區域內的建築物或其他地表信息，則所述矢量圖還應包括對該區域內建築物和地表狀況的描述，如建築物位置信息等。並且在確定各部分的傳播路徑損耗時，應該根據建築物及地表狀況對已有傳播路徑損耗進行修正。
本發明中所述的基站覆蓋方向通常指基站天線主瓣方向，在其他方向上應進一步參考天線輻射圖對傳播路徑損耗進行修正。
以上技術方案可以看出，本發明的開闊水域的無線網絡規划過程中，在可視距離內，主要結合直達波和海面反射波的影響對無線信號的損耗進行預測，在可視距離以外的地球陰影區域，則在原有預測方法基礎上，還考慮到地球陰影區域由於球面遮擋所造成的繞射損耗。由於該方法根據基站信號不同區域內傳播損耗的不同特點，將基站覆蓋區域分為三個部分分別計算信號強度，因而在所述網絡規劃中預測精度較高，能夠滿足海面移動通信網絡建設和優化工程的需要；進一步，本發明中重點關注地球球面遮擋所產生的損耗，根據該損耗在已有的預測模型中加入修正值進行修正，並且，在本發明所涉及的預測模型中，可以根據其他的經典損耗對預測模型做進一步修正，因而使得本發明所涉及的算法清晰簡單；同時，本發明建立在現有的網絡規劃方法基礎上，繼承了利用數字傳播模型進行網絡規劃的省時、高效的優點。
將本發明試用於實際的海面行動網路建設規劃項目，以檢測本發明的實際效果。圖1為在某海域網絡規劃項目中獲得的實際測試數據與模型預測數據對比圖。該測試中，實際基站天線高度Ht為70米，天線增益為18.5dBi，基站等效發射功率EiRP為64dBm，載波頻率f為900MHz，終端高度Hr為4米，測試終端與基站之間無遮擋，測試方向沿定向天線主瓣方向，最遠測試點距離基站51.5千米。
圖2為在另一海域網絡規劃項目中獲得的實際測試數據與模型預測數據對比圖。該測試中，實際基站天線高度Ht為105米，天線增益為18.5dBi，基站等效發射功率EiRP為64dBm，載波頻率f為900MHz，終端高度Hr為3.5米，測試終端與基站之間無遮擋，測試方向沿定向天線主瓣方向，最遠測試點距離基站58.3千米。
由圖1、圖2可知，本發明的開闊水域網絡規劃方法中獲得的預測數據與實際測試數據基本一致。
圖1為在某一海域網絡規劃項目中獲得的實際測試數據與模型預測數據對比圖；圖2為在另一海域網絡規劃項目中獲得的實際測試數據與模型預測數據對比圖；圖3為本發明所述網絡規劃方法流程圖；圖4為無線傳輸環境二維建模示意圖；圖5為本發明所述規劃方法原理示意圖。
具體實施例方式
隨著移動通信網絡的不斷發展和完善，行動網路的服務區域已經擴大到海面等開闊水域。目前，在網絡規劃中常用的數字無線傳播預測模型包括Okumura-Hata模型、Cost231-Hata模型、Cost231 Walfish-Ikegami模型、Keenan-Motley模型等，這些預測模型面向陸地無線傳播環境，不符合開闊水域無線傳播環境。
開闊水域(如海面)的無線傳播環境特點為無線電波在開闊水域傳播時，在基站的可視距離內，傳播路徑主要是經過空氣傳播的直達波和經過水麵反射的反射波；另一方面，開闊水域的遮擋物較少，因而，開闊水域的無線電波傳播環境近似於自由空間，無線電波傳播距離較遠，這種情況下，地球不能再近似看作平面，而應看作球面，即地球曲率將對無線電波傳播產生影響，進而，在網絡規划過程中，在可視距離以外的地球陰影區域，應重點考慮地球球面遮擋所造成的繞射損耗對無線電波傳播帶來的影響。
經過上述對海面無線傳播環境的分析和實際測試，在選用現有二波模型進行海面無線傳播預測的基礎上，進一步完善適合於海面無線傳播環境的海面無線傳播預測模型及網絡規劃方法，其主要思想是在基站覆蓋方向上，根據不同區域內無線傳播的特點，將基站的覆蓋區域分為三個部分，分別確定三個部分中預測基站信號的無線傳播損耗的算法，並分別獲得三個部分中基站信號的強度。
如上所述，本發明中涉及的傳播模型預測方法是建立在自由空間傳播模型基礎上，進而對自由空間的傳播損耗預測方法進行修正，如本領域技術人員所知，無線電波在各向同性的自由空間傳播時，接收功率電平與信號傳播距離和頻率的平方均成反比，其數學模型表示為Pr=(4dkm)2Pt]]>
其中，Pr為接收機接收功率；Pt為發射機發射功率；λ為無線電波波長；dkm為傳播距離。用路徑損耗來表達自由空間傳播損耗為Lp＝32.44+20logf+20logdkm其中，Lp為路徑損耗，單位分貝(dB)；dkm為傳播距離，單位千米(km)；f為無線電波頻率，單位兆赫茲(MHz)。
根據本發明的核心思想，在現有自由空間傳播模型基礎上，參照圖3，具體介紹本發明所述的實現開闊水域網絡規劃的方法。
1)應用至少兩維矢量圖確定基站的覆蓋區域，應用第一存儲裝置維護用於描述覆蓋區域以及包括建築物或其他地表信息的至少兩維矢量圖，所述第一存儲裝置通常為磁碟存儲器；矢量圖提供了所需區域的地表和建築物的建模信息，一般將它用作網絡規劃，通過矢量圖，能夠利用計算機計算不同基站位置的覆蓋區域和與網絡操作相關的參數，根據計算結果選擇最合適的基站位置。圖4提供了一多建築物的無線傳輸環境建模信息，在該二維矢量圖中包含了3個建築物的位置信息；沿基站覆蓋方向選擇一點集，並存儲該點集中各採樣點的位置信息，所述點集形成了按照圖4所示的斜格，所述點集中並不包括建築物內選出的點。
2)模型分段原則參照圖5，在確定的基站覆蓋區域內(或在基站的覆蓋方向上)，將海面無線傳播環境按照距離分為A、B、C三段，所述A段為從基站到基站可視距離點的範圍，設A段距離為d1；B段為從基站可視距離點到基站與終端的可視交點，設B段距離為d2；C段為超過基站與終端可視交點的地球陰影區域，設C段距離為d；如圖所示，Ht為基站高度，Hr為移動終端高度，Re為地球等效半徑。
無線電磁波信號在海面的傳播距離可以經過繞射超過視距距離。如本領域技術人員所知，當基站天線高度為Ht米，終端天線高度為Hr米時，基站和終端合併可視最大距離(視距)為d=2R(Ht+Hr),(km)]]>其中R為地球半徑，並且，由於大氣折射對無線電磁波傳播的影響，通常採用地球等效半徑Re代替地球半徑R，在標準大氣折射情況下，Re＝8500km，由此，基站和終端合併可視最大距離為d=4.12(Ht+Hr),(km)]]>具體到本發明，所述的無線傳播模型將開闊水域無線傳播環境按照距離分為A、B、C三段，如上所述，其中，A段為基站到基站可視距離點，距離為d1，d1=4.12Ht,(km)]]>B段為基站可視距離點到基站和終端可視交點，距離為d2，根據公式，d2=4.12Hr,(km)]]>C段為超過基站和終端合併可視距離點的地球陰影區域，即傳播距離超過d1+d2的區域。
根據第一存儲裝置中所述覆蓋區域的信息，應用第一處理器根據上述分段原理將所述區域劃分為三個部分，即確定各區域邊界的位置信息。
3)分別確定各段範圍內的路徑損耗，以獲取範圍內各點的信號強度。由於無線傳播環境的複雜性，針對不同的地區適合建立不同的預測算法，因而，可將已建立好的各套預測算法分類存儲於第二存儲裝置，在進行網絡規划過程中選擇其中一套算法進行預測；或者，在進行網絡規劃之前根據區域的具體情況，在已有的通用算法基礎上，通過修正值進行修正，建立新的適於具體無線環境的傳播路徑損耗的算法。所述第二存儲裝置既可為磁碟存儲裝置也可為工作存儲器。以下為本發明中推薦的路徑損耗算法
31)A段採樣點上無線傳播路徑損耗計算方法在此段傳播距離內，海面無線傳播環境良好，近似於自由空間傳播條件。如本領域一般技術人員所知，基站高度和終端高度對傳播路徑損耗影響較小；並且，反射波的分量與直達波相比較小，因此反射波對接收電平的統計中值預測產生的影響很小，可以忽略不計。由此可得，在本發明中，A段無線傳播路徑損耗計算方法為Lp＝32.44+20lgf+10γlg(dkm)γ＝2.6～3.4；dkm≤d1；其中，Lp為海面無線傳播路徑損耗；dkm為測試點與基站之間距離，單位km；f為載波頻率，單位MHz；γ為路徑損耗斜率，一般取值範圍為2～5之間。
32)B段採樣點上無線傳播路徑損耗計算方法該段無線傳播路徑處於近似自由空間傳播到地球陰影區域的過渡區域，在基站和終端合併可視距離點，其附加繞射損耗約為6dB，因此，在保證預測準確性的前提下，在本發明中，B段無線傳播路徑損耗計算方法為Lp＝32.44+20lgf+10γlg(dkm)+6(dkm-d1)/d2其中γ＝2.6～3.4；d1≤dkm≤d1+d2。
33)C段採樣點上無線傳播路徑損耗計算方法該段無線傳播路徑已經處於地球陰影區域，參考繞射損耗模型並加以必要修正，同時考慮海面傳播環境特點和覆蓋預測計算的可操作性，建立如下的海面無線傳播模型中C段無線傳播路徑損耗的優選計算方法Lp＝32.44+20lgf+10γlg(dkm)+20lg
其中，γ＝2.6～3.4；d1+d2≤dkm；
v=-Re[1-sin(+)/(sin+sin)]2dkm(d1+d2)[(dkm-(d1+d2)];]]>Re為考慮到大氣折射對無線電磁波傳播的影響而通常採用的地球等效半徑，在標準大氣折射情況下，Re＝8500千米(km)；α＝(d1+d2)/Re，如圖5所示，α為基站和終端合併可視距離對應修正地球模型的夾角，單位為弧度；β＝[dkm-(d1+d2)]/Re，如圖5所示，β為測試點與基站和終端可視交點之間對應修正地球模型的夾角，單位為弧度；λ為發射電波的波長，單位為千米(km)。
4)根據上述各區域內確定的電波傳播路徑損耗計算方法，應用一高速處理器預測在基站覆蓋方向上所選點集的信號強度。即先獲取存儲裝置中點集中各採樣點的位置信息，通過與區域邊界信息的比較，確定所述採樣點所屬區域對應的無線傳播路徑損耗的算法，獲得所述採樣點的信號強度後，將其與該採樣點的位置信息對應存儲於第三存儲裝置，所述第三存儲裝置可為磁碟存儲器或工作存儲器。
綜上所述，本發明的網絡規劃實現方案通過現代工作站來實現，其包括高速處理器、工作存儲器、和磁碟存儲器，用於信息和適當軟體的長期存儲。在上述網絡規劃方法的基礎上，根據所獲得點集上各點的信號強度，網絡規劃人員對不同網絡結構的模擬覆蓋效果進行比較，並最終確定較佳的移動網中基站的位置。
如本領域技術人員所知，由於無線環境的多變和複雜性，因而沒有一種算法能夠絕對準確的預測出無線網絡的覆蓋情況，進而，本發明在B段及C段所採用的預測算法僅為一種優選算法，其公式中建立在自由空間損耗基礎上的修正值是在一般環境下所獲得的，本發明所述三段的無線網絡的預測算法並不唯一。例如上述預測方法中，B段採樣點上無線傳播路徑損耗仍可採用以下計算方法Lp＝32.44+20lgf+10γlg(dkm)-20lg(1-0.5(dkm-d1)/d2)其中γ＝2.6～3.4；d1≤dkm≤d1+d2，該預測方法考慮在基站可視距離點附加繞射損耗約為0dB，基站和終端合併可視距離點，附加繞射損耗約為6dB的因素，在自由空間損耗的基礎上，採用了另一種修正值的計算方法，其預測精度與32)中所述的第一種預測算法基本一致。
同樣，C段採樣點上無線傳播路徑損耗可採用以下算法Lp＝32.44+20lgf+10γlg(dkm)+20lg
其中，γ＝2.6～3.4；d1+d2≤dkm；v=-Re[1-sin(+)/(sin+sin)]2dkm(d1+d2)[(dkm-(d1+d2)];]]>其預測精度與33)中所述的第一種算法基本一致。
對上述方法中的傳播模型參數進行進一步說明。路徑損耗斜率為γ，由於不同的傳播環境無線電磁波的傳播損耗不同，因而γ的取值也不一樣，當傳播環境越接近於理想自由空間傳播環境時，γ的值越接近於2，進而，通常在理想自由空間傳播環境下取值為2。
在實際無線系統的海面傳播環境測試驗證中，γ的取值一般在2.6到3.4之間。如本領域技術人員所知，當基站天線高度和終端高度較高時，如在基站高度幾百米或上千米或者終端高度超過10米的情況下，傳播環境與理想自由空間傳播環境接近，則γ取值偏小一些；若基站天線高度和終端高度較低，如基站高度幾十米或終端高度3～5米，則γ取值相對偏大一些。
關於路徑損耗斜率γ的取值，以下表作為參考，對於實際應用環境，可以根據實際測試數據做相應的調整；
由上表可知，實際測試表明，對於基站天線高度50～200米，手機高度3～5米，γ取值3.3的預測結果與實際基本相符。其他取值應在實際測試的基礎上作必要的修正以適應不同區域的傳播特點。
本發明所適用的無線網載波頻率為300MHz～3000MHz；並且，本發明所適用的傳播環境主要為海面，即在基站覆蓋方向上遮擋較少的開闊水域。另外，本發明更適用於基站相對海平面較高(不小於50米)，且基站和終端之間除地球曲率半徑影響外無其他障礙物的情況；在本發明的預測模型中，以天線主瓣方向計算傳播路徑損耗，在其他方向上應進一步參考天線輻射圖修正；若實際傳播環境無法完全符合上述本方法的適用條件，則應進一步考慮其它因素(如處於傳播路徑上的島嶼、山、船體等對無線電波傳播所產生的的影響)帶來的路徑損耗，並進行相應的修正。
以上對本發明所提供的一種實現開闊水域網絡規劃的方法進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
權利要求
1.一種實現開闊水域網絡規劃的方法，其特徵在於1)應用至少兩維矢量圖確定基站的覆蓋區域；2)定位區域中基站位置，沿基站覆蓋方向在矢量圖中選擇點集，將所述點集劃分為三個部分進行存儲，從基站到基站可視距離點為點集第一部分，從基站可視距離點到基站與終端的可視交點為點集第二部分，超過所述基站與終端可視交點的地球陰影區為點集第三部分；3)分別確定點集各部分的傳播路徑損耗，獲取各採樣點上的基站信號強度。
2.如權利要求1所述的實現開闊水域網絡規劃的方法，其特徵在於所述點集第一部分的傳播路徑損耗採用自由空間損耗模型進行近似計算；所述點集第二部分的傳播路徑損耗採用自由空間損耗模型並參考附加繞射損耗進行近似計算；採用第二部分傳播路徑損耗計算方法，並加入修正值以獲得點集第三部分的傳播路徑損耗。
3.如權利要求2所述的實現開闊水域網絡規劃的方法，其特徵在於，所述點集第二部分傳播路徑損耗的計算方法表示為Lp＝32.44+20lgf+10γlg(dkm)+6(dkm-d1)/d2其中，d1為基站到基站可視距離點的距離；d2為基站可視距離點到基站與終端的可視交點的距離。
4.如權利要求2所述的實現開闊水域網絡規劃的方法，其特徵在於，所述點集第三部分傳播路徑損耗的計算方法表示為Lp＝32.44+20lgf+10γlg(dkm)+20lg
其中v=-Re[1-sin(+)/(sin+sin)]2dkm(d1+d2)[dkm-(d1+d2)]]]>d1為基站到基站可視距離點的距離；d2為基站可視距離點到基站與終端的可視交點的距離；α＝(d1+d2)/Re，β＝[dkm-(d1+d2)]/Re，其中Re為地球等效半徑。
5.如權利要求1所述的實現開闊水域網絡規劃的方法，其特徵在於所述矢量圖還包括對該區域內建築物和地表狀況的描述。
6.如權利要求5所述的實現開闊水域網絡規劃的方法，其特徵在於根據建築物及地表狀況對傳播路徑損耗進行修正。
7.如權利要求1所述的實現開闊水域網絡規劃的方法，其特徵在於所述覆蓋方向為基站天線主瓣方向。
全文摘要
本發明涉及一種實現開闊水域網絡規劃的方法，該方法具體為應用至少兩維矢量圖確定基站的覆蓋區域；定位區域中基站位置，沿基站覆蓋方向在矢量圖中選擇點集，將所述點集劃分為三個部分進行存儲，從基站到基站可視距離點為點集第一部分，從基站可視距離點到基站與終端的可視交點為點集第二部分，超過所述基站與終端可視交點的地球陰影區為點集第三部分；分別確定點集各部分的傳播路徑損耗，獲取各採樣點上的基站信號強度。本發明所涉及的算法清晰簡單，由於本發明建立在現有的網絡規劃方法基礎上，因而具有利用數字傳播模型進行網絡規劃的省時、高效的優點。
文檔編號H04B13/02GK1832612SQ20051005365
公開日2006年9月13日 申請日期2005年3月9日 優先權日2005年3月9日
發明者李赤衛 申請人:華為技術有限公司