CN101511090B - 室内覆盖自动设计优化系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种室内覆盖自动设计优化系统及方法，其中包括：界面输入模块，Visio导入模块，数学建模和核心计算模块，数据统计模块，表格输出模块以及Visio导出模块。其利用计算机自动完成室内分布系统最佳方案的设计，在室内覆盖设计领域实现室内分布系统设计的自动化，整体设计不再需要人工参与。

Description

室内覆盖自动设计优化系统及方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是涉及一种室内覆盖自动设计优化系统及方法。

背景技术

目前随着移动通信的高速发展，室内覆盖分布系统得到越来越广泛的应用。移动通信领域，室内覆盖系统主要用于解决建筑物内信号的覆盖和热点话务的吸收。随着城市高速发展、移动运营商的日益激烈的竞争，以及未来新一代网络提供的数据业务等新业务的大量需求，可以预见室内覆盖系统的建设需求将会维持高速的发展。目前一个大型的移动通信本地网一年在室内分布系统方面的投资达到1亿人民币，多年来这方面的投资仍以每年10％—20％的速度在增长。

室内覆盖系统的主干路由以及无源、有源器件的选取与安放位置等非常复杂，是系统设计的主要内容。路由可以看作是一个树型网络，其末端节点(天线)可达数千个，中间节点包括有源节点和无源节点，有十几种类型，数量也可达数千个，不同的器件有不同的插入损耗特性。各个节点之间由馈线连接，馈线有多种选择，不同的馈线有不同的插入损耗特性。这些都是影响到室内分布系统的建设、维护成本以及最终实施效果的主要因素。目前室内覆盖系统设计审核与后续优化主要依靠人工完成，复杂且繁琐，工作量大且耗时时间长，而且设计方案的质量与设计人员的专业水平密切相关，设计方案无法在质量上得到保障。另外要想达到室内分布系统主干路由以及无源、有源器件的选取与安放位置的最优化，如果单纯依靠人工经验的话，需要付出大量的时间与人力。目前尚没有一套室内覆盖自动设计工具与系统能取代人工完成室内覆盖系统的自动设计与审核。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种室内覆盖自动设计优化系统，其中包括：界面输入模块，通过输入界面让用户录入信息，作为设计的初始条件；Visio导入模块，提供一套Visio模具以及可嵌入Visio的插件，使用户可在编辑完平面安装图后将井外的拓扑结构直接从Visio导入到系统中；数学建模和核心计算模块，根据用户输入的初始信息以及用户选择的分布模型，构造出描述室无线信号室内分布系统的数学模型，并调用核心求解器进行计算，从各种器件、器件安放位置以及不同路由的所有组合当中，选出最佳组合；数据统计模块，对使用的所有馈线、无源/有源器件进行分类统计，并计算出材料总成本，并且对网络上各个结点以及天线口的功率进行统计；表格输出模块：输出材料清单和天线口功率清单；Visio导出模块：将自动设计得到的方案系统原理图以Visio格式输出。

优选地，作为设计的初始条件的用户录入信息包括建筑物信息、室内基站信息、天线信息以及馈线、耦合器和功分器设备的信息。

优选地，所述最佳组合是满足天线口功率在限定范围内最大、馈线长度最短、无源/有源器件使用最少的组合。

优选地，所述清单是Excel格式的。

本发明还提供一种室内覆盖自动设计优化方法，其中包括以下步骤：(1)通过界面输入模块，获取描述信息，并通过Visio导入模块获取井外的拓扑结构，这些信息构成求解问题的初始条件；(2)根据初始信息，选择设计模型：根据用户需要从分流模型和耙式模型中选择一种模型；(3)根据所选择的模型，对站点划分区：对于分流模型，划分过程包括Scction划分模块和Band划分模块；对于耙式模型，划分过程包括Band划分模块和Band内Section划分模块；(4)构造数学模型：在数学模型构造模块中，以室内分布系统数学模型为基础，将通过以上过程得到的Band、Section中器件和馈线的信息构造为0-1整数规划数学模型；(5)调用核心求解器：以数学模型构造模块的输出作为核心求解器的输入，使用“强迫选择分枝定界法”求解该数学模型：依次执行主控函数、初始可行解搜索函数和快速0-1单纯形求解器函数。若问题有解，则求解器返回所有器件和馈线应选用的类型，使得室内分布系统在满足天线口功率需求的前提下达到成本最低；(6)输出最佳方案：若问题有解，从核心求解器可得到室内分布系统设计的一个最佳方案，基于该方案，系统一方面可通过Visio导出模块将方案的系统原理图以标准的样式输出，另一方面可通过数据统计模块对方案中的材料进行分类统计、对功率进行统计，并可通过表格输出模块将统计结果输出为Excel文档。

优选地，步骤(1)中所述描述信息包括：建筑物信息，包括层数、每层楼高；室内基站信息，包括输出功率、位置；天线信息，包括所在楼层、距井距离、所需功率；以及馈线、耦合器和功分器设备的信息，包括损耗、价格。

优选地，步骤(2)中，设计模型的选择过程中，对于每层天线布放数很少、楼层较高的站点适合选用分流模型；而对于每层楼都比较平均的布放了若干面天线的站点适合选用耙式模型。

优选地，对于一个已经完成划分的站点可确定以下器件的安放位置以及馈线的长度：为每个Section安放一个功分器，功分器放在此Section所辖楼层中某一层，具体放在哪一层的原则：所放置楼层将导致该Section所用总馈线长度最短；分流模型为每个Section放置一个耦合器，除Band的末端，一般是耦合器与功分器同一层，末端的耦合器，具体放在哪一层的原则：所放置楼层将导致该耦合器与下辖的两个功分器之间的总馈线长度最短；耙式模型为每个Band放置一个功分器，具体放在哪一层的原则：与该Band所管辖的所有天线总距离最短；组建一个虚拟功分器，把机房出来的馈线连到此功分器的输入端，此功分器的每个输出端作为一个Band的输入。

优选地，步骤(4)中所述构造数学模型的具体步骤是：a)构造数学模型的目标函数：目标函数的工程意义是器件和馈线的总成本，总成本＝三级结构中的功分器和耦合器成本+各级之间的馈线成本；b)构造数学模型的选择性约束条件：选择性约束条件的工程意义是指馈线必须在可选的馈线类型(如1/2”馈线、7/8”馈线)中选择一种，耦合器必须在可选的耦合器类型(如6dB耦合器、10dB耦合等等)中选择一种，功分器必须在可选的功分器类型(如二功分、三功分、四功分)中选择一种；c)构造数学模型的需求约束条件：需求约束条件是指到达天线口的功率必须大于或等于天线口的需求功率；d)构造数学模型的变量：变量是指每级中的功分器、耦合器及各级之间的馈线类型。

本发明有两大主要功能：

(1)智能设计功能：它能够根据设计人员给定的初始条件(室内基站输出功率，楼层天线安装面数等)，通过计算机穷举计算各种器件、器件安放位置以及不同路由的所有组合，从所有组合的功率计算结果当中选出能满足天线口功率最大、馈线长度最短、器件使用最少的最佳组合(需要特别指出的是有源器件数目最少对提高整个室内分布系统的信号质量、减少建设维护成本有特别重要的意义)，这样的最佳组合能够在实现室内分布系统质量最大化的同时实现网络建设成本最低。

(2)方案审核功能：能够对室内覆盖厂家提交的设计方案进行合理性验算，输出相应计算报告指出设计方案当中所使用器件、安装位置与馈线路由的不合理之处以及是否有不达标的室内覆盖部分(天线口过低或天线口功率不均衡等)，提高目前2G/3G室内覆盖设计方案的审核效率，减少人力成本投入。

本发明的有益效果是，利用计算机取代人脑实现室内覆盖系统设计智能化，室内覆盖自动设计优化系统利用计算机自动完成室内分布系统最佳方案的设计，在室内覆盖设计领域第一次实现室内分布系统设计的自动化，整体设计不再需要人工参与。系统的使用可以极大地减少室内覆盖技术人员的工作量，提高室内覆盖设计与审核的工作效率与质量50倍以上。系统使用后，可以在保证信号质量的前提下最大限度的减少有源/无源器件的使用，站点建设成本大幅下降，站均节省设备投资20％，可节省大量的站点建设费用。

附图说明

图1示出了本发明的实施例的示例性室内覆盖自动设计优化系统的功能模块图；

图2示出了本发明的实施例的示例性室内覆盖自动设计优化系统的功能模块中各子模块的处理流程以及模块之间的关系；

图3示出了本发明的实施例的示例性室内覆盖自动设计优化系统的分流模型示意图；

图4示出了本发明的实施例的示例性室内覆盖自动设计优化系统的耙式模型示意图；

具体实施方式

本发明提供的室内覆盖自动设计优化系统将设计人员现场勘察后确定的设计目标作为初始条件，通过构造数学模型，运用室内覆盖自动设计算法，自动完成室内分布系统的最佳方案的设计，并形成标准的工程文档。系统包括六大功能模块(如图1)：

(1)界面输入模块：主要功能是通过友好的输入界面让用户录入现场勘察后得到的建筑物信息、室内基站信息、天线信息以及馈线、耦合器和功分器等设备的信息，作为设计的初始条件；

(2)Visio导入模块：主要功能是提供一套Visio模具以及可嵌入Visio的插件，使用户可在编辑完平面安装图后将井外的拓扑结构直接从Visio导入到系统中；

(3)数学建模和核心计算模块：主要功能是根据用户输入的初始信息(最小所需的天口功率，馈线的长度等)以及用户选择的分布模型，构造出描述室无线信号室内分布系统的数学模型，并调用核心求解器进行计算，从各种器件、器件安放位置以及不同路由的所有组合当中，选出能满足天线口功率在限定范围内最大、馈线长度最短、无源/有源器件使用最少的最佳组合；

(4)数据统计模块：主要功能是一方面对方案中使用的所有馈线、无源/有源器件进行分类统计，并计算出方案的材料总成本；另一方面对网络上各个结点以及天线口的功率进行统计；

(5)表格输出模块：主要功能是输出Excel格式的材料清单、天线口功率清单等；

(6)Visio导出模块：主要功能是将自动设计得到的方案系统原理图以Visio格式输出，其中可包含主干的拓扑和楼层平面的拓扑。在系统原理图上使用标准的模具来表示各类型器件，并对每一结点的功率、类型以及每一连线的功率损耗、长度进行清晰的标注。

上述六大功能模块通过相互协作，涵盖了室内覆盖自动优化设计的全过程，其中数学建模和核心计算模块是最重要的模块。图2展示了该模块中各子模块的处理流程，以及它与其他模块之间的关系：

(1)获取建筑、天线和材料的描述信息：通过界面输入模块，系统获取到建筑物信息(包括层数、每层楼高)、室内基站信息(包括输出功率、位置)、天线信息(包括所在楼层、距井距离、所需功率)以及馈线、耦合器和功分器等设备的信息(包括损耗、价格)，并通过Visio导入模块获取井外的拓扑结构。这些信息构成了求解问题的初始条件。

(2)选择模型：自动设计系统目前支持两种模型：分流模型和耙式模型。这两种模型是根据有经验的设计人员常用的设计模式，以及参考了大量的国内外相关文献抽象出来的。首先，我们假设一个室内分布系统总是按三级来设计，其中：

第一级：使用一个由一或多个功分器组成的虚拟功分器，把功率均分到若干个区(Band)。使用虚拟功分器的目的是为了有更多路的输出；

第二级：使用耦合器(二路功分器看作为1：1的耦合器)来针对不同的段(Section，也称为子Band)分配不同功率；或者使用功分器把功率再均分到若干段中；

第三级：每个Section用功分器把功率均分到所管辖的天线上。

分流模型是指第一级虚拟功分器位于所有天线所在楼层的中央，从第一级均分出来的功率在第二级(Band级)中使用耦合器进行上下分流(如图3)。分流模型分流后在每一支流上馈线只会往下或往上走，从直观上看比较节省馈线的用量，但也存在一定的局限，例如：1)在某种情况下，分流模型会引起靠近“上游”部分的功率偏高，末端功率偏低的问题；2)对于分流模型，耦合器是必须的设备，而由于设备质量的问题，在某些项目中可能会不希望使用到耦合器。

耙式模型是指在第二级(Band级)中使用一个功分器进行分枝，形成了一个从室内基站开始每级都使用功分器进行1:n分枝的模型，犹如一个耙状(如图4)。耙式模型对功率划分较为平均，使用的设备也比分流模型要少，但与分流模型相比会存在着浪费馈线的问题。

选用哪种分布模型可由用户配置，分别进行尝试。一般情况下，每层天线布放数很少、楼层较高的站点适合选用分流模型；而每层楼都比较平均的布放了若干面天线的站点适合选用耙式模型。

(3)划分区：

分流模型划分：对于分流模型，划分过程包括两个子模块：Section划分模块和Band划分模块。在Section划分模块中，划分的原则是使得每个Section所包含的多个天线所需功率之和最接近一致。由于每个Section是由一个功分器管辖，因而一个Section能够管辖多少枚天线需要考虑到功分器的输出限制(如：2≦K≦4)。Section划分模块的输出将作为Band划分模块的输入。在Band划分模块中，以划分后的Section为元素，使用同样的算法，求解将哪些Section划入同一个Band。划分的原则是每个Band所管辖的多个Section所需功率之和最接近一致，而每个Band所需功率的计算方式为该Band所管辖的多个Section中所有天线所需功率之和。

耙式模型划分：对于耙式模型，划分过程包括两个子模块：Band划分模块和Band内Section划分模块。在Band划分模块中，划分的原则是使得每个Band所包含的多个天线所需的功率以及Band前由于层高造成的馈线功率损耗之和最接近一致。由于每个Band是由一个功分器管辖，每个Section也是由一个功分器管辖，因而一个Band能够管辖天线数为2×2≦K≦4×4。在Band内Section划分模块中，枚举当前Band划分Section的所有可行方式。由于Band和Section各由一个功分器管辖，划分的组合方式很有限，使得枚举成为可能。最终，可从所有可行方式中得到最优的Section划分方式。

对于一个已经完成划分的站点可确定以下器件的安放位置以及馈线的长度：

●为每个Section安放一个功分器。功分器放在此Section所辖楼层中某一层。具体放在哪一层的原则：所放置楼层将导致该Section所用总馈线长度最短。

●分流模型为每个Section放置一个耦合器。除Band的末端，一般是耦合器与功分器同一层。末端的耦合器，具体放在哪一层的原则：所放置楼层将导致该耦合器与下辖的两个功分器之间的总馈线长度最短。

●耙式模型为每个Band放置一个功分器。具体放在哪一层的原则：与该Band所管辖的所有天线总距离最短。

●组建一个虚拟功分器，把机房出来的馈线连到此功分器的输入端。此功分器的每个输出端作为一个Band的输入。

(4)构造数学模型：在数学模型构造模块中，以室内分布系统数学模型为基础，将通过以上过程得到的Band、Section中器件和馈线的信息构造为0-1整数规划数学模型。步骤如下：

a)构造数学模型的目标函数：目标函数的工程意义是器件和馈线的总成本，总成本＝三级结构中的功分器和耦合器成本+各级之间的馈线成本。

b)构造数学模型的选择性约束条件：选择性约束条件的工程意义是指馈线必须在可选的馈线类型(如1/2”馈线、7/8”馈线)中选择一种，耦合器必须在可选的耦合器类型(如6dB耦合器、10dB耦合等等)中选择一种，功分器必须在可选的功分器类型(如二功分、三功分、四功分)中选择一种。

c)构造数学模型的需求约束条件：需求约束条件是指到达天线口的功率必须大于或等于天线口的需求功率。

d)构造数学模型的变量：变量是指每级中的功分器、耦合器及各级之间的馈线类型。

(5)调用核心求解器：以数学模型构造模块的输出作为核心求解器的输入，使用“强迫选择分枝定界法”求解该数学模型：依次执行主控函数、初始可行解搜索函数和快速0-1单纯形求解器函数。若问题有解，则求解器返回所有器件和馈线应选用的类型，使得室内分布系统在满足天线口功率需求的前提下达到成本最低。

(6)输出最佳方案：若问题有解，从核心求解器可得到室内分布系统设计的一个最佳方案。基于该方案，系统一方面可通过Visio导出模块将方案的系统原理图以标准的样式输出，另一方面可通过数据统计模块对方案中的材料进行分类统计、对功率进行统计，并可通过表格输出模块将统计结果输出为Excel文档。

本发明使引入计算机技术进行室内覆盖分布系统最优化求解成为可能，最终用计算机取代人脑实现室内覆盖系统设计和审核的自动化与智能化，充分利用计算机强大运算能力完成室内分布系统最佳方案的自动设计。可极大地减少室内覆盖技术人员的工作量，提高室内覆盖设计与审核的工作效率，最大限度节省站点建设成本。

本发明主要包括两个重要的算法和5个关键技术：

两个重要的算法为：强迫收敛分支定界法和强制选择分支定界法。

5个关键技术分别为：

(1)在室内覆盖设计领域当中首次将计算机由原来的辅助绘图工具变为智能设计工具，充分利用计算机强大运算能力完成室内分布系统最佳方案的自动设计；

(2)系统自动完成室内分布系统各节点与天线口功率的计算，摆脱繁琐的人工功率计算，能够大大提高室内覆盖系统设计与审核的效率；

(3)系统自动完成室内分布系统主干路由、器件的选取与安放位置的最优设计，在大大缩短设计时间的同时最大限度地提高了室内分布系统的设计质量、降低了室内分布系统的建设成本；

(4)系统自动完成对室内覆盖设计方案的审核，大大减少2G/3G室内覆盖设计方案审核的工作量，提高方案审核的效率；

(5)使用本智能设计优化系统，我司今后可以独立进行室内分布系统的设计，不再需要室内覆盖厂家进行设计。

利用本发明，一方面计算机取代人工完成了室内分布系统方案的自动化设计，大大提高了方案设计、审核的工作效率，原来一个100面天线左右的中型站点的设计方案需要大约2天-3天左右，采用室内覆盖自动设计系统只需要0.5-1小时，设计效率提高50倍以上；另一方面通过本发明设计出来的方案在天线口功率普遍比人工设计方案高的同时，站均节省设备投资10％-20％，以2006年广州移动室内覆盖网优投资6980万元来计算，室内覆盖系统的应用将每年节省生产成本698万元-1396万元，设计工作节省人力成本300万元，审核工作节省人力成本769万元，合计每年2465万元。

这里公开的实施例是示例性的，其仅是为了对本发明进行解释说明，而并不是对本发明的限制，本领域技术人员可以预见的改良和扩展都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种室内覆盖自动设计优化系统，其中包括：

界面输入模块，通过输入界面让用户录入信息，作为设计的初始条件；

Visio导入模块，提供一套Visio模具以及可嵌入Visio的插件，使用户可在编辑完平面安装图后将拓扑结构直接从Visio导入到系统中；

数学建模和核心计算模块，根据用户输入的初始信息以及用户选择的分布模型，构造出无线信号室内分布系统的数学模型，并调用核心求解器进行计算，从各种器件、器件安放位置以及不同路由的所有组合当中，选出最佳组合；

通过界面输入模块，获取描述信息，并通过Visio导入模块获取井外的拓扑结构，这些信息构成求解问题的初始条件；根据初始信息，选择设计模型：根据用户需要从分流模型和耙式模型中选择一种模型；根据所选择的模型，对站点划分区：对于分流模型，划分过程包括Section划分模块和Band划分模块；对于耙式模型，划分过程包括Band划分模块和Band内Section划分模块；构造数学模型：在数学模型构造模块中，以室内分布系统数学模型为基础，将通过以上过程得到的Band、Section中器件和馈线的信息构造为0-1整数规划数学模型；调用核心求解器：以数学模型构造模块的输出作为核心求解器的输入，使用“强迫选择分枝定界法”求解该数学模型：依次执行主控函数、初始可行解搜索函数和快速0-1单纯形求解器函数；若问题有解，则求解器返回所有器件和馈线应选用的类型，使得室内分布系统在满足天线口功率需求的前提下达到成本最低；

数据统计模块，对使用的所有馈线、无源/有源器件进行分类统计，并计算出材料总成本，并且对网络上各个结点以及天线口的功率进行统计；

表格输出模块：输出材料清单和天线口功率清单；

Visio导出模块：将自动设计得到的方案系统原理图以Visio格式输出。

2.如权利要求1所述的室内覆盖自动设计优化系统，其中：

作为设计的初始条件的用户录入信息包括建筑物信息、室内基站信息、天线信息以及馈线、耦合器和功分器设备的信息。

3.如权利要求1所述的室内覆盖自动设计优化系统，其中：

所述最佳组合是满足天线口功率在限定范围内最大、馈线长度最短、无源/有源器件使用最少的组合。

4.如权利要求1所述的室内覆盖自动设计优化系统，其中：

所述清单是Excel格式的。

5.一种室内覆盖自动设计优化方法，其中包括以下步骤：

(1)通过界面输入模块，获取描述信息，并通过Visio导入模块获取拓扑结构，这些信息构成求解问题的初始条件；

(2)根据初始信息，选择设计模型：根据用户需要从分流模型和耙式模型中选择一种模型；

(3)根据所选择的模型，对站点划分区：对于分流模型，划分过程包括Section区域划分模块和Band频带划分模块；对于耙式模型，划分过程包括Band划分模块和Band内Section划分模块；

(4)构造数学模型：在数学模型构造模块中，以室内分布系统数学模型为基础，将通过以上过程得到的Band、Section中器件和馈线的信息构造为0-1整数规划数学模型；

(5)调用核心求解器：以数学模型构造模块的输出作为核心求解器的输入，使用“强迫选择分枝定界法”求解该数学模型：依次执行主控函数、初始可行解搜索函数和快速0-1单纯形求解器函数，若问题有解，则求解器返回所有器件和馈线应选用的类型，使得室内分布系统在满足天线口功率需求的前提下达到成本最低；

(6)输出最佳方案：若问题有解，从核心求解器可得到室内分布系统设计的一个最佳方案，基于该方案，系统一方面可通过Visio导出模块将方案的系统原理图以标准的样式输出，另一方面可通过数据统计模块对方案中的材料进行分类统计、对功率进行统计，并可通过表格输出模块将统计结果输出为Excel文档。

6.如权利要求5所述的室内覆盖自动设计优化方法，其中：

步骤(1)中所述描述信息包括：建筑物信息，包括层数、每层楼高；室内基站信息，包括输出功率、位置；天线信息，包括所在楼层、距井距离、所需功率；以及馈线、耦合器和功分器设备的信息，包括损耗、价格。

7.如权利要求5所述的室内覆盖自动设计优化方法，其中

步骤(2)中，设计模型的选择过程中，对于每层天线布放数很少、楼层较高的站点适合选用分流模型；而对于每层楼都比较平均的布放了若干面天线的站点适合选用耙式模型。

8.如权利要求5所述的室内覆盖自动设计优化方法，其中

对于一个已经完成划分的站点可确定以下器件的安放位置以及馈线的长度：

为每个Section安放一个功分器，功分器放在此Section所辖楼层中某一层，具体放在哪一层的原则：所放置楼层将导致该Section所用总馈线长度最短；

分流模型为每个Section放置一个耦合器，除Band的末端，一般是耦合器与功分器同一层，末端的耦合器，具体放在哪一层的原则：所放置楼层将导致该耦合器与下辖的两个功分器之间的总馈线长度最短；

耙式模型为每个Band放置一个功分器，具体放在哪一层的原则：与该Band所管辖的所有天线总距离最短；

组建一个虚拟功分器，把机房出来的馈线连到此功分器的输入端，此功分器的每个输出端作为一个Band的输入。

9.如权利要求5所述的室内覆盖自动设计优化方法，其中：

步骤(4)中所述构造数学模型的具体步骤是：

a)构造数学模型的目标函数：目标函数的工程意义是器件和馈线的总成本，总成本＝功分器和耦合器成本+各级之间的馈线成本；

b)构造数学模型的选择性约束条件：选择性约束条件的工程意义是指馈线必须在可选的馈线类型中选择一种，耦合器必须在可选的耦合器类型中选择一种，功分器必须在可选的功分器类型中选择一种；

c)构造数学模型的需求约束条件：需求约束条件是指到达天线口的功率必须大于或等于天线口的需求功率；

d)构造数学模型的变量：变量是指每级中的功分器、耦合器及各级之间的馈线类型。

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