CN105611549B - 一种基于信号强度的小区覆盖半径计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信号强度的小区覆盖半径计算方法，步骤如下：一、设置定值和初始化变量；二、计算信号强度rsrp：三、判断|rsrp‑Threshold|＜ε，如果是，执行八；否则执行四；四、判断|d_max‑d_min|＜D；如果是令d＝d_pre，执行十；否则执行五；五、判断二的rsrp＞Threshold是否成立；如果成立将d的值赋给d_min，否则赋给d_max，均重新计算d：六、再次计算rsrp；七、判断|rsrp‑Threshold|＜ε，如果是，说明六的rsrp≈Threshold成立，执行八；否则执行四；八、判断|d‑d_pre|＜D/2是否成立；如果成立，认为当前距离d为最终所需距离，执行十；否则执行九；九、以八的当前距离d作为下一次二分法的距离下限以求取满足条件的更大距离，返回四；十、以当前距离d为小区覆盖半径。通过循环使用二分法求出了信号强度下限对应最大距离作为小区覆盖半径，计算结果准确可靠。

Description

一种基于信号强度的小区覆盖半径计算方法

技术领域

本发明属于移动通信网络的规划与优化技术领域，涉及移动网络覆盖状况评价，具体是一种基于信号强度的小区覆盖半径计算方法。

背景技术

传统的覆盖半径根据配置信息、工程经验、传播模型、理想天线覆盖等方法计算得到；但是存在以下缺陷：

通过基站的基本配置信息得到基站小区半径,但是在基站建站的时候,为了保证覆盖率,基站的实际覆盖面积往往比基站的配置覆盖面积要大，所以实际覆盖半径比配置覆盖半径偏大。

工程经验方法是依据工程实践按照一定比例扩大配置覆盖半径作为覆盖半径，但是经验比例很难统一，不同的工程师对于小区覆盖半径的判断可能不同。

传播模型、理想天线覆盖这两种方法都没有全面考虑影响覆盖半径的因素，计算得到的覆盖半径不够准确。

现有网络规划和优化需要的小区覆盖半径算法要求准确度较高，不同小区以及同一小区优化前后算得的覆盖半径有差异，这样才能更加贴近工程实际；显然现有的小区覆盖半径算法不能完全满足要求。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提出了一种基于信号强度的小区覆盖半径计算方法。

具体步骤如下：

步骤一、设置定值和初始化变量；

设置定值：小区覆盖半径的上限D_max、小区覆盖半径的下限D_min，小区覆盖信号强度门限Threshold，信号强度rsrp≈Threshold成立允许的误差ε，执行二分法时的最小距离间隔D。D_min、D_max、Threshold、ε和D根据实际情况选择；

初始化变量：初始化变量：将D_min分别赋值给当前二分法的距离区间下限d_min和上次二分法求得的距离d_pre；将D_max赋值给当前二分法的距离区间上限d_max；将信号强度设置为rsrp＝-999；利用二分法计算当前距离d＝(d_min+d_max)/2；

步骤二、用初始化的当前距离d计算信号强度rsrp：

param1＝Power-L_L+G_Rx+G_max-K₁-K₃×lg(H_Tx)-K₄×Diff-K₆×H_Rx-K₇×Clutter

param2＝K₂+K₅×lg(H_Tx)

Power表示小区发射功率，L_L表示线路损耗；G_Rx表示终端天线增益；G_max表示最大天线增益；K₁～K₇是SPM模型的7个加权常数，由终端数据校正；H_Tx表示天线高度；Diff表示衍射损耗；H_Rx表示终端高度，Clutter表示地物损耗。

步骤三、判断步骤二的信号强度rsrp与信号强度门限Threshold的差值绝对值是否小于误差ε，如果是说明rsrp≈Threshold成立，则初始化的当前距离d为本次二分法求得的距离，执行步骤八；否则执行步骤四。

步骤四、判断当前二分法距离区间的上限和下限之差是否小于最小距离间隔D；如果是说明区间太小当前二分法无解，则取消本次二分法，令当前距离d＝d_pre，执行步骤十；否则执行步骤五。

步骤五、判断步骤二的信号强度rsrp＞Threshold是否成立；如果成立将初始化的当前距离d的值赋给d_min，并利用二分法重新计算当前距离d；否则将初始化的当前距离d的值赋给d_max，利用二分法重新计算当前距离d：

d＝(d_min+d_max)/2

步骤六、用步骤五重新计算的当前距离d再次计算信号强度rsrp；

步骤七、判断步骤六的信号强度rsrp与信号强度门限Threshold的差值绝对值是否小于误差ε，如果是，说明步骤六的信号强度rsrp≈Threshold成立，则步骤五重新计算的当前距离d为本次二分法求得的距离，执行步骤八；否则执行步骤四；

步骤八、判断|d-d_pre|＜D/2是否成立；如果成立说明循环使用二分法获得的距离已经趋近稳定，认为当前距离d为最终所需距离，执行步骤十。否则执行步骤九；

步骤九、以步骤八的当前距离d作为下一次二分法的距离下限以求取满足条件的更大距离，返回步骤四。

即令rsrp＝-999，将步骤八的当前距离d分别赋值给d_min和d_pre；将D_max的值赋给d_max；d＝(d_min+d_max)/2。

步骤十、以当前距离d为小区覆盖半径。

本发明的优点在于：

(1)一种基于信号强度的小区覆盖半径计算方法，基于信号强度，综合考虑了最大天线增益和路径损耗，循环使用二分法求出了信号强度下限对应最大距离作为小区覆盖半径，在求出覆盖半径后可以进一步求取小区覆盖范围，计算结果准确可靠。

(2)、一种基于信号强度的小区覆盖半径计算方法，分别利用了小区工程参数、天线参数、终端数据等容易获得的参数，不需要额外数据。对于不同小区以及同一小区优化前后，由于小区天线高度、天线下倾角等参数的差别，经过算法算得的覆盖半径不同。这样能体现差异性，更加符合工程实际。

(3)、一种基于信号强度的小区覆盖半径计算方法，把算法用于网络规划与优化，优化前后小区的天线高度、下倾角、发射功率等参数发生改变，根据算法算得的覆盖半径也发生变化，网络覆盖性能随之变化，能反映优化对网络覆盖的影响。

附图说明

图1是本发明信号强度rsrp与距离的关系示意图；

图2是本发明一种基于信号强度的小区覆盖半径计算方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方法进行详细说明。

终端到服务小区的信号强度，例如LTE的rsrp，WCDMA的rscp，可实际测量或者通过公式计算得到理论预测值。研究表明，信号强度与终端到小区的距离有关。当终端在某个距离与服务小区的信号强度小于最小信号强度门限Threshold时，认为终端超出了小区的覆盖范围。

以LTE网络的rsrp为例，对信号强度与终端到小区的距离有关进行说明：

根据文献：周俊.刘克清.基于LTE信令大数据的网络质量评估体系研究[J].互联网天地.2015(3)的记载：LTE中-110dB为无覆盖门限，-105dB为弱覆盖门限。本发明取Threshold＝-110dB，该阈值是目前工程经验值，可根据实际情况改变；如图1所示，信号强度rsrp随着距离的增大总体下降、局部波动，在小区的覆盖半径边缘必有rsrp＝Threshold，但是在小区的覆盖半径内部也可能在某个距离也有rsrp＝Threshold成立，因此认为小区的覆盖半径就是使rsrp＝Threshold成立的最大距离。

根据文献韩斌.彭木根.TD—LTE链路预算研究[J].数据通信.2011(1)记载，在链路预算中，信号强度rsrp的计算公式如下：

rsrp＝Power+G_Tx-L_p-L_L+G_Rx (1)

其中，Power表示小区发射功率，G_Tx表示发射端天线增益；G_Rx表示终端天线增益，L_p表示路径损耗,L_L表示包括线路损耗、阴影衰落、人体和建筑物穿透损耗等在内的其它损耗，通常只计算线路损耗。

Power、G_Rx和L_L预先设定，G_Tx、L_p与终端相对小区的位置有关。

发射端天线增益G_Tx分为水平方向增益和竖直方向增益；根据rsrp求小区覆盖半径，则水平方向增益按照最大的方向(也就是主瓣峰值方向)计算，竖直方向增益与终端相对小区天线的仰角与天线方向的夹角有关。即

其中G_max表示最大天线增益，d表示小区到终端的距离，H_Tx表示天线高度，e_Tx表示天线下倾角。表示终端相对小区天线的仰角，则表示终端相对小区天线的仰角与天线方向的夹角。V(α),α∈[0,359)表示竖直波束增益(由天线文件获得)，也就是天线在竖直方向上的损耗。

对于特定小区和天线，G_Tx在主瓣峰值方向最大，往两边递减，随着距离d的增大先增后减。

路径损耗L_p的计算需要传播模型。传播模型可以根据实际环境和精度要求具体选择。下面以SPM传播模型为例。

根据文献谢云涛.基于SPM传播模型的校正[J].数字技术与应用.2014(12):48-49的记载，SPM模型计算路损L_p公式为：

L_p＝K₁+K₂×lg(d)+K₃×lg(H_Tx)+K₄×Diff+K₅×lg(d)×lg(H_Tx)+K₆×H_Rx+K₇×Clutter (3)

Diff表示衍射损耗，H_Rx表示终端高度，Clutter表示地物损耗。考虑到Diff、Clutter计算复杂且值较小，计算时取平均值。H_Rx可预先设定，通过终端数据模型校正可以得到K₁～K₇、Diff、Clutter的平均校正值。则对于特定小区和天线，路径损耗L_p是距离d的单调增函数。

路径损耗L_p是距离d的单调增函数，天线增益G_Tx是距离d的先增后减函数，导致了信号强度rsrp随着距离的增大总体下降、局部波动；路径损耗公式L_p和天线增益公式G_Tx里除了距离外其它量都是工程参数、校正值等定量，距离d是改变路径损耗和天线增益的唯一变量。

根据公式(1)到公式(3)，rsrp计算公式简写如下：

其中：

param1＝Power-L_L+G_Rx+G_max-K₁-K₃×lg(H_Tx)-K₄×Diff-K₆×H_Rx-K₇×Clutter

param2＝K₂+K₅×lg(H_Tx)

可知，param1和param2都与距离d无关，通过工程参数或者平均值获得。

信号强度rsrp不是距离d的单调减函数，而是随着距离d的增大总体下降、有起伏的函数，在没有达到覆盖半径时也可能有距离d满足rsrp＝Threshold。所以满足rsrp＝Threshold的距离d的解可能有多个，距离解中最大的一个距离反映了小区的覆盖极限。通过二分法找到一个解后，以当前解为距离下限d_min，重新计算距离更大的解，一直循环二分法直至找不到更大的解为止。求出的最大解作为覆盖半径，作为最合理的小区覆盖半径。

求小区的覆盖半径，相当于求公式(4)使rsrp＝Threshold成立的最大距离d。

公式(4)中竖直波束增益V(α)通过天线文件获得，无法直接用公式表示，因此不能直接求得距离d的闭式解。所以循环使用二分法求rsrp＝Threshold时的最大近似解。

如图2所示，具体步骤如下：

步骤一、设置定值和初始化变量；

设置上限d_max，下限d_min，中间变量d_pre，信号强度rsrp，最小信号强度门限Threshold；误差ε和最小距离间隔D；

设置定值：小区覆盖半径的上限D_max、小区覆盖半径的下限D_min，本实施例中D_min为0m；D_max为10000m；小区覆盖信号强度门限Threshold，Threshold取-110dB；当前信号强度rsrp≈Threshold成立允许的误差ε取1dB；执行二分法时的最小距离间隔D，本实施例中取100m。。

初始化变量：初始化变量：将D_min分别赋值给当前二分法的距离区间下限d_min和上次二分法求得的距离d_pre；将D_max赋值给当前二分法的距离区间上限d_max；将当前信号强度初始值设置为rsrp＝-999；利用二分法计算当前距离d＝(d_min+d_max)/2；

步骤二、用初始化的当前距离d计算信号强度rsrp：

param1＝Power-L_L+G_Rx+G_max-K₁-K₃×lg(H_Tx)-K₄×Diff-K₆×H_Rx-K₇×Clutter

param2＝K₂+K₅×lg(H_Tx)

Power表示小区发射功率，L_L表示线路损耗；G_Rx表示终端天线增益；G_max表示最大天线增益，K₁～K₇是SPM模型的7个加权常数；通过用户端测量数据(如MR数据、路测数据等)校正；H_Tx表示天线高度；Diff为衍射损耗；H_Rx为终端高度，Clutter为地物损耗。

步骤三、判断步骤二的当前信号强度rsrp与信号强度门限Threshold的差值绝对值是否小于误差ε，如果是说明rsrp≈Threshold成立，则初始化的当前距离d为本次二分法求得的距离，执行步骤八；否则执行步骤四。

步骤四、判断当前二分法距离区间的上限和下限之差是否小于最小距离间隔D；如果是说明区间太小当前二分法无解，则取消本次二分法，令当前距离d＝d_pre，执行步骤十；否则执行步骤五。

步骤五、判断步骤二的信号强度rsrp＞Threshold是否成立；如果成立将初始化的当前距离d的值赋给d_min，并利用二分法重新计算当前距离d；否则将初始化的当前距离d的值赋给d_max，利用二分法重新计算当前距离d：

d＝(d_min+d_max)/2

步骤六、同步骤二，用步骤五重新计算的当前距离d再次计算信号强度rsrp；

步骤七、判断步骤六的信号强度rsrp与信号强度门限Threshold的差值绝对值是否小于误差ε，如果是，说明步骤六的信号强度rsrp≈Threshold成立，则步骤五重新计算的当前距离d为本次二分法求得的距离，执行步骤八；否则执行步骤四。

步骤八、判断|d-d_pre|＜D/2是否成立。如果成立说明循环使用二分法获得的距离已经趋近稳定，认为当前距离d为最终所需距离，执行步骤十。否则执行步骤九；

步骤九、以步骤八的当前距离d作为下一次二分法的距离下限以求取满足条件的更大距离，返回步骤四。

即令rsrp＝-999，将步骤八的当前距离d分别赋值给d_min和d_pre；将D_max的值赋给d_max；d＝(d_min+d_max)/2。

步骤十、以当前距离d为小区覆盖半径。

利用本发明算法得到的结果有三种：

第一种，在区间D_min～D_max内无解，d＝d_pre＝D_min，此时输出最小距离下限D_min作为小区半径；第二种，在区间D_min～D_max内有解，且上一次二分法得到解，本次二分法在更大的区间内无解，说明上一次解为最大解，则输出上一次解作为小区半径；第三种，在区间D_min～D_max内有解，且上一次二分法得到解，本次二分法在更大的区间内得到的解与上一次解接近，说明上一次解或者本次解已经达到了最大，则输出本次解作为小区半径。

在本发明中最小距离间隔D的作用为：由于信号强度与距离的公式是连续的(否则无法使用二分法)，一段小于D的距离内的rsrp接近。所以如果在小于D的距离区间的两端都没有解，认为这个区间内没有解；在小于D的距离区间的两端有多个解，那么看成是一个解。进入步骤六必定有距离区间大于D，虽然信号强度不是距离的单调减函数，但是在解附近依然满足下降的趋势，因此在大于D的距离区间内按照减函数来进行二分法的判断。如果得到的上一次解和当前解接近，由于当前解是上一次解到小区覆盖半径的上限D_max内的解，则认为上一次解和当前解已经达到了最大解，输出当前解作为小区覆盖半径。

例如：当最小距离间隔D＝100m时，对于1900m～2000m区间，如果在1900m和2000m都没有解，认为这个区间里也没有解；如果确定1900m～2000m区间里有解，那么覆盖半径可以取1900m或2000m，差别不大；在1900m～2050m区间可以看成是减函数使用二分法，判断1975m处是否是近似解，如果是则本次二分法有解，不是则本次二分法无解，不再进行更小区间的划分；如果在1900m～2100m区间内，在2000m和2050m都有解，认为2050m就是覆盖半径)

本发明的方法中有两层循环：内层循环是步骤四—步骤五—步骤六—步骤七的循环，是一次二分法，外层循环是步骤三—步骤四—步骤五—步骤六—步骤七—步骤八—步骤九，是循环二分法求最大解。如果区间内有解，从步骤七满足条件进入步骤八；如果区间内无解，跳出外层循环，从步骤四满足条件进入步骤十。内层循环有解到达步骤八后，判断当前解是否与前一次解接近，如果是，则认为当前解和前一次解其实是相同解，两次解相同，没有更大解，跳出外层循环；如果不接近，则认为还有更大解，此时步骤八条件不满足经过步骤九重新进入内层循环，求更大解。

跳出内层循环的条件是本次二分法得到解(步骤七)或者无解(步骤四)；跳出外层循环的条件是本次二分法无解(步骤四，返回上一次解)或者本次二分法的解与上一次解接近(视为同一个解，步骤八，返回当前解)。本次二分法无解时使用上一次解作为最终解，如果D_min～D_max区间内无解，那么返回的是区间下限D_min；如果区间有解，那么返回的是最大解的近似值。

步骤二和步骤六、步骤三和步骤七的功能都是判断信号强度是否接近门限，出口也相同，但是步骤二和步骤三在外层循环外，只执行初始情况的判断，而步骤六、步骤七在内层循环内，会多次执行。

具体分析如下：

假设D_min～D_max是一个小于D的距离区间，那么D_min～D_max里或者有一个解或者无解(多个接近的解也看成一个解)。

有一个解的情况，具体流程是步骤一、步骤二、步骤三、步骤八、步骤十，此时d＝(d_min+d_max)/2，d_min＝d_pre＝D_min，满足步骤三的rsrp≈Threshold和步骤八的|d-d_pre|＜D/2，最优解可以是D_min～D_max区间内的任意值，输出中间值d作为小区覆盖半径。

无解的情况，流程是步骤一、步骤二、步骤三、步骤四、步骤十，此时不满足步骤三的信号近似条件，满足步骤四的距离区间小的条件，d＝d_pre＝D_min，输出距离下限D_min作为小区覆盖半径。

假设D_min～D_max是一个大于D的距离区间，那么D_min～D_max里或者无解、有一个解或者有多个解。接下来分类讨论：

在D_min～D_max里无解，流程先是步骤一、步骤二、步骤三、步骤四、步骤五、步骤六、步骤七、步骤四，此时距离区间缩小为一半，如果距离区间小于D，则接着在步骤四距离区间小而进入步骤十；如果距离区间大于D，则接着进行步骤四——步骤五—步骤六—步骤七的内层循环，不断缩小距离区间，直到距离区间小于D，在步骤四距离区间小而进入步骤十。在进入步骤十时满足d＝d_pre＝D_min，输出距离下限D_min作为小区覆盖半径。

在D_min～D_max里有一个解。流程先是步骤一、步骤二、步骤三，通过内层循环步骤四—步骤五—步骤六—步骤七的内层循环得到第一个解，接着从步骤七进入步骤八，求更大解，由步骤九重新进入内层循环。之后得不到更大解而从步骤四跳出外层循环，返回第一个解；或者得到的当前解与第一个解接近，返回当前解。

在D_min～D_max里有多个解。流程先是步骤一、步骤二、步骤三，通过内层循环步骤四—步骤五—步骤六—步骤七的内层循环得到第一个解，接着从步骤七进入步骤八，求更大解，由步骤九重新进入内层循环。之后得到更大解，从步骤七跳出内层循环而进入步骤八，这样一直在外层循环内求更大解，直到得不到更大解而从步骤四跳出外层循环，返回前一个解；或者得到的当前解与前一个解接近，返回当前解。

本发明综合考虑天线覆盖和传播损耗，把求小区覆盖半径转化为求信号强度，通过循环使用二分法求得信号强度下限对应最大距离作为小区覆盖半径。之后可以进一步综合考虑覆盖半径和覆盖角度范围获得覆盖范围。

本发明适用于网络覆盖性能分析和评价网络覆盖状况，比如越区覆盖检测、覆盖率计算、重叠覆盖检测等，例如LTE网络的越区覆盖检测；该方法中用网络信号强度求得覆盖半径d，对于有rsrp的LTE网络适用，对于其它有信号强度参数的网络也适用。比如对于WCDMA，也可以用信号强度rscp计算公式求得覆盖半径d。

本发明方法中路径损耗除了选用SPM模型外，也可以根据实际情况选择okunura-Hata、COST-231等传播模型。

网络覆盖是网络性能的体现，但是传统计算覆盖半径的方法不能体现优化前后网络覆盖状况的变化，也就不能作为网络规划与优化的优化目标。而本发明作为网络性能的体现，体现了优化前后不同小区的覆盖状况变化，使得网络覆盖性能和rsrp、SINR一样作为网络规划与优化软件的优化目标之一，进一步完善网络优化，也可以作为评价不同优化算法的方法之一。

Claims (3)

1.一种基于信号强度的小区覆盖半径计算方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、设置定值和初始化变量；

设置定值：小区覆盖半径的上限D_max、小区覆盖半径的下限D_min，小区覆盖信号强度门限Threshold，信号强度rsrp≈Threshold成立允许的误差ε，执行二分法时的最小距离间隔D；

初始化变量：将D_min分别赋值给当前二分法的距离区间下限d_min和上次二分法求得的距离d_pre；将D_max赋值给当前二分法的距离区间上限d_max；将信号强度设置为rsrp＝-999；利用二分法计算当前距离d＝(d_min+d_max)/2；

步骤二、用初始化的当前距离d计算信号强度rsrp：

param1＝Power-L_L+G_Rx+G_max-K₁-K₃×lg(H_Tx)-K₄×Diff-K₆×H_Rx-K₇×Clutter param2＝K₂+K₅×lg(H_Tx)

Power表示小区发射功率，L_L表示线路损耗；G_Rx表示终端天线增益；G_max表示最大天线增益；K₁～K₇是SPM模型的7个加权常数，由终端数据校正；H_Tx表示天线高度；Diff表示衍射损耗；H_Rx表示终端高度，Clutter表示地物损耗；V(α),α∈[0,359)表示竖直波束增益，即天线在竖直方向上的损耗；T()表示竖直方向的角度函数；e_Tx表示天线下倾角；

步骤三、判断步骤二的信号强度rsrp与信号强度门限Threshold的差值绝对值是否小于误差ε，如果是说明rsrp≈Threshold成立，则初始化的当前距离d为本次二分法求得的距离，执行步骤八；否则执行步骤四；

步骤四、判断当前二分法距离区间的上限和下限之差是否小于最小距离间隔D；如果是说明区间太小当前二分法无解，则取消本次二分法，令当前距离d＝d_pre，执行步骤十；否则执行步骤五；

步骤五、判断步骤二的信号强度rsrp＞Threshold是否成立；如果成立将初始化的当前距离d的值赋给d_min，并利用二分法重新计算当前距离d；否则将初始化的当前距离d的值赋给d_max，利用二分法重新计算当前距离d：

d＝(d_min+d_max)/2

步骤六、用步骤五重新计算的当前距离d再次计算信号强度rsrp；

步骤七、判断步骤六的信号强度rsrp与信号强度门限Threshold的差值绝对值是否小于误差ε，如果是，说明步骤六的信号强度rsrp≈Threshold成立，则步骤五重新计算的当前距离d为本次二分法求得的距离，执行步骤八；否则执行步骤四；

步骤八、判断|d-d_pre|＜D/2是否成立；如果成立说明循环使用二分法获得的距离已经趋近稳定，认为当前距离d为最终所需距离，执行步骤十；否则执行步骤九；

步骤九、以步骤八的当前距离d作为下一次二分法的距离下限以求取满足条件的更大距离，返回步骤四；

步骤十、以当前距离d为小区覆盖半径。

2.如权利要求1所述的一种基于信号强度的小区覆盖半径计算方法，其特征在于，所述步骤一中的D_min、D_max、Threshold、ε和D根据实际情况选择。

3.如权利要求1所述的一种基于信号强度的小区覆盖半径计算方法，其特征在于，所述的步骤九具体为：令rsrp＝-999，将步骤八的当前距离d分别赋值给d_min和d_pre；将D_max的值赋给d_max；d＝(d_min+d_max)/2。