CN1832612A - 一种实现开阔水域网络规划的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现开阔水域网络规划的方法，该方法具体为：应用至少两维矢量图确定基站的覆盖区域；定位区域中基站位置，沿基站覆盖方向在矢量图中选择点集，将所述点集划分为三个部分进行存储，从基站到基站可视距离点为点集第一部分，从基站可视距离点到基站与终端的可视交点为点集第二部分，超过所述基站与终端可视交点的地球阴影区为点集第三部分；分别确定点集各部分的传播路径损耗，获取各采样点上的基站信号强度。本发明所涉及的算法清晰简单，由于本发明建立在现有的网络规划方法基础上，因而具有利用数字传播模型进行网络规划的省时、高效的优点。

Description

一种实现开阔水域网络规划的方法

技术领域

本发明涉及移动网络规划技术，尤其涉及一种适用于开阔水域无线覆盖的网络规划方法。

背景技术

在进行移动通信网络建设中，首先需要对无线移动网络进行网络规划，其目的之一是确定较佳的基站位置。在进行网络规划时，需要计算不同基站覆盖区域内的信号强度，同时计算邻信道和同信道干扰等情况。传统的网络规划方法为进行现场模拟，即以小型发射机替代基站进行发射，同时对覆盖区域进行实际测量，以获取覆盖效果，该方法费时费力，效率低，因而现今已很少被采用。

随着网络规划技术的发展，技术人员通过数字图建立多种地表状况下的无线传播模型，用于对无线网络的覆盖效果进行预测。利用高精度的无线传播模型预测方法并通过计算机计算，通过比较和评估计算机输出的所有方案的性能，能够容易地选出最佳网络配置规划方案。因此，传播模型的准确与否关系到整个无线移动通信网络规划质量。目前常见的用于网络规划的无线传播模型包括：适用于陆地环境下宏蜂窝覆盖预测的Cost231-Hata，Okumura-Hata模型等；以及适用于微蜂窝覆盖预测的Cost231 Walfish-Ikegami模型，以及适用于海面传播环境的二波模型等。

随着移动通信应用的普及，运营商已经建设并开通了覆盖近海区域的无线通信网络(如已有的GSM通信网或CDMA通信网)。在开阔水域移动通信网络的规划建设和网络优化工程实施中，需要可用于开阔水域环境下的无线传播预测模型。

目前，海面覆盖的网络规划方法为：建立基站周围地表信息或传播环境信息；根据二波模型的计算方法获取基站信号的传播损耗，进而得到覆盖区域内信号强度；比较不同网络结构下信号强度等网络覆盖性能，并最终决定移动通信网络结构。

上述规划方法中，二波模型只考虑直达波和反射波的影响。移动台接收到的反射波看作是直达波的复制品，反射波的频率与直达波频率相同，由于传播路径不同，使反射波的幅度和相位相对直达波发生变化，因而，现有技术中，移动台接收到的基站信号功率表示为直达波与反射波的矢量和，并且，由于海面船只的移动速度较慢，一般不会超过60km/h，因而对多谱勒频移忽略不计。

                    P_r＝P₀|1+ae^-jφexp(jΔφ)|²

上式中，Pr为接收功率；P0为直达波接收功率；ae^-jφ为反射系数，其中a为振幅，φ为相位；Δφ为直达波与反射波之间的相位差，所述相位差是由于直达波与反射波之间的路径差Δd引起。

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δd}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·\frac{{2H}_t{H}_r}{1000d}$

其中，H_t为基站天线高度，单位：米；H_r为移动台天线高度，单位：米；d为传播距离，单位：公里。用路径损耗表示的二波模型计算式为：

$L_{\mathrm{path}}=L_0-10\log [2-2\cos \left(\frac{4{\mathrm{\πH}}_t{H}_r}{1000\mathrm{\λd}}\right)]$

其中L₀为自由空间传播损耗。

由二波模型的计算式可知，在开阔水域这种开阔的传播环境下，现有的网络规划方法只考虑直达波和反射波的影响，而没有考虑地球曲率对无线信号衰减的作用，因而，目前应用二波模型所进行的网络规划，仅限于对基站信号进行视距范围内的预测；二波模型对无线传播损耗的计算较为粗略，因此，采用该模型进行网络规划时无法实际满足工程需求，尤其是在接近基站的可视距离时，其误差范围将进一步扩大。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种实现开阔水域网络规划的方法，该方法能够较精确的预测网络覆盖质量，并且对基站信号的预测不局限于视距范围内，进而本发明的网络规划方法能够提供较佳的网络覆盖方案。

为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：应用至少两维矢量图确定基站的覆盖区域；定位区域中基站位置，沿基站覆盖方向在矢量图中选择点集，将所述点集划分为三个部分进行存储，从基站到基站可视距离点为点集第一部分，从基站可视距离点到基站与终端的可视交点为点集第二部分，超过所述基站与终端可视交点的地球阴影区为点集第三部分；分别确定点集各部分的传播路径损耗，获取各采样点上的基站信号强度。

上述方法中，所述点集第一部分的传播路径损耗采用自由空间损耗模型进行近似计算。

所述点集第二部分的传播路径损耗采用自由空间损耗模型并参考附加绕射损耗进行近似计算，其计算方法具体表示为：

          L_p＝32.44+20lgf+10γlg(d_km)+6(d_km-d₁)/d₂

其中，d₁为基站到基站可视距离点的距离；d₂为基站可视距离点到基站与终端的可视交点的距离。

采用第二部分传播路径损耗计算方法，并加入修正值以获得点集第三部分的传播路径损耗，其计算方法具体表示为：

          L_p＝32.44+20lgf+10γlg(d_km)+20lg[0.5e^{(0.45-0.62v)v}]

其中 $v=-R_e[1-\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})/(\sin \mathrm{\α}+\sin \mathrm{\β})]\sqrt{\frac{2d_{\mathrm{km}}}{\mathrm{\λ}(d_1+d_2)[{(d}_{\mathrm{km}}-(d_1+d_2)]}},$ d₁为基站到基站可视距离点的距离；d₂为基站可视距离点到基站与终端的可视交点的距离；α＝(d₁+d₂)/R_e，β＝[d_km-(d₁+d₂)]/R_e，其中R_e为地球等效半径。

在上述方法中，当基站的覆盖方向存在能够影响电波传播的因素时，如该区域内的建筑物或其他地表信息，则所述矢量图还应包括对该区域内建筑物和地表状况的描述，如建筑物位置信息等。并且在确定各部分的传播路径损耗时，应该根据建筑物及地表状况对已有传播路径损耗进行修正。

本发明中所述的基站覆盖方向通常指基站天线主瓣方向，在其他方向上应进一步参考天线辐射图对传播路径损耗进行修正。

以上技术方案可以看出，本发明的开阔水域的无线网络规划过程中，在可视距离内，主要结合直达波和海面反射波的影响对无线信号的损耗进行预测，在可视距离以外的地球阴影区域，则在原有预测方法基础上，还考虑到地球阴影区域由于球面遮挡所造成的绕射损耗。由于该方法根据基站信号不同区域内传播损耗的不同特点，将基站覆盖区域分为三个部分分别计算信号强度，因而在所述网络规划中预测精度较高，能够满足海面移动通信网络建设和优化工程的需要；进一步，本发明中重点关注地球球面遮挡所产生的损耗，根据该损耗在已有的预测模型中加入修正值进行修正，并且，在本发明所涉及的预测模型中，可以根据其他的经典损耗对预测模型做进一步修正，因而使得本发明所涉及的算法清晰简单；同时，本发明建立在现有的网络规划方法基础上，继承了利用数字传播模型进行网络规划的省时、高效的优点。

将本发明试用于实际的海面移动网络建设规划项目，以检测本发明的实际效果。图1为在某海域网络规划项目中获得的实际测试数据与模型预测数据对比图。该测试中，实际基站天线高度Ht为70米，天线增益为18.5dBi，基站等效发射功率EiRP为64dBm，载波频率f为900MHz，终端高度Hr为4米，测试终端与基站之间无遮挡，测试方向沿定向天线主瓣方向，最远测试点距离基站51.5千米。

图2为在另一海域网络规划项目中获得的实际测试数据与模型预测数据对比图。该测试中，实际基站天线高度Ht为105米，天线增益为18.5dBi，基站等效发射功率EiRP为64dBm，载波频率f为900MHz，终端高度Hr为3.5米，测试终端与基站之间无遮挡，测试方向沿定向天线主瓣方向，最远测试点距离基站58.3千米。

由图1、图2可知，本发明的开阔水域网络规划方法中获得的预测数据与实际测试数据基本一致。

附图说明

图1为在某一海域网络规划项目中获得的实际测试数据与模型预测数据对比图；

图2为在另一海域网络规划项目中获得的实际测试数据与模型预测数据对比图；

图3为本发明所述网络规划方法流程图；

图4为无线传输环境二维建模示意图；

图5为本发明所述规划方法原理示意图。

具体实施方式

随着移动通信网络的不断发展和完善，移动网络的服务区域已经扩大到海面等开阔水域。目前，在网络规划中常用的数字无线传播预测模型包括：Okumura-Hata模型、Cost231-Hata模型、Cost231 Walfish-Ikegami模型、Keenan-Motley模型等，这些预测模型面向陆地无线传播环境，不符合开阔水域无线传播环境。

开阔水域(如海面)的无线传播环境特点为：无线电波在开阔水域传播时，在基站的可视距离内，传播路径主要是经过空气传播的直达波和经过水面反射的反射波；另一方面，开阔水域的遮挡物较少，因而，开阔水域的无线电波传播环境近似于自由空间，无线电波传播距离较远，这种情况下，地球不能再近似看作平面，而应看作球面，即地球曲率将对无线电波传播产生影响，进而，在网络规划过程中，在可视距离以外的地球阴影区域，应重点考虑地球球面遮挡所造成的绕射损耗对无线电波传播带来的影响。

经过上述对海面无线传播环境的分析和实际测试，在选用现有二波模型进行海面无线传播预测的基础上，进一步完善适合于海面无线传播环境的海面无线传播预测模型及网络规划方法，其主要思想是：在基站覆盖方向上，根据不同区域内无线传播的特点，将基站的覆盖区域分为三个部分，分别确定三个部分中预测基站信号的无线传播损耗的算法，并分别获得三个部分中基站信号的强度。

如上所述，本发明中涉及的传播模型预测方法是建立在自由空间传播模型基础上，进而对自由空间的传播损耗预测方法进行修正，如本领域技术人员所知，无线电波在各向同性的自由空间传播时，接收功率电平与信号传播距离和频率的平方均成反比，其数学模型表示为：

$P_r={\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}{d}_{\mathrm{km}}}\right)}^2{P}_t$

其中，P_r为接收机接收功率；P_t为发射机发射功率；λ为无线电波波长；d_km为传播距离。用路径损耗来表达自由空间传播损耗为：

                 L_p＝32.44+20logf+20logd_km

其中，L_p为路径损耗，单位：分贝(dB)；d_km为传播距离，单位：千米(km)；f为无线电波频率，单位：兆赫兹(MHz)。

根据本发明的核心思想，在现有自由空间传播模型基础上，参照图3，具体介绍本发明所述的实现开阔水域网络规划的方法。

1)应用至少两维矢量图确定基站的覆盖区域，应用第一存储装置维护用于描述覆盖区域以及包括建筑物或其他地表信息的至少两维矢量图，所述第一存储装置通常为磁盘存储器；矢量图提供了所需区域的地表和建筑物的建模信息，一般将它用作网络规划，通过矢量图，能够利用计算机计算不同基站位置的覆盖区域和与网络操作相关的参数，根据计算结果选择最合适的基站位置。图4提供了一多建筑物的无线传输环境建模信息，在该二维矢量图中包含了3个建筑物的位置信息；沿基站覆盖方向选择一点集，并存储该点集中各采样点的位置信息，所述点集形成了按照图4所示的斜格，所述点集中并不包括建筑物内选出的点。

2)模型分段原则：参照图5，在确定的基站覆盖区域内(或在基站的覆盖方向上)，将海面无线传播环境按照距离分为A、B、C三段，所述A段为从基站到基站可视距离点的范围，设A段距离为d₁；B段为从基站可视距离点到基站与终端的可视交点，设B段距离为d₂；C段为超过基站与终端可视交点的地球阴影区域，设C段距离为d；如图所示，H_t为基站高度，H_r为移动终端高度，R_e为地球等效半径。

无线电磁波信号在海面的传播距离可以经过绕射超过视距距离。如本领域技术人员所知，当基站天线高度为Ht米，终端天线高度为Hr米时，基站和终端合并可视最大距离(视距)为：

$d=\sqrt{2R}(\sqrt{H_t}+\sqrt{H_r}),\left(km\right)$

其中R为地球半径，并且，由于大气折射对无线电磁波传播的影响，通常采用地球等效半径Re代替地球半径R，在标准大气折射情况下，Re＝8500km，由此，基站和终端合并可视最大距离为：

$d=4.12(\sqrt{H_t}+\sqrt{H_r}),\left(\mathrm{km}\right)$

具体到本发明，所述的无线传播模型将开阔水域无线传播环境按照距离分为A、B、C三段，如上所述，其中，A段为基站到基站可视距离点，距离为d₁，

$d_1=4.12\sqrt{H_t},\left(\mathrm{km}\right)$

B段为基站可视距离点到基站和终端可视交点，距离为d₂，根据公式，

$d_2=4.12\sqrt{H_r},\left(\mathrm{km}\right)$

C段为超过基站和终端合并可视距离点的地球阴影区域，即传播距离超过d₁+d₂的区域。

根据第一存储装置中所述覆盖区域的信息，应用第一处理器根据上述分段原理将所述区域划分为三个部分，即确定各区域边界的位置信息。

3)分别确定各段范围内的路径损耗，以获取范围内各点的信号强度。由于无线传播环境的复杂性，针对不同的地区适合建立不同的预测算法，因而，可将已建立好的各套预测算法分类存储于第二存储装置，在进行网络规划过程中选择其中一套算法进行预测；或者，在进行网络规划之前根据区域的具体情况，在已有的通用算法基础上，通过修正值进行修正，建立新的适于具体无线环境的传播路径损耗的算法。所述第二存储装置既可为磁盘存储装置也可为工作存储器。以下为本发明中推荐的路径损耗算法：

31)A段采样点上无线传播路径损耗计算方法：

在此段传播距离内，海面无线传播环境良好，近似于自由空间传播条件。如本领域一般技术人员所知，基站高度和终端高度对传播路径损耗影响较小；并且，反射波的分量与直达波相比较小，因此反射波对接收电平的统计中值预测产生的影响很小，可以忽略不计。由此可得，在本发明中，A段无线传播路径损耗计算方法为：

               L_p＝32.44+20lgf+10γlg(d_km)

γ＝2.6～3.4；d_km≤d₁；

其中，L_p为海面无线传播路径损耗；d_km为测试点与基站之间距离，单位：km；f为载波频率，单位：MHz；γ为路径损耗斜率，一般取值范围为2～5之间。

32)B段采样点上无线传播路径损耗计算方法：

该段无线传播路径处于近似自由空间传播到地球阴影区域的过渡区域，在基站和终端合并可视距离点，其附加绕射损耗约为6dB，因此，在保证预测准确性的前提下，在本发明中，B段无线传播路径损耗计算方法为：

          L_p＝32.44+20lgf+10γlg(d_km)+6(d_km-d₁)/d₂

其中γ＝2.6～3.4；d₁≤d_km≤d₁+d₂。

33)C段采样点上无线传播路径损耗计算方法：

该段无线传播路径已经处于地球阴影区域，参考绕射损耗模型并加以必要修正，同时考虑海面传播环境特点和覆盖预测计算的可操作性，建立如下的海面无线传播模型中C段无线传播路径损耗的优选计算方法：

          L_p＝32.44+20lgf+10γlg(d_km)+20lg[0.5e^{(0.45-0.62v)v}]

其中，γ＝2.6～3.4；d₁+d₂≤d_km；

$v=-R_e[1-\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})/(\sin \mathrm{\α}+\sin \mathrm{\β})]\sqrt{\frac{2d_{\mathrm{km}}}{\mathrm{\λ}(d_1+d_2)[{(d}_{\mathrm{km}}-(d_1+d_2)]}};$

R_e为考虑到大气折射对无线电磁波传播的影响而通常采用的地球等效半径，在标准大气折射情况下，R_e＝8500千米(km)；α＝(d₁+d₂)/R_e，如图5所示，α为基站和终端合并可视距离对应修正地球模型的夹角，单位为：弧度；β＝[d_km-(d₁+d₂)]/R_e，如图5所示，β为测试点与基站和终端可视交点之间对应修正地球模型的夹角，单位为：弧度；λ为发射电波的波长，单位为：千米(km)。

4)根据上述各区域内确定的电波传播路径损耗计算方法，应用一高速处理器预测在基站覆盖方向上所选点集的信号强度。即先获取存储装置中点集中各采样点的位置信息，通过与区域边界信息的比较，确定所述采样点所属区域对应的无线传播路径损耗的算法，获得所述采样点的信号强度后，将其与该采样点的位置信息对应存储于第三存储装置，所述第三存储装置可为磁盘存储器或工作存储器。

综上所述，本发明的网络规划实现方案通过现代工作站来实现，其包括高速处理器、工作存储器、和磁盘存储器，用于信息和适当软件的长期存储。在上述网络规划方法的基础上，根据所获得点集上各点的信号强度，网络规划人员对不同网络结构的模拟覆盖效果进行比较，并最终确定较佳的移动网中基站的位置。

如本领域技术人员所知，由于无线环境的多变和复杂性，因而没有一种算法能够绝对准确的预测出无线网络的覆盖情况，进而，本发明在B段及C段所采用的预测算法仅为一种优选算法，其公式中建立在自由空间损耗基础上的修正值是在一般环境下所获得的，本发明所述三段的无线网络的预测算法并不唯一。例如上述预测方法中，B段采样点上无线传播路径损耗仍可采用以下计算方法：

L_p＝32.44+20lgf+10γlg(d_km)-20lg(1-0.5(d_km-d₁)/d₂)

其中γ＝2.6～3.4；d₁≤d_km≤d₁+d₂，该预测方法考虑在基站可视距离点附加绕射损耗约为0dB，基站和终端合并可视距离点，附加绕射损耗约为6dB的因素，在自由空间损耗的基础上，采用了另一种修正值的计算方法，其预测精度与32)中所述的第一种预测算法基本一致。

同样，C段采样点上无线传播路径损耗可采用以下算法：

         L_p＝32.44+20lgf+10γlg(d_km)+20lg[0.5e^(0.5-0.5v)v]

其中，γ＝2.6～3.4；d₁+d₂≤d_km；

$v=-R_e[1-\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})/(\sin \mathrm{\α}+\sin \mathrm{\β})]\sqrt{\frac{2d_{\mathrm{km}}}{\mathrm{\λ}(d_1+d_2)[{(d}_{\mathrm{km}}-(d_1+d_2)]}};$ 其预测精度与33)中所述的第一种算法基本一致。

对上述方法中的传播模型参数进行进一步说明。路径损耗斜率为γ，由于不同的传播环境无线电磁波的传播损耗不同，因而γ的取值也不一样，当传播环境越接近于理想自由空间传播环境时，γ的值越接近于2，进而，通常在理想自由空间传播环境下取值为2。

在实际无线系统的海面传播环境测试验证中，γ的取值一般在2.6到3.4之间。如本领域技术人员所知，当基站天线高度和终端高度较高时，如在基站高度几百米或上千米或者终端高度超过10米的情况下，传播环境与理想自由空间传播环境接近，则γ取值偏小一些；若基站天线高度和终端高度较低，如基站高度几十米或终端高度3～5米，则γ取值相对偏大一些。

关于路径损耗斜率γ的取值，以下表作为参考，对于实际应用环境，可以根据实际测试数据做相应的调整；

基站高度	移动台高度	γ参考取值
			50	3	3.4
100	3	3.3
			200	3	3.2
300	3	3.1
			400	3	3
500	3	2.9
			600	3	2.8
800	3	2.7
			≥1000	3	2.6

由上表可知，实际测试表明，对于基站天线高度50～200米，手机高度3～5米，γ取值3.3的预测结果与实际基本相符。其他取值应在实际测试的基础上作必要的修正以适应不同区域的传播特点。

本发明所适用的无线网载波频率为300MHz～3000MHz；并且，本发明所适用的传播环境主要为海面，即在基站覆盖方向上遮挡较少的开阔水域。另外，本发明更适用于基站相对海平面较高(不小于50米)，且基站和终端之间除地球曲率半径影响外无其他障碍物的情况；在本发明的预测模型中，以天线主瓣方向计算传播路径损耗，在其他方向上应进一步参考天线辐射图修正；若实际传播环境无法完全符合上述本方法的适用条件，则应进一步考虑其它因素(如处于传播路径上的岛屿、山、船体等对无线电波传播所产生的的影响)带来的路径损耗，并进行相应的修正。

以上对本发明所提供的一种实现开阔水域网络规划的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1、一种实现开阔水域网络规划的方法，其特征在于：

1)应用至少两维矢量图确定基站的覆盖区域；

2)定位区域中基站位置，沿基站覆盖方向在矢量图中选择点集，将所述点集划分为三个部分进行存储，

从基站到基站可视距离点为点集第一部分，

从基站可视距离点到基站与终端的可视交点为点集第二部分，

超过所述基站与终端可视交点的地球阴影区为点集第三部分；

3)分别确定点集各部分的传播路径损耗，获取各采样点上的基站信号强度。

2、如权利要求1所述的实现开阔水域网络规划的方法，其特征在于：

所述点集第一部分的传播路径损耗采用自由空间损耗模型进行近似计算；

所述点集第二部分的传播路径损耗采用自由空间损耗模型并参考附加绕射损耗进行近似计算；

采用第二部分传播路径损耗计算方法，并加入修正值以获得点集第三部分的传播路径损耗。

3、如权利要求2所述的实现开阔水域网络规划的方法，其特征在于，所述点集第二部分传播路径损耗的计算方法表示为：

L_p＝32.44+20lgf+10γlg(d_km)+6(d_km-d₁)/d₂

其中，d₁为基站到基站可视距离点的距离；d₂为基站可视距离点到基站与终端的可视交点的距离。

4、如权利要求2所述的实现开阔水域网络规划的方法，其特征在于，所述点集第三部分传播路径损耗的计算方法表示为：

   L_p＝32.44+20lgf+10γlg(d_km)+20lg[0.5e^(045-062v)v]

其中 $v=-R_e[1-\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})/(\sin \mathrm{\α}+\sin \mathrm{\β})]\sqrt{\frac{{2d}_{\mathrm{km}}}{\mathrm{\λ}(d_1+d_2)[d_{\mathrm{km}}-(d_1+d_2)]}}$ d₁为基站到基站可视距离点的距离；d₂为基站可视距离点到基站与终端的可视交点的距离；α＝(d₁+d₂)/R_e，β＝[d_km-(d₁+d₂)]/R_e，其中R_e为地球等效半径。

5、如权利要求1所述的实现开阔水域网络规划的方法，其特征在于：所述矢量图还包括对该区域内建筑物和地表状况的描述。

6、如权利要求5所述的实现开阔水域网络规划的方法，其特征在于：根据建筑物及地表状况对传播路径损耗进行修正。

7、如权利要求1所述的实现开阔水域网络规划的方法，其特征在于：所述覆盖方向为基站天线主瓣方向。

Images