浅谈5G网络规划仿真高精度数字地图研究

浅谈5G网络规划仿真高精度数字地图研究

魏广胜  ,郭杨

杭州华星创业通信技术股份有限公司 浙江 杭州 310000

【摘要】 5G无线网络智能规划技术研究方向有很多，例如更高效、更精准、更智能的传播模型，基于深度学习的射线跟踪模型自动校准技术。本文积极探索智能规划技术，研究并应用了高精度3D规划仿真呈现高精度地图等技术手段，实现对5G网络资源的快速精准投放。面向基于5G的高精度的数字地图和精确的规划仿真是规划/优化的基础。文章通过对现有的5G网络规划仿真用的高精度数字地图的制作方法的分析对比以及考察射线追踪传播模型对地图数据的要求，本文提出更高标准和精度的制作方法的建议。

关键词：移动通信系统；仿真；5G；专题三维数字地图

0引言

规划优化仿真工作中使用的三维数字地图是当前电子地图产品中专题性和专业性很强的一种产品，它是随着无线通信建设布网，以及网络的建立依托计算机仿真后逐步开始使用起来的。规划仿真三维地图在无线网络的前期规划建设和仿真中得到了广泛使用，同时无线仿真技术作为网络建设过程中不可或缺的方案评估手段，也得到了越来越多的重视和应用。

本文在进行了大量分析及和规划仿真软件的测试后，提出了对高精度三维数字地图生产的一些制作及使用建议。同时，尝试对高精度数字地图的技术规范进行一些有益的补充。

1 5G规划仿真中地图的使用情况

1.1三维数字地图在5G仿真中的角色：

精细规划仿真的要素包括：软件+模型+地图。软件即为进行规划仿真的软件系统，如Asset、Atoll等；模型为成熟的射线跟踪模型，再加上必要的模型校正；地图为高精度三维数字地图。

图1 精细规划仿真的三要素

1.2 射线跟踪模型的作用

5G网络是共享系统带宽的，是一个自干扰系统，因此5G网络规划不仅需要考虑网络覆盖，还要考虑干扰控制，需要更加精确的传播模型；5G网络支持多种业务，对高速数据业务的支持使得5G网络小区的覆盖范围较小，半径仅为几百米甚至更小，对于密集城区环境中这样小的半径内，从发射机到接收机的主要电波传播路径包括直射波、在建筑物垂直面上的反射波、在建筑物垂直棱上的衍射波、在建筑物水平棱上的衍射波以及高阶的反射/衍射波(其中二阶反射/衍射波的影响相当大)，如图所示，可见建筑物的特征和分布对信号传播起着关键作用，对接收信号强度有着十分重要的影响。

              图2  无线电波存在反射、折射、衍射、透射

射线跟踪模型会充分考虑建筑物的特征和分布对信号传播的影响，通过理论计算分别得出每一点上的接收信号强度，因此根据射线跟踪模型的预测结果可以精确地进行网络规划并有效地控制干扰。

2 现有基于5G高精度数字地图存在的问题

2.1 建筑物的外表面材质没有描述、进行明确分类定义

现在的高精度地图，在实际应用中，由于制作因难，成本压力，软件能力等因素影响下，无论在生产和仿真计算中，都没有考虑建筑物及其它建筑体块的表面材质。软件厂家在软件模型中对建筑物材质的考虑也还没有放进计算模型中去。

2.2建筑物的建筑结构

现代建筑的发展，建筑物的建筑结构也出现了多样性，从早期的全木结构，到后来的砖木结构，到现在全钢结构，或者一些新的结构工艺的使用。应该说，这些不同的建筑结构，对建筑物的影响也是存在，并在一定程度上起作用的。

2.3建筑物轮廓的描述问题

建筑物的轮廓总是由不同的多边形组成的，每个多边形是不是用最适宜的点的个数，既能准确地描述建筑物的轮廓，又不产生冗余数据，同时给软件的计算不增加多余的负担。

同时，对建筑物面与面、建筑物内部之间的关系的处理、定义也应有明确的定义。在实际工作中，很多看似生产的好数据，往往软件导入时会报错，检查不通过，或者由于描述不理想，得到的仿真结果不准确。

图3  建筑物描述中出现的问题(环形建筑物、建筑物交叉，冗余点)

2.4特殊形状建筑物形状的描述困难

现代的建筑风格趋向于多样化，同时建筑的主体形状也不再是正常的体块，而是更加花哨和奇异，如上下大小变化，扭曲变化，各种怪异形体。这样的形体在仿真软件计算能力有限的情况下，数据记录文件也无法进行更详细的描述，只能是用近似的多边形去拟合，无法实现真正的形体描述。

3 高精度地图生产技术提升探讨

3.1 建筑物材质

一般建筑用外墙涂料和外墙面砖多一些，办公建筑物用玻璃幕墙开始多起来了，一些高档建筑如别墅用石材多一些。

各种建筑的表面材质对无线电波有一定的影响，现有的仿真软件的高精度仿真模块中已经预留了对建筑物表面材质影响分析的接口。在数字地图生产制作中可以将建模物材质体现并记录到文件中。

例如，MYRIAD传播模型中对建筑物的定义细分为BUILDING、BUILDING HEQ、BUILDING HEQ WINDOWS。即普通建模、有窗和墙体组成外墙的节能建筑、只有窗体外墙的节能建筑。

3.2 建筑物建筑结构

按建筑物以其结构类型的不同，可以分为砖木结构、砖混结构、钢筋混凝土结构和钢结构四大类。

在无线电波传播模型实验中，电波的损失和建筑物的结构、类型和大小门窗，地板有很大的关系。建筑结构的定义描述也在数字地图生产中可以体现出来。

3.3合理描述建筑物轮廓

（1）多边形形状的要求：

1　开始和结束点必须相同

2　每个多边形至少包含3个顶点

3　一个顶点正好属于2面墙

4　不允许多边形交叉

5　如果仿真软件不支持环形多边形和套合多边形的情况下，需进行建筑物分割，使其满足软件要求并导入系统。

6　在满足建筑物轮廓描述的情况下，可尽量减少构成多边形的节点的数量，减少数据的冗余。

（2）异型多边形形状的描述：

现代很多建筑是圆球形、上大下小、扭曲、波浪型等奇异体块，现有的仿真软件暂时支持得不够，但在软件和地图的配合下，将来可以支持这些异型的建筑物。其中，地图方面可做如下扩展：

1　将建筑物进行不同高度的分解

2　在不同的高度构建不同形态的体块

3　软件支持建筑物的离地起始高度和终止高度

4　每层的高度分解到3米精度即可。

图三  描述异型建筑物

例如MYRIAD传播模型中，可以定义一个体块为BRIDGE，同时需要带一个Thickness属性，当Thickness=0，不作为阻挡物，如果Thickness=h，则认为有一个h米的桥顶；如果Thickness为负数或大于本身高度，则当作实体建筑物来计算。

3.4合理描述人口密度数据

一些地理区域或建筑物内呈现出人口分布的集聚现象，可以通过统计学方法得到人员密度的分布特殊图，也可以利用通信本身的大数据业务，如基于MR常驻地和建筑物轮廓的人口密度监测方法等获得的人口密度数据。这一数据可以在仿真分析中作为一个主要变量考虑进去。

人口数据文件的文件格式可以和建筑物矢量数据格式相同，存放人口密度数量。由三个文件组成，索引文件、矢量文件、属性文件。索引文件描述数据文件的范围，矢量文件记录统计区域的地理坐标，属性文件记录统计区域内的人口统计数据。

4 结束语

基于5G的高精度的数字地图和精确的规划仿真是规划/优化的基础，使用射线跟踪模型需要高精度含3D建筑物信息的高精度数字地图，模型预测和评估的准确性和数字地图的精度和准确性密切相关。

在生产和制作5G应用的高精度数字地图的上，以及未来的扩展上，本文提出了一些前瞻性的想法，同时对现有的生产流程提出了一些可改进的地方。

5参考文献

[1]曾鹏. 三维仿真地图系统的设计与实现[D].湖南大学,2017.

[2]赵静,张中华,吴威.基于3D射线跟踪模型的5G高精度仿真研究[J].信息通信,2020(03):241-242.

[3]高磊,张光伟.移动通信网络规划仿真平台的三维数字地图建设[J].地理空间信息,2017,15(05):110-111+12.