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X-Model传播模型3D仿真 在5G室内外协同规划中应用与研究.docx
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X-Model传播模型3D仿真 在5G室内外协同规划中应用与研究.docx
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【摘 要】5G 移动通信网络的高频段、Massive-MIMO 天线、3D 网规部署场景
对网络规划的仿真精度提出更高要求,传统 Racye 射线传模存在场景定义量化难、
数据采集成本高的弊端。为解决此问题,引入 X-Model 自适应模型,首先通过场
景自适应算法得到每个仿真小区在传模库中最匹配该场景的 Rayce 传模参数,之
后采用 Min-Max 归一化算法进行源场景特征提取,对场景进行自动化识别,最后
在商场、写字楼等场景下对 X-Model 仿真准确性进行验证和评估。验证表明,X-
Model 传播模型仿真效率优势明显,更适合 5G 移动通信网络仿真。此外,评估
结果可以作为指导 5G 室内覆盖建设优先级及室分系统精细化设计的参考。
【关键词】5G 移动通信网络;Racye 射线追踪;X-Model 传播模型;3D 仿真
0 引言
传播模型是无线网络规划的基础能力,传统 2G/3G/4G 网络规划大部分使
用 SPM/CostHata /OkumuraHata 等经验传播模型。5G 网络的频谱更高(C-
band~mmWave),高频信号反射、绕射、穿透和传播能力相比 Sub3G 更
弱,对 5G 网络规划技术提出更大的挑战
[1]
。
基于国内 5G 频谱策略,需要启动 5G 同频室内外协同立体组网,夯实基
础覆盖和容量承载能力。如何在规划阶段评估室外信号在楼宇内部的覆
盖情况,通过精细化室分设计规避室内外同频干扰,成为提升室内感知
的一个重要挑战。
鉴于此情况,需要有更高效的室内外信号评估方法,作为室内外协同规
划和精细化设计的数据输入,引入射线追踪模型进行 3D 仿真,射线追踪
模型可以模拟出信号传播路径中的反射、绕射、散射、穿透等现象,适
合于传播环境复杂的城区环境。
通过室外信号 3D 仿真,在不受限于楼宇限制准入情况下,批量高效输出
室外信号对楼宇外圈及楼宇内部的覆盖评估,作为室分详细设计的输入
与参考,通过调整室分建设优先级以及室分点位设计,实现室内外协同
规划,降低室内外信号干扰。室外信号 3D 仿真的应用价值如下:
(1)基于 3D 仿真进行室外信号对楼宇内部覆盖的评估,用于指导 5G 室
分建设的优先级和室分系统精细化设计的参考。
(2)5G 移动通信网络的高频段存在通过室外信号覆盖即可满足室内覆
盖和速率要求的楼宇,此种场景在 5G 低负载场景下,可以不用建设室分。
(3)5G 移动通信网络的高频段存在通过室外信号覆盖即可满足室内部
分浅层区域覆盖和速率要求的楼宇,此种场景下室分系统点位设计需要
考虑与室外的协同优化。
1 Racye 射线跟踪传播模型介绍
(1)Racye 传播模型具有准确性高,效率快(分布式云化)的特点,解
决无线信号由基站空口到 UE 侧的传播路损计算问题。Racye 模型在无线
网络的位置如图 1 所示:
(2)Rayce 模型相对于传统传模,包括业界射线追踪传播模型的 Aster
模型,技术更加领先。
Aster 模型反射绕射损耗是经验值,未考虑材质和角度。Aster 模型中经
验项参数过多,虽然可以使得校正结果更好,但容易造成过度拟合,最
终降低预测准确性。而 Rayce 模型的传模公式计算简化,只包括确定性
多径损耗计算和经验修正项
[6]
。Rayce 模型的传模公式如式(1)所示:
其中,
L
det
为确定性(多径)损耗计算,
L
cor
为经验修正项。
确定性参数通过 3D 路径搜索和多径损耗计算,波束全空间搜索,理论计
算单次反射绕射损耗(角度、材质相关),直射反射绕射多路径能量线
性合并。经验修正项参数包括 8 个,传播模型准确性取决于根据仿真场
景和环境进行调整的准确度。
Rayce 整体模型公式如式(2)所示:
其中,C
1
:常数因子,典型值为 0;C
2
:距离因子,典型值为 16;d:距
离,单位 m;C
3
:收发机高度因子,接收机高度包含实测数据实际高度,
典型值为-0.72;H
tx
:收发距离高度,单位 m;δ:频率项系数,典型值
为 0.5;loss
FSL
:1 m 自由空间损耗,单位 dB;L
P
:穿透损耗值,单位
dB;C
Ant
:天线增益修正因子,典型值为 1;L
Ant
:天线增益,单位 dB;
L
veg
:植被损耗,单位 dB;ε:多径确定型因子;L
multi-path
:确定型路损,
单位 dB;C
4
:Direct Path 修正因子;L
dir
:Direct Path 路径损耗,单
位 dB;β:反射能量因子;L
ref
:反射路径能量总和;γ:绕射/衍射能
量因子;L
dif
:绕射/衍射路径能量总和。
Rayce 传播模型基本原理是基于 3D 地图充分考虑建筑物特征和分布,对
信号传播影响得到射线的轨迹和特性,确定反射和绕射损耗等,在接收
点处将所有路径场强相干叠加。
2 X-Model 传播模型研究
2.1 Rayce 模型面临的挑战
(1)场景定义量化难
场景边界定义方法模糊,当前仿真场景定义需要依赖实景照片,数字地
图和人工识别,基于人工经验划分场景偏差因素大。
无线网络场景定义无法借助行业、学术标准定义进行划分和量化。例如
对于“普通城区”的定义,3GPP 协议中描述的是 10 m<d
2D
建筑物密度<5
000 m;1.5 m≤h
UT
建筑物平均高度≤22.5 m 。但工程应用标准中要求,
地处市区,建筑物高度适中,平均楼高 20 m 左右;平均楼间距与建筑物
高度相当,即为“普通城区”
[8]
。
(2)数据采集成本高
测试设备仪器贵,仪器设备使用复杂软件,测试人员需投入高昂技术培
训费用。测试过程投入大,测试过程存在误差风险,通常单一场景会采
集多次数据,成本指数上升。
2.2 X-Model 传播模型核心优势
(1)X-Model 传播模型介绍
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