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基于网格的g s m 网络场强覆盖及容量分析 基于网格的g s m 网络场强覆盖及容量分析 摘要 g s m 网络的场强覆盖及容量是其网络质量的重要衡量标准，对场 强覆盖和容量的优化能够有效提高g s m 网络的性能。场强覆盖分析 能够反映小区无线信号的覆盖情况，是网络优化人员调整小区配置的 重要依据。理论爱尔兰b 公式不能完全适用于g s m 网络的容量分析， 需要利用g s m 网络实际话务数据归纳修正爱尔兰b 表。 本文研究了g s m 网络小区场强覆盖分析及爱尔兰b 表修正的计 算方法及其并行实现算法。场强覆盖分析将基站覆盖的小区或扇区划 分为2 5 m x2 5 m 的方形子区域，根据无线信号传播模型计算每个区域 中心点的场强值，并以此场强值表示方形子区域的场强大小，从而将 基站覆盖范围内所有位置点的场强计算问题转化为计算每个方形子 区域中心点的场强值，属于计算密集型系统；并行场强覆盖分析将小 区覆盖范围平均分成n 等份( 每一部分称为一个叶瓣) ，将场强覆盖 分析转化为并行计算n 个叶瓣范围内场强分布情况。 根据全网分钟级话务数据计算修正爱尔兰b 表也属于计算密集型 任务。将全网一段时间内分钟级话务数据按照其信道数对应的载频数 分类，对每类数据分别采用基于拥塞概率或基于置信度迭代2 种修正 方法计算特定载频数下反映信道数一拥塞率一话务量之间关系的修 正爱尔兰b 公式，从而实现了根据网络实际话务数据并行计算归纳 全网修正爱尔兰b 公式。 根据上述原理，开发了基于网格的场强覆盖及容量分析系统 g f i c a s ( t h eg r i d - b a s e df i e l di n t e n s i t yc o v e r a g ea n dc a p a c i t ya n a l y s i s s y s t e m ) 。g f i c a s 充分利用计算网格的并行计算能力，将计算1 个 叶瓣范围内场强分布情况的场强覆盖分析子任务和归纳特定载频数 下修正爱尔兰b 公式的容量分析子任务封装为网格作业，全部网格 作业则被分配到多个空闲网格计算资源节点并行计算。g f i c a s 在确 保计算精度的基础上实现了场强覆盖及容量分析效率的大幅提高。 关键词网络优化场强覆盖容量并行计算 基于网格的g s m 网络场强覆盖及容量分析 g i u d - b a s e d a n a iy s i s0 fg s mf i e l di n t e n s i t y c o v e r a g ea n dc a p a c i t y f i e l di n t e n s i t yc o v e r a g ea n dc a p a c i t ya r ei m p o r t a n ts t a n d a r d so fg s m n e t w o r kq u a l i t y i tc a ni m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fg s mn e t w o r k e f f i c i e n t l yb yo p t i m i z i n gf i e l di n t e n s i t yc o v e r a g ea n dc a p a c i t y f i e l d i n t e n s i t ya n dc o v e r a g ec a nr e f l e c tt h ew i r e l e s ss i g n a ld i s t r i b u t i o n ，s ot h e y a r ei m p o r t a n tr e f e r e n c e sf o rn e t w o r ko p t i m i z e r t h e o r e t i c a le r l bf o r m u l a i sn o ts u i t a b l ef o rg s mn e t w o r k , s oa nm o d i f i e de r l bt a b l eg e n e r a t e d f r o mm i n u t e 1 e v e lt r 世i cd a t ai sn e e d e d i nt h i sp a p e r , p a r a l l e lc o m p u t i n gm e t h o d sf o rg s mn e t w o r kf i e l d i n t e n s i t yc o v e r a g ea n de r l bm o d i f i c a t i o na r es t u d i e d t h ea r e ac o v e r e d b yae e l lo rs e c t o ri s d i v i d e di n t or e g i o n s ，e a c ho fw h i c hi so f2 5 x 2 5 s q u a r em e t e r s n ef i e l di n t e n s i t yo fe a c hr e g i o ni sr e p r e s e n t e db yt h e i n t e n s i t yo ft h ec e n t e rp o i n to ft h i sr e g i o n n ef i e l di n t e n s i t ya n a l y s i so fa e e l li st h u sr e d u c e dt ot h ec o m p u t a t i o no ft h ei n t e n s i 哆o ft h ec e n t e rp o i n t s ， s ot h a tt h ef i e l di n t e n s i 哆c o v e r a g ea n a l y s i sf o rt h ew h o l en e t w o r ki s c o m p u t a t i o n i n t e n s i v e p a r a l l e lf i e l dc o v e r a g ea n a l y s i sa v e r a g e st h ea r e a c o v e r e db yac e l lo rs e c t o ri n t on f a n s h a p e ds u b s e c t i o n s ( e a c h s u b - s e c t i o ni sc a l l e dal e a f - s e c t i o n ) t h ef e l di n t e n s i t yc o v e r a g ea n a l y s i s o fo n ec e l li st h u sr e d u c e dt ot h ep a r a l l e lc o m p u t a t i o no ff i e l di n t e n s i t y c o v e r a g eo fnl e a v e s 。 t h em o d i f i e de r l bt a b l ei sg e n e r a t e df r o mt h em i n u t e 1 e v e lt r a f f i c d a t ao ft h ew h o l eg s mn e t w o r k , s oi ti sa l s oc o m p u t a t i o n i n t e n s i v e t h e t r a f f i cd a t ai sc l a s s i f i e db yc a r r i e rf r e q u e n c y e a c hc l a s so ft r a 蚯cd a t ai s u s e dt og e n e r a t ec h a n n e l c o n g e s t i o nr a t e t r a f f i cs h a p e dm o d i f i e de r l b f o r m u l aw i t hc o n g e s t i o n b a s e do rc o n f i d e n c e b a s e dm e t h o d b a s e do nt h ea b o v e p r i n c i p l e ，t h eg r i d - b a s e df i e l di n t e n s i t yc o v e r a g e a n dc a p a c i t ya n a l y s i ss y s t e m ( g f i c a s ) i sp r e s e n t e dt ot a c k l et h e c o m p u t i n gc o m p l e x i t yo ff i e l di n t e n s i t yc o v e r a g ea n dc a p a c i t ya n a l y s i s 1 基于网格的g s m 网络场强覆盖及容量分析 s u b - t a s k st o a n a l y z e f i e l d i n t e n s i t yc o v e r a g ei nl e a f - s e c t i o n so rt o g e n e r a t em o d i f i e de r l - bf o r m u l ao fc a r r i e rf r e q u e n c i e sa r ee n c a p s u l a t e d i n t og r i dt a s k s ，a l lo fw h i c ha r et h e na l l o c a t e dt of r e ec o m p u t i n gr e s o u r c e s i nt h eg r i d p a r a l l e le x e c u t i n go ft h e s et a s k si nt h eg r i dn o to n l ys p e e d su p t h et a s k sb u ta l s om a k e st h ea n a l y s i sa n dm o d i f i c a t i o nm o r ea c c u r a t e k e y w o r d s ：n e t w o r ko p t i m i z a t i o n ，f i e l di n t e n s i t yc o v e r a g e ，c a p a c i t y , p a r a l l e lc o m p u t i n g ，g r i d 2 基于网格的g s m 网络场强覆盖及容量分析 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：一一易f 缸幺、一日期：切墨形4 口2 本人签名： 丝l 丝垒：日期：兰翌丝翌垒么12 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本 学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 垒丝幺： 导师签名：j 习二l 日期：塑监么垒型2 日期：础，1 2 生监 基于网格的g s m 网络场强覆盖及容量分析 第一章概述 1 1g s m 网络场强覆盖及容量分析 网络优化是整个无线网络建设过程中的重要一环，g s m 网络的性能随着网 络的不断发展，用户数量的不断变化，以及用户分布的变化而不断变化。适时的 网络优化是网络性能满足用户需求的保障。网络优化是根据无线网络系统的实际 表现和性能，对系统进行分析，找出问题存在的根源，通过系统参数的调整和其 他手段，逐步改善系统的性能，达到在现有系统配置条件下所能提供的最优服务 质量。其意义在于确保设备稳定高效运行，解决网络中现有的和潜在的问题，提 升网络运行指标；提升现有配置下系统的服务质量，更好地为用户服务；为客户 创造价值。无线网络优化贯穿于无线网络建设和发展的整个过程。 维护优化过程中，场强覆盖及容量优化是优化的主要内容。蜂窝小区覆盖率 是衡量蜂窝移动通信网络服务质量的重要指标。如果覆盖范围达不到设计要求， 就必须进行网络优化。结合分析小区覆盖情况和话务量可以对各相邻小区之间的 话务均衡给出直接的参考依据，是防止同频干扰和邻频干扰的必要步骤。 影响蜂窝小区覆盖范围的因素有很多，例如接收机的灵敏度、基站周围的环 境】天线系统的方向性和增益等等。除此以外，小区参数的设置对覆盖范围也有 较大的影响，例如调整相邻小区的切换门限电平可以改变蜂窝小区的实际覆盖范 围，另外还有移动台主叫接入和寻呼响应所需的最小接入电平、重叠小区呼叫建 立的门限电平。同样系统内的干扰也影响小区的有效覆盖范围。 对于一个g s m 小区，其容量为此小区所能承载的最大的话务量的大小。在 蜂窝移动通信系统中，由于无线资源的限制，大量的移动用户只能在一个小区内 共享数量相对较少的信道，每个用户只是在呼叫时才占用一个信道，一旦通信结 束就立即释放信道。当所有的信道都被占用，用户的呼叫就要发生拥塞。因此， 在网络优化过程中需要用话务理论来评估、预测小区的话务量承载能力，用以预 防用户呼叫拥塞情况的发生。 传统的话务量规划主要是在爱尔兰b 公式基础上对无线系统的话务量进行 评估的，由于移动通信系统得特殊性，理论爱尔兰b 公式并不能完全适用于g s m 网络，评估的结果往往导致对g s m 无线系统得话务量承载能力高估，导致无线 基于网格的g s m 网络场强覆盖及容量分析 话务量配置容量过小，造成系统拥塞严重，尤其是在节假同或其他话务高峰时段， 用户掉话率明显增大。 1 2 场强覆盖及容量分析与网格计算 场强覆盖分析系统将基站覆盖的小区或扇区划分为2 5 m x 2 5 m 的方形子区 域，计算每个区域中心点的场强值，并以此场强值表示方形子区域的场强大小， 从而将基站覆盖范围内所有位置点的场强计算问题转化为计算每个方形子区域 中心点的场强值，属于计算密集型系统。计算某个特定中心点处的场强时，系统 计算基站与该中心点间的距离，获取基站到该中心点的传播路径上的海拔、建筑 物密度、地物类型等地理信息，依据修正的o k u m u r a h a t a 模型计算该中心点的 场强值。因此场强覆盖分析具有计算密集型的特点。同样，容量分析过程中需要 对百万条以上的分钟级话务记录进行统计分析，也具有计算密集型特点。 网格计算研究的目标是建立大规模计算和数据处理的通用基础支撑结构，将 网络上的各种高性能计算机、服务器、p c 、信息系统、海量数据存储和处理系 统、应用模拟系统、虚拟现实系统、仪器设备和信息获取设备( 例如传感器) 集 成在一起，为各种应用开发提供底层技术支撑。网格能让人们透明地使用计算、 存储等其它资源，尤其是计算网格解决了跨网络异构平台计算资源共享的难题， 适用于松散耦合计算密集型系统，能够以最小的连接传输代价、硬件投入成本满 足高性能计算的要求。 网格上的计算资源是一种需要用户提供代码使用的资源，通过执行用户代 码，处理用户数据给用户提供计算周期。大多数情况下用户都是以提交作业的方 式使用资源。作业管理是负责管理网格作业全生命周期的模块。作业是用户代码、 数据及相应资源描述信息的集合。作业管理需要信息管理、资源管理、数据管理 和安全通信的支持，作为上述这些基本功能的补充，作业管理是网格中不可缺少 的功能，它是保证网格用户合理有序地使用网格中计算资源的基础，应做到每个 作业提交者提交的作业都能在合适的资源上执行。 利用计算网格中计算资源的提供能力，将计算密集型的无线信号场强覆盖及 容量计算任务进行松散耦合划分，将各自任务提交到计算网格系统中的可利用计 算资源节点并行运行，提高了网络优化软件的运行效率。同时基于网格服务，以 b s 的形式为网络优化人员提供使用界面，降低了对网络优化设备的要求，简化 了网优人员的操作方式。 现有的网络优化场强覆盖分析系统大多是在网络规划优化工程中结合实际 需要计算某一点或几点的场强大小，不具备统观整个小区覆盖范围内信号场强覆 基于网格的g s m 网络场强覆盖及容量分析 盖情况的能力。也有少数系统能够计算出整个小区覆盖范围之内的场强覆盖情 况，但是采用单机架构实现，界面、数据库、核心算法程序都部署于同一服务器 中，此类实现方式导致系统的可利用资源有限，系统运行速度缓慢，不利于不同 地区用户共享系统，系统操作复杂，不利于网络优化人员的简便操作。而现有容 量分析系统大多基于理论爱尔兰b 公式，并不能准确地反映系统的容量需求。 由于理论爱尔兰b 公式结果偏大，导致现有系统所得网络所需配置载频往往比 实际系统需求相比偏小。 基于网格的网络优化场强覆盖及容量分析系统( g f l q 峪) 利用计算网格中 计算资源的提供能力，将计算密集型的无线信号场强覆盖及容量计算任务进行松 散耦合划分，将各自任务提交到计算网格系统中的可利用计算资源节点并行运 行，提高了网络优化软件的运行效率。爱尔兰b 修正功能利用现网的分钟级话 务数据统计分析得到了修正的爱尔兰b 表，能够准确反映当前g s m 网络的实际 最大可承载能力。同时，本系统基于网格服务，以b s 的形式为网络优化人员提 供使用界面，降低了对网络优化设备的要求，简化了网络优化人员的操作方式。 1 3 本文研究内容 本文研究内容包括无线信号大尺度路径衰落模型的比较分析及其修正因子 分析，小区场强覆盖分析并行计算方法，爱尔兰b 修正方法，基于网格工作流 引擎的场强覆盖及容量分析系统的实现。 论文结构如下： 第一章是概述g s m 网络场强覆盖及容量研究现状及存在问题。 第二章介绍无线信号传输过程中大尺度路径衰落模型和修正因子计算方法， 然后介绍了以无线信号传输大尺度路径传播模型为基础计算小区覆盖范围内场 强大小的计算方法。 、 第三章介绍了利用g s m 无线通信系统现网分钟级话务数据统计修正爱尔兰 b 表的方法。 第四章介绍了基于网格的网络优化系统结构 第五章介绍了基于网格的场强覆盖及容量分析系统的具体实现方式，包括系 统结构、并行任务划分的实现方式、系统运行的具体交互关系、系统运行实例。 最后一章总结本文的主要内容，提出了下一步的研究方向，介绍了本人在研 究生阶段的其他研究工作。 基于网格的g s m 网络场强覆盖及容量分析 第二章g s m 网络场强覆盖分析及其并行算法 2 1 无线信号传播模型 移动通信系统的设计目标是在满足话务需求的条件下，使网络达到用户满意 的质量。信号质量是影响网络质量的关键因素，主要取决于发射端和接收端之间 的传播条件。路径损耗是体现传播条件关键指标，它影响覆盖范围、信噪比和远 近效应等蜂窝设计需要考虑的因素。移动通信系统的规划和优化都需要进行路径 损耗预测，无线传播模型是预测路径损耗的有效工具。 目前应用比较多的宏蜂窝传播模型包括o k u m u r a h a t a 、c o s t 2 3 1 h a t a 和l e e 模型等。 2 1 1o k u m u r a h a t a 模型 计算准平滑地形的传输损耗使用o k u m u r a 模型，需要查找其给出的各种曲 线，不利于计算机预测。h a t a 根据o k u m u r a 的基本中值场强预测曲线，通过 曲线拟合，提出了传播损耗的经验公式，即o k u m u r a h a t a 模型。 h a t a 在提出这个模型时作了下列三点假设，以求简化： 1 ) 作为两个全向天线之间的传播损耗处理； 2 ) 作为准平滑地形而不是不规则地形处理： 3 ) 以城市市区的传播损耗公式作为标准，其他地区采用校正公式进行修正。 适用条件： f 为1 5 叽1 5 0 0 m h z ： 基站天线有效高度为3 0 2 0 0 米； 移动台天线高度k 为1 1 0 米； 通信距离为l 一3 5 k m ； 传播损耗公式： k 一6 9 5 5 + 2 6 1 6 1 9 厂- 1 3 8 2 1 9 g 一口( j 乙) + ( 4 4 9 - 6 5 5 1 9 吃) ( 1 9 d ) ( 2 - 1 ) 公式说明： d 的单位为k m ，f 的单位为m h z ； 厶为城市市区的基本传播损耗中值： 基于网格的g s m 网络场强覆盖及容量分析 口佧。) 为移动台天线高度修正因子； 氟、j i l 。基站、移动台天线有效高度，单位为米； 基站天线有效高度计算：设基站天线离地面的高度为j i l ，基站地面的海拔高 度为愚。，移动台天线离地面的高度为吒，移动台所在位置的地面海拔高度为吒。 则基站天线的有效高度- 吃+ 心一，移动台天线的有效高度为k 。 移动台天线高度修正因子： a ( h 。) t ( 1 1 l g f - o 7 ) h 。一( 1 5 6 1 9 f 一0 8 ) 中小城市 产2 9 ( 1 9 1 5 铴所：一l 1 1 5 0 ， 黼 大城市 3 2 ( 1 9 l1 7 5 h 。) 2 4 9 7 4 0 0 ，1 5 0 0 m h z o i 1 - 锄 ( 2 2 ) 2 1 2c o s t 2 3 1 h a t a 模型 o k u m u r a h a t a 模型只适用于较低频段。对于较高的频段，欧洲科学与技术研 究合作委员会下属的c o s t 2 3 1 工作组在o k u m u r a - h a t a 模型基础上进行了扩展， 以o k u m u r a 等人的测试数据为依据，通过对较高频段的o k u m u r a 传播曲线进行 分析，形成了c o s t 2 3 1 h a t a 模型。 c o s t 2 3 1 h a t a 模型的适用条件如下所示： 1 ) f 为1 5 0 0 2 0 0 0 m h z ： 2 ) 基站天线有效高度为3 0 2 0 0 m ： 3 ) 移动台天线高度为1 1 0 m ； 铆通信距离d 为1 3 5 k i n 。 c o s t 2 3 1 h a t a 模型的传播损耗公式： 厶一4 6 3 + 3 3 9 1 9 f - 1 3 8 2 1 9 一口( k ) + ( 4 4 9 - 6 5 5 l g h t , ) ( 1 9 d ) + c ：( 2 - 3 ) 与o k u m u m h a t a 模型相比，c o s t 2 3 1 h a t a 模型主要增加了一个校正因子 巴： q t 呦3 d b 树木密度种笑裹幕辈意和郊区的帆d 像4 ， l 一。 大城市中心 。z 。4 ， 另外移动台天线高度修正因子也有所变化，c o s t 2 3 1 h a t a 模型的移动台天 线高度修正因子为： f ( 1 1 1 1 9 f - 0 7 ) _ - 0 5 6 1 9 f - 0 8 ) 中小城市 口( k ) = 3 2 k 2 1 1 7 5 1 , - 4 7 9大城市( 2 - 5 ) i o k 一1 5 m 基于网格的g s m 网络场强覆盖及容量分析 其他修正因子与o k u m u r a h a t a 模型一致。 2 1 3l e e 模型 l e e 模型是通过在美国东北部广泛的传播研究基础上发展的，通过多个城市 的测试数据获得。该模型适用于市区和郊区路径损耗预测，主要的假设是路径损 耗依赖于两个因素：自然地形；自然地物和人造建筑。 l e e 模型的传播损耗公式为： 匕一刚g 丢+ 弓一昱珂+ q 培苦一e 培苦+ 见+ 巳( 2 - 6 ) 其中各值的具体含义如表2 1 所示。 表2 - 1 公式2 - 6 中的各变量值及其含义 含义变量值 接收信号电平 斜率因子 参考距离 参考发射功率 d 弓 k 含义 参考点接收信号电平 收发天线之间的距离 发射功率 发射天线有效高度 参考发射天线高度 。 移动台高度 参考移动台高度 地物校正因子 l e e 模型的参考条件为： ( 1 ) 参考距离：l m i l e ( 1 6 0 7 m ) ( 2 ) 参考发射功率：5 0 d b m ( 3 ) 参考基站天线高度：4 5 m ( 4 ) 参考移动台高度：3 m 2 2 传播模型对比分析 见 q 和五 衍射损耗 经验校正因子 g s m 无线接1 ：2 1 采用了t d m a 时分多址介入方式，每个载频包含了t d m a 帧 值 旷 ， 拶 观 嘶 肋 州 州 “ 基于网格的g s m 网络场强覆盖及容量分析 的8 个时隙( t s ) 。b t s 至m s 的方向为下行传输方向，相反的方向为上行传输。 g s m 将9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 频段按f d m a 方式划分成多个载频频道， g s m 使用的9 0 0 m h z 频段如下： 8 9 0 。9 1 5m h z ( 移动台发，基站收) 9 3 5 。9 6 0m h z ( 基站发，移动台收) 其中，可用收发工作频带为2 5 m h z ，相邻频道间隔为2 0 0 k h z ，每个频道采 用时分多址接入( t d m a ) 方式，分为8 个时隙，即为8 个信道。 g s m 使用的1 8 0 0 m h z 频段如下： 1 7 1 0 1 7 8 5m h z ( 移动台发，基站收) 1 8 0 5 1 8 8 0m h z ( 基站发，移动台收) 其收发工作频带为7 5 m h z ( 我国分配的可用频带为低端的4 5 m l - l z ) ，相邻频 道间隔为2 0 0 k h z 。 o k u m u r a h a t a 模型适用于频率在1 5 0 1 5 0 0 m h z ，基站天线有效高度为 3 0 - , - 2 0 0 米，移动台天线高度为1 1 0 米，通信距离为l 一3 5 k m 的无线信号传播环 境。根据g s m 网络频段特点，在计算9 0 0 m h z 频段无线信号路径损耗过程中， o k u m u r a h a t a 模型能够计算出频率在9 0 0 m h z 附近的无线信号的路径损耗情况。 同时根据我国g s m 网络的建设情况，o k u m u r a - h a t a 模型所适用的基站高度、移 动台高度、通信距离等也都满足计算路径损耗的要求。 c o s t 2 3 1 h a t a 模型弥补了o k u m u r a h a t a 模型在计算频率高于1 5 0 0 m h z 的 无线信号路径损耗时的不足，适用于频率在1 5 0 0 2 0 0 0 m h z ，基站天线有效高 度为3 0 2 0 0 m ，移动台天线高度为1 1 0 m ，通信距离d 为1 3 5 k m 的无线通 信情况。因此，在计算g s m 网络1 8 0 0 m h z 频段信号路径损耗时可以采用 c o s 亿1 h a t a 模型。 而l e e 模型不适合作为g s m 通信系统无线信号的传播模型。首先，l e e 模 型根据美国东北部传播研究的基础上发展的，不适合我国的地形地貌情况下无线 信号的传播；其次，l e e 模型没有指明适用频率，因此该模型在预测g s m 系统 不同频率( 9 0 0 - 1 8 0 0 m h z ) 下无线信号传播的准确性无法保证；最后，l e e 模型 中的参考距离，参考发射功率等将此模型的适用范围限制在较小的区域内，不适 合考察复杂多变的网络情况。 2 3 修正因子及单点场强计算 传播模型是经验公式，在许多条件下并不完全准确，因此需要在某些场合中 基于网格的g s m 网络场强覆盖及容量分析 对传播损耗公式进行修正，修正因子包括移动台天线高度修j 下因子、远距离传播 修正因子、郊区修正因子、绕射修正因子等。其中绕射修正因子对模型最终计 算结果的影响最大。绕射使得无线电信号绕地球曲线表面传播，能够传播到阻挡 物后面。尽管接收机移动到阻挡物的阴影区时，接收场强衰减非常迅速，但是绕 射场依然存在并常常具有足够的强度。因此，在研究无线信号传播时，需要考虑 绕射所带来的影响。 2 3 1 绕射判断原理 1 、单刃峰绕射损耗 基尔霍夫的绕射理论对预测包含山脊和类似障碍物的传播路径损耗十分经 典，结合菲涅尔有关积分的计算，可得到如下近似公式。 l 。0 d b y s - - - 0 8 t 2 0 1 9 ( o 5 - 1 6 2 v ) - 4 3 8 ，s 0 = 2 0 1 9 ( o 5 e o 粥”) 0 - ：加2 0 。2 8 ) 计算郊区修正因子： k m r - - 1 7 7 毒l o g l o ( f ) 木l o g l o ( f ) 5 5 7 幸l o g l o ( f ) - 0 5 6 宰d + 5 6 - 0 0 4 幸d 宰d + 6 2 4 ( 2 9 ) d 为离基站的距离 开阔地修正因子： q = 4 7 8 丰l o g l o ( 0 宰l o g l 0 ( f ) - 1 8 3 3 幸l o g l 0 ( f ) + 4 0 9 4 ( 2 1 0 ) 准开阔地修正因子： q r = q + 4 丘陵地区修正因子： i d a = 5 7 + 0 0 2 4 宰h c + 6 9 6 幸l o g l o ( h e ) h c 为高度差因子 丘陵地微小修正值： k l f f = 9 5 奉l 0 9 1 0 ( h e ) - 7 2 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) s ( a 卜建筑物密度校正因子： f 一( 3 0 一2 5 1 9 a ) 5 a 1 0 0 s ( 口) 一 一( 一1 5 6 ( 1 9 a ) 2 + o 1 9 1 9 a + 2 0 ) 1 aj5 【 一2 0 口s 1 ( 2 - 1 4 ) 2 4 场强覆盖并行算法 2 a 。1 基于地理信息的场强覆盖分析任务划分 为计算小区覆盖区域内的无线信号强度的分布情况，g f i c a s 首先利用上节 中介绍的传播模型计算小区覆盖范围内关键目标点的无线信号强度，然后综合覆 盖范围内各关键点的无线信号强度统计出整个小区覆盖范围内无线信号的分布 情况。 因此，根据系统计算小区覆盖范围内无线信号覆盖情况的方式，可以将小区 基于网格的g s m 嘲络场强覆盖及容量分析 根据其覆盖角的大小平均分成1 1 等份，n 小于当前计算网格系统内计算资源节点 数( 如图2 3 所示) 。划分后的小区域称为一个叶瓣，每个叶瓣的覆盖角为原小 区覆盖角的1 n 。划分后，每个叶瓣的信息包括起始边方向角、终止边方向角、 叶瓣半径，所有1 1 个叶瓣构成对本小区的一个覆盖，模型计算任务也相应的由原 来计算一个小区覆盖范围内无线信号分布情况转化为计算n 个叶瓣范围内无线 信号分布情况。 图2 - 3 小区划分图 每个叶瓣内选择关键点时，按照地理位置与基站的距离，以2 5 米为步长选 取等级弧线，离基站越远，弧线等级越高( 如图2 3 所示) ，根据弧线等级的大 小决定该弧线上相邻关键点与小区基站连线间夹角的大小，等级越高夹角越小， 从而使选取所得关键点在叶瓣范围内均匀分布。根据关键点的经纬度，以2 5 米 为步长迭代选取关键点与基站连线之间的地理信息采样点，以每个地理信息采样 点为中心构造正方形区域作为地理信息采集区域，从而系统可取得基站到关键点 之间的全部地理信息。获取路径地理信息后，利用o k u m u r a - h a t a 模型计算该关 键点的场强值。 g f i c a s 系统在处理计算任务过程中以叶瓣为单元组织计算任务作业。对每 个叶瓣，系统根据其小区经纬度、起始边方向角、终止边方向角、叶瓣半径，从 地理信息服务器获取叶瓣内关键点处的地理信息，并以文件方式返回给任务管理 模块，同时根据小区i d 从m y s q l 数据库获取小区配置信息。g f i c a s 将本叶瓣 对应的地理信息文件、小区信息文件、场强覆盖计算程序封装为计算网格上的计 算作业，并分配到计算网格闲置资源节点进行计算。计算完成后，计算资源节点 将计算结果以文件方式返回。g f i c a s 系统将各计算资源返回的计算结果文件综 基于网格的g s m 网络场强覆盖及容量分析 合整理为目标小区整个覆盖范围内场分布数据并保存至m y s q l 数据库中。 2 4 2 单点场强计算 单点场强计算过程中使用o k u m u r a - h a t a 模型( 9 0 0 m h z ) 或c o s t 2 3 1 h a t a 模型计算基站至目标点之间的路径损耗，两个模型计算时都需要使用基站至目标 点之间的地理信息作为计算原是数据。考虑g i s 信息的影响，而且所使用的 m a p x t r e m e 电子地图是栅格图，所有必须以面的平均地形来代替点的地形，具 体方法如下： ( 1 ) 以预测点为中心构造一个边长2 5 米的正方形。 ( 2 ) 到m a p l n f o 电子地图中提取g i s 信息，如山峰、水池、高低和河流等，则按 照其实际高度计算平均采样高度。若没有上述特殊地形，就取方块内最高和最低 高度的算术平均值作为采样高度。 ( 3 ) 以2 5 米为步长采样从基站到预测点间的所有点的地理信息，找出发生绕射 的点。 ( 4 ) 如果不存在发生绕射的点，就按照准平滑地形计算场强。 ( 5 ) 如果发生绕射，则要计算绕射损耗。 2 4 3 小区场强并行计算 小区场强覆盖分析功能利用2 4 1 节中介绍的并行计算方法对小区场强计算 任务进行任务划分，每个划分所得叶瓣按照其范围内目标点与基站距离划分等 级，每2 5 米一个等级，距离基站越远，目标点所属等级越高。根据制定的小区 场强考察范围，依照2 4 1 节介绍的目标点选取方法，确定所有目标点的集合。 与单点场强获取地理信息的方法相同，小区场强计算程序将目标点集合中所有点 到基站连线上的信息以地理信息文件的方式由g i s 数据库获取然后将每个叶瓣 对应的地理信息文件、小区信息文件和计算程序封装为网格工作流作业，提交到 不同的空闲计算节点进行计算，再以文件的方式获取计算所得目标点的场强大 小，从而得到考察范围内目标小区的场强分布情况。 2 4 4 小区覆盖并行计算 覆盖分析计算功能利用2 4 1 节中介绍的并行计算划分方法对计算任务进行 划分，每个划分所得叶瓣按照与基站的距离，每2 5 米一个等级，离基站越远， 等级越高。在叶瓣路径方向上，首先考察距基站2 0 0 0 m 处的点场强值，如果大 基于网格的g s m 网络场强覆盖及容量分析 于门限9 0 d b m 则向远离基站处以2 5 米为步长计算查找场强为门限值的小区覆盖 边缘点，如果小于门限9 0 d b m 则向靠近小区方向计算查找覆盖边缘点。经顺时 针循环计算可得此叶瓣夹角内覆盖边缘点集合。统计汇总所有叶瓣覆盖边缘点 后，顺时针连接所有覆盖边缘点，得到该小区的覆盖范围。 基于网格的g s m 网络场强覆盖及容量分析 第三章爱尔兰b 公式修正算法 经验爱尔兰b 表反映了网络小区的拥塞率与信道配置和可承载话务量间的 关系。考虑到理论经验爱尔兰b 表的不准确性，本算法实现了根据分钟级话务 数据归纳经验爱尔兰b 表的方法。 由于网络配置、用户行为、话务分布、无线环境等变化会影响网络承载能力， 使得特定类型小区的已归纳出的经验爱尔兰b 表有可能失效，因此需要引入面 向单个小区的经验爱尔兰b 表的学习修正机制。在网络运行过程中，利用采集 到的各小区最新话务数据，对初始经验爱尔兰b 表进行修正，逐步生成并完善 面向各小区、与各小区话务分布和话务承载能力相匹配的爱尔兰b 修正公式。 3 1 话务数据清洗 原始分钟级话务数据有时并不能正确反映小区的真实话务情况，例如实际话 务量大于理论爱尔兰b 表规定的话务量的2 倍。出现这种情况的原因可能是数 据采集过程中出现错误。尽管这种情况的记录条数占所有数据条数的比例很小， 但是也会给统计分析的结果带来不确定的因素，因此需要对原始话务数据进行清 洗，以剔除其中的不合理话务记录数据。 出现以下情况的话务数据记录为不合理记录，需要进行清洗： ( 1 ) 话务记录中的话务量a 的范围超出0 a 2 x 信道数 ( 2 ) 话务记录中的可用信道数应小于等于o 。 3 2 基于拥塞概率的经验爱尔兰b 表归纳 根据经过清洗的同类小区的原始分钟级话务记录数据，按照图3 - 1 所述过程 可以统计归纳面向各类小区的经验爱尔兰b 表。该过程中一些主要步骤地说明 如下。 i 对原始话务数据进行清洗。 2 对输入数据中含有半速率话务量的数据记录进行话务量修正，消除半速率对 实际话务记录产生的影响，方法如下： 基于网格的g s m | 勾9 络场强覆盖及容量分析 修正总话务量一原始总话务量一1 2 半速率话务量 ( 3 - 1 ) 3 信道利用率计算公式如下： 无线信道利用率= 壅堡尘丢蒿篆兽篙錾笋 c 3 2 ， 佰追砹计明1 古务重 在公式3 2 中，信道设计话务量通过查找理论爱尔兰b 表得到，查表过程中 拥塞率取1 ，实际小区忙时无线承载的话务量采用第( 2 ) 步中经过修正后的话务 量。本步骤结果为含有无线信道利用率的话务数据表，并保存在数据文件中。 基于网格的g s m 网络场强覆盖及容量分析 否 原始数据预处理 修正含有半速率话务量 的话务记录 计算各条话务记录对应 的无线信道利用率 统计收集话务数据中具 有相同载频数的记录 将话务量按照信道利用 率分段，统计相应段中 小区个数 在信道利用率分段基础 上在对每段中的记录根 据阻塞率分段，统计每 段中的记录个数 对每个利用率段，统计 拥塞率小于定值的样本 数占本段总样本数的比 率 用最小二乘法拟合出利 用率小区比例关系 式，求出9 5 d 区比例 对应的无线利用率 所有载频处理完毕 是 生成以载波数，阻塞 率，信道利用率为内容 的爱尔兰b 修正表 上 爱尔兰b 修正表形式转 换 上 f 异常小区处理 图3 - 1 经验爱尔兰b 表归纳流程 4 统计收集第3 步计算