GIS在网络优化中的应用.doc

GIS在移动通信网络中的应用(湖南联通张家界分公司无线网优中心瞿贻才)【摘 要】GIS对不少人来说是个陌生的概念。其实，GIS早已被广泛应用在日常生活中的方方面面。地理信息系统GIS在最近的30多年内取得了惊人的发展，被广泛应用于资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、邮电通讯、交通运输、军事公安、水利电力、公共设施管理、农林牧业、统计、商业金融等几乎所有行业及领域。本文重点介绍了几款GIS软件在移动通信建设和网络优化中的应用。【关键词】GIS、NAS、SRTM、GPS一 概述11 什么是GIS?GIS全称地理信息系统 ( Geographic Information System) 是一种基于计算机的工具，它可以对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分析。GIS系统将描述位置（地方）的层信息结合在一起，通过这些信息可以使你更好地认识这个位置（地方）。GIS是“所见即所得”的，一个GIS地图关联许多不同的层信息。一幅画在纸上的地图，你所能做的操作就是打开它。这时候展现在你面前的是关于城市、道路、山峦、河流、铁道和行政区划的一些表现。城市在这些地图上只能用一个点或一个圈表示、道路是一条黑线、山峰是一个很小的三角、而湖泊则是一个蓝色的块。 GIS的优势在于改进企业的数据综合能力，更好地决策以及制作地图。应用GIS技术的一个最重要的好处就是提高管理企业和资源的能力。GIS系统能够通过一些基于位置的数据（如地址等），将数据集关联在一起，帮助企业中的各个部门和分部共享数据。通过建立共享数据库，一个部门可以从其他部门的工作中获利数据只要被收集和整理一次，但可以被不同部门多次使用。 GIS为决策提供了更多、更直观的信息。虽然GIS不是一个自动决策系统，但是一个为决策过程提供查询、分析和地图数据支持的工具。举例来说，GIS可以帮助房地产开发商找到最佳的建房地段，并且满足如下一系列要求，最小的环境影响，在低风险、低犯罪率的地区，靠近人口密集的市中心等等。所有的这些数据都可以用地图的形式简洁而清晰地显示出来，或者出现在相关的报告中，使得决策的制定者不必再浪费精力在分析和理解繁杂的数据上，而可以直接关注真实直观的结果。因为GIS可以快速地生成结果，并且可以高效和快速地对这些方案进行全面评估。1 2 GIS在移动通信网网络优化中的应用 移动通信是GIS应用的一个新领域，基于GIS 技术的电子地图、三维高程地图为工程建设和无线网络优化提供了极大的方便，不仅可以节约大量的资源，而且提高了分析的准确性和工作效率。GIS在移动通信网络建设和网络优化种有着广泛应用，地图制作和地理分析已不是新鲜事，GIS执行这些任务比传统的手工方法更好更快，可以利用地理信息来帮助我们快速的进行网络覆盖分析和解决网络中存在的某些问题。 二 所需软件和数据21下载安装相关软件1) Global MapperGlobal Mapper 是一款地图绘制软件，不仅能够将数据显示为光栅地图、高程地图、矢量地图，还可以对地图作编辑、转换、打印、记录GPS及利用数据的GIS(地理信息系统)功能.6.xx版增加了直接访问USGS(美国地质勘探局)卫星照片TerraServer数据库和Global Mapper内部的地形图及以真实的3D方式查看高程地图的功能，可以直接打开后缀为hgt的SRTM、gps轨迹、mapinfor格式等数据。2) OZIExplorerOZIEXPLORER被广泛用于GPS导航，在与GPS通讯成功后可以实时的获取GPS数据并生成轨迹图，结合准确的电子地图走到哪里都不会迷路，是一款野外旅行不可多得的软件，用他采集的轨迹图可以用于地图制作、线路测量等。3) GPSGATE端口共享软件，能将一个端口虚拟成若干个端口供不同的软件使用。4) SRTMFillSTRM数据修补程序，SRTMFILL是SRTM数据的修补工具软件。由于天气等干扰因素，航天飞机测量的SRTM数据在局部地区有或大或小的空洞，如果不加以修补，做出来的地图会出现一块块的马赛克。有了SRTMFILL，SRTM的数据空洞就可以天衣无缝了。下载地址/srtmfill.html，非注册软件一次只能修补一个数据文件。5) 基站扇区图形化管理mapinfor插件CellView_V4.68、Piano_316) MAPINFOR这个软件我们已经非常熟悉，通常用于显示电子地图或者基站地理信息等。目前最新版本为7.5,下载方法：用cuteftp下载，登陆地址：2，用户名gpsuser2，端口4001，密码pumahaha，目录 /incoming/#9-mapinfo软件/mapinfo软件/mapinfo7.57) NASA World Wind 1.31 Free software（简称WW）下载地址/html/010672005022401.htmlNASA World Wind是由美国国家航空航天局(NASA)创办的开源项目，能让你通过卫星观看地球上的所有地方的图像。依靠地球资源卫星的图像和SRTM（航天飞机雷达地形图数据库）的数据，World Wind以栩栩如生的3D图像让你足不出户就能体验世界各地的地形地貌，仿佛身如其境。在World Wind中，你可以鸟瞰安第斯山脉 ，进入美国大峡谷，横跨阿尔卑斯山脉或者穿越非洲的撒哈拉沙漠。目前World Wind的最新版本是1.31,下载和使用都是完全免费的。需要注意的是，该软件国内地图精度只有14.2米，美国境内精度可以达到0.6米，该软件需要高速的宽带连接来下载卫星图像，Geforce2/Radeon 7500 以上显卡能提供图形加速功能。初始下载包的大小为170MB左右。由于软件体积大，而且对电脑配置要求比较高，为选装软件。22原始数据8) 高程数据SRTM水平约40m精度，数据覆盖全球，美国境内的更高。nasa去年早些时候已发布了欧洲、非洲部分，今年3月才开始发布亚洲部分，原因是阿富汗战争。用美国防部长拉穆思菲尔德的话说：和2000年的srtm现比，8年前的国防部全球高程数据都是垃圾！据说，nasa的srtm军用数据达到水平5m精度！由2000年6月美奋进号航天飞机历时32小时用316盘高密度磁带生成，由nasa的专门小组用2年时间处理，2003年开始发布。获取海拔数据 用cuteftp下载，登陆地址：，匿名等陆，目录/srtm/eurasia/里面， n代表纬度，e代表经度，比如张家界的是N29E109.hgt，N29E110.hgt，N29E111.hgt，N28E110.hgt9) 卫星图卫星图具有精度高，显示内容丰富等优点，在军事、农业、建筑、电子等领域获得了广泛的应用，卫星图不但道路建筑等要素在影像上很清晰，还能提取公路、河流、水库、植被等自然要肃，远比其他图的信息丰富的多，有经验的人能直接在图上提取绝大部分要素，准确极高，比实地测量和GPS路测节约大量时间和人力。获取免费的卫星图方法1 进入WW软件，用landsat7 visible模式看图，通过finder来精确定位每张图的中心点。先从准备做的地图中心点开始，把中心点的经纬度输入finder，高度从5000m100000m看你自己需要输入了。需要注意的是国内地图分辨率只达到15米，美国境内的更高，然后等图出来（右下角的标志不再出现红色进度条就试数据都传来了，否则等着），屏幕硬拷贝（就是键盘上的print screen sys rq键），到photoshop里，建一个大的空图，300dpi，粘贴，刚才截屏的内容就进来了，去掉上面的下面的文字图案部分。注意软件控制条里面的经纬度标志要打开，view菜单里的vertical exaggeration选为0.0x，在图右上角显示中心点光标的经纬度数据，方便后面校准。然后回到ww，在finder里面依次定位到上下左右去截图，到photoshop里面粘贴拼接。比如，纬度不变，50km高度，经度加0.4度就可以水平转到中心图东边一个区域截图，这样的图上下左右重合一些，方便在photoshop里面对准。方法2进入http/网站首页,点从左到右的第三个按钮image search，输入城市英文名称，选择国家后按search，稍后片刻，自动打开新网页，显示几种分辨率类型的地图数据文件随便打开其中之一便可以浏览了，quick pan用于移动地图显示范围，由于该网站是一个商业网站，整张地图下载是需要收费，分辨率稍高的地图也是黑白的，我们可以通过抓图软件逐张抓取再用photoshop软件进行拼接就可以使用了。方法3 进去网站/，先注册一个免费账号，在右下边输入帐户和密码，然后按登陆按钮进去。按下“放大”和“缩小”改变地图比例，也可以直接单击“比例”来改变地图显示的比例。按下“区域”按钮，然后移动鼠标到目标区域，按下鼠标左键后移动鼠标再放开鼠标左键，这样在地图上会画出一个矩形区域，这个就是我们选择的目标区域，其经纬度坐标会显示在右上角。如果按下“保存”按钮，此区域会记录下来，退出后下次再进入网站时会自动定位在此目标区域。然后按下“选项”按钮到下一步。选中“1米分辨率”，选择“云层覆盖率”，低于此值的图像会被选择到。再选择卫星照片的“拍摄起止日期”（目前发现2004年5月以后的有许多彩色照片），最后按下“查找”按钮来检索满足条件的卫星照片。方法4/鼠标选择地要显示的地方，然后点右上角三satellite，利用滑杆进行放大。23 GPS轨迹数据GPS既卫星全球定位系统是由美国国防部控制的一种无线电定位、导航系统。在野外应用时经验很重要。美军用于人为干扰有意增大误差的SA政策，2000年5月关闭，导航精度提高。现在一般误差在10米以内其它国家也在开发自己的卫星导航系统，例如俄罗斯、欧盟和中国的北斗系统，GPS全球定位系统目前共有颗卫星在地球同步轨道绕行。其中3颗为备用。获取GPS轨迹数据比较简单，在路测前运行gpsgate软件，将 gps所占用的端口虚拟成两个端口供路测软件和ozi使用，在路测过时，建议采用USB接口的GPS,价格也相当便宜，好点的只要1500元左右，同时可以省去USB转多com端口设备，减少接线，使用起来非常方便，详细步骤如下：A. 运行ZOI,通信设定：文件-配置，选择端口NMEA波特率4800，奇偶：none设定GPS型号B. 打开一张校准后的地图，如果没有，可以用空白屏幕地图-空白地图C. 开始和GPS通讯，移动地图-启动与GPS的NMEA通讯D. 这时，如果GPS搜星完毕，处于定位状态，OZI就能收到GPS发来的NMEA数据和GPS通讯后，点菜单栏上的SHOW按钮显示航迹，屏幕上出现一个红色的箭头指示当前的移动方向，如果打开的地图校准正确的话，箭头应该出现在地图上，当时GPS所在的正确位置。在记录了track以后，要及时保存。可以在文件-配置-移动地图-存储航迹点间隔中设置存储的间隔距离。三 GIS在移动通信网络中的具体应用3.1 电子地图制作A）卫星地图下面是按照上述方法2所获取的卫星图像，水平分辨率15米，可以清晰的显示河流、水库、公路、大型建筑、植被、悬崖等，在mapinfor中经过校准后可以正常使用，与实际地理位置相当吻合，相比传统地图的精度要高很多，见图1江垭水库大坝图1江垭水库卫星图图2是路测软件中导出来的MIF格式图通过mapinfor叠加显示效果，与实际公路几乎完全重合。图2 桑植县城周围覆盖效果图B) 利用公开矢量数据mif（tab）文件SRTM制作地形图用Globalmapper 打开SRTM文件，再打开河流、乡镇、公路、gps轨迹等数据，选择File/Export Raster and Elevation Data/Export GeoTIFF 输出GeoTIFF文件。在GeoTIFF Option中选择Save Vector Gata if Displayed 和 Generate TFW File两个选项。，建议以度见方输出GeoTIFF文件。这样文件存储后带有定位信息，在mapinfor里可直接调用。Globalmapper功能非常强大，还可以制作等高线地图，由于步骤较复杂，这里不作介绍。图3利用矢量数据（不全）和gps数据生成的地图3.2 基站与扇区管理各种地形地物对电波传播的影响举足轻重。影响电波传播的因素很多，建筑物，树林，水域，开阔地有不同的修正因子，对于微区，街道的走向，立交桥的结构，建筑物的材料也对电波传播有重要影响。所有这些因素使得无线传播的预测必须基于三维数字地图，并且采样点愈多，预测相对愈准确。CellView_V4.68、Piano_31是基于mapinfor的2个插件，用于基站信息地理化显示，操作比较简单，能在mapinfor上直观显示基站信息，它收集来自网络参数库、数字地图库及模型库的各种数据，为预测分析做准备。它为管理基站与扇区数据提供手段，如新建站，移动，删除，编辑参数等等。整个网络的拓扑结构及配置情况都在这一部分得到充分体现，给用户提供整个网络各种信息的显示。后者还可以进行GSM频率规划。具体操作步骤这里不作详细介绍。3.3 基站覆盖预测及分析根据所使用的频率不同，通常有两种不同数学模型预测基站无线覆盖范围：Okumura电波传播衰减计算模式和Cost-231-Walfish-Ikegami电波传播衰减计算模式。GSM900MHz和cdma1800M主要采用CCIR推荐的Okumura电波传播衰减计算模式。该模式是以准平坦地形大城市区的中值场强或路径损耗作为参考，对其他传播环境和地形条件等因素分别以校正因子的形式进行修正。不管是用哪一种模式来预测无线覆盖范围，都只是基于理论和测试结果统计的近似计算。由于实际地理环境千差万别，很难用一种数学模型来精确地描述，需要结合数字高程模型（DEM）及其分析方法。分析方法运行global map，点open data file打开后缀为hgt的SRTM数据，再打开基站mapinfor文件，利用zoom tool工具将图移到合适的位置，还可以打开gps轨迹文件显示公路，通过软件基于DEM的可视域分析是根据指定的视点、最远视距和距地表高度，考虑地形遮挡，计算出在该点向四周瞭望，所能够看到的最大范围。如下图所示，三条腿的表示基站的三个扇区，红色线路为gps轨迹，颜色越深则海拔越高，从下图可以分析出基站的大致覆盖范围。 图4张家界市区三维地形显示虽然可视域和基站的真正覆盖范围有一定偏差，但是它对站址的地形遮挡情况可以描述的很清楚，因此对我们实地选址的帮助很大。此外，利用这种方法我们还可以在地图上显示公路、基站等要素，便于分析时作为参考。三维地形显示是GIS中对地表高程起伏情况更直观的一种表达方法。三维地形显示可以达到一种身临其境的效果。下图是张家界市区三维地形显示效果。 图5 张家界市区Global mapper3D地形显示各种地形地物对电波传播的影响举足轻重，通过地形剖面分析可以预测电磁波信号相对特定区域的覆盖范围，如图6所示，20公里处不可能被位于海拔800米的基站有效覆盖。图6 Global mapper山体剖面另外，我们还可以利用WW软件三维显示来形象的表达区域地形状况。由软件生成正射三维影像,制造出三维地形视觉效果。图7是在张家界市区三维地形显示效果,相比globalmapper所生成的图像各有特色。图7张家界市区Word wind 3D地形显示 3.4 如何利用GIS进行基站选址？山区农村地理环境复杂，电波传播受地形影响十分显著，基于准平坦地形的覆盖预测模型就更加难以发挥作用。一般工程人员进行无线基站选址时，难以充分考虑当地复杂的地理状况，只能凭借经验和有限的实地勘察试验来确定站址的选择。通常，工程人员都把站点选在高山上，以期获得较大的覆盖范围。但实际上，这种选址方式有很大的主观性，在山区基站建设中，由于选址不当造成的基站搬迁是屡见不鲜的。因此，对于农村地区来说，基站站址的选择对网络覆盖的影响作用非常大，有时候甚至起到了决定性的作用。利用地理信息技术来辅助基站选址，可以形象直观的帮助我们进行基站选址，科学的做出决策。科学的基站选址能够有效的扩大基站无线覆盖范围，吸收更多的用户和话务量，降低建设成本，提高收益，无论在技术实现上还是在市场运作上都有很大的意义。目前，在工程人员当中还没有形成一个比较科学的山区基站选址方法，实际选址和定点过程仍然存在很大的主观性。但是，我们可以利用GIS中的数字地形模型（DEM）及其相关分析方法来得到一个比较完善的山区站址选择方案，基站选址的目的在于扩大无线基站覆盖范围，提高话务质量。站址的优劣主要由该站址的覆盖范围决定的，因此我们首先要先预测基站的覆盖范围。为了实现对某地区的站址选择分析，必须拥有该地区的地理数据。数据的制作可以通过数字化地形图获得。数据的规格和精度直接影响到我们分析结果的准确性。数据的内容包括两部分：地形、居民区、道路、河流、境界线等基础数据，通常采取现场到覆盖目标区域获取经纬度数据；另一部分是现有基站点的标注。我们可以通过GPS在地形图上定位已有的站点，并标注到地图上。这样，我们就得到了分析所必需的基础数据。根据数字化后的地形图，我们可以生成正射三维影像，或进行三维浏览，从而能够快速的把握整个山区地形的特点。同时参考我们已经建设好的站点、居民区位置、道路位置，我们就可以初步推测若干个比较合理的站址。实地勘测验证由于我们不可能完全掌握各种详细的地理数据、人口分布、电力引接位置等信息，因此，我们必须进行实地勘测验证，获取第一手资料，以确保选址结果的可行性和正确性。使用DEM分析方法优化站址选择方案有了第一手资料，我们。我们可以计算出几个候选站点的可视域，并把可视域叠加到地图上， 看是否能够覆盖我们感兴趣的区域。如果在某个区域我们计划建设一批站点，就可以先确定若干个候选站点，然后统计出最佳的组合；或者分析调整站点位置，在计算机上进行各种模拟试验。3.5应用案例 A）因山遮挡，简化频率规划 基站建设规划实践中，为避免同频干扰，相距较近的基站要