一种考虑信号阻隔效应的城市空间5G基站选址优化方法技术

本发明专利技术提供了一种考虑信号阻隔效应的城市空间5G基站选址优化方法，构建5G通信基站的人工免疫智能优化模型，在考虑城市建筑物对通信信号阻隔效应的前提下，优化通信基站的数量和空间布局，实现合理控制基站数量及其信号覆盖范围的最大化。本发明专利技术采用CSA算法作为寻优决策算法，针对5G通信基站空间布局优化问题的基本特点和求解需求，提出一种计算效率高、结果可行性强的空间布局优化技术，实现了5G通信基站的自动化和智能化空间布局选址；本发明专利技术通过采用GIS技术耦合多源地理数据和空间优化决策方法，有效改善了5G信号服务质量，降低了基站部署建设的成本和基站运行经济成本，为未来5G通信基站的规划建设提供决策依据和技术支持。

An optimization method of 5g base station location in urban space considering signal barrier effect

【技术实现步骤摘要】
一种考虑信号阻隔效应的城市空间5G基站选址优化方法
本专利技术属于通信基站空间部署
，具体涉及一种考虑信号阻隔效应的城市空间5G基站选址优化方法。
技术介绍
5G通信技术，也称为第五代移动通信技术(5thgenerationmobilenetworks或5thgenerationwirelesssystems、5th-Generation，简称5G或5G技术)，是当前最新一代蜂窝移动通信技术。相对于现有的2G、3G和4G通信技术，5G通信技术在数据传输速率、降低数据延迟、节约能源、提高系统容量等方面，有了质的飞跃。因此，5G技术的发展对车联网与自动驾驶、人工智能技术的发展具有非常重要的意义。近年来，各国政府纷纷加快了对5G通信技术的研发和投入。不同于4G等传统通信技术，5G通信技术选用毫米波以满足各类新兴应用场景的信号传播需要和速度需要。然而，毫米波的波长更短，对于阻塞特别敏感，更容易受到干扰，有着更大的衰减和穿透损失。毫米波的这一特性使5G基站的覆盖范围极为受限。基于5G频谱和超密集异构网络的特点，目前普遍认为5G微基站的有效覆盖半径为约200m；另一方面，由于城市应用场景的多变性和环境的复杂性，基站间距离将大幅度缩小。海量且密集化的规模将成为5G基站部署的重要特征，其基站布设密度将远超4G基站的部署密度；而基站密度的提升必然带来成本的对应攀升。因此，在5G通信技术已经基本完善的背景下，由于5G信号的传播与衰减特点以及基站布设的成本要求，导致5G技术的商业化运营进程较慢。如何在保证基站覆盖范围和服务质量的基础上降低建设成本是加快5G通信技术推广和商业化运营亟需解决的技术难题，且直接影响到5G技术的用户体验效果。5G通信基站的空间布局优化设计是根据5G基站的信号传输特点和部署环境限制，在基于地理信息系统(GeographicInformationSystem或Geo－Informationsystem，GIS)的空间信息技术的支持下，耦合多源地理数据和空间优化决策方法对区域内5G通信基站的空间位置布局和选址进行优化。基本目标是在合理控制基站数量规模的基础上追求最优的空间覆盖范围和通信服务质量，以加快5G通信基站的建设，为服务经济高质量发展和人民生活需求提供有力的支撑。从本质上看，5G通信基站的空间布局优化问题属于一类带约束条件的空间选址优化决策问题。近年来，随着智能优化决策技术和空间信息技术的快速发展，新理论和新方法开始被广泛应用于基站选址工作。在基站空间布局优化设计领域，国内外有关研究者开始基于不同的优化算法对基站选址优化技术进行了探索，并取得了较好的效果，有关文献例如：[1]郑俊杰,王先峰,罗顺湖.面向5G移动通信的基站选址方法及优化策略研究[J].电信网技术,2017(11):78-81.[2]AndrewsJG,BaiT,KulkarniM,etal.ModelingandAnalyzingMillimeterWaveCellularSystems[J].IEEETransactionsonCommunications,2016,65(1):403-430.[3]BaiT,HeathRW.CoverageandRateAnalysisforMillimeter-WaveCellularNetworks[J].IEEETransactionsonWirelessCommunications,2015,14(2):1100-1114.[4]SulymanAI,NassarAMT,SamimiMK,etal.Radiopropagationpathlossmodelsfor5Gcellularnetworksinthe28GHZand38GHZmillimeter-wavebands[J].IEEECommunicationsMagazine,2014,52(9):78-86.[5]TongD,WeiR.RegionalCoverageMaximization:AlternativeGeographicalSpaceAbstractionandModeling[J].GeographicalAnalysis,2016.[6]SzyszkowiczSS,LouA,YanikomerogluH.AutomatedPlacementofIndividualMillimeter-WaveWall-MountedBaseStationsforLine-of-SightCoverageofOutdoorUrbanAreas[J].IEEEWirelessCommunicationsLetters,2016,5(3):316-319.等。总体上看，已有的5G通信基站的空间布局选址技术研究中，还存在一定不足和局限性，主要表现为：(1)优化模型未考虑建筑物等障碍物对通信信号的阻隔效应已有的优化技术大多忽略了建筑物等障碍物对通信信号的阻隔效应。然而，现有的5G通信技术研究和实验已经表明，在5G通信时代，建筑物对通信信号的阻隔效应是无法忽视的。因此，忽视建筑物等障碍物的信号阻隔效应的优化方法将导致在城市建筑物密集的区域出现5G信号盲区，无法满足人们的网络需求。因此针对5G通信基站的空间布局和选址优化方法设计，尤其是城市地区的基站建设必须要考虑城市建筑物对5G通信信号的阻隔效应。(2)基站优化选址问题的空间显式建模和寻优技术研究不足现有技术大多应用运筹学等数学方法对通信基站进行建模和寻优，空间信息技术和智能化寻优方法应用不足。通信基站的空间位置规划和选址，本质上来看是一类空间优化决策问题，即：选址问题的定量建模与表达、决策问题的寻优，都必须在地理空间框架下完成，涉及对复杂空间对象(建筑物、道路、基站站点等)和空间关系(相交、包含等)的建模和分析。对基站选址问题涉及的各类空间对象和关系进行准确的建模和表达，是获取合理可行的基站布设方案的前提。此外，经典的优化方法也必须针对基站选址问题的空间化特征进行改进，使之适应5G通信基站的空间规划决策求解需求。而现有技术难以实现对5G基站选址中涉及的各类对象和空间关系进行显式的建模和优化。针对已有优化模型的上述不足，选择克隆选择算法(ClonalSelectionAlgorithm，CSA)是一种新的尝试。克隆选择算法是一类模拟生命科学的免疫机制开发的智能优化算法，相对于遗传算法、模拟退火算法、微粒群算法和蚁群算法等智能优化算法，克隆选择算法在寻优能力、收敛速度和保持种群多样性等方面具有其独特的优势，因而被广泛应用于机器学习、数据挖掘和智能优化等多个领域。克隆选择算法目前在5G通信基站空间部署
还没有得到足够重视，国内外还未见相关的报道。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种考虑信号阻隔效应的城市空间5G基站选址优化方法，在考虑城市建筑物对通信信号阻隔效应的前提下，实现给定数量的通信基站的覆盖范围最大化。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种考虑信号阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑信号阻隔效应的城市空间5G基站选址优化方法，其特征在于：包括以下步骤：/nS1：获取并存储城市公共空间5G基站的规划区的地理空间数据；/nS2：根据基于GIS的空间采样方法和数据模型设置备选基站点；/nS3：根据抽样的方法生成通信服务的需求点；/nS4：在基站信号的最大覆盖半径范围内，根据基于GIS的空间分析方法，生成每个备选基站点的满足通视的需求点的数据集合；/nS5：通过整数编码将预设的B个5G基站组成的一种基站布设方案映射为克隆选择算法的一个抗体；/nS6：优化目标函数设计，设规划区内的需求点的集合为I，需求点的编号为i，第i个需求点的决策变量为X

【技术特征摘要】
1.一种考虑信号阻隔效应的城市空间5G基站选址优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：获取并存储城市公共空间5G基站的规划区的地理空间数据；
S2：根据基于GIS的空间采样方法和数据模型设置备选基站点；
S3：根据抽样的方法生成通信服务的需求点；
S4：在基站信号的最大覆盖半径范围内，根据基于GIS的空间分析方法，生成每个备选基站点的满足通视的需求点的数据集合；
S5：通过整数编码将预设的B个5G基站组成的一种基站布设方案映射为克隆选择算法的一个抗体；
S6：优化目标函数设计，设规划区内的需求点的集合为I，需求点的编号为i，第i个需求点的决策变量为Xi，规划区内的需求点的总数为D；设优化目标函数为最大信号覆盖率S：
S＝Max(∑i∈IXi*100/D),Xi∈{0,1}，
根据通视信息，当需求点接收到服务时Xi＝1；需求点接收不到服务时Xi＝0；
S7：采用克隆选择算法对抗体进行优化；
S8：根据优化目标函数S，获取当前B个基站的覆盖面积比例；若当前信号的覆盖比例满足规划目标要求，则选址过程完成；若当前信号的覆盖比例不满足规划目标要求，则增加布设的基站的个数并执行步骤S5，直至信号的覆盖范围满足规划目标要求；
S9：将抗体优化目标值的最优抗体解码还原为5G基站的布局方案，并输出各个基站的地理空间坐标。


2.根据权利要求1所述的一种考虑信号阻隔效应的城市空间5G基站选址优化方法，其特征在于：所述的步骤S1中，具体步骤为：
S11：在城市范围内采用高斯3度分带投影得到规划区的基础地理空间数据，包括规划区范围数据、建筑物轮廓数据和交通路网数据；
S12：采用相同的地理坐标系统和基于GIS的空间数据模型存储规划区的基础地理空间数据，并将规划区范围数据存储为面状多边形的形式，将建筑物轮廓数据存储为矢量多边形的形式，将交通路网数据存储为矢量线的形式。


3.根据权利要求2所述的一种考虑信号阻隔效应的城市空间5G基站选址优化方法，其特征在于：所述的步骤S2中，具体步骤为：
S21：根据基于GIS的空间采样方法，在规划区内沿道路方向按照固定间距选取路网沿线的备选基站点；
S22：根据基于GIS的空间采样方法，在规划区内选取建筑物轮廓拐点的坐标作为建筑物轮廓线的备选基站点；
S23：按顺序采用整数对每个备选基站点进行唯一值编号，按基于GIS的点数据模型进行存储。


4.根据权利要求3所述的一种考虑信号阻隔效应的城市空间5G基站选址优化方法，其特征在于：所述的步骤S3中，具体步骤为：
S31：采用抽样的方法将规划区格网化；
S32：生成规则格网点作为通信服务的需求点；
S33：按顺序采用整数对每个需求点进行唯一值编号，按基于GIS的点数据模型存储到空间数据库中。


5.根据权利要求4所述的一种考虑信号阻隔效应的城市空间5G基站选址优化方法，其特征在于：所述的步骤S4中，具体步骤为：
S41：根据5G信号的传输和衰减特点设置基站信号的最大覆盖半径；
S42：遍历全部备选基站点，根据基于GIS的缓冲区分析方法，将基站信号的最大覆盖半径作为缓冲区半径；获取缓冲区内的需求点集合，在缓冲区内生成连接备选基站点和需求点的直线即从备选基站点到需求点的视线；
S43：遍历...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琪，吕占田，张瑞甜，林一帆，赵翔，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42