一种基于室内三维结构化模型的5G基站信号仿真和优化选址方法技术

本发明专利技术公开了一种基于室内三维结构化模型的5G基站信号仿真和优化选址方法，首先确定候选基站，模拟5G信号传播过程；随后考虑信号传播过程中的路径损耗和墙面材料对信号造成的反射衰减损耗建设5G信号传播能量模型；继而根据步骤一和步骤二计算射线的能量值，从而进行5G信号仿真；最后基于重建的室内结构化模型与5G信号仿真进行基站优化选址。本发明专利技术的方法能够有效地模拟5G信号，并且实现自动化5G基站布设和选址，该方法能更好地满足室内快速布设大量高密度5G通信基站的需求。大量高密度5G通信基站的需求。大量高密度5G通信基站的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于室内三维结构化模型的5G基站信号仿真和优化选址方法


[0001]本专利技术涉及一种5G基站信号仿真和优化选址方法，尤其涉及一种基于室内三维结构化模型的5G基站信号仿真和优化选址方法。

技术介绍

[0002]现代建筑材料对室外无线信号的阻隔，导致室外无线部署无法很好地解决室内覆盖的问题。为了加速移动网络的传播速度，推出频率较高的5G信号，其穿透能力与以往的4G，3G，2G相差悬殊，无法保证室内深度覆盖需要的良好体验。因此，华为在国际上首次提出室内5G目标网建网理念，助力运营商打造5G时代数字化的室内覆盖网络。5G时代的新业务会有80％发生在室内，且由于室内场景复杂多样、目标遮挡严重、目标间重叠等特点，与室外网络建设相比，室内网络建设花费时间更长、更加困难。因此，5G小基站选址将是基站建设的一项重要工作。有效的选址工作不仅可以提升投资效率,还可以降低基站的建设和维护成本，因此基站选址是一件有意义的研究工作。
[0003]目前，多数研究工作以仿真软件模拟基站覆盖情况，仅仅针对室外区域进行5G微基站选址；对于结构复杂的室内场景，缺乏5G基站自动化选址研究。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术所存在的不足之处，本专利技术提供了一种基于室内三维结构化模型的5G基站信号仿真和优化选址方法。
[0005]为了解决以上技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于室内三维结构化模型的5G基站信号仿真和优化选址方法，具体包括以下步骤：
[0006]步骤一、确定候选基站，模拟5G信号传播过程；
[0007]步骤二、考虑信号传播过程中的路径损耗和墙面材料对信号造成的反射衰减损耗建设5G信号传播能量模型；
[0008]步骤三、根据步骤一和步骤二计算射线的能量值，从而进行5G信号仿真；
[0009]步骤四、基于重建的室内结构化模型与5G信号仿真进行基站优化选址。
[0010]进一步地，步骤一的具体步骤如下：
[0011]a、基于重建的三维室内结构化模型，在接近天花板的位置给定高程确定二维水平面；
[0012]b、将水平面划分均匀格网；
[0013]c、判断每个格网的中心是否属于重建房屋的区域、是否为可导航区域，以此来确定候选基站；
[0014]d、利用射线追踪原理，以候选基站为球体中心随机发射信号射线，当射线与室内模型的三角网相交，可得到三角网的索引号，并通过模型的结构信息确定三角网的法向量和语义标记，进而模拟5G信号在室内环境的传播情况。
[0015]进一步地，步骤二的信号传播包括非视距传播和视距传播，在典型的室内环境下，5G信号非视距传播损耗模型公式为：
[0016]L
fs,dB
‑
NLOS
＝32.4+31.9
·
lg(d
p
)+20
·
lg(f) 1m≤d
p
≤86m
[0017]视距传播损耗模型公式为：
[0018]L
fs,dB
‑
LOS
＝32.4+17.3
·
lg(d
p
)+20
·
lg(f) 1m≤d
p
≤100m
[0019]其中，L
fs,dB
是信号损耗值，d
p
是收发天线的间距，f是电磁波的频率，该公式表明信号的频率越大或传播距离越长，传播损耗越大。在理想的室内环境下，当频率保持恒定时，传播损耗随距离的增大而增大，从而接收到的信号会减小。
[0020]进一步地，非视距传播指收发信号两端中间有障碍物遮挡，此时信号不是直线传播；视距传播是指收发信号两端中间没有障碍物遮挡，此时信号是直线传播。
[0021]进一步地，步骤二的反射衰减损耗指墙壁材料属性对反射信号造成的损耗，反射波场强表达式为：
[0022][0023]其融合了场点的垂直极化和水平极化分量，融合后的表达式为：
[0024][0025]其中，E(Rx)
⊥
和E(Rx)
||
分别为场点Rx处场强的垂直极化和水平极化分量，和分别是入射波在反射点R处场强的垂直极化分量和水平极化分量,R
⊥
和R
||
分别为垂直极化和水平极化的反射系数,e
jk(s1+s2)
是信号从源点Ix到反射点R再到场点Rx的相位累积。
[0026]进一步地，步骤三的具体步骤为：通过步骤一确定信号传播射线路径后，再通过步骤二计算出信号直线传播过程中的路径损耗，以及信号遇到墙面时信号的反射衰减，以此计算信号传播射线的能量值。
[0027]进一步地，步骤四是以室内三维结构化模型与5G信号仿真为基础，基于多尺度格网的空间划分方法，利用贪婪优化算法设计的面向5G通信基站优化选址方法，其具体步骤为：
[0028]a、将三维房屋模型投影到二维平面，将其划分为均匀格网，统计二维平面格网的索引号，同时，将每个基站发射的信号强度射线投影到二维水平面，计算信号射线采样点所在的二维格网的索引号，为了提升检索效率，首先计算采样点的二维坐标(s
x
,s
y
)属于哪个房屋，然后计算采样点所在房屋格网的索引号；
[0029]b、统计每个基站发射信号所覆盖的格网索引号，示例结果如下：
[0030]s1＝{g1,g2,g3,g4,g5,
…
,g
i
}
[0031]s2＝{g2,g3,g4,g5,g8…
,g
j
}
[0032][0033]s
n
＝{g3,g4,g5,g7,g8…
,g
k
}
[0034]c、基于贪婪算法设计优化策略对候选基站进行规划选址，将基站覆盖度作为限制值，基站数量为期望值，在满足限制值的情况下期望值最小，即利用最少的基站达到最大的室内覆盖范围，公式如下：
[0035][0036]d、将每个基站发射信号所覆盖格网的数量排序，具有最大覆盖网格数量的基站被视为优化基站，同时，其他基站发射信号的覆盖格网与其求交，将求交后剩余网格数量排序；同理，将信号覆盖度最大的基站列入优化基站中，以此类推，当场景的覆盖度为80％的时候停止迭代，最终求得优化基站的位置和数量。
[0037]进一步地，多尺度格网的空间划分方法的步骤如下：
[0038]a、在室内房屋模型的长和宽分别划分3～4个格网，对于较为窄的走廊或面积较小的房屋，其相对格网的分辨率较大；对于面积较大的房屋，其相对格网的分辨率较小；
[0039]b、根据房屋的长宽尺度，可以自适应确定格网的大小；
[0040]这种自适应多尺度划分策略可以减少不必要的候选格网数量，在保证基站位置精度和覆盖度的同时，也提升了优化效率。
[0041]本专利技术以重建的室内结构化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于室内三维结构化模型的5G基站信号仿真和优化选址方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤一、确定候选基站，模拟5G信号传播过程；步骤二、考虑信号传播过程中的路径损耗和墙面材料对信号造成的反射衰减损耗建设5G信号传播能量模型；步骤三、根据步骤一和步骤二计算射线的能量值，从而进行5G信号仿真；步骤四、基于重建的室内结构化模型与5G信号仿真进行基站优化选址。2.根据权利要求1所述的基于室内三维结构化模型的5G基站信号仿真和优化选址方法，其特征在于：所述步骤一的具体步骤如下：a、基于重建的三维室内结构化模型，在接近天花板的位置给定高程确定二维水平面；b、将水平面划分均匀格网；c、判断每个格网的中心是否属于重建房屋的区域、是否为可导航区域，以此来确定候选基站；d、利用射线追踪原理，以候选基站为球体中心随机发射信号射线，当射线与室内模型的三角网相交，可得到三角网的索引号，并通过模型的结构信息确定三角网的法向量和语义标记，进而模拟5G信号在室内环境的传播情况。3.根据权利要求1所述的基于室内三维结构化模型的5G基站信号仿真和优化选址方法，其特征在于：所述步骤二的信号传播包括非视距传播和视距传播，在典型的室内环境下，5G信号非视距传播损耗模型公式为：L
fs,dB
‑
NLOS
＝32.4+31.9
·
lg(d
p
)+20
·
lg(f) 1m≤d
p
≤86m视距传播损耗模型公式为：L
fs,dB
‑
LOS
＝32.4+17.3
·
lg(d
p
)+20
·
lg(f) 1m≤d
p
≤100m其中，L
fs,dB
是信号损耗值，d
p
是收发天线的间距，f是电磁波的频率，该公式表明信号的频率越大或传播距离越长，传播损耗越大。在理想的室内环境下，当频率保持恒定时，传播损耗随距离的增大而增大，从而接收到的信号会减小。4.根据权利要求3所述的基于室内三维结构化模型的5G基站信号仿真和优化选址方法，其特征在于：所述非视距传播指收发信号两端中间有障碍物遮挡，此时信号不是直线传播；视距传播是指收发信号两端中间没有障碍物遮挡，此时信号是直线传播。5.根据权利要求1所述的基于室内三维结构化模型的5G基站信号仿真和优化选址方法，其特征在于：所述步骤二的反射衰减损耗指墙壁材料属性对反射信号造成的损耗，反射波场强表达式为：其融合了场点的垂直极化和水平极化分量，融合后的表达式为：其中，E(Rx)
⊥
和E(Rx)
||
分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔扬，陈品祥，刘光，杨必胜，董震，
申请(专利权)人：北京市测绘设计研究院，
类型：发明
国别省市：