射线跟踪模型及其在LTE网络规划中的应用

苏蕾 于磊

【摘要】 本文主要介绍了射线跟踪模型，并与传统经验模型进行了对比，然后对其在LTE网络规划中的应用进行了探讨。通过微蜂窝环境下的测试结果，说明了射线跟踪模型能够很好的模型密集市区环境下无线信号的传播。

【关键字】 射线跟踪 传播模型 crosswave LTE 网络规划

一、概述

无线传播模型是描述无线电波在介质中传播特性的数学模型，在无线蜂窝系统的规划设计时，使用无线传播模型可以精确模拟未来的网络覆盖，为网络规划提供验证提供基础。同时一个相对准确的传播模型结合链路预算结果可以估算基站小区半径，为无线网络规划提供重要依据。

二、射线跟踪模型

无线传播模型按照来源性质可分为经验模型、半经验模型和确定性模型：经验模型是根据大量的测试结果统计分析后导出的公式，常用经验模型包括Okumura-Hata模型、COST231-Hata模型及室内传播模型；半经验模型是在经验模型的基础上，基于大量测试数据的统计模型，常用半经验模型包括Standard Macrocell Model和SPM模型；确定性模型是直接应用电磁场理论计算出来的传播模型，射线跟踪模型是一种确定性模型，常用的射线跟踪模型包括CrossWave模型、Volcano模型及MYRIAD模型。

2.1射线跟踪模型介绍

射线跟踪模型是一种确定性模型，该模型可以模拟电磁波传播过程中的直射、反射和绕射过程，跟踪所有从基站发射出来的射线，从而辨认出多径信号中发射机和接收机之间所有可能的射线路径。一旦所有路径辨认出来，就可以根据相关电波传播理论计算出每条射线的相位、幅度、延迟和极化，然后结合天线图和系统带宽，计算出接收机位置处所有射线的相干合成结果。

2.2射线跟踪技术主要思路

射线跟踪技术的主要思想是将天线理想化为一源点，大量电磁波射线由该源点均匀的辐射出去，然后由电子计算机程序追踪各条射线的路径。源射线在传播过程中，先利用计算机程序的算法判断是否有视距路径，若没有检测到源射线与建筑物相交，则直接计算接收场并跟踪另一条射线；如果检测到有相交的情况，则源射线便被程序分解为折射射线和反射射线，这两条射线都从源射线与建筑物体的交点发射出去，接着用类似源射线的处理方法来处理这些射线，即判断折射射线和反射射线在到达接收点前是否与建筑物相交。对计算过程中产生的新的绕射射线，可以利用绕射理论将其加入总场计算中。射线强度随着传播距离的增加而衰减，计算过程则持续到射线强度下降到门限以下或无相交时为止。

2.3射线轨迹算法原理

射线跟踪技术采用特定的算法计算射线的轨迹，常用的两类算法是正向射线跟踪法和反向射线跟踪法。正向射线跟踪法，即测试射线法，指从源点（基站等）出发，向周围的球面空间均匀发射出大量的射线，并跟踪所有射线的方法。为了确认每一条射线是否到达接收点，需要引入接收球的概念：接收球设置合理的半径才能够有效捕捉到源点散开的射线。如果接收球半径太大，将会有超过一条的射线被接收点错误接收；如果接收球半径太小，则有些接收点接收不到射线。测试射线法将所有到达接收机的射线做相干叠加，计算出接收点的场强。流程图如下：

反向射线跟踪法，也就是镜像法，是基于反射定律、折射定律和解析几何理论的点对点跟踪技术，即从场点（接收机）出发，反向跟踪每一条可能从发射线到接收点的路径。一般情况下，跟踪所有能从源点（发射机）到达场点（接收机）的路径是不可能的。考虑到电磁波传播过程中场的衰减，可以忽略那些到达接收机时幅度很小的传播路径。对于室外接收机而言，可以忽略透射进入建筑物内部的射线，只需考虑直射、反射和绕射。

正向射线跟踪法流程简单、计算快速有效，适用于仅需要信号覆盖预测的研究目标；反向射线跟踪法流程复杂但精确度高，适用于需分析无线通信信道特性及需计算相关相位和极化信息的研究目标。

三、射线跟踪模型与其他模型对比

3.1各模型适用范围

各类传播模型的适用范围如表1：

模型分类 适用范围 优点 缺点

经验模型 预测半径大于1km的宏小区 1、对地理环境信息的细节没有要求；

2、应用于信息不准确的环境里并能迅速得出结果。 不能对路损给出准确的计算结果

半经验模型 预测半径大于1km的宏小区 1、对地图要求较低（无需建筑物高度图层）、成本低、速度快；

2、实际工程中采用最多； 精确度相对较低

确定性模型 支持所有小区类型，适合于预测半径小于1km的微小区和微微小区 1、能精确考虑地理环境信息所带来的影响；

2、能准确预测很宽的频带内的无线信号传播特点，从而提供对系统整体性能的估计 1、对地图精度要求高、成本高；

2、计算量大，速度慢；

3、精确度较高。

表1

3.2与实际测试对比

以深圳罗湖火车站区域为例，验证射线跟踪模型在网络规划中的应用效果，同时与SPM模型的预测结果进行对比，可知射线跟踪模型的精确度。

本次仿真采用Orange Lab公司的Crosswave、深圳市关内区域5m精度地图。射线跟踪模型和传统SPM模型预测的覆盖效果与DT路测对比图如图2所示：

射线跟踪模型仿真预测图与路测图更接近，可以看到明显的街道效应，还可以看到建筑物分布及特征对覆盖预测结果的影响。而SPM仿真预测结果主要只考虑了天线方向图及天线高度等的影响，其建筑物的分布对覆盖预测结果基本上没有产生影响，也不能看到由信号反射和绕射造成的街道效应。因为SPM模型仅计算垂直剖面上的绕射损耗，因此其预测结果是较为规则的方向图形状，而CrossWave不仅计算垂直剖面绕射损耗，同时还计算水平剖面墙面反射和墙角绕射等。

类型 RSRP SINR

DT路测

射线跟踪模型

SPM模型

图2 不同传播模型RSRP、SINR预测图

仿真统计结果如下：

表2 RSRP仿真结果

Range DT路测 CrossWave仿真 SPM仿真

RSRP Level （DL） （dBm） >=-65 0.18% 1.20% 9.00%

RSRP Level （DL） （dBm） >=-80 29.23% 26.70% 54.3%

RSRP Level （DL） （dBm） >=-95 85.99% 88.90% 83.40%

RSRP Level （DL） （dBm） >=-105 97.59% 100% 97.20%

RSRP Level （DL） （dBm） >=-110 99.64% 100% 100%

RSRP Level （DL） （dBm） >=-120 100.00% 100% 100.00%

RSRP Level （DL） （dBm） >=-150 100.00% 100% 100.00%

从上表可知，每个区间CrossWave仿真结果与DT路测均在一个数量级且相差小于3%，而SPM仿真RSRP小于-80dBm区域间与DT路测相差较大，可知CrossWave仿真结果更接近于路测结果。

表 3 SINR仿真结果

Range DT路测 CrossWave仿真 SPM仿真

RS C/（I+N） Level （DL） （dB） >=25 5.93% 9.30% 15.80%

RS C/（I+N） Level （DL） （dB） >=20 21.38% 24.10% 28.80%

RS C/（I+N） Level （DL） （dB） >=10 68.78% 65.50% 65.40%

RS C/（I+N） Level （DL） （dB） >=0 94.83% 98.30% 97.50%

RS C/（I+N） Level （DL） （dB） >=-3 98.46% 100% 100%

RS C/（I+N） Level （DL） （dB） >=-6 99.53% 100% 100%

RS C/（I+N） Level （DL） （dB） >=-20 100.00% 100% 100%

由表3可知，CrossWave空载网络仿真，各区间与DT路测结果小于4%，SPM空载网络仿真与DT路测结果相差较大。

由仿真结果可知，射线跟踪模型的预测结果与DT路测结果更接近。

四、在LTE网络规划中的应用

随着城市的发展，密集市区内的建筑物密度及高度不断增加。相对于2G/3G网络规划，传统模型只能从统计意义上对建筑物的影响进行粗略的估算，精确度较低，传统模型已经不能满足LTE对于城区内无线仿真的要求；而射线跟踪模型基于3D电子地图，能充分考虑建筑物的特征和分布对信号传播的影响，进行精确的网络规划，能够满足LTE无线仿真需求。

射线跟踪模型预测的准确性与高精度的电子地图、站点工参的准确性及软件的算法密不可分。由于高精度（至少5米）含3D建筑物的电子地图成本较高，且城市发展日新月异，数字地图的更新往往滞后一些，使射线跟踪模型的实际应用受到了一些限制。另外射线跟踪模型的算法是追踪所有可能的射线传播路径，因此计算量往往是经验模型的数倍，虽然随着算法不断改进，使用射线跟踪模型预测所花费的时间大为缩短，但当全部区域都使用射线跟踪模型时，运算量是巨大的。

综上所示，为了进行精确的LTE网络规划，综合考虑成本和可实施性，建议在市区使用射线跟踪模型，在县城或郊区等区域使用传统的经验模型。