广覆盖下无线仿真的新型位置感知驱动研究

刘超

摘 要：根据国际电信联盟2015年的报告，全球仍有42亿人无法接入网络，消除数字鸿沟的任务艰巨。李克强总理在2016年政府工作报告里也明确提出中国将建成全球最大的4G网络。但与此同时，巨大的建设量、超短的建设周期对无线仿真提出更高要求，而运营商由于仿真失当造成的损失常高达其年度预算近三成，而根因就在于在地势复杂多变的广覆盖区域仿真精度不高。本研究从理论上探讨利用频谱扫描定位干扰源的方法来有效提升基于RSSI的位置感知的精度，以驱动校正无线传播模型，更高效地提升仿真精度，减轻因仿真精度低导致的在后期网络建设中的资源浪费。

关键词：位置感知 广覆盖 无线仿真

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（c）-0146-02

根据国际电信联盟2015年的报告，全球仍有42亿人口无法接入网络，消除数字鸿沟的任务十分艰巨；国内来看，截止2013年，三大主流电信业务运营商已基本完成3G网络的商用与优化，并开始全面部署4G网络，李克强总理在2016年政府工作报告里也明确提出中国将建成全球最大的4G网络。但同时，巨大的设施建设量、超短的验收周期对无线网络仿真提出了更高要求。而有数据表明，移动通信运营商因无线网络仿真失当所造成的经济损失可高达该运营商年度预算的近三成，其主因是传统的无线网络仿真技术预测精度不高，特别是在地形复杂、地势多变的广覆盖区域。

1 传播环境与传播模型

无线规划是网络建设的首要环节，是开展工程建设的基础，它是一个系统性工作，规划的最终目的是为了实现网络覆盖和建设成本之间的平衡[1]。无线仿真的本质就是在满足运营商建网性能指标前提下利用有限的频谱带宽和最小的建网成本达到最大面积覆盖、最优资源效率和最小系统干扰。根据无线传播环境的差异，目标场景一般可以分為密集城区、普通城区、郊区和广覆盖区等四类，其中广覆盖区特指森林、山脉、沙漠等地区，这些区域地势存在较大高差，无线信号传播阻碍大，为这类区域提供较为准确的无线仿真一直是较难课题。

而广覆盖区域无线仿真成败的关键就在于无线传播模型的校正，因为在该领域，虽然更为精确的传播预测方法如射线跟踪技术[2-3]等早已获得深入研究，但经验模型及其校正因使用成本低、计算复杂度低等优势，仍然在无线网络规划中得到普遍使用。众所周知，暴露的无线信号本质上是电磁波，在传播中受环境影响而损耗，这种损耗随传播距离而变大，遇到障碍物会自然衰落。而量化无线信号的损耗绝非易事，在工程实践中常需建立数学模型来计算信道损耗，这就是传播模型[4]。如适用于宏蜂窝的模型有Okumura模型、Hata模型等，还有适用于微蜂窝的模型如Manhattan Model、Feuerstein PCS等。

选择了合适的传播模型之后，在使用之前还必须经过校正，而校正数据源于CW测试、路测和位置感知。而且，广覆盖区的用户行为较为复杂且规律性较差，建筑物缺乏位置数据更新，因此位置感知是校正过程的关键输入。

2 位置感知与位置计算

地理位置是地理学探讨的常见范式之一，是地物与周围环境要素互相作用的总和[5]。但地理位置在目前语义下已超出地理学的范畴，并在多学科与多技术的交叉融合中诞生很多全新的研究视角和科学问题，如位置感知与位置计算[6]。

位置计算是实现空间智能的关键技术，是指通过一种或多种定位系统获取特定个体或物品的位置过程[7]，又可依据关键技术不同而分为室内定位和室外定位，它以定位技术为基础，以实现导航和位置服务为目标，已经成功应用于国土资源调查、精细农业作业、车辆位置监控导航、铁道机车监控、实时位移检测等方面，并已成为智慧城市、物联网、移动互联网等相关行业的迫切需求和全球信息产业新竞争的制高点。位置感知方法众多，如美国的全球定位系统（Global Positioning system，GPS）[8]，以及基于移动通信网络辅助的A-GPS、伪卫星（Pseudolite）、无线局域网（WLAN）等解决方案。不同的位置感知技术各有其优势与缺陷：比如GPS，虽然可以实现对地无缝覆盖，但对民用领域的开放精度有限，而且卫星本身就意味着巨额的部署成本和能量消耗，信号在地形复杂地势多变的广覆盖区域也更容易被屏蔽，不适用本研究场景，因此需要研究卫星定位以外的方式。目前，国家正大力建设无线基站、无线热点等通信基础设施，越来越多的手持设备与网络基础设施之间已实现日常通信，而这些设备之间也已实现数据交换。利用这些无线通信模块，在提供数据服务的同时，借助终端RSSI（Receive d Signal Strength Indication）进行定位，既方便又可节约大量成本，是本研究一种较为理想的定位方式。RSSI描述的是信号强度，然后依据场强结果来估算发射端和接收端的距离以实现定位。现阶段基于RSSI的定位算法的主要问题是在广覆盖环境下接收端的RSSI容易受到外界干扰而不稳定，所以导致定位误差大，而造成干扰的原因较多，如辅助通信设备对无线信号的透传。本研究的主要目标正是通过干扰源的有效定位找出误差存在的具体原因，并通过实测与模拟修正基于RSSI的节点定位算法。这不但能实现较高精度的定位，同时也将优化无线网络的商用质量。

3 高精度仿真驱动模式

通过研究不同地域尺度、不同地势高差、不同话务模型对仿真结果的影响，可建立广覆盖下基于修正RSSI的位置感知新方案，驱动高精度无线仿真。同时，可实现采用更便捷、经济的定位技术以达到该特定场景的无缝覆盖，提升无线仿真平台在广覆盖下的仿真精度，降低资源浪费。下图是本研究的驱动模式图。

4 结语

当前，探索广覆盖环境下辅助通信设备对网络和定位精度的影响，修正位置感知算法，反演传播模型，驱动无线覆盖仿真，并综合考虑通视域、用户行为、话务分布等诸多因素进行模型校正，建立可时空回溯的多尺度场强仿真数据库，可以更高效地提升无线仿真的精度，减轻后期网络建设中的资源浪费。

参考文献

[1] 沈嘉，索士强.3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[2] 胡晓宇，刘元安.城市微蜂窝通信中场强预测的一种方法[J].北京邮电大学学报，1998，21（4）：79-82.

[3] Huang Yong ming，Lu Ying hua，XuLi，etal.I m provingahy bridmethodofin door propagation modeling for wireless communicationssy stems[J].The Journal of China Universities of Postsand Telecommunications，2003，10（3）：41-45.

[4] 吴志忠.移动通信无线电波传播[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[5] 胡兆亮.论地理位置.中原地理研究，1985（2）：9-16.

[6] 周成虎，朱欣焰，王蒙，等.全息位置地图研究[J].科学进展，2011，30（11）：1332.

[7] 刘瑜，肖昱，高松，等.基于位置感知设备的人类移动研究综述[J].地理与地理信息科学，2011，27（4）：8-13.

[8] McNeff J G.The Global Positioning System[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2002，50（3）：645-652.endprint