面向未来数字化城市的5G网络规划与优化探索

刘晨吉 水天运 徐玲凌 刘 凡 中国移动通信集团江西有限公司 南昌市 330038杨鼎成 南昌大学 南昌市 330031

0 引言

第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）作为新一代宽带移动通信技术，具有高速率、低时延和大连接等特点，可广泛应用于增强移动宽带（Enhanced Mobile Broad‐band，eMBB）、超高可靠低时延通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，u RLLC）和海量机器类通 信 （Massive Machine Type Communication，mMTC）等场景。自2017年10月全国首个5G试验站开通以来，伴随着移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等产业的发展，5G已然成为支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型，承载人机物互联的网络基础设施。

为推进建设网络强国、数字中国、智慧社会战略部署，笔者基于开源Cesium虚拟地球引擎，实现三维实景建模与呈现。针对无线信号传播难以模拟的难点，基于自有运维数据，采用高性能的射线追踪仿真技术，实现AI辅助射线追踪实时仿真平台与5G规划。基于自主搭建的Spark大数据集群，通过自研算法深度挖掘海量运维数据中的价值数据，应用优化经验算法设计专题应用，支撑网络优化生产运维问题精准定位，自动提供精细优化方案，实现面向未来数字化城市的5G网络规划与优化探索。

1 5G网络规划与优化现状

5G网络的部署场景包括三维楼宇、城区、郊区、山区、高速公路、高铁沿线等地域，要实现准确、高效、常态化的无线网络规划与优化，需要依托精准直观的无线信道仿真规划与真实网络覆盖效果呈现平台。然而，当前5G网络规划与优化软件以工具式、半自动化的软件应用居多，需要输入规划区域的电子地图数据、基站工参等参数，提供二维的网络覆盖质量仿真结果，操作复杂且周期长，对于增量5G基站的覆盖效果无法实现在原有仿真结果上的快速迭代，输出结果无法对地形和建筑物高度直观展示。

在实际生产工作中，要求5G网络规划与优化软件不仅有承载和处理多维度大数据的能力，还需要直观的空间信息展示，简单的交互操作，方便的信息获取方式，能够支持仿真结果的快速迭代生成，对增量基站实现实时仿真。为此，笔者致力于探索一种数字化城市的三维可视化网络规划与优化平台，以基于AI的射线追踪算法实现无线信道仿真，使用海量现网运维数据作为规划仿真的训练数据，以空间关系数据库作为规划仿真结果和地理空间数据的存储形式，使用3DTiles格式组织和可视化海量地理空间数据，构建起全省建筑物、地形地貌、无线基站的三维数字化模型和5G无线网络仿真数据及运维实测数据的可视化呈现，实现全省建筑物覆盖三维渲染、射线追踪的三维呈现、室内覆盖分层评估、实时规划三维呈现等功能应用，为5G网络质量提升打下基础。

2 数字化城市三维建模

虚拟地球引擎Cesium是一种开源的、B/S架构空间数据三维可视化技术，具有多维的空间尺度和友好直观的三维可视化效果。Cesium利用3DTiles数据格式实现海量三维模型数据的可视化，大大提升了Web端三维可视化的性能。

笔者深入研究3DTiles定义的抽象性与灵活性在定义细节上的具体表现，特别是关于瓦片索引、对象映射、位置变换机制等的设定方式，设计出适合于表示建筑物瓦片数据的3DTiles的数据结构。为高效传输与显示海量空间数据，提出3DTiles索引与数据分离、空间数据与属性数据低耦合设计思路，主要步骤如下：第一，使用四叉树索引结构，保证瓦片索引结构高效；第二，将位置变换矩阵放置到瓦片数据中，保证索引的数据量尽量小，体现索引与数据分离的低耦合设计思路；第三，瓦片要素中属性数据仅存储建筑物编号，将建筑物电平值等属性采用数据库存储并通过服务访问，体现空间数据与属性数据低耦合设计思路。

图1 构建3D Tiles流程

结合实际生产需求，改造Cesium接口，实现Web服务与文件服务分离。基于上文索引与数据分离、空间数据与属性数据低耦合的设计思路，笔者采用后台访问方式读取海量数据文件，提出将web服务器与文件服务器分离的思路，将各三维数据索引文件放在Web服务器，海量数据文件放置在分布式文件服务器，改造Ce‐sium接口，采用后台访问方式读取数据文件，大大提高平台稳定性及访问速度，为开发一个多维度的三维GIS平台打下了基础。

图2 加载江西省建筑物3D Tiles数据

3 AI辅助射线追踪实时仿真与5G规划

针对无线信号传播难以模拟的难点，开展全网射线追踪等无线信号仿真模型与算法的实证研究，基于运营商自有基站数据和网络实测海量数据，采用高性能的射线追踪仿真技术，使用特色加速算法和基于机器学习的校准算法，通过更真实的网络数据建模，能够在确保仿真准度的同时实现无线链路三维射线追踪的快速实时仿真，模拟网络实际情况，包括三维如楼宇各层的网络情况和建站后的覆盖效果，指导网络部门开展实际网络优化工作，指导规划建设部门进行站点规划选址工作。

笔者在数字化城市三维建模的基础上，对基站、铁塔进行三维建模，渲染具有高度、方向角、下倾角信息的基站模型，使用开源Blender软件，生成基站、铁塔模型。Cesium使用Entity接口绘制各种空间对象，渲染具有高度、方向角、下倾角信息的基站模型。详见图3江西省基站三维模型。

图3 江西省基站三维模型

构建丰富的场景模型库、材质参数库以及天线模型库，凭借在“射线跟踪校正算法”“显著结构体的判决和搜索算法”“传播环境空域准平稳区间判决与插值”三个关键问题上的突破，揭示信道特性与场景几何特征、材质特征和多种传播机制叠加之间的映射关系，提升射线跟踪仿真的精确度、灵活性以及大规模复杂场景信道仿真的效率，实现全网射线追踪等无线信号仿真模型与算法的实证研究。详见图4三维射线追踪示意图。

4 运维大数据智能分析与5G优化

应用“全民测试，自动网优”为设计主旨，基于自主搭建的Spark大数据集群，通过自研算法深度挖掘海量运维数据中的价值数据，应用优化经验算法设计专题应用，支撑5G无线网络优化生产运维问题精准定位，自动提供精细优化方案，逐步实现机器学习，智能优化。

基于Spark大数据集群，挖掘信令、MR等运维数据，结合工参、扫楼测试等数据，对各场景全面分析，并进行用户维度关联与融合，清洗冗余数据，转换坐标系。无线环境和工程参数通过校准算法对融合数据进行位置精度校准，定位网络问题，输出优化建议，实现了全省建筑物覆盖三维渲染、射线追踪三维呈现、室内覆盖分层评估、实时规划三维呈现等功能应用。

5 结束语

本文将射线跟踪仿真器和Cesium相融合，突破传统射线跟踪技术与三维呈现技术的瓶颈与制约，实现高效灵活的计算架构，实现5G覆盖的规划仿真与实景优化，大大降低5G网络质量提升对人工勘察的依赖，系统性地提供5G网络的三维可视规划与优化体验，使无线规划和优化工作有准确、直观的数据支撑。