地图精度对基于Atoll的5G网络仿真的影响

1 引言

无线网络仿真是通过仿真软件，使用数字地图、基站工程参数、测试数据建立网络模型，并通过系统的模拟运算得出网络覆盖预测、干扰预测及容量评估结果，可用于网络规划、建设、优化阶段的网络性能预测，为工程建设提供参考。但网络仿真受输入参数、传播模型、地图精度等因素的影响，输入的准确性极大影响了仿真输出的结果。在进行5G网络仿真时，由于5G工作频段相对更高，其覆盖范围较小，相应的也对规划仿真的准确性提出了更高要求。

为了提升5G网络仿真的准确性，通常推荐使用高精度的射线追踪模型和更高精度的3D场景建模，后者则意味着使用更高精度的电子地图。但不同地图精度对5G仿真结果的影响如何，目前业界并无深入的论述。本文基于Atoll仿真软件对该问题进行验证。

2 仿真原理

基于Atoll的仿真流程如图1所示。在Atoll仿真操作平台中新建工程后，需设置坐标系，随后根据待仿真区域导入相应的电子地图并设置传播模型；再进行设置无线设备参数的设置，包括天线模型、UE类别以及接收设备参数等；完成前述操作后，可以导入网络数据，在Atoll中一般使用Site（站点）、Transmitter（发射机）和Cell（小区）三张相互关联的信息表进行建模；设置并验证全局参数后，可进行传播计算和预测，并生成相应的统计报告。

图1 Atoll仿真基本流程

可见，Atoll仿真可以简单视为“输入-响应-输出”的信号系统。输入参数的准确性直接影响输出结果的可参考价值。在上述仿真操作中，主要的输入包括三维电子地图、传播模型和工程参数。在确保工程参数准确的前提下，关注重点在于电子地图和传播模型。

2.1 电子地图约束条件

Atoll仿真所使用的三维电子地图主要包含以下信息：

（1）数字高程模型（Heights）：采用栅格数据形式描述地面高度变化，采样间隔为5米；

（2）地面覆盖模型（Clutter）：采用栅格数据形式描述地面覆盖类型，采样间隔为5米；

（3）线状地物模型（Vector）：采用矢量数据形式描述线状地物的平面分布与空间关系；

（4）矢量建筑物分布模型(VBDM):采用矢量描述各种建筑物的分布情况以及建筑物的高度，宽度超过5米的通路、街道分割的建筑物均独立表示。

高精度地图，如2 m或5 m精度，一般包含上述4类模型。而低精度地图，如20 m或50 m精度，一般缺少矢量建筑物分布模型。

2.2 传播模型约束条件

Atoll中可选用Cost-hata、SPM、3GPP 38.901等统计模型，也可选用射线追踪模型。射线追踪模型能够基于3D电子地图进行寻径，包括直射径、反射径、绕射径等，并将多径能量在接收端进行合并。相对于传统的统计模型，射线追踪模型考虑了地图的分布，包括建筑物的分布、街道的走向等，因此，射线追踪能够较为准确地反映网络的覆盖。

本次验证采用Forsk发布的Aster射线追踪模型。如表2所示，Aster缺省内置11种模型，其中0-7为确定性模型，10-12为统计型模型。由于射线追踪模型需要通过获取地图信息模拟建立电磁波的传播环境，因此电子地图的差异会对其适用性造成影响。当地图精度较高，Aster可以直接从其矢量建筑物分布模型中获取建筑物的的轮廓和高度信息，并根据地物类型自适应适配0-7模型；当地图精度较低时，Aster只能通过线状地物模型获取建筑物的位置信息，以及读取人为设置的建筑物群的统一高度，此时适配10-12模型。因此，射线追踪模型的适用性与地图精度息息相关，地图精度越高，射线追踪模型的路径损耗的计算结果就更加准确。

表1 Aster缺省内置模型

为进一步验证，分别在5 m精度和20 m精度地图下，只开启新港西路基站，验证在前述同一接收机位置的信号强度，其RSRP分别为-72.30 dBm和-85.61 dBm。这表明在该信道环境下，由于地图精度更高，射线追踪模型自主适配确定性模型，可寻径直射径和绕射径，并将多径能量在接收端合并。因此，在5 m精度下的接收机RSRP高于20 m精度地图下的RSRP。

同理，分别在5 m精度和20 m精度地图下，只开启技师学院基站，验证同一位置RSRP。其结果分别为-83.55 dBm和-58.67 dBm。这表明在20 m精度地图时，由于缺少矢量建筑物分布模型，Aster在进行电磁波环境模拟时，忽略了基站所在建筑物对窄波束的阻挡作用，而将基站到接收机之间的信道视作近似直射径进行计算，因而其预测结果相对5 m精度下的预测显著乐观。

综合上述分析，地图精度直接影响射线追踪模型的预测性能。地图精度更高，射线追踪模型具备更为精确的电磁波传播路径搜寻和反射衍射能量计算，其电平预测准确性也更高。

4 结束语

5G更高频段及更小的覆盖范围对规划仿真准确性提出了更高的要求，需采用高精度的射线追踪模型来提高传播路径预测的准确性。而射线追踪模型也要求更高精度的场景建模，以更好地模拟地貌、建筑物形状和材质、植被等的影响。地图精度更高，则预测准确性也随之提高。因此，结合本次验证分析和日常实践经验，建议：在进行热点区域仿真时，推荐使用2 m精度地图；在进行建筑物较为集中的密集城区仿真时，至少使用5 m精度地图；而对于一般城区和农村的仿真，则可适当放低精度要求，如采用20 m精度地图。