郭兴海 彭程 吴睿涵

【摘要】    铁路5G专网是目前铁路通信系统的重要工程。现采用射线跟踪仿真方法，以丰台西站货场为研究场景。确定了场景RSRP和SINR标准，制定了使发射总功率最小的规划目标。通过链路预算规划场景天线数目，提出了快速计算场景RSRP情况的方法，建立了基于重叠复杂度的模型评价场景SINR情况的模型，从而提出天线角度规划方法，筛选出10组最优天线角度组合。之后采用了模拟退火算法求出各角度组合下满足RSRP和SINR标准的发射功率，选取各组中总发射功率最低者作为最终方案。现提出针对天线数目、天线角度和发射功率的一系列规划和优化方法，在保证达到标准的情况下兼顾了计算的高效性，有利于铁路5G专网的快速部署。

【关键词】    铁路5G专网   射线跟踪    天线数目    天线角度    发射功率

Coverage Planning Method of 5G Private Network in Marshalling Station Scene Based on Ray-tracing Technology

Xinghai GUO1，Cheng PENG1，Ruihan WU1

（1. School of Electronic and Information Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044）

Abstract：Railway 5G private network is an important project of railway communication system. In this paper， the ray-tracing simulation method is adopted， and the freight yard of Fengtai West Railway Station is taken as the research scene. The RSRP and SINR standards of the scene are determined， and the planning goal of minimizing the total transmitting power is formulated. By planning the number of antennas in the scene through the link budget， a fast method to calculate the scene RSRP situation is proposed， and a model to evaluate the scene SINR situation based on the model of overlap complexity is established. The antenna angle planning method is proposed， and 10 groups of optimal antenna angle combinations are screened out. Then the simulated annealing algorithm was used to calculate the transmitting power satisfying the RSRP and SINR standards in each Angle combination， and the one with the lowest total transmitting power in each group was selected as the final scheme. In this paper， a series of planning and optimization methods for antenna number， antenna Angle and transmission power are proposed， which can guarantee the high efficiency of calculation while meeting the standards， which is conducive to the rapid deployment of 5G railway network.

Keywords：5G railway private network; ray-tracing; number of antennas; antenna angle; transmitting power;

引言

目前的GSM-R系統可以实现对列车的调度、监控及管理，也可以满足旅客的简单通信要求。但随着智能调度以及视频监控等列车安全辅助系统的应用，现有的技术已经无法满足高速数据传输要求[1]。5G铁路专网是在5G系统平台上增加了铁路运输专用调度通信功能，可以更好地应用于铁路运输，并满足下一代铁路移动通信系统的功能及需求[2]。5G网络对新一代铁路的安全控制、调度管理起着至关重要的作用[3]。传统的规划和优化方法多基于既有经验结合场景来设定基站站址和天线工参，并使用低速轨道车或人工测量获取场景覆盖场强，发现问题后进行优化。这会造成试验测试与网络规划在时间上的剪刀差[4]，且存在盲目性较高、耗时长且劳动强度高的问题。因本文提出了基于射线跟踪技术的网络规划方法，可降低网络规划初期的盲目性，在保证准确性的同时兼具计算开销小的优点，有利于5G专网的快速部署。

一、仿真平台、场景与参数设置

1.1 CloudRT[5]平台简介

CloudRT是一款基于射线跟踪技术的仿真软件，包括直射、反射、绕射、透射、散射五种电波传播机理。

CloudRT的仿真结果包含每个收发机位置的信道冲激响应和所有多径的详细信息，包括多径传播机理类型、反散射阶数和反散射点位置、到达时间、距离、复数域场强、路径损耗、在垂直面和水平面的离开角和到达角等。对这些结果进行分析即可完成对场景的覆盖规划。

1.2 仿真场景与参数设置

丰台西站为三级八场双向纵列式编组站，货场受周围高层建筑物影响较小。本文选择丰台西站货场作为仿真场景，并建立场景模型，如图1所示。为建模与表达方便，本文将沿轨道方向记为x轴方向，垂直于轨道方向记为y轴方向。

仿真参数如表1所示：

站址选取应大体上给出基站的布局和预选站址的大致区域和位置，为规划工作提供指导方向[6]。站址应尽量选择楼顶、电线杆等作为依托，以降低建设成本。

本文选择了场景中的两个高楼楼顶作为基站选址，并在场景中部增加一个基站以减小站间距。基站位置如图2所示。

本文中发射天线采用65°定向垂直极化天线，接收天线采用全向天线。基站和天线配置如表2所示：

接收天线为均匀撒点。车载天线设置在一台HXD3型机车上方0.3 m，距机车最前端2 m之后。

二、优化目标与判决

作为列车专用网络，覆盖规划必须优先保证场景RSRP和SINR达到要求，以确保业务质量和安全性[7]。5G基站耗电量过大是妨碍目前大规模建设的主要原因，因此本文以降低总功率为优化目标[8]。

业界对于2.1 GHz铁路专网的RSRP和SINR标准尚不统一，本文对现有5G-NR在类似场景下的标准[9]进行了提高，設定为场景中95%区域满足RSRP≥85 dBm，SINR≥3 dB。

三、天线数目规划

本节采用链路预算的方法规划天线数目[10]，并证明了在满足场景RSRP要求的条件下，改变天线数目并不改变总功率。

链路预算首先要求出发射信号的最大衰减量，公式为：

（1）

式中PLθ，max是最大衰减量，Pi是第i个天线的发射功率，Gainθ， i是天线在θ角的增益，查询天线增益表得到。L、R是损耗和余量，通常查阅文献得到。Pmin是场景RSRP标准。

路径损耗公式[11]为：

（2）

其中d0 = 100 m，n = 3.5。解出d从而得到在θ角的有效作用距离dθ，并将覆盖范围近似看作由一个个顶角为1°的等腰三角形组成，覆盖面积为：

（3）

天线数目为：

（4）

天线数目规划应当遵守两个约束方程：

（5）

由式（1）（2）（3）（4）得到：

（6）

（7）

由（8）可知，当天线发射功率相同时，覆盖场景所需总功率仅与各天线功率值有关，改变天线数目不能降低总功率。因此，本文选定了3根天线和4根天线两种方案。

四、基站天线的组合方式与角度规划

三天线和四天线的组合方式有4种，在各基站上的数量如表3：

对以上组合方式，先分别计算出最优天线角度组合，并在此基础上分别进行功率优化，下文将详细介绍各步骤的方法。

4.1 批量生成不同天线角度下的功率信息

天线角度的变化只改变各接收点多径发出时的增益，可以通过变换天线增益矩阵来计算多径新的增益和功率，从而求出各接收点在新角度下的功率信息。天线增益矩阵的变换方法如下：

水平角φ、俯仰角θ及对应的增益r构成一个360×180的矩阵r（φ， θ）。水平旋转只需对矩阵行循环移位。竖直旋转时，增益r同时是φ、θ的因变量，不能通过列循环移位改变，需以直角坐标为中间量进行坐标变换r（φ， θ）→r（ψ， ω），ψ是射线在xOz平面投影与+x轴的夹角，ω是射线与+y轴的夹角。

（8）

（9）

对每点的ψ加φ0以垂直旋转，r（ψ， ω）→r（ψ'， ω'）。

（10）

ω'=ω                                        （11）

再进行如下反变换r（ψ'， ω'）→r（φ'， θ'），得到球坐标下角度。

（12）

（13）

原增益矩阵中的φ、θ的取值均为整数。

垂直旋转之后的φ'、θ'一般不是整数，需要再调用二维插值函数计算整数φ'、θ'对应的增益，最终得到旋转之后增益矩阵。

4.2 针对RSRP和SINR的角度优化

4.2.1 针对RSRP的优化

用Ri，w（i）（95%）表示当第i个天线位于w（i）角（w表示天线水平角u和俯仰角v的有序数对）时的第95%的RSRP值，并用idxi表示该值在原数组Ri，w（i）中的位置。算法为：

Ri = R1， w（1）（idxi） + … + Ri， w（i）（95%） + …

+ Rn， w（n）（idxi）      （i = 1，2，3，…，n） （14）

R = max（R1， R2， …， Rn） （15）

该算法是将第i个天线在θi角度下的场景95%功率点结合其他天线在该点的功率计算出RSRP，并在该角度组合下对n个天线都进行这样的计算，选出最小的RSRP作为95% RSRP值。对一种天线组合方式中的所有角度组合遍历这种算法，找到最大的95% RSRP值即为该组合方式下的最优化RSRP值。

据此计算场景95% RSRP值时并不非常准确，但只需计算场景中的数点，极大节约计算开销，能在RSRP层面给予天线角度规划以方向性的指引。

4.2.2 针对SINR的优化

针对SINR的优化，要同时考虑场景SINR数值大小和优化难度，这里先介绍重叠复杂度的概念。

在LTE同频网络中，将弱于服务小区信号强度6 dB以内且RSRP > ?105 dBm的区域定义为重叠覆盖区域，重叠小区数每增加一个，SINR可下降40%以上[9]。本文中最多只有4根天线，因此将重叠复杂度SN定义如下：

若各天线在该接收点的RSRP相差小于6 dBm的个数为n，则重叠复杂度为n，若不存在相差小于6 dBm的RSRP，这一数值为0。

不同的重叠复杂度SINR优化的难度不同，重叠复杂度越高的位置功率优化难度越高，SINR数值越低。因此本文希望将不同的重叠复杂度赋予不同的权重，使得重叠复杂度较高的点尽可能少。

现建立统计全场景重叠复杂度ST的模型如下：

（16）

式（17）中n为统计点数，SNmax是重叠复杂度最大值，并对ST进行了归一化。

对手持和车载天线两种情况的ST分别计算并相加得到综合重叠覆盖情况SC。SC越大，说明天线间互相干扰的程度越高，反之则越低。

4.2.3基于RSRP和SINR的方案比选

进行方案比选需综合考虑RSRP和SINR情况。

式（15）中R的角度组合仅仅是使RSRP最容易达到标准的组合，不一定利于SINR的优化。本文在三天线情况中筛选出R由大到小排列对应的前100组天线角度组合，作为针对SINR优化的预备组。

当探究四天线情况时，为避免同一基站上两天线间的干扰，应保持两天线张角大于65°。该张角对SINR优化的影响很大，因此对于每一组张角都保留100组天线角度组合作为预备组。

对于三天线情况，可直接筛选出SC最小的角度组合。对于四天线情况，本文将每一个天线张角预备组筛选出SC最小的天线组合，若该组合95% RSRP值或SC小于已筛选出所有方案的对应值则将其保留，否则淘汰。

另各天线水平角u旋转范围为0 ～ 360°，以10°步进，俯仰角v范围为1 ～ 5°，以1°步进。u = 0表示天线指向+x轴，v = 0表示天线与xOy平面平行。得出最优化角度组合如上表（均为角度制）。

表4中的天线1、2、3逐一从1号基站向3号基站分布。

表5中的“2-1-1”表示1号基站上有2根天线，2号和3号各有1根天线，“1-2-1”和“1-1-2”以此类推。

表6中的天线1、2、3、4逐一从1号基站向3号基站分布。

五、功率优化

若天线i在接收点的功率为RPi，则该点总接收功率RP为：

（17）

同步增大每根天线的发射功率，使场景达到95%接收点RSRP > ? 85 dBm，然后使用模拟退火算法找出满足95%区域SINR > 3 dB，并且发射总功率最小的功率组合。

使用模拟退火算法[12]求解最优功率组合的步骤如下：

1、给定初始温度T0，并随机生成初始解x0，计算相应的目标函数值f（x0），这里的目标函数为天线功率和;

2、令当前温度等于冷却进度表中的下一个值Ti;（第一次迭代时Ti = T0）

3、在当前解xi的附近随机产生新解xj，计算新解的目标函数值f（xj）;（首次迭代xi = x0）

4、如果f（xj） < f（xi）且满足约束条件，则接受新解xj;如果满足约束条件但f（xj） > f（xi），则计算。然后随机生成一个在区间[0，1]上服从均匀分布的随机数r，如果r < p则接受新解xj;

5、在温度Ti下，将步骤3和4重复Li次;

6、判断是否满足退出条件，如果满足则退出，否则回到步骤2继续迭代。

可以得到10种天线组合方案的最佳发射功率组合如下表：

方案2的总功率最小，选取方案2。方案2参数如表8：

分别画出并統计手持与车载天线RSRP与SINR分布，如图4、5、6所示。

六、结束语

5G铁路专网的部署首先要保证安全性和通信质量，并在此条件下尽量节约能源，此外还应提高网络建设的规划效率。

本文基于射线跟踪仿真平台，利用电子地图和建模软件还原场景，实现了对场景电磁环境的软件仿真，并基于仿真结果，提出了针对天线数目、天线在基站上的组合方式、天线角度和发射功率的优化分析方法，在保证了通信质量的前提下大大提高了分析效率，同时可将该方法应用到不同的场景。

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