李 玮

（中国移动通信集团甘肃有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

传统的无线通信基站选址与网络布局方式已越来越难以满足高效、科学、便捷的工作需要，GIS技术以强大的地形分析、全局可视化以及空间分析能力赢得业内关注。在无线通信基站选址时，利用GIS技术可充分掌握基站的地理位置，以此开展网络优化，从而提高无线信息覆盖和传输的效率与质量。

1 基于GIS技术基站建设选址的网络优化

基站选址的目的在于扩大无线基站覆盖范围，提高话务质量。站址的优劣主要是由该站址的覆盖范围决定的[1]。基于GIS技术的二维电子地图、三维地形图的管理和空间分析能力，在移动通信网络上对地形条件、网络布局、居民小区分布等因素进行空间化处理，使用数字高程模型（DEM）和三维地图可视化技术开展无线基站选址十分合适，可有效降低建设成本、提高网络收益。

1.1 基于DEM建模

数字高程模型通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟（即地形表面形态的数字化表达）[2]，实质就是一个分片的曲面（平面）模型。通常借助二维空间建模（如等高线地形图）来描述地形在三维空间的分布，函数形式：Z＝a0+a1X+a2Y+a3XY+a4X2+a5Y2+a6X3+a7Y3+a8XY2+a9X2Y+a10X4+a11Y4+a12X3Y+a13X2Y2+a14XY3+a15X5+a16Y5+…。

无线通信中，信号由基站发射，基站的信号受当前的地貌和建筑物影响，无线基站选址分析使用DEM建模能准确模拟出平原、丘陵、山地、盆地等地形地貌，是至关重要的过程。

1.2 三维可视化

1.2.1 电平可视化

传统的方法中，无线覆盖是通过测量RSRP以衡量网络的覆盖能力，人工持有移动端设备在基站附近进行实地人工测试，进行拉网/dt测试，需要投入大量的人工成本和时间成本，且人工采集数据的效率低[3]。

MR数据中含有电平信号值，现有基于GIS三维的RSRP电平计算方法，首先获取历史时段内待检测区域中每个MR采样点的历史RSRP电平和每个MR采样点服务小区内定位参数（小区全局标识符、小区名称、小区类型、基站唯一编码、天线增益参数），在三维地图上生成小区覆盖图层，在所述小区覆盖图层上生成大小为20 m×20 m栅格，以RSRP电平栅格图层叠加三维地图的形式展现，生成栅格RSRP网格模型。

1.2.2 视域分析

可视域分析是在三维地图上栅格数据的表面，对于某个或者多组观察位置点，通过确定定的相对高度，提取出在确定的长度和方向范围内可以看到的区域，并将分析结果输出为一个栅格数据集[4]。

如果单考虑地形因素，当在山峰a的观测点上去观察山峰b和山峰c的相对位置时，山峰a和山峰b之间的山谷没有被遮挡，为可视范围；但是山峰b和山峰c之间有部分区域被山峰b遮挡，这部分被遮挡的区域即为不可视范围；山峰c后面的山坡因为被山峰c遮挡住，也是处于不可视范围。本系统基于DEM模型，通过挨个判断基站高度和栅格点高度之间可视性，确定二者之间的可视关系，将不可视区域权重赋值为零，将可视区域权重赋值为一，并利用不同的赋值方法将可视区域和不可视区域用不同的色彩方法加以渲染。

2 基于GIS技术的业务设计

甘肃地形呈狭长状分布，地貌复杂，山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁等类型齐全、交错分布，四周群山环绕，地势自西南向东北倾斜。考虑建设利用GIS数字化地图构建一套专业系统，选择一个尽量少受高山阻挡、能够保证电波信号覆盖的有效性高和范围大的区域。该系统通过三维地图模型搭建、基站电平分析、基站视域分析、基站资源数查看和实地勘测验证等五方面的应用功能模拟达到选取最佳无线基站位置和网络优化的目的。

2.1 业务架构

整个系统的业务架构分成三层：二维、三维地图模型模块，业务应用模块，实地勘察验证。根据需求，系统需设计为一个基于GIS的无线基站最优选址可视化展示系统，以减少一线人员对基站选址的主观性。系统主要结构如图1所示。

2.2 二维、三维地图模型搭建

在设计中基于ArcGIS功能引擎，绘制完成平面基础电子底图，实现二维、三维地图的发布，基于SketchUp和CityEngine方法构建三维模型，通过ArcGIS API for Javascript搭建网页端三维地图可视化平台，利用Ajax和Java Servlet实现网页前端和后端服务器的交互及业务处理，基于WebGL技术实现三维场景在网页中的浏览模式和交互操作。在平台属性查询功能中，通过二维表的形式将地物附加属性存储在关系型数据库中。

2.3 业务应用

2.3.1 基站电平分析

随着移动通信网络规模不断发展，市场竞争日益加剧，用户对无线网络覆盖范围、无线网络信号质量的要求越来越高，因此，基于电平分析的无线基站选取工作已成为移动通信网络后端运营系统关注的重点，所以以地理栅格为基本单位进行统计分析电平数据的方案应运而生，该方案先开展电平分析，之后进行异常小区分析。

（1）电平分析。已知二维坐标平面存在点P（Px,Py），该点距离基站A（A x,Ay）、基站B（B x,B y）、基站C（C x,C y）的距离均已知，则通过三点定位原理可以确定点P的唯一坐标（P x,P y）。栅格化定位利用上述三点定位原理将距离转换为电平值（LtescRsrp,LtencRsrp），且将三个基站覆盖区域的唯一交点转换为与该P点间最小的栅格距离所在位置作为定位结果。

通过将上述具体采样点MR数据中的主服务基站和临服务基站电平值与基础指纹库中的主服务基站和临服务基站电平值进行关联查询，获得结果集；将上述结果集按照指定的规则（主服务基站、时间戳、S1apid等）进行分组（group by），计算各组的最小距离并进行排序，取各分组中最小距离作为定位结果。

在三维地图上，将分析出来的最小距离结果，根据不同的距离范围在三维地图模型上给予一定颜色渲染覆盖，完成基于GIS三维地图的基站的电平可视化展示。

（2）异常小区分析。该分析可根据RSRP信号优良比、RSRP信号变化趋势、RSRP信号区间分布对异常小区进行分析，其中包含冗余覆盖小区分析、无信号小区覆盖分析。根据对异常小区的分析结果，判断新建无线基站选址是否合理或者在无信号小区内新增无线基站。

2.3.2 基站视域分析

考虑到无线基站选址原则，无线基站应选在易于安装接收设备且视野开阔的地方，应避开障碍物，以免信号被吸收或遮挡。地形分析在无线基站选址中占有重要地位，而视域分析是地形分析的重要组成部分[5]。

在本系统进行视域分析时利用一条长达120千米的山地地形，对比分析多种通视性方法，并对多种算法进行了实验。例如，将100 000个视点与一个在三维地形上任意分布的目标点进行比较，其高度定为0至100米的任意数值，计算出两对通视性。计算的结果如表1所示，总的计算时间以微秒为单位进行统计。

表1 通视性计算结果性能比较

（1）传统算法（算法1）：视线S=vt通过与DEM地形上所有的三角形进行相交运算，以此判断是否有三角形遮挡住目标点。如果存在一个三角形遮挡住目标点T，则该条视线S=vt不通。此算法计算量大，耗时长，效率低。

（2）视线与边相交法的改进算法（算法2）：给定一个DEM数字地形M＝f(a,b)，在M上有视点V和目标点T，我们的目标是计算V与T之间的通视性，为了解决这个问题，我们可以通过计算视线S=vt在a-b平面上的投影与M边界的交点来进行。对于每个交点P，该点位于M相应边e对应的地形上方需要进行验证。如果所有交点处的视线s都位于相应的地形上方，那么视点V和目标点T之间是具有通视性的。

根据本次图表展示，采用算法2计算过程中，每条DEM格网线对通视的影响均以函数的形式从中心向外围传递，无须内插，计算结果精确，运算速度快，可以有效地提高总视域，且大幅减少计算时间，提高计算效率，减少了计算量。

2.4 实地勘测验证和网络优化

初步选址后，因技术、资料的现势性等因素，继续采用GIS技术模拟的方法会有一定的影响或偏差。为了保证选址的合理性和精确度，必须对GIS模拟结果进行现场勘测。

选取一位置进行扫频测试分析查询、语音测试分析查询和GPRS测试分析查询，导入输入结果，并存储到地理数据库，并在二维、三维地图中展示出来，再和电平分析、视域分析模拟的无线基站选址位置进行对比分析，可见基于GIS技术的无线基站选址效果佳，还可以有针对性地进行网络优化，调整基站的各项参数。

3 结束语

由此可见，GIS在地理空间环境方面表现出强大的空间信息分析能力和特性，三维GIS技术可以快速、准确地对各种地理条件下的资料进行三维模拟和视域分析，充分利用电平可视化特性和空间分析优势，减少人为干扰因素，确定基站的最优位置，减少信号盲区和冗余区，同时有助于优化服务小区网络。GIS技术为移动通信网络的规划选址与优化设计、覆盖模拟、空间分析与定位提供了一种高效快速、科学准确、经济便捷的新技术方法，科学、有效地支持我国移动通信网络的建设与管理，具有很好的工程应用前景。■