基于模拟退火算法的无线通信频率规划方法
【专利摘要】本发明是一种基于模拟退火算法的无线通信频率规划方法，将目标要布网的覆盖区域划分为若干个小区，划分后的每个小区设置一个对应的发射基站，而每个基站装载一个广播主信道（BCCH信道），根据无线网络设计规划的要求，可以局部或者整体的选择频率复用模式；利用退火算法算法中各种不同设定约束条件来组合设定目标函数f支配方案，并用干扰综合总值E可用于评估频率指配方案的优劣，最终得出最优的频率支配方案，将其指向的BCCH频点集合应用于频率规划中。本发明所作出的频率规划，其频率干扰综合总值E）远远少于传统的分组算法，且具有更大的灵活性。
【专利说明】基于模拟退火算法的无线通信频率规划方法
【技术领域】
[0001]本发明属于通讯领域，特别是涉及一种基于模拟退火算法的移动通信频率规划方法。
【背景技术】
[0002]GSM无线网络规划是无线通信网络的布网建设中非常重要的环节，对整个布网的建设成本和网络建设后的运行质量起着重要的影响。
[0003]GSM无线网络规划根本目标是以相对较低的资源成本建设成符合短期和相当计划时间内的话务需求，具有一定服务水平内容的移动通信网络。
[0004]具体地讲就是在服务区内的服务时间、服务地点上做最大程度的无线覆盖，同时满足用户所要求的通信概率，在相当有限的频率带宽内通过频率复用，在减少最大干扰可能性的前提下，提供相应尽可能大的系统容量；达到所设计要求的通信服务质量；在满足通信容量要求的前提下，系统设备单元尽量精简化，降低设备成本等几个方面目标。
[0005]GSM无线网络规划与优化是一个螺旋循环上升的过程。对于一个GSM无线通信网络来说，承载的移动用户在不断增长，而无线环境却在不断的变化，同时话务分布状况也在变化，因此，GSM无线通信网络是在不停循环而又往复的网络规划与优化的过程中不断发展起来的。
[0006]为了让设计的无线网络尽可能达到移动运营商要求，适应当地移动通信环境以及移动用户发展需求，就在无线网络设计规划必须进行调查分析的工作。而且要将调查分析工作做到最大可能的精细，全面了解移动运营商的实际需求，深入的了解当地通信业务发展现状特征同时还要了解当地地形特征、地质地貌情况和经济发展速度特点等人文环境信息。GSM无线规划调研工作包括以下几个部分:
[0007]1、对即将开展建设GSM网络无线覆盖、服务质量和系统容量要有充分了解
[0008]2、对即将开展建设GSM网络内部地形特征、地质地貌情况、经济发展水平、相应人均
[0009]收入和消费习惯要了解，调查研究，分析；
[0010]3、对即将开展建设GSM网络的内话务需求分布情况做充分调查；
[0011]4、对即将开展建设GSM网络现有网络设备性能及运营情况要充分的了解；
[0012]5、运营商的无线通信业务发展计划要充分了解，对可用频率资源要掌握到位，要对无线阶段规划期内的移动用户发展数量，话务量做出相应的合理预测；
[0013]6、收集跟即将开展建设GSM网络以及临边网络的电子街道图、电子地形高度图，如有必要，需要购买相关的电子地图。
[0014]依照相对应得的调查研究工作，总结概括所收集到的相关信息，结合运营商的对布网的具体要求，在对即将开展建设GSM网络内用户发展的正确预测基础上，根据运营商所确定的各种服务等级，以此为依据来确定即将网络区域内重要部分的话务分布、布站策略、布站数目以及相应的投资规模，充分考虑当地一些高层建筑物的分布特点，基本确定站点数量及分布。设置站点的位置及覆盖半径的时候，要周全去考虑话务需求量、无线传播环境、上下行信号平衡等对无线基站覆盖半径的限制，同时也要考虑建站的综合成本等诸多方面的因素，对无线网络进行最初的容量规划。
[0015]从容量规划要相应的得出:
[0016]a、满足即将开展建设GSM网络话务需求所需的基站数
[0017]b、即将开展建设GSM网络中的每个基站的站型及载频配置
[0018]C、每个扇区所提供的各种业务信道数、相应话务量和用户数
[0019]d、每个基站提供的各种业务信道数、相应话务量及用户数
[0020]e、整张网络提供的各种业务信道数、相应话务量及用户数
[0021]此步骤网络规划是初步的规划，对初步规划的无线网络覆盖进行分析，可能要增加新的基站或者减少不必要的一些基站，经过反复研究探讨的过程，最终确定下来即将开展建设GSM网络基站数目和站点位置。
[0022]GSM无线网络布网覆盖规划最终目标是在满足无线网络容量及服务质量的前提下，以最少的价格对规定的运营商布网服务区域实施所要求的无线覆盖。一般来说，GSM无线网络覆盖规划工作有以下几个部分:
[0023]要跟移动运营商初步确定即将开展建设GSM网络工程的参数，如基站设备的发射功率、天线选型(主要指增益、方向性图参数等)、天线挂高、天馈线损耗等。进行上下行链路信号功率平衡分析、计算。通过功率平衡的原理，计算得出最大允许路径损耗，从而初步估算出设计规划区内在典型传播环境中，不同高度基站的对应的无线覆盖半径。
[0024]将电子数字地图、基站名称、基站ID、基站经纬度以及工程参数导入相关的网络规划软件进行无线覆盖预测、分析，而且要反复调整一些工程参数、基站位置，必要时增加新的基站或者减少不必要的一些基站，以致达到运营商提出的无线规划设计覆盖要求为止。
[0025]要对基站子系统的无线资源参数进行合理的设置，能够保证整个无线网络的运行质量。在无线资源参数所实现的功能上来分的话，要多参数网络识别参数、系统控制参数、小区选择参数、网络功能参数等参数进行必要的设置。
[0026]通过网络系统操作台配置基站或者基站管理器子系统的无线资源参数。无线网络规划工程师根据要运营商的具体情况，并结合运营商的要求和一般开站的经验来设置参数，其中有些参数要在规划后的网络优化阶段要在根据在网运行情况做一些调整。
[0027]由于无线网络规划工作技术型比较复杂，所涉及的因素比较多，所以需要配置专业的网络规划软件来协助规划工程师完成规划工作，规划工程师利用相关规划软件对即将布网的网络进行系统综合的分析、规划预测及细节优化，初步得出最适合布网的站点分布、基站高度、站型配置、频率分配以及其他网络资源参数。网络规划软件在一定程度上决定了无线网络规划与优化的质量。在整个无线网络规划过程中起着至关重要的作用。
[0028]当无线网络布网完成后，网络投入使用服务后，网络优化成为网络运行维护的主要内容。网络优化是一项重要且长期伴随网络运营的工作，由于它比网络规划更复杂，而且与规划密切关联，同时与实际现网运行效益息息相关，也是网络后续规划扩容的一种技术准备工作，所以网络优化工作是更具有挑战性的工作。
[0029]网络优化与校验目的就是评价现运行网络是否达到相应的预先规划的网络设计标准，对无线网络的服务质量做出印证性的鉴定，并且对运行无线网络进行优化，以尽最大可能性地提高无线网络运行服务的质量。
[0030]为了能够稳定、高效和经济的使现有运行网络提供尽可能大性的容量和尽可能大的高质量，就要通过现网运行统计数据和实际测试数据情况对现有网络进行综合的评价，对现网存在的存在的各种问题进行分析判断，进行制定有针对性的网络优化方案，采用包括调整基站子系统无线资源参数在内的各种方式进行设置相关基站工程参数，达到运营商预期要求的网络服务质量水平。必须指出的是网络优化和校验是个循环反复的过程，直至网络运营效能调整到最佳运行状态。
[0031]在无线通信诞生的初期，系统均采用大区制，容量受到频率资源的制约，用户很少，覆盖半径大致在几十公里，有的甚至达到上百公里。到了 20世纪80年代初的时候，无线通信网络系统开始引入了蜂窝的概念，让频率进行服用，才对频率资源的矛盾有一些相关的突破。无线通信系统也开始由大区制慢慢向小区制过渡。
[0032]所谓蜂窝网络，把移动电话的服务区别分为一个个正六边形的子区，每个小区设一个基站。形成了形状酷似“蜂窝”的结构，一般来说小区的半径约为几千米或者更小点。之所以用正六边形来划分而非圆形，因为顶点到几何中心等距的多边形中，能够完整(无重叠)地覆盖某一区域，为了理论上研究使用的方便，实际覆盖按理说应该是圆形空间。采用蜂窝结构就可以使用同一组频率在若干个相隔一定距离的小区重复使用，使通信系统可以容纳的用户数大大成倍的提高。也解决了频率资源少带来的麻烦，从现在的角度，这一技术创新看视很简单，却摸索和研究了半个世纪的时间。
[0033]虽然我们引入蜂窝的概念后，在理论上来说可以通过不断的缩小小区的范围从而来增加小区的数目来取得无限高的系统容量，但在实际操作上是无法实现这一点的。因为主要的原因在于同频干扰的存在以及无线电波传播的特点，使基站扇区的面积不能任意小，而且小区数量的增加的同时，同样会增加小区间越区信道带来切换的次数，将会导致更多的掉话风险和降低系统稳定的处理能力。使通信系统容量和通信服务质量反而进一步降低。
[0034]我国陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用两个频段，分别为900MHZ和1800MHZ。一张GSM无线网络一般是由若干个基站组成并提供覆盖和服务的，对于一张大容量的移动通信网一般需要几十个甚至几千个基站才能完全覆盖要规划的服务区，同时要能满足比较高话务密度的要求，但是能够提供给GSM网络利用的频谱资源数量又是非常有限的，这就产生了一对矛盾。在20世纪60年代的时候，北美的贝尔实验室提出了采用网络蜂窝结构来解决大量用户与移动通信系统频率资源之间有限的矛盾。经过几十年的实践和服务，采用网络蜂窝小区技术已经发展成为了较成熟的无线通信系统结构，该结构技术已经有效性被工程、规划、运维技术、网优人员所接受。
[0035]由蜂窝结构移动无线通信系统的核心是频率复用技术。在由频率复用技术的系统中，处在规划相隔一定距离的小区上的手机用户可以同时占用相同频率的信道，这种频率复用可以大大地提高频谱使用效率。但是要指出的是，假如这种复用技术在系统设计得不当的话，将会产生很严重的同(邻)频干扰，大大降低网络的服务质量，甚至导致网络局部的容量的下降，这种干扰是由于相同(相邻)信道公共使用造成的，这个问题是在频率复用概念中必须是重点考虑的问题。所以说频率复用的小区必须相应的隔开足够远的距离，让其所产生的同(邻)频干扰的影响尽可能控制在系统能够承受的标准以下，最好能够能够让产生的干扰能够忽略不计。
[0036]在一个蜂窝结构系统中，将会出现许多个相同频率信道的小区，整个可以利用的频谱被划分成N个频率复用的模式，其中N可以定义为4，7，12，19等。
[0037]允许同频复用的最小半径距离取决于若干个因素，比如中心位置小区附近的同频小区数目，地貌地形因素。还有每个小区基站的天线挂高和基站的发射功率。
[0038]在定义同频复用距离D由下式确定:
[0039]
【权利要求】
1.基于模拟退火算法的无线通信频率规划方法，将目标布网覆盖区域划分为若干个小区，每个小区设一个发射基站，配置一个BCCH信道，而每个基站配置一个广播主信道(BCCH信道)，根据无线网络设计规划的要求，可以局部或者整体的选择频率复用模式，根据无线网络设计的要求，选择频率复用模式，其特征在于，选择频率复用模式的方案是: 一、根据基站在地图上的经纬度和小区天线方向，对于干扰小区以同频(邻频)间距为覆盖半径画一个120度的菱形(定向站)或圆形(全向站)，对于受干扰方扇区以覆盖半径为半径画一个120度的菱形(定向站)或圆形(全向站)，若这两个图形相交，就认为存在干扰关系，该重叠面积为干扰量总和；两个小区的重要性为小区权重系数，由此，两个干扰权重系数与干扰量总和相乘形成干扰综合值，算出任意两小区间的干扰关系；将各个小区的权重和干扰系数进行综合叠加得到相应的干扰总综合值E。E可用于评估频率指配方案的干扰程度； 二、利用模拟退火算法中各种不同设定约束条件来组合设定目标函数F分配方案，可用于评估频率指配方案的优劣，最终得出最优的频率支配方案，将其指向的BCCH频点集合应用于频率规划中； 三、将所有小区及BCCH频点列表作为一个序列f 模拟退火算法在频率指配中的算法实现步骤如下:
Simulated-Annealing {初始化温度t。 给各发射机生成随机的频率指配方案。用f；ld表示 计算目标函数F (fold) 主循环:
WHILE Vtniin DO
FOR i=l to N DO
从f；ld的领域生成新的指配fnew
计算目标函数F (fnew)
计算Λ F=F (fnew) -F (fold)
IF Δ F〈0 或 random〈prob=exp (- Δ F/tk) THEN
F =p
丄new 丄old
F (fold)=F (fnew)
END IF
END FOR
减小tk
END WHILE} 其中to给定的初始温度，tk给定的加到温度，fold为原始支配方案，fnew为新支配方案。
【文档编号】H04W16/18GK103442364SQ201310197076
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年5月22日 优先权日:2012年5月23日
【发明者】张奇, 黄大巧, 胡佩峰, 彭金明 申请人:浙江省通信产业服务有限公司