高--數(shù)學視角下移動通信無線網(wǎng)絡優(yōu)化-會議交流

1、數(shù)學視角下的移動通信無線網(wǎng)絡優(yōu)化數(shù)學視角下的移動通信無線網(wǎng)絡優(yōu)化 GSMGSM移動通信網(wǎng)絡已成為社會、經(jīng)濟、國防和日常生活的移動通信網(wǎng)絡已成為社會、經(jīng)濟、國防和日常生活的重要支撐，其對當今和未來社會的重要性不言而喻。運行中重要支撐，其對當今和未來社會的重要性不言而喻。運行中的移動通信無線網(wǎng)絡優(yōu)化是網(wǎng)絡運行控制的核心內(nèi)容。如何的移動通信無線網(wǎng)絡優(yōu)化是網(wǎng)絡運行控制的核心內(nèi)容。如何能夠及時、直觀地看到無線網(wǎng)絡的無線覆蓋狀況和話務分布能夠及時、直觀地看到無線網(wǎng)絡的無線覆蓋狀況和話務分布情況，如何對網(wǎng)絡的各項性能參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，以改善網(wǎng)情況，如何對網(wǎng)絡的各項性能參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，以改善網(wǎng)絡的覆蓋、話務

2、負荷和干擾狀況，提升網(wǎng)絡服務質量，是網(wǎng)絡的覆蓋、話務負荷和干擾狀況，提升網(wǎng)絡服務質量，是網(wǎng)絡運行維護中最為重要的問題。絡運行維護中最為重要的問題。 我們運用數(shù)學方法對運行中的我們運用數(shù)學方法對運行中的GSMGSM無線網(wǎng)絡優(yōu)化問題無線網(wǎng)絡優(yōu)化問題進行了系統(tǒng)研究，所形成的模型和算法可生成高精度的可進行了系統(tǒng)研究，所形成的模型和算法可生成高精度的可視化覆蓋地圖和話務地圖，并可給出網(wǎng)絡全局優(yōu)化的參數(shù)視化覆蓋地圖和話務地圖，并可給出網(wǎng)絡全局優(yōu)化的參數(shù)調(diào)優(yōu)方案、話務均衡方案和頻率優(yōu)化方案。調(diào)優(yōu)方案、話務均衡方案和頻率優(yōu)化方案。移動通信無線網(wǎng)絡基本結構移動通信無線網(wǎng)絡基本結構移動通信無線網(wǎng)絡基本結構移動通信

3、無線網(wǎng)絡基本結構移動通信無線網(wǎng)絡優(yōu)化基本問題移動通信無線網(wǎng)絡優(yōu)化基本問題1.1.覆蓋問題覆蓋問題 場強測算、覆蓋優(yōu)化2.2.話務問題話務問題 話務分布估計、話務均衡3.3.干擾問題干擾問題 干擾分析、頻率優(yōu)化目前業(yè)界的做法目前業(yè)界的做法方法：測試方法：測試調(diào)整調(diào)整測試測試特點：局部調(diào)優(yōu)，經(jīng)驗特點：局部調(diào)優(yōu)，經(jīng)驗+ +工程，缺乏系統(tǒng)考慮工程，缺乏系統(tǒng)考慮待解決目標待解決目標具體方法具體方法缺點缺點弱覆蓋問題將天線的下傾角向上調(diào)整一個經(jīng)驗值，或適度旋轉天線水平角；或者增大天線的發(fā)射功率。針對一塊區(qū)域調(diào)整天線，會導致此區(qū)域變好的同時，其周邊區(qū)域的情況變差，引起同頻干擾，或導致話務不均衡。話務均衡問題

4、調(diào)整天線的水平角、下傾角；或調(diào)整發(fā)射功率。均衡話務量的同時，會造成新的弱覆蓋或同頻干擾。同頻干擾問題收縮天線覆蓋區(qū)域，或調(diào)整天線載頻。局部收縮天線覆蓋區(qū)域會造成弱覆蓋或話務不均衡；人工調(diào)整天線載頻會造成新的干擾。我們的目標我們的目標 運用數(shù)學方法對移動通信無線網(wǎng)絡優(yōu)化問題進行研究，運用數(shù)學方法對移動通信無線網(wǎng)絡優(yōu)化問題進行研究，估算網(wǎng)絡各天線在所有地理位置上的場強值和話務量，自動估算網(wǎng)絡各天線在所有地理位置上的場強值和話務量，自動生成高精度無線網(wǎng)絡覆蓋地圖和話務分布地圖。在此基礎上，生成高精度無線網(wǎng)絡覆蓋地圖和話務分布地圖。在此基礎上，系統(tǒng)地考慮對網(wǎng)絡物理參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，給出網(wǎng)絡的全局優(yōu)系統(tǒng)地

5、考慮對網(wǎng)絡物理參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，給出網(wǎng)絡的全局優(yōu)化方案，對話務量進行均衡，對頻率配置進行優(yōu)化，改進網(wǎng)化方案，對話務量進行均衡，對頻率配置進行優(yōu)化，改進網(wǎng)絡的性能指標，從而改善移動通信網(wǎng)絡的服務質量。絡的性能指標，從而改善移動通信網(wǎng)絡的服務質量。 場強覆蓋地圖場強覆蓋地圖l 基于地理信息系統(tǒng)GIS，將優(yōu)化區(qū)域劃分為55的網(wǎng)格。l 綜合考慮地形地貌、樓高、遮擋物等地理因素，以及無線基站天線的高度、角度、波形圖、發(fā)射功率等參數(shù)，結合電磁波傳播理論和對反射、繞射等的分析，對多徑傳播電磁波電場進行合成，建立路徑損耗和場強計算的理論模型。l 使用網(wǎng)絡實際運行產(chǎn)生的路測數(shù)據(jù)，對理論模型中的參數(shù)進行多元回歸訓練

6、和修正，形成具有地域適應性的傳播計算模型，用于估算每個網(wǎng)格的場強值（每網(wǎng)格可算出第1 第8強），并生成場強覆蓋地圖。場強估算場強估算- -覆蓋地圖覆蓋地圖地圖網(wǎng)格化地圖網(wǎng)格化 為了能精確計算地圖上各個位置的覆蓋場強，我們把優(yōu)化區(qū)域離散化為5m*5m的高精度網(wǎng)格并從地圖中讀取地理信息，分析單位網(wǎng)格內(nèi)地理環(huán)境屬性及參數(shù)，如建筑、草地、馬路、寫字樓、住宅樓、商場；樓層高度、樓群密度等。建立地理信息數(shù)據(jù)庫來存儲每個網(wǎng)格的地理信息。問題細化問題細化 已知每根天線的物理參數(shù)和配置、區(qū)域的地理環(huán)境信息（網(wǎng)格化地圖），以及一些路測數(shù)據(jù)，計算每根天線在每個網(wǎng)格產(chǎn)生的場強值。場強估算場強估算- -覆蓋地圖覆蓋地圖

7、12場強估算場強估算- -覆蓋地圖覆蓋地圖場強估算場強估算- -覆蓋地圖覆蓋地圖需要考慮：需要考慮：（1）天線發(fā)射的電磁波在空間傳播的信號衰減；（2）電磁波通過直射、反射、繞射和散射等多徑傳播 造成的信號增強；（3）地理信息和天線參數(shù)不準確造成的誤差。場強估算場強估算- -覆蓋地圖覆蓋地圖計算模型：計算模型：根據(jù)電磁波傳播理論，分接收點可視與不可視（傳播路徑有遮擋與無遮擋），通過考慮直射、地面反射、墻面多徑反射、繞射、不同方向的波形衰減等因素，通過計算和推導，得到場強估算公式。 其中Pt是天線發(fā)射功率， 。模型中的系數(shù)可利用路測數(shù)據(jù)，通過插值、擬合或回歸分析的方法訓練。訓練的優(yōu)化目標是有路測點

8、的各網(wǎng)格處場強總平均誤差最小。場強估算場強估算- -覆蓋地圖覆蓋地圖(,)22222( ,)1022102222222,1,210()cos10log1012()24()/24()/iiiifftiiitrtrdPLddhhdhhdP 反， (,)2222(,)10,1,22102,1,2,1,2,1,210()2()10logmax10,2()iijjiiffjjtjjiiijjjjddddPLFhddddd d 反 網(wǎng)格可視 tPL網(wǎng)格不可視，但有一次繞射或一次反射信號，網(wǎng)格不可視，且無一次繞射和一次反射信號12logLcdc接收點可視但有地面反射以及建筑物側面反射接收點可視但有地面反射以

9、及建筑物側面反射場強估算場強估算- -覆蓋地圖覆蓋地圖網(wǎng)格不可視，但存在反射或繞射網(wǎng)格不可視，但存在反射或繞射場強估算場強估算- -覆蓋地圖覆蓋地圖覆蓋地圖：覆蓋地圖： 利用前述計算模型（含修正項），對每根天線計算各個網(wǎng)格中的場強值。對每個網(wǎng)格，取其中場強值最大的天線作為其覆蓋天線（主服務天線）。在地圖上將屬于同一主服務天線的網(wǎng)格染上相同的顏色，便可得到整個區(qū)域的覆蓋地圖。場強估算場強估算- -覆蓋地圖覆蓋地圖場強估算場強估算實際呈現(xiàn)圖實際呈現(xiàn)圖1920覆蓋地圖的驗證覆蓋地圖的驗證路測數(shù)據(jù)和計算區(qū)域的疊加圖路測數(shù)據(jù)和計算區(qū)域的疊加圖GSM 900 條件下某片區(qū)域的誤差分布情況46810120.

10、00.20.40.6density.default(x = y_2)N = 222 Bandwidth = 0.1707Density21誤差大多集中在4.5db左右，且基本呈正態(tài)分布，大于9db的只有2根天線 話務呈現(xiàn)話務呈現(xiàn)- -話務分布圖話務分布圖 在覆蓋地圖的基礎上，我們提出了基于網(wǎng)格的話務匹在覆蓋地圖的基礎上，我們提出了基于網(wǎng)格的話務匹配模型，利用配模型，利用NCSNCS數(shù)據(jù)來分配各強區(qū)域內(nèi)的話務量，使數(shù)據(jù)來分配各強區(qū)域內(nèi)的話務量，使GSMGSM網(wǎng)絡話務分布網(wǎng)格化。網(wǎng)絡話務分布網(wǎng)格化。 NCS NCS測量數(shù)據(jù)完整地記錄了單位時間內(nèi)主服務小區(qū)內(nèi)測量數(shù)據(jù)完整地記錄了單位時間內(nèi)主服務小區(qū)內(nèi)

11、手機通話狀態(tài)下，每個鄰區(qū)的第手機通話狀態(tài)下，每個鄰區(qū)的第1 1強到第強到第6 6強的累計出現(xiàn)次強的累計出現(xiàn)次數(shù)和平均接收電平，即鄰區(qū)場強集合，體現(xiàn)了主服務小區(qū)數(shù)和平均接收電平，即鄰區(qū)場強集合，體現(xiàn)了主服務小區(qū)內(nèi)通話次數(shù)和鄰區(qū)場強集合的對應關系。內(nèi)通話次數(shù)和鄰區(qū)場強集合的對應關系。 GSM GSM系統(tǒng)可以按照單位時間自動采集全網(wǎng)各小區(qū)的系統(tǒng)可以按照單位時間自動采集全網(wǎng)各小區(qū)的NCSNCS數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。 話務呈現(xiàn)話務呈現(xiàn)- -話務分布圖話務分布圖Ncell1Ncell3Ncell2主服務小區(qū)主服務區(qū)網(wǎng)格被鄰天線覆蓋示意圖主服務區(qū)網(wǎng)格被鄰天線覆蓋示意圖 小區(qū)話務量匹配可表示為下列數(shù)學模型 其中xi表示

12、當前考慮的主服務小區(qū)內(nèi)第i個網(wǎng)格中應當分配的話務量。Clk是該主服務小區(qū)的第l個鄰天線的第k強話務量，它由NCS數(shù)據(jù)獲得。Nik表示第l個鄰天線在該主服務小區(qū)內(nèi)第k強的網(wǎng)格區(qū)域，它通過前述場強計算模型獲知。2,min()ijixxj 是相令網(wǎng)格. .,(1,2,;1,2,)lkilki NstxClm kn話務分布的數(shù)學模型話務分布的數(shù)學模型l根據(jù)場強計算模型算出每個網(wǎng)格的前六強的天線根據(jù)場強計算模型算出每個網(wǎng)格的前六強的天線IDID。對于給定某個。對于給定某個天線的主服務區(qū)，除了主服務天線的場強最強外，其余五個場強信天線的主服務區(qū)，除了主服務天線的場強最強外，其余五個場強信號來自鄰近的其它天

13、線，它們稱為主服務天線的鄰天線。依據(jù)計算號來自鄰近的其它天線，它們稱為主服務天線的鄰天線。依據(jù)計算出的場強值，把主服務區(qū)的所有網(wǎng)格按第一場強（除主服務天線的出的場強值，把主服務區(qū)的所有網(wǎng)格按第一場強（除主服務天線的場強外）聚類到不同的鄰天線，可以得到鄰天線一強信號的覆蓋網(wǎng)場強外）聚類到不同的鄰天線，可以得到鄰天線一強信號的覆蓋網(wǎng)格范圍。格范圍。l將主服務區(qū)某時段將主服務區(qū)某時段ncsncs數(shù)據(jù)統(tǒng)計的話務量（每條話務量數(shù)據(jù)帶有數(shù)據(jù)統(tǒng)計的話務量（每條話務量數(shù)據(jù)帶有1616強鄰區(qū)強鄰區(qū)ID)ID)，也按第一場強（除主服務天線的場強外）聚類到不同的，也按第一場強（除主服務天線的場強外）聚類到不同的鄰天

14、線，可以將統(tǒng)計出的話務分配到相應場強的網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)。鄰天線，可以將統(tǒng)計出的話務分配到相應場強的網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)。l分別利用第二場強、第三場強、分別利用第二場強、第三場強、，重復上述步驟。，重復上述步驟。l對每個網(wǎng)格，將不同場強下得到的話務分配值加權平均，得到該網(wǎng)對每個網(wǎng)格，將不同場強下得到的話務分配值加權平均，得到該網(wǎng)格的話務量估計。格的話務量估計。話務分布圖算法的基本思想話務分布圖算法的基本思想NCSNCS數(shù)據(jù)中各鄰區(qū)一強次數(shù)數(shù)據(jù)中各鄰區(qū)一強次數(shù)一強總次數(shù)為一強總次數(shù)為50+20+60+35+70+15=25050+20+60+35+70+15=250NCSNCS數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化的覆蓋地圖網(wǎng)格化的覆蓋

15、地圖某小區(qū)覆蓋區(qū)域內(nèi)，第一強的鄰區(qū)網(wǎng)格某小區(qū)覆蓋區(qū)域內(nèi)，第一強的鄰區(qū)網(wǎng)格話務分布示意圖話務分布示意圖10/20 20:00 GSM900MHz 話務分布話務分布10/20 20:00 GSM1800MHz 話務分布話務分布話務呈現(xiàn)話務呈現(xiàn)- -話務分布圖話務分布圖話務分布需要進一步考慮的問題話務分布需要進一步考慮的問題 1 1、前述方法中，不同場強下得到的話務分配值需加權平均，、前述方法中，不同場強下得到的話務分配值需加權平均，如何選取各強話務分配的權重？如何選取各強話務分配的權重？ 2 2、需要考慮地理因素。如何在數(shù)學模型中體現(xiàn)地理要素？、需要考慮地理因素。如何在數(shù)學模型中體現(xiàn)地理要素？ 3

16、 3、可以利用實測數(shù)據(jù)修正話務分配結果，如何修正才能使得、可以利用實測數(shù)據(jù)修正話務分配結果，如何修正才能使得誤差最??？誤差最??？ 4 4、數(shù)學模型的改進和求解。、數(shù)學模型的改進和求解。 高分辨率網(wǎng)格覆蓋地圖高分辨率網(wǎng)格覆蓋地圖(利用路測數(shù)據(jù)，利用路測數(shù)據(jù)，5 5米米5 5米米, ,誤差誤差6dBm)0，則頂點Ai, Aj之間連邊，并給該邊賦權tij。這樣可得一個賦權有向圖G。 問題轉化為：用m種顏色給圖G的頂點染色（相鄰的頂點可以染相同的色），給頂點Ai染ai種色（i=1,2,n)，使得染有相同色的頂點之間連邊上的權之和達到最小。 當ai =1（i=1,2,n）時，這是圖的頂點Min-k-pa

17、rtition問題；與之緊密相關的問題是圖的Max-k-cut問題，它有常數(shù)倍近似算法，但因這種近似算法復雜度很高，在當前的實際問題中無法被使用。 網(wǎng)絡優(yōu)化網(wǎng)絡優(yōu)化頻率調(diào)整頻率調(diào)整優(yōu)化調(diào)整前優(yōu)化調(diào)整后某地區(qū)網(wǎng)絡優(yōu)化效果某地區(qū)網(wǎng)絡優(yōu)化效果 網(wǎng)絡優(yōu)化網(wǎng)絡優(yōu)化頻率調(diào)整頻率調(diào)整51優(yōu)化前結果直接排頻結果參數(shù)調(diào)優(yōu)后再排頻結果某地區(qū)網(wǎng)絡優(yōu)化效果某地區(qū)網(wǎng)絡優(yōu)化效果 網(wǎng)絡優(yōu)化網(wǎng)絡優(yōu)化頻率調(diào)整頻率調(diào)整挑戰(zhàn)性的問題：挑戰(zhàn)性的問題：1、大規(guī)模非光滑數(shù)學規(guī)劃問題的快速求解算法設計。特別是對一些不能完全用解析式表達的規(guī)劃問題。2、基于更加準確的地理信息的無線電傳播計算模型。3、海量數(shù)據(jù)處理。4、GPS漂移及數(shù)字地圖準確性問題。5、利用線狀分布數(shù)據(jù)估計和預測面上的情況。 研究感受：研究感受：1、面對大規(guī)模復雜應用問題，最優(yōu)化模型及方法、概