基于地理信息技術(shù)的山區(qū)農(nóng)村 無(wú)線通信基站選址研究

1 引言

我國(guó)農(nóng)村幅員遼闊，人口眾多，移動(dòng)用戶發(fā)展?jié)摿薮?。為開(kāi)拓農(nóng)村市場(chǎng)，首先必須建立一個(gè)優(yōu)良的通信網(wǎng)絡(luò)。但是廣大農(nóng)村地區(qū)地形崎嶇，地廣人稀，加之生活水平較低，現(xiàn)階段用戶較少，話務(wù)量較低，因此農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中投入收益比將是非常重要的一個(gè)建設(shè)原則。對(duì)于農(nóng)村地區(qū)來(lái)說(shuō)， 基站站址的選擇對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的影響作用非常大，有時(shí)候甚至起到了決定性的作用。利用地理信息技術(shù)來(lái)輔助基站選址， 可以形象直觀地幫助我們進(jìn)行基站選址，科學(xué)地做出決策?？茖W(xué)的基站選址能夠有效的擴(kuò)大GSM基站無(wú)線覆蓋范圍，吸收更多的用戶和話務(wù)量，降低建設(shè)成本，提高收益，無(wú)論在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上還是在市場(chǎng)運(yùn)作上都有很大的意義。

2 相關(guān)技術(shù)背景介紹

基站選址的目的在于擴(kuò)大無(wú)線基站覆蓋范圍， 提高話務(wù)質(zhì)量。 站址的優(yōu)劣主要是由該站址的覆蓋范圍決定的，因此我們必須了解GSM基站覆蓋范圍預(yù)測(cè)的問(wèn)題。

2.1 基站覆蓋范圍預(yù)測(cè)

根據(jù)所使用頻率的不同， 通常有兩種不同數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè) GSM基站無(wú)線覆蓋范圍：Okumura 電波傳播衰減計(jì)算模式和Cost-231-Walfish-Ikegami電波傳播衰減計(jì)算模式。GSM 900MHz 系統(tǒng)主要采用 CCIR 推薦的Okumura電波傳播衰減計(jì)算模式。該模式是以準(zhǔn)平坦地形大城市區(qū)的中值場(chǎng)強(qiáng)或路徑損耗作為參考， 對(duì)其他傳播環(huán)境和地形條件等因素分別以校正因子的形式進(jìn)行修正。GSM 1800MHz系統(tǒng)主要采用歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)推薦的“Cost-2-Walfish-Ikegami”電波傳播衰減計(jì)算模式。 該模式的特點(diǎn)是從對(duì)眾多城市的電波實(shí)測(cè)中得出的一種小區(qū)域覆蓋范圍內(nèi)的電波損耗模式。

不管是用哪一種模式來(lái)預(yù)測(cè)無(wú)線覆蓋范圍， 都只是基于理論和測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)的近似計(jì)算。 由于實(shí)際地理環(huán)境千差萬(wàn)別，很難用一種數(shù)學(xué)模型來(lái)精確地描述。同時(shí)，目前提供的電波傳輸模型大多是針對(duì)城市通信規(guī)劃建設(shè)的實(shí)際情況研究開(kāi)發(fā)的。山區(qū)農(nóng)村地理環(huán)境復(fù)雜，電波傳播受地形影響十分顯著， 基于準(zhǔn)平坦地形的覆蓋預(yù)測(cè)模型就更加難以發(fā)揮作用。 一般工程人員進(jìn)行無(wú)線基站選址時(shí)，難以充分考慮當(dāng)?shù)貜?fù)雜的地理狀況，只能憑借經(jīng)驗(yàn)和有限的實(shí)地勘察試驗(yàn)來(lái)確定站址的選擇。 一般工程人員都把站點(diǎn)選在高山上，以期獲得較大的覆蓋范圍。但實(shí)際上，這種選址方式有很大的主觀性。在山區(qū)基站建設(shè)中，由于選址不當(dāng)造成基站搬遷是屢見(jiàn)不鮮的。 

2.2 地理信息技術(shù)的主要功能和特點(diǎn)

地理信息系統(tǒng)是以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)， 采用地理模型分析方法， 適時(shí)提供多種空間的和動(dòng)態(tài)的地理信息，為地理研究和地理決策服務(wù)的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)在我國(guó)發(fā)展很快， 而且由于地理信息的普適性，使其應(yīng)用早已突破了地學(xué)研究的領(lǐng)域，在道路交通、城市設(shè)施管理、 電力電信等行業(yè)都有了成功的應(yīng)用實(shí)例。

在無(wú)線基站建設(shè)中，所必須考慮的地形條件、道路交通狀況、 居民地分布情況等信息正是地理信息系統(tǒng)存儲(chǔ)、管理和分析的對(duì)象。使用GIS來(lái)幫助我們進(jìn)行基站的選址是十分合適的。

2.3 無(wú)線通信建設(shè)領(lǐng)域相關(guān)的地理信息技術(shù)

2.3.1 數(shù)字高程模型(DEM)及其分析方法

DEM(Digital Elevation Model)是一個(gè)存儲(chǔ)了區(qū)域高程的規(guī)則網(wǎng)格，數(shù)學(xué)上可以用一個(gè)矩陣表示?；? DEM的分析有很多成熟的方法，和基站選址相關(guān)的主要是可視域分析?；贒EM的可視域分析是根據(jù)指定的視點(diǎn)、最遠(yuǎn)視距和距地表高度，考慮地形遮擋，計(jì)算出在該點(diǎn)向四周了望，所能夠看到的最大范圍。

可視域和基站的真正覆蓋范圍是有一定偏差的。 實(shí)際上，站點(diǎn)的可視域是忽略電波反射、衍射等因素影響的，雖然如此，它對(duì)站址的地形遮擋情況仍然可以描述的很清楚，因此對(duì)我們實(shí)地選址的幫助是很大的。我們還可在地圖上顯示公路、居民區(qū)等要素，便于選址參考。 

 2.3.2 三維地形顯示

三維地形顯示是GIS中一種對(duì)地表高程起伏情況更直觀的一種表達(dá)方法。 三維地形顯示可以達(dá)到一種身臨其境的效果。

我們還可以利用正射三維影像、 三維顯示來(lái)形象的表達(dá)區(qū)域地形狀況。由DEM生成正射三維影像, 是一種制造三維地形視覺(jué)效果的方法。這種方法通過(guò)計(jì)算DEM像元的法向量和光線的夾角，設(shè)置顏色濃淡的渲染，達(dá)到一定的三維視覺(jué)效果。

3 利用GIS進(jìn)行基站選址的解決方案

如何選擇一個(gè)盡量少受高山阻擋， 能夠保證話務(wù)質(zhì)量的站址，是工程人員十分關(guān)心的問(wèn)題。目前實(shí)際建設(shè)過(guò)程中，往往需要建設(shè)人員實(shí)地勘察。這樣做不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也很難得到科學(xué)的站址。 目前在工程人員當(dāng)中還沒(méi)有形成一個(gè)比較科學(xué)的山區(qū)基站選址方法。 實(shí)際選址和定點(diǎn)過(guò)程是有很大的主觀性。

我們可以利用 GIS 中的數(shù)字地形模型(DTM)及其相關(guān)分析方法來(lái)得到一個(gè)比較完善的山區(qū)站址選擇方案。方案主要包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和站址選擇兩部分。

3.1 數(shù)據(jù)的制作和準(zhǔn)備

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)某地區(qū)的站址選擇分析， 必須占有該地區(qū)的地理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的制作可以通過(guò)數(shù)字化地形圖獲得。 數(shù)據(jù)的規(guī)格和精度直接影響到我們分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果地圖比例尺太小，則分析結(jié)果不可信。但是大比例尺地圖數(shù)據(jù)量龐大，價(jià)格昂貴，不利管理。下文實(shí)例中，采用了1:50000的地形圖數(shù)據(jù)化來(lái)獲取地理數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)的內(nèi)容包括兩部分: 一部分是地形、居民區(qū)、道路、河流、境界線等基礎(chǔ)數(shù)據(jù); 另一部分是現(xiàn)有基站點(diǎn)的標(biāo)注。我們可以通過(guò)GPS在地形圖上定位已有的站點(diǎn)，并標(biāo)注到地圖上。這樣我們就得到了分析所必需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)了。

3.2 根據(jù)電子地形圖進(jìn)行站址初選

根據(jù)數(shù)字化后的地形圖， 我們可以生成正射三維影像，或進(jìn)行三維瀏覽，從而能夠快速地把握整個(gè)山區(qū)地形特點(diǎn)。同時(shí)參考我們已經(jīng)建設(shè)好的站點(diǎn)、居民區(qū)位置、道路位置，我們就可以初步推測(cè)若干個(gè)比較合理的站址。

3.3 使用DEM分析方法優(yōu)化站址選擇方案

通常我們進(jìn)行站址選擇時(shí)都希望能夠滿足一些限制性條件: 如盡可能覆蓋居民區(qū)，覆蓋道路等。我們可以計(jì)算出幾個(gè)候選站點(diǎn)的可視域， 并把可視域疊加到地圖上，看是否能夠覆蓋我們感興趣的區(qū)域。

如果在某個(gè)區(qū)域我們計(jì)劃建設(shè)一批站點(diǎn)， 就可以先確定若干個(gè)候選站點(diǎn)， 然后統(tǒng)計(jì)出最佳的組合; 或者分析調(diào)整站點(diǎn)位置，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行各種模擬試驗(yàn)。 3.4 實(shí)地勘測(cè)驗(yàn)證

由于技術(shù)和數(shù)據(jù)更新上的限制， 計(jì)算機(jī)模擬選址試驗(yàn)的結(jié)果可能存在與實(shí)際不符， 或受到客觀條件限制的現(xiàn)象。因此我們必須對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)地勘測(cè)驗(yàn)證，確保選址結(jié)果的可行性和正確性。

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