作品赏析-分析组一等奖:基于GIS和智能优化方法的5G通信基站空间布局方法设计(节选)

发布时间:2020 年 03 月 24 日  
导读:作品名称:基于GIS和智能优化方法的5G通信基站空间布局方法设计 参赛学校:武汉大学 团队组员:王琪、张瑞甜、吕占田、林一帆 指导老师:赵翔 5G通信技术是当前最新一代蜂窝移动通信技术。相对于现有的2G、3G和4G通信技术,5G通信技术在数据传输速率、降低数据延迟、节约能源、提高系统容量等方面,有了质的飞跃。

  作品名称:基于GIS和智能优化方法的5G通信基站空间布局方法设计

  参赛学校:武汉大学

  团队组员:王琪、张瑞甜、吕占田、林一帆

  指导老师:赵翔

  5G通信技术是当前最新一代蜂窝移动通信技术。相对于现有的2G、3G和4G通信技术,5G通信技术在数据传输速率、降低数据延迟、节约能源、提高系统容量等方面,有了质的飞跃。

  不同于4G等传统通信技术,5G通信技术选用毫米波以满足各类新兴应用场景的信号传播需要和速度需要。然而,毫米波的波长更短,对于阻塞特别敏感,更容易受到干扰,有着更大的衰减和穿透损失。这一特性致使5G基站覆盖范围极为受限。

  另一方面,由于城市应用场景的多变性和环境的复杂性,基站服务的半径将大幅度缩小。海量且密集化的规模将成为5G基站部署的重要特征,其基站布设密度将远超4G基站的部署密度。因此,如何在保证基站覆盖范围和服务质量的基础上降低建设成本,是加快5G通信技术推广和商业化运营亟需解决的技术难题,且直接影响到5G技术用户体验效果。

  本作品针对5G信号的衰减与传播特征,综合利用多源时空地理数据对通信服务需求进行空间显式建模,进而利用启发式搜索算法,设计了面向5G通信基站规划选址的智能化决策支持模型,以减少5G通信基站的建设成本,提高5G通信服务的用户体验,为我国的5G基础设施建设提供支持。

  方法设计

  •基础数据

  作品分析涉及的基础数据包括实验区的道路、建筑物轮廓和人口时空分布数据,主要利用爬虫技术从OpenStreetMap、高德地图和腾讯等途径获取。通过在SuperMap iDesktop中进行数据预处理,以相应的点、线、面数据进行存储。其中,规划区范围用面状多边形进行表示和存储,建筑物轮廓同样采用矢量多边形进行表示和存储,道路数据采用矢量线的方式进行表示和存储,用户实时分布数据用点模型来表示和存储。

  

研究区域概况

  •基于智能优化算法的5G基站空间决策支持方法

  作品首先基于实验区的道路特征、建筑物分布和人口时空分布特征,利用GIS空间分析方法,对实验区的备选基站点和通信服务需求进行了空间分析和建模。在此基础上,利用C#编程语言开发了耦合人工免疫优化算法和空间分析技术的5G通信基站空间布局优化模型,并对实验区的5G通信基站进行了模拟布局和决策支持。

  

建筑物对5G通信信号的阻隔效应示意图:(a)不考虑建筑物阻隔效应情景下的通信信号传播路径;(b)考虑建筑物阻隔效应情景下的通信信号传播路径

  

人工免疫优化算法设计流程

  

不同决策情景下的5G基站信号覆盖率分布

 

 不同情景下的5G通信基站选址布局优化结果

  •优化结果可视化

  将5G基站的空间布局优化结果在SuperMap iDesktop中进行可视化处理,并进一步对其布局进行分析,来验证方法的可行性。

  亮点及提升方向

  作品主要亮点包括以下几个方面:

  1、选题紧跟时代需求,针对当前我国5G基站建设过程中面临的现实问题进行建模和分析,能够为我国正在如火如荼开展的5G通信基础设施建设提供决策支持,有效降低相关硬件设施建设的成本。

  2、将智能优化算法和GIS空间分析方法相结合,在对地理问题进行空间显式建模的同时,利用人工免疫优化算法实现对地理空间问题的智能化求解。

  3、利用多源地理时空数据,对5G通信服务的时空需求进行模拟,使得5G基站的空间优化布局能够更好地满足网络用户的需求。

  作品进一步提升可从几个方面展开:(1)考虑宏基站与微基站的多层次综合组网问题;(2)考虑已有的4G基站部署情况,充分利用已有4G基站部署现状,进一步降低成本;(3)将5G信号强度衰减模型纳入到模型之中,以进一步提高模型的精度。

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