基于地理信息技术的山区农村 无线通信基站选址研究

1 引言

我国农村幅员辽阔，人口众多，移动用户发展潜力巨大。为开拓农村市场，首先必须建立一个优良的通信网络。但是广大农村地区地形崎岖，地广人稀，加之生活水平较低，现阶段用户较少，话务量较低，因此农村网络建设中投入收益比将是非常重要的一个建设原则。对于农村地区来说， 基站站址的选择对网络覆盖的影响作用非常大，有时候甚至起到了决定性的作用。利用地理信息技术来辅助基站选址， 可以形象直观地帮助我们进行基站选址，科学地做出决策。科学的基站选址能够有效的扩大GSM基站无线覆盖范围，吸收更多的用户和话务量，降低建设成本，提高收益，无论在技术实现上还是在市场运作上都有很大的意义。

2 相关技术背景介绍

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，因此我们必须了解GSM基站覆盖范围预测的问题。

2.1 基站覆盖范围预测

根据所使用频率的不同， 通常有两种不同数学模型预测 GSM基站无线覆盖范围：Okumura 电波传播衰减计算模式和Cost-231-Walfish-Ikegami电波传播衰减计算模式。GSM 900MHz 系统主要采用 CCIR 推荐的Okumura电波传播衰减计算模式。该模式是以准平坦地形大城市区的中值场强或路径损耗作为参考， 对其他传播环境和地形条件等因素分别以校正因子的形式进行修正。GSM 1800MHz系统主要采用欧洲电信标准协会推荐的“Cost-2-Walfish-Ikegami”电波传播衰减计算模式。 该模式的特点是从对众多城市的电波实测中得出的一种小区域覆盖范围内的电波损耗模式。

不管是用哪一种模式来预测无线覆盖范围， 都只是基于理论和测试结果统计的近似计算。 由于实际地理环境千差万别，很难用一种数学模型来精确地描述。同时，目前提供的电波传输模型大多是针对城市通信规划建设的实际情况研究开发的。山区农村地理环境复杂，电波传播受地形影响十分显著， 基于准平坦地形的覆盖预测模型就更加难以发挥作用。 一般工程人员进行无线基站选址时，难以充分考虑当地复杂的地理状况，只能凭借经验和有限的实地勘察试验来确定站址的选择。 一般工程人员都把站点选在高山上，以期获得较大的覆盖范围。但实际上，这种选址方式有很大的主观性。在山区基站建设中，由于选址不当造成基站搬迁是屡见不鲜的。 

2.2 地理信息技术的主要功能和特点

地理信息系统是以地理空间数据库为基础， 采用地理模型分析方法， 适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。地理信息系统在我国发展很快， 而且由于地理信息的普适性，使其应用早已突破了地学研究的领域，在道路交通、城市设施管理、 电力电信等行业都有了成功的应用实例。

在无线基站建设中，所必须考虑的地形条件、道路交通状况、 居民地分布情况等信息正是地理信息系统存储、管理和分析的对象。使用GIS来帮助我们进行基站的选址是十分合适的。

2.3 无线通信建设领域相关的地理信息技术

2.3.1 数字高程模型(DEM)及其分析方法

DEM(Digital Elevation Model)是一个存储了区域高程的规则网格，数学上可以用一个矩阵表示。基于 DEM的分析有很多成熟的方法，和基站选址相关的主要是可视域分析。基于DEM的可视域分析是根据指定的视点、最远视距和距地表高度，考虑地形遮挡，计算出在该点向四周了望，所能够看到的最大范围。

可视域和基站的真正覆盖范围是有一定偏差的。 实际上，站点的可视域是忽略电波反射、衍射等因素影响的，虽然如此，它对站址的地形遮挡情况仍然可以描述的很清楚，因此对我们实地选址的帮助是很大的。我们还可在地图上显示公路、居民区等要素，便于选址参考。 

 2.3.2 三维地形显示

三维地形显示是GIS中一种对地表高程起伏情况更直观的一种表达方法。 三维地形显示可以达到一种身临其境的效果。

我们还可以利用正射三维影像、 三维显示来形象的表达区域地形状况。由DEM生成正射三维影像, 是一种制造三维地形视觉效果的方法。这种方法通过计算DEM像元的法向量和光线的夹角，设置颜色浓淡的渲染，达到一定的三维视觉效果。

3 利用GIS进行基站选址的解决方案

如何选择一个尽量少受高山阻挡， 能够保证话务质量的站址，是工程人员十分关心的问题。目前实际建设过程中，往往需要建设人员实地勘察。这样做不仅费时费力，也很难得到科学的站址。 目前在工程人员当中还没有形成一个比较科学的山区基站选址方法。 实际选址和定点过程是有很大的主观性。

我们可以利用 GIS 中的数字地形模型(DTM)及其相关分析方法来得到一个比较完善的山区站址选择方案。方案主要包括数据准备和站址选择两部分。

3.1 数据的制作和准备

为了实现对某地区的站址选择分析， 必须占有该地区的地理数据。数据的制作可以通过数字化地形图获得。 数据的规格和精度直接影响到我们分析结果的准确性。如果地图比例尺太小，则分析结果不可信。但是大比例尺地图数据量庞大，价格昂贵，不利管理。下文实例中，采用了1:50000的地形图数据化来获取地理数据。

数据的内容包括两部分: 一部分是地形、居民区、道路、河流、境界线等基础数据; 另一部分是现有基站点的标注。我们可以通过GPS在地形图上定位已有的站点，并标注到地图上。这样我们就得到了分析所必需的基础数据了。

3.2 根据电子地形图进行站址初选

根据数字化后的地形图， 我们可以生成正射三维影像，或进行三维浏览，从而能够快速地把握整个山区地形特点。同时参考我们已经建设好的站点、居民区位置、道路位置，我们就可以初步推测若干个比较合理的站址。

3.3 使用DEM分析方法优化站址选择方案

通常我们进行站址选择时都希望能够满足一些限制性条件: 如尽可能覆盖居民区，覆盖道路等。我们可以计算出几个候选站点的可视域， 并把可视域叠加到地图上，看是否能够覆盖我们感兴趣的区域。

如果在某个区域我们计划建设一批站点， 就可以先确定若干个候选站点， 然后统计出最佳的组合; 或者分析调整站点位置，在计算机上进行各种模拟试验。 3.4 实地勘测验证

由于技术和数据更新上的限制， 计算机模拟选址试验的结果可能存在与实际不符， 或受到客观条件限制的现象。因此我们必须对模拟结果进行实地勘测验证，确保选址结果的可行性和正确性。

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