无线网络规划中的站址优化分布的研究与
实现
牟燕华，韦再雪
作者简介：牟燕华，女，（1986-），北京邮电大学信息与通信工程学院研二学生，主要研究方向：移动通
信。Email: myh.bupt@gmail.com
通信联系人：韦再雪，女，北京邮电大学讲师，主要研究领域为移动通信系统的理论与应用。Email:
zaixuew@gmail.com
5 （北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876）
摘要：无线网络规划是根据覆盖需求、容量需求以及其他特殊需求，结合覆盖区域的地形地
貌特征，设计合理可行的无线网络布局，以最小的投资满足需求的过程。无线网络建设的主
要成本是基站的成本，获得基站的数量和分布，就可以近似的估计投资成本并对网络铺设提
供有价值的意见。本论文借鉴城市规划中的重心法选址方法，将用户看成是一个平面内的物
10 体系统，用户密度看成是物体的密度，其它影响因素看成是加权因子，则物体系统的加权重
心可以作为基站的位置。本论文有两种方案，基于用户密度的站址选择算法通过考虑规划区
域内用户密度分布的差异，使基站尽可能靠近用户密度高的地方，在满足无缝覆盖要求的基
础上，优化基站分布，提高服务质量；考虑用户优先级的选址方案在用户密度的基础上，添
加加权因子，使基站靠近优先级高的用户，为高级用户提供更好的服务，优化网络结构，为
15 差异化服务提供支持。
关键词：重心法；用户密度；优先级
 0 引言
40 无线网络规划是根据覆盖需求、容量需求以及其他特殊需求，结合覆盖区域的地形地貌
特征，设计合理可行的无线网络布局，以最小的投资满足需求的过程[1]。站址分布是规划的
重要内容。当前研究站址分布与优化的主要思想有两种：基于地图分区的站址选择算法[2]
 和最优化选址算法。基于地图分区的站址选择算法[3]是主要根据规划区域内传播环境和用户
分布密度等的差异，先将规划区域进行分区，然后再在每个子区域内分别进行基站站址选择
45 和优化。最优化站址选择算法[4]的主要思想是先确定很多的候选站的位置，然后根据选定的
算法对各个基站的位置进行反复的迭代和仿真，在满足网络覆盖和容量性能的前提下从候选
的基站中选出最小数量的基站作为站址优化结果，是一个多目标最优化问题。常用优化算法
有禁忌搜索（tabu search）、遗传算法[5]（Genetic Algorithm，简称GA）、模拟退火算法
（Simulated-Annealing Algorithm，简称SA）、神经网络算法（Neural Network，简称NN）
50 等。
二者相比较，最优化算法在进行站址选择和优化时考虑的影响因素比较多，可以得到给
定条件下全局最优的站址分布，但其计算量十分巨大。目前应用最优化算法进行站址分布的
研究，主要集中于降低算法消耗、提高效率方面。基于地图分区的站址选择算法相对来说计
算量较少，容易实现，且充分利用电子地图的信息，可以给出比较合理的站址分布结果。
55 本文借鉴城市规划中的重心法选址方法，将重心法应用于无线网络规划中的站址选择，
为实际布站提供参考。
1 站址选择算法
1.1 重心法概述
重心法，顾名思义，是利用物理学中寻找一个二维图形中心的方法来解决选址问题。重
60 心法选址广泛应用于城市规划中的仓库、运输中心、加油站等物流中心选址[6]。这种方法要
考虑现有设施之间的距离和要运输的货物量。在最简单的情况下，这种方法假设运入和运出
成本是相等的，它并未考虑在不满载的情况下增加的特殊运输费用。
重心法是一种模拟方法，它将物流系统中的需求点和资源点看成是分布在某一平面范围
内的物流系统，各点的需求量和资源量分别看成是物体的重量，物体系统的重心作为物流网
65 点的最佳设置点，利用求物体系统重心的方法来确定物流网点的位置。
重心法首先要在坐标系中标出各个地点的位置，目的在于确定各点的相对距离。坐标系
可以随便建立。在国际选址中，经常采用经度和纬度建立坐标。然后，根据各点在坐标系中
的横纵坐标值求出成本运输最低的位置坐标X 和Y，重心法使用的公式是：
 公式（1）中， c X 和c Y 是重心的x 坐标和y 坐标， ix P 和iy 70 P 是采样点i 处的x 坐标和y
坐标， i m 是采样点i 处得用户密度。最终，选择求出的重心点坐标值对应的位置作为布站
的参考位置。
1.2 重心法应用于无线网络站址选择的可行性分析
基站选址类似于物流中心选址，可以将规划区域内的用户看成是平面范围内的物体系
75 统，用户业务密度等影响因素看成是物体的密度，则物体系统的加权重心可作为基站的位置。
用户业务分布密度反映了业务（话音业务、数据业务）在规划区域内分布疏密的情况，
是选择基站站址最重要的依据。从原则上讲，为了避免频繁的切换，充分利用系统资源，基
站站址应当选择在业务需求中心点，这将极大地提高基站的容量。然后进行容量估算[7]，通
过对单小区所能满足的上下行吞吐量和数据用户数目的估算，估计出实现系统容量目标所需
 80 要的基站数目。
假设用户密度在一段时间是相对稳定的，且发射机的发送功率与基站与移动台之间的距
离有关，距离越大，发送功率越大。重心法选出的基站位置尽可能靠近用户密度高的地方，
这样可以使大部分用户聚集在基站周围，降低发射功率，减小干扰，相对提高系统容量。而
且，当业务量突然上升时，基站覆盖范围缩小，重心法可以保证基站尽可能多的覆盖用户，
85 从一定程度上减轻小区呼吸效应的影响。
1.3 重心法选址设计与实现
用户业务分布密度反映了业务（话音业务、数据业务）在规划区域内分布疏密的情况，
是选择基站站址最重要的依据，将直接影响到基站位置的确定。由于经济发展的不平衡、地
理环境的不同等因素，在规划区域的范围内，用户的分布并不均匀，即使我们已经按照用户
90 密度进行了区域划分，但在每个规划子区域内部，用户业务密度分布也是不均匀的。基于用
户密度的重心法选址方法，就是将用户密度分布作为站址选择的依据，将用户分布的重心作
为基站位置[8]。
应用基于用户密度的重心法，假设规划区域内的用户为平面范围内的物体系统，用户业
务密度为物体的密度，不考虑其他因素的影响，地形分区、业务密度预测等都根据用户分布
95 密度进行分析，物体系统的用户密度重心作为基站的位置。根据重心原理，重心是距规划区
域内所有点的总距离最小的点，靠近用户密度高的地方，能够充分利用系统资源。
考虑到无线网络规划的特殊性，给用户设定服务优先级是运营商的一种营销策略，拥用
更多业务和更大消费金额的用户能够给运营商带来更大的收益，所以，这样的用户应该被给
予更高的优先级，获得更好的服务，来留住用户，继续为其创造利润。从另一个角度讲，由
100 于用户优先级越高，服务质量越有保证，所以想要获得高的服务质量的用户可以通过升级到
更高一级用户达到目的，当然这也意味着用户要付出更多的资费。这种营销策略可以为运营
商吸引更多的用户，创造更多利润。所以，在进行网络规划部署的时候，可以兼顾用户优先
级，为将来的运营提供必要的支持。
应用重心法时有几条简化假设：
105 （1）目标区域平坦；
（2）基站采用统一的型号和硬件配置；
（3）无线网络成本正比于基站数量；
基本约束条件是无缝覆盖整个规划区域。在基于用户密度的站址选择基础上，再考虑不
同优先级分布对基站位置的影响，可将用户优先级作为用户密度加权值，通过设置权值的大
110 小来确定用户优先级的影响大小，在保证全网质量的同时，给不同需求的用户提供差异化服
务。
公式（1）需要修改为：
 ω 为不同优先级的用户对应的优先权值。
115 2 仿真结果与分析
以北京市地图为规划区域，我们应用CDMA2000 1x EV-DO Rev A 系统进行站址选择，
系统载频为2GHz，业务速率76.8kbps，本节给出重心法选址的仿真结果和分析。
 2.1 用户密度生成与地图划分
基于地图分区的站址选择第一步工作就是要对规划区域进行环境的划分，此时划分的依
120 据主要是不同环境下电磁波传播特性的差异，主要参考的是电子地图中不同地形地物的特
征。为了简化分析，通常认为容量设计基于环境划分的区域。即认为在环境有明显差异的区
域内，业务量需求同样有明显差异。我们通过不同的用户密度分布来体现环境和业务量需求
差异。
我们以北京市为例进行无线网络规划。规划区域可划分为乡村、郊区、一般城区和密集
125 城区。区域的划分参照当地3G 用户密度，如表1 所示。地形分布如图1 所示。
表1 不同地形下的用户密度
地形 乡村 郊区 一般城区 密集城区
用户密度(N/km2) 0~120 120~1200 1200~4000 4000~+∞
130 图1 地形分布
2.2 用户优先级设定
我们假设有四个等级的用户，优先级从高到低分别是Gold、Silver、Copper 和Common。
四种用户的分布随机生成，所占比例如表2 所示。
135
表2 不同优先级用户占用户总数的比例
用户等级 Gold Silver Copper Common
所占比例（%） 0.05 0.15 0.2 0.6
对于优先级高的用户，可以为运营商提供更多的收益，相应的，优先级高的用户应该具
有较高的服务优先权，得到更有质量保障的服务。因此，为了满足差异化服务的需求，基站
140 应尽量靠近优先级高的用户，这通过为不同优先级的用户分配不同的优先权值来实现，如表
3 所示。
 表3 不同优先级用户的服务优先权值
用户等级 Gold Silver Copper Common
优先权值 4 3 2 1
145 2.3 站址选择结果与分析
从以上结果可以看到，一般城区需要的基站数量最多，因为一般城区地形在布站区域中
所占的比例最大，与地形分布相吻合。从表4 可以看出，在用户密度低的地方，基站覆盖范
围主要受限于链路覆盖，在乡村地区，由于用户密度非常低，基站覆盖范围完全由链路预算
决定，站距最大。在郊区和一般城区，基站覆盖范围主要由链路预算决定，也有小部分受到
150 容量的限制。而在用户密度高的地方，基站覆盖范围受限于下行链路容量，因为上下行链路
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