1、通过5G基站选址系统的认知学习，帮助学生了解和掌握5G基站的基本组成和原理，提高学生对无线网络优化设计知识点的理解能力。

帮助学生掌握5G基站系统的组成及系统中重要组成部件的结构、工作原理和运行特性，采用虚拟现实的学习方式，帮助学生深入了解各个核心部件如AAU、BBU、电源、蓄电池、监控等部件细节组成、结构形式和工作原理，为系统综合实验奠定基础。

2、通过5G选址设计的综合训练，强化学生解决复杂工程问题能力的培养，显著提高学生对5G选址系统优化设计能力。

学生根据自己的理解设计基站选址系统分布和参数，根据5G基站选址系统的原则，设计基站位置、高度、间距、数量等参数，并由软件进行静态评估，学生根据评估结果开展系统性能参数优化设计。软件评估通过了才能继续开展下一阶段的实验。对设计的5G基站系统进行动态测试，包括人群密度和覆盖率两部分。

3、通过5G选址设计的探索实验，培养学生自主创新设计的能力。

在综合实验的基础上，结合课程教学和相关的5G基站系统的创新能力培养的教学要求，在虚拟仿真系统中提供给学生开放性设计和测试环境，结合探索实验的要求，学生可自主开展5G基站子系统的设计和鼓楼广场环境模型的搭建，结合控制参数的优化设计，开展探索性和创新性的实验。

图3虚拟仿真实验系统架构

实验原理部分总架构如图3所示，包括实验模块、实验原理、实验目的等。实验原理部分主要可分为无线电波传播原理、电波传播确定性模型以及5G基站选址及优化原理。

1）无线电波传播原理

无线电波在空间传播过程中，传播媒质会对电波产生两方面的影响，一方面是无线电波的场强衰减，另一方面是无线电波的传播路径改变。接收机接收到的信号是多条路径的场的叠加，以上效应均会使得接收信号随时间产生变化，引起接收信号的衰落现象。一般常见的几种衰落如图4所示。

图4无线电波传播

无线信道的大尺度特性可以表示为:

图5展示了无线电波传播常见的几种方式：直射、反射、绕射、散射。

图5无线电波多径传播机制

2）5G基站选址原则

基站的设置，包括基站位置的设置和基站的具体技术参数的设计，最佳基站位置和最合理的参数设置是无线网络规划设计的中心。基站的初始布局是根据用户话务分布，由规划人员根据经验估算网络所需的基站数量，初步选定站址，并配备信道，设定天线的各项参数，如天线类型、天线高度、发射频率等。在无线网络的规划中，基站选址的选择一般需要满足以下要求：

（A）一般选址选择范围应在蜂窝基站半径1/4区域内。在建网初期建站较少时，一般应将站址选在用户最密集的中心。

（B）与市区海拔高度相差200-300m，一般不考虑作为站址，一是为防止出现同频干扰，同时避免在本覆盖区内出现弱信号区；二是为了减少工程建设高度，方便维护。

（C）新建基站必须保证与基站控制器之间传输链路的良好连接，降低损耗。

（D）在市区楼群选址时，可巧妙利用建筑物的高度实现网络层次结构划分。

（E）重要覆盖地区需要考虑基站的备份以及载频互助功能的实现。

知识点：共11个

（A）基站天馈系统组成及各部分的功能作用；

（B）基站设备的基本工作原理和作用，以及各设备在基站内的布局；

（C）基站天馈系统组成及各部分的功能作用；

（D）5G频段划分及相关频段特性；

（E）5G基站选址因素以及选址原则；

（F）电波传播过程中，信道的相关特性；

（G）一些经典的无线信道传播模型的相关理论；

（H）电波传播的相关机制，包括反射、散射、折射、绕射等；

（I）理想室内环境仿真相关参数设置；

（J）经典室外小区的仿真设置；

（K）鼓楼广场基站选址及优化设计。

图6.知识点思维导图

本实验分为三大环节，分别为设备与原理学习环节、无线电波传播仿真环节、5G基站选址优化环节。其中，设备与原理学习环节为本次实验的前提与基础，学生在动手实验前必须要对未掌握的同学要先进行学习，对已学习过的理论知识要做回顾与复习，才能达到较好的实验效果；无线电波传播仿真环节从室内与室外两个主要场景去布设收发机，让学生对无线电波对收发天线不同位置、不同介质材料、不同的传播空间里从细微环境中去了解电波的传播特性；5G基站选址优化环节是本次实验最重要的环节，经过前面两个环节的学习，该环节会从5G基站组装、建筑物以及人群密度建模等步骤去逐步完善。本实验各个环节由浅入深、层层嵌套，形成了整套的基站选址优化实验体系。下面是实验步骤流程示意图及其详细说明：

图8.实验步骤流程示意图

环节一：设备与原理学习

步骤1. 5G认知

操作目的：了解5G的相关背景知识，回顾相关的专业知识，并学习5G基站的知识；了解实验目的和培养目标，为5G基站的选址及优化设计实验做好准备。

操作过程：1.登录系统后，出现5G基站整体介绍的界面（图9），学生可拖动最右侧的滑动栏，对5G基站的概念、作用与功能的简介进行学习；2.点击左侧步骤引导，出现步骤引导弹窗，点击5G基站整体介绍，对5G基站的建设背景进行学习；3.点击左侧最上栏基站天馈系统，可见基站天馈系统的弹窗（图10）；点击左侧栏“切换视角”按钮，可以观察基站高楼背景的切换，基站的铁塔高度与角度，AAU单元所挂的位置，学生可以从多个角度全方位地认识5G基站的逻辑架构以及设备体系；4.学习Massive MIMO天线，点击“切换视角”按钮，进行视角转换，点击Massive MIMO天线模块，了解天线的基本结构与原理；5.点击屋子里面顶部的“馈线过线窗”，了解“馈线过线窗”的结构与原理；点击屋子里面顶部的“防雷保护器”，了解“防雷保护器”的结构与原理；点击屋子里面顶部的“基站主设备”，了解“基站主设备”的结构与原理；6.点击“天线支架调节”，了解“天线支架调节”的结构与原理，对天线支架进行调节操作，观察天线位置对电波传播的影响。7.认知5G基站系统、结构、模块、功能、背景，掌握5G基站系统包括的AAU、BBU等主要模块相关知识。

操作结果：学习了5G基站的知识，认知5G基站系统与结构，掌握了5G主要模块的相关知识。

图9. 5G基站整体介绍

图10.基站天馈系统示意图

图11. 5G天线介绍

图12.BBU介绍

步骤2. 基础原理学习

操作目的：学习5G频段电波传播基础原理，掌握5G频段特性、5G基站选址原理、电波传播机制、5G信道模型、5G信道特性参数、场强覆盖影响因素等主要原理相关知识。

操作过程：1.点击实验系统上方的“设备与原理学习”按钮，弹出（图13）原理学习的界面；2.点击“5G频段特性”的按钮，进行5G特点的学习；3.点击“5G基站选址”的按钮，进行基站选址相关知识的学习（图14）；4. 点击“电波传播机制”的按钮，进行电波传播相关知识的学习（图15）；5. 点击“信道模型”和“信道特性”的按钮，进行信道相关知识的学习（图16，图17）；6.对场强因素的各种影响因素进行学习（图18-图23）。

操作结果：理解了5G频段电波传播基础原理，了解了5G无线电波的各种参数与意义

图13.5G频段特性介绍

图14.5G基站选址因素介绍

图15.电波传播机制介绍

图16.信道模型介绍

图17.信道特性介绍

图18.场强影响因素—发射机功率

图19.场强影响因素—发射机高度

图20.场强影响因素—天线方向系数和增益

图21.场强影响因素—发收机间距离

图22.场强影响因素—馈线损耗

图23.场强影响因素—地形地貌

步骤3. 环节考核

操作目的：考核无线电波传播距离、甚高频无线通信、无线通信衰落模型、材料导体以及基站选址原则等主要原理相关知识。

操作过程：1.点击“设备与原理学习”的按钮，进入5G基站整体介绍的界面，可以浏览相关的知识点；2.点击左侧栏的“环节考核”按钮，对主要知识点测试，考核学生对5G认知、基础原理等设备与原理的掌握程度（图24）；3.在认为正确的选项前点击各考核选项，当选择正确时获得相应的分数，最后统计成绩，作为该环节的得分。

操作结果：考察了无线电波传播距离、甚高频无线通信等相关知识的理解情况，了解学生对第一环节的掌握情况。

图24.环节考核

步骤4. 室内环境建模

操作目的：通过室内环境建模，选择几种已有的室内无线电传播模型，了解室内电波传播的特点，根据室内传播模型进行设计，掌握室内全覆盖时的设计原则，选择最少的设备以满足设计要求。

操作过程：1.点击界面上方“无线电波传播仿真”按钮，在下拉菜单中选择“室内理想无线电波多径传播”选项，然后对房间的长度、宽度和高度进行参数设置（图25）；2.找到右上角“发射天线位置”选项，分别对 “TX-x”、“TX-y” 、“TX-z”进行设置；3. 找到 “接收天线位置”选项，分别对 “TX-x”、“TX-y” 、“TX-z”进行设置，同时设置天线间隔（图31）；4.分别对“信号频率”、“分裂次数”、“发射功率”、“追踪代数”、“房门材质”、“粗糙度”进行相应的设置；5.点击“开始运行”后观察室内无线电波的传输，实验完成后，点击“结束运行”，然后观察实验结果和曲线。

操作结果：了解了室内电波传播的特点，掌握了室内全覆盖时的设计原则。

图25.任务目标

图26.参数设置

步骤5. 室内多径传播

操作目的：加深对室内传播的数学模型的理解，掌握信号频率、分裂次数、追踪代数、房门材质、粗糙度等信号参数的影响；通过更改参数，观察不同位置、不同高度下的传播方式发生了哪些变化。

操作过程：1.点击运行按钮，根据室内多径传播模型，通过控制变量法，动态演示5G频段无线电波在室内环境的直射、反射等多径传播动画过程（图27）2.实现每条路径从发射到接收的信道可视化，促进学生理解掌握室内5G电波多径传播机制3.点击“接收机序号”的下拉菜单，选择不同序号的接收机，然后对不同接收机的各条路径进行观察。

操作结果：理解了室内传播的数学模型，掌握了信号频率、分裂次数等信号参数的影响；观察了不同位置和高度下的传播方式的变化。

图27.多径传播

步骤6. 实验仿真分析

操作目的：通过实时获取电波传播过程的直射、反射等多径传播各种路径数据，进一步仿真分析得到室内路径缺耗、场强分布等信道特性，让学生进一步掌握接收功率和路径损耗与接收信号距离的关系。

操作过程：1. 点击“开始运行”曲线，跳出观察曲线的显示弹窗，可以通过窗口观察接收功率和路径损耗曲线的生成过程（图28）；2.更新发送与接收天线的位置与高度，再次点击运行按钮，重新生成接收功率和路径损耗的曲线；3.比较不同天线的位置与高度下带来不同的接收功率和路径损耗的差异性，并根据实验目标进行调整。

操作结果：实时获取了电波传播过程的各种路径数据，分析了室内路径损耗、场强分布等与接收信号距离的关系。

图28.信道特性

步骤7. 室外环境建模

操作目的：通过室外环境建模，选择几种已有的室外无线电传播模型，了解室外电波传播的特点，设置好室外环境的房间尺寸、发射天线位置、接收天线位置、信号参数。

操作过程：1.点击界面上方“无线电波传播仿真”按钮，在下拉菜单中选择“室外理想无线电波多径传播”选项，然后对小区的长度、宽度和高度进行参数设置（图29）；2.找到右上角“发射天线位置”选项，分别对 “TX-x”、“TX-y” 、“TX-z”进行设置（图30）；3. 找到 “接收天线位置”选项，观察四个接收点的不同接收位置；4.旋转室外小区的建筑物模型，观察小区建筑物的特点，寻找适合布设站点的位置；5.点击“开始运行”后观察室外无线电波的传输，可实时观察到直射、反射和绕射路径的条数，各接收点路径损耗的数值。

操作结果：了解了室外电波传播的特点，掌握了室外环境的尺寸、发射天线位置、接收天线位置、信号参数等设置规则。

图29.任务目标

图30.天线放置位置

步骤8. 室外多径传播

操作目的：了解室外传播的几种数学模型并进行选择，掌握直射路径、反射路径、绕射路径以及路径损耗等参数的意义。

操作过程：1.设置完毕室外各种小区尺寸和天线参数等，点击运行按钮，根据室外多径传播模型，通过控制变量法，动态演示5G频段无线电波在室外环境的直射、反射等多径传播动画过程（图31） 2.实现每条路径从发射到接收的信道可视化，促进学生理解掌握室外电波多径传播机制 3.观察不同的接收点变化时，即接收坐标变化时，直射、反射、绕射等路径的变化；4.点击“观察曲线”的下拉菜单，选择不同序号的接收机，然后对不同接收机的各条路径进行观察。

操作结果：了解了室外电波传播的特点，掌握了室外环境的尺寸、发射天线位置、接收天线位置、信号参数等设置规则。

图31室外多径传播

步骤9. 信号覆盖优化

操作目的：了解室外信号的覆盖情况，通过仿真分析多径传播可以获得每个接收点的接收功率和路径损耗，掌握信号覆盖优化的方法，为后面基站选址优化打好基础。

操作过程：1.设置好各种实验参数，点击“开始运行”按钮，观察三组曲线下的实验数据，与理论值进行比较（图32）；2.旋转小区的建筑物，对多径的情况进行观察，对四个接收机的位置进行调整，避免在某个视角下会出现观察死角的情况； 3.对信号覆盖进行优化点击“观察曲线”的下拉菜单，选择不同序号的接收机，对不同接收机的各条路径进行观察，观察实验结果数据的合理性；4.当实验数据未达到理论的接近值时，需要重新进行布设收发机的位置。

操作结果：考察了室外信号的覆盖情况，分析了每个接收点的接收功率和路径损耗，掌握了信号覆盖优化的方法。

图32.室外接收点的参数与实验结果

步骤10. 环节考核

操作目的：通过室内环境仿真分析和室外接收信号覆盖优化的测试，考核学生对室内外5G无线电波多径传播机制、信号覆盖优化等理论原理的掌握程度。

操作过程：1.点击左侧栏的“实验评价”按钮，对实验进行测评（图33）；2.对学生主要知识点测试，考核学生对室内环境仿真分析和室外接收信号覆盖优化的掌握程度测试；3.对学生的掌握程度给出相应的分数，最后统计成绩，作为该环节的得分。

操作结果：考核了学生对室内外5G无线电波多径传播机制、信号覆盖优化等理论原理的掌握程度。

图33.环节考核

环节三：室内外电波传播仿真

步骤11. 5G基站组装

操作目的：了解5G基站的各个组成部分，各个单元所起的作用；与4G基站相比，有哪些单元不一样，哪些单元做了功能扩展；重点掌握AAU、BBU、RRU整体组装方法；另外，还需要了解蓄电池、空调、监控等附属设施的作用与功能。

操作过程：1. 点击主界面上方的“5G基站选址优化”按钮，进入环节里第一个步骤“组装5G基站”，进入基站组装界面（图34）；2.观察基站场景里已有的模块单元，除附属设施已经部署完毕以外，其余重要单元以“虚位以待”的形式出现（图35）；3. 可以分别将AAU、BBU、RRU单元以及馈线拖入基站场景中的相应位置，并观察与记录它们之间的连接关系；4. 如项目时间紧迫，可以选择一键组装的方式，则所有的单元在点击“一键组装”后，可一次性完成组装过程，最后点击“组装完毕”。

操作结果：理解了5G基站的各个元所起的作用，考核了掌握AAU、BBU、RRU整体组装方法。

图34.任务目标

图35.组装5G基站

步骤12. 鼓楼建筑物建模

操作目的：了解鼓楼广场各个建筑物的特点，学会将建筑物模型与实际的鼓楼广场建筑物对应；掌握正面、侧面、背面等多视角观察鼓楼广场建筑物分布情况。

操作过程：1. 点击主界面上方的“5G基站选址优化”按钮，进入环节里第二个步骤“建筑物建模”，进入建筑物建模界面（图36）；2.开展鼓楼广场的室外环境建模，通过搭建紫峰大厦、邮政大厦、广电大楼、电信大楼等主要建筑物，通过一比一还原再现场景，构建真实室外场景鼓楼广场。3. 通过场景漫游，可以观察了解广场周围建筑物的粗糙度、相对介电常数、电导率，关注影响电波传播和基站选址优化的主要因素。

操作结果：了解鼓楼广场各个建筑物的特点，掌握了正面、侧面、背面等多视角观察鼓楼广场建筑物分布情况。

图36.建筑物建模

步骤13. 人群密度建模

操作目的：了解设置不同人群分布密度的必要性，掌握人群密度分高中低三种情况下对基站布局的影响，观察不同人群密度下的效果。

操作过程：1. 点击主界面上方的“5G基站选址优化”按钮，进入环节里第三个步骤“人群密度建模”，进入人群密度建模界面（图37）；2.人群密度分低热点容量（0-49人/100平米）、中热点容量（50-99人/100平米）、高热点容量（大于100人/100平米）三种；3.通过选择高密度人群分布、中密度人群分布、低密度人群分布等不同类型，可以根据后续实验仿真需要设置鼓楼广场为高热点场景。

操作结果：学习了不同人群分布密度的特点，理解了人群密度分高中低三种情况下对基站布局的影响，观察了不同人群密度下的效果。

图37.人群密度建模

步骤14. 5G基站选址

操作目的：观察鼓楼广场建筑物的特点，确定待布设基站的位置；学习5G基站的布设原则；掌握基站布设的技巧，学会有效地提高预布基站的效率。

操作过程： 1. 点击主界面上方的“5G基站选址优化”按钮，进入环节里第四个步骤“5G基站选址”，进入基站选址的界面（图38）；2.可观察到右上角显示“基站背包”，可从中选择基站并可拖放到待放置基站区域；3.根据基站选址“三务必原则”，开展布设基站位置和数量（图39）；4.通过点击下方设备库按钮，拖动基站放在合适的位置，同时可以仿真得到布设基站的相应信号覆盖范围分布情况；5.基站布设完毕后，点击右下方“开始运行”按钮，可观察到基站以光波的形式形象地示意电磁波；6.当个别基站需要调整位置时，可点击基站下方的三维数据方框，出现“基站移动”和“基站删除”两个按钮选项，可根据需要作相应地选择；7.在观察窗口可选择信号“优”、 “良”、 “差”三个不同等级，此次可以多选，主界面中则会相应地显示不同的信号强度分布情况；8.点击 “观察”按钮，主界面中各基站之间的多径路线会显示（图45），如只需展示部分的优良差情况，可以点击“重新选择”按钮，进行重新观察。

操作结果：观察了鼓楼广场建筑物并了解了的特点，学习了5G基站的布设原则；掌握了基站布设的技巧。

图38.5G基站选址

图39.“三务必”选址原则

图40.高热点场景的无线电多径传播

步骤15. 基站选址优化

操作目的：学习基站选址的优化理论依据，根据理论方法指导基站选址的优化操作；观察信号优良差的分布情况，根据评估结果反馈，掌握盲区基站数量覆盖效果干扰情况等参数影响。

操作过程： 1.点击“结束观察”，弹出选址有效性评估界面，显示操作者的实验数据和理论参考的数据；2.比较盲区、基站数量、热点覆盖效果以及基站之间的干扰效果的实测数据与理论数据；3.如对实测数据不满意，可以点击“校正选址”按钮，仔细阅读并理解基站选址的原则，选择合适的室外自由空间传播模型（图41）；4.根据5G基站选址优化模型，评估每次布设基站选址方案的相应信号覆盖范围分布效果；5.采用容错法，若不满足本次选址优化目标的实验数据，可点击重新设计，重新布设发射点基站位置和数量；6.如果已经达到满意的实验数据，点击“保存数据”按钮，系统将实验的参数与实验结果都在后台保存；如果未达到所需求的效果，点击“返回基站选址”按钮，对基站布局进行重新选址和优化。

操作结果：学习了基站选址的优化理论依据，观察了信号优良差的分布情况，掌握了盲区基站数量覆盖效果干扰情况等参数影响。

图41.选址有效性评估

步骤16.验收考核

操作目的：查阅与分析最终的实验报告，对设备与原理部分的内容进行整改；查阅与分析最终的实验报告，对室内外电波仿真的内容进行整改；C.查阅与分析最终的实验报告，对5G基站的选址优化的内容进行整改；

操作过程： 1.观察主界面右上方的本次基站布设后的通信情况报表，展示基站数量、本次基站布设成本、信号覆盖范围、信号优良差的各个比例数据（图42）；2. 查阅所显示的基站选址优化的理论依据模型，对实验结果与理论值进行比较；3.观察主界面右下方的信号分布热力图，可以直观地观察到整个高热点区域的信号分布情况，找出信号强度较弱的区域和盲区所在的区域；4.点击“方案评价”按钮，显示方案评价的弹窗，显示本次实验信号覆盖分布结果，包括覆盖率、重叠率以及网络容量三个最重要的参数（图43）；5.根据弹窗右上方的方案评价里的定性和定量的成绩，评估是否重新进行基站选址优化；6.通过仿真得到覆盖范围分布的数据记录，最终得到本次实验评价的五个维度考核结果。选择最优的数据提交，顺利完成本次实验。

图42.高热点信号热力图分布

图43.基站布设的方案评价