5G場景化網(wǎng)規(guī)方案探討

潘彩華/PAN Caihua

（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057）

(ZTE Corporation, Shenzhen 518057, China)

1 概述

1.1 5G網(wǎng)規(guī)方案關(guān)注點

5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開始進入規(guī)模建設(shè)階段[1-4]。為了更好地體現(xiàn)5G性能，需要從場景角度，如宏覆蓋、密集住宅區(qū)、場館、校園、地鐵、高鐵等場景[5]給出精準專業(yè)的規(guī)劃建設(shè)方案?；诖笠?guī)模天線陣列的大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）是5G空口核心技術(shù)，該技術(shù)帶來的空口革新技術(shù)極大地提升了5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋和性能。這主要表現(xiàn)在：通過廣播窄波束掃描、多樣化天線權(quán)值組合及用戶級動態(tài)窄波束精準覆蓋提升覆蓋能力；同時通過基于波束賦形的多用戶（MU）-MIMO技術(shù)，提升網(wǎng)絡(luò)頻譜效率。傳統(tǒng)的網(wǎng)規(guī)方法無法滿足基于大規(guī)模MIMO的網(wǎng)絡(luò)覆蓋、速率和容量規(guī)劃需求。5G網(wǎng)規(guī)需要解決的核心問題是如何基于大規(guī)模MIMO技術(shù)進行場景化精準網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)。

1.2 5G 大規(guī)模MIMO特性分析

5G引入了廣播波束掃描的概念。小區(qū)廣播信息通過同步/廣播塊（SSB）發(fā)送，包含主同步信號（PSS）、輔同步信號（SSS）和物理廣播信道（PBCH）。SSB在多個不同指向的子波束上依次發(fā)射，其個數(shù)與具體定義的幀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。2.6 GHz頻段、5 ms單周期結(jié)構(gòu)最多有8個SSB可選位置，最大可以支持8個子波束；3.5 GHz頻段、2.5 ms雙周期結(jié)構(gòu)最多有7個SSB可選位置，最大可支持7個子波束。經(jīng)過5G建網(wǎng)研究，目前主流網(wǎng)絡(luò)采用7/8波束組網(wǎng)[6]。

SSB每個子波束，通過配置不同的天線端口權(quán)值，來確定各自的波束寬度和指向。5G小區(qū)支持靈活的廣播波束權(quán)值配置，生成不同組合的SSB賦型波束，以滿足不同場景覆蓋要求。5G天線與4G天線的不同之處在于3D波束賦形，即相較于2D波束賦形，在垂直維度增加了一個可利用的維度[7]。5G新的天線特性帶來的垂直面覆蓋和性能變化，需要在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中進行相應(yīng)的規(guī)劃和研究。

2 5G場景化網(wǎng)規(guī)方案

5G建網(wǎng)首先需要根據(jù)建筑物、覆蓋、話務(wù)、信息點（POI）等信息建立場景特征庫，精準區(qū)分場景，然后根據(jù)場景特征匹配64收發(fā)通道（TR）、32TR、8TR、4TR、2TR以及Pico等產(chǎn)品。宏站產(chǎn)品最終通過天線權(quán)值規(guī)劃給出小區(qū)級別規(guī)劃方案，并需要綜合場景、設(shè)備能力、成本給出解決方案[8]，如圖1所示。

▲圖1 5G場景化方案匹配

2.1 5G場景劃分

5G精準規(guī)劃需要進行場景識別。首先利用在線地圖的POI識別可以得到建筑物的居民區(qū)、辦公樓等屬性，然后結(jié)合高精度電子地圖提取建筑物信息，最后根據(jù)覆蓋、話務(wù)信息綜合確定場景類別。

借助大數(shù)據(jù)平臺，結(jié)合上述幾個維度綜合得到的小區(qū)級別、柵格級別和建筑物級別的價值信息，區(qū)分出需要宏覆蓋場景、室分覆蓋場景以及深度覆蓋場景。場景與產(chǎn)品匹配得到場景化方案。

2.2 場景化規(guī)劃方案

室外宏覆蓋場景需要結(jié)合實際需求選擇宏覆蓋設(shè)備進行覆蓋，以保證室外用戶感知。深度覆蓋場景可以引入微站，改善核心價值區(qū)的覆蓋和容量性能。高價值室內(nèi)及競爭對標(biāo)區(qū)域引入新型室分，提升用戶體驗。部分現(xiàn)網(wǎng)4G部署室內(nèi)分布系統(tǒng)的場景，在容量需求滿足的情況下，可考慮利用舊室內(nèi)分布系統(tǒng)進行快速低成本部署。

2.2.1 宏站規(guī)劃方案

2.2.1.1 不同宏站能力對比分析

64TR設(shè)備和32TR設(shè)備是室外最主要的產(chǎn)品，在實際建網(wǎng)中如何選擇至關(guān)重要，這需要綜合覆蓋、容量和無線環(huán)境等幾個維度進行評估。

（1）水平覆蓋對比。64TR可提升上行覆蓋，使邊緣速率提升1.5倍；下行賦型更精準，下行邊緣速率可提升2倍。

（2）容量對比。多流自適應(yīng)場景下，相對于32TR，64TR在靜止環(huán)境、全緩沖業(yè)務(wù)下提供16%左右的流量增益，在移動環(huán)境下提供36%左右的流量增益。

綜合以上分析，由于空間分辨率的提高，相比于32TR，64TR在靜止和移動環(huán)境下均能提供顯著的吞吐量增益。

（3）垂直覆蓋維度。相對于32TR，針對樓宇覆蓋，64TR在低、中、高層均有明顯的性能增益，約為6%～43%；針對地面覆蓋，64TR有4%～15%的性能增益。同時，由于更大的垂直天線3 dB擴展角、更靈活的業(yè)務(wù)賦形能力，64TR為整個垂直維度（尤其是中高層覆蓋）都帶來明顯的性能增益。

垂直覆蓋維度對比結(jié)果表明：64TR更適合樓宇覆蓋。我們建議64TR應(yīng)用于10層以上的中高樓宇覆蓋，32TR應(yīng)用于中低層樓宇覆蓋，測試結(jié)果如圖2所示。

（4）從無線環(huán)境角度考慮。在密集城區(qū)和一般城區(qū)，無線環(huán)境復(fù)雜，MU-MIMO配對成功率高，64TR性能更優(yōu)；在郊區(qū)和農(nóng)村，無線環(huán)境相對簡單，MU-MIMO配對成功率降低，32TR足夠滿足性能需求。

需要精確進行大規(guī)模MIMO站點規(guī)劃時，建議在用戶/業(yè)務(wù)高熱區(qū)域使用64TR；非高話務(wù)區(qū)域可選擇性使用32TR，以降低建網(wǎng)成本。

2.2.1.2 場景化站點選擇建議

從場景特點來看，密集城區(qū)和一般城區(qū)站間距在200～500 m，話務(wù)密度大，80%用戶發(fā)生在建筑物室內(nèi)；郊區(qū)、農(nóng)村等場景話務(wù)量相對低，50%用戶發(fā)生在室內(nèi)[9]。結(jié)合不同場景環(huán)境和話務(wù)特征，根據(jù)64TR、32TR和8TR等常見設(shè)備機型的覆蓋、容量以及工程情況差異，場景化站點選擇建議如下：

（1）覆蓋維度。當(dāng)超過20%的覆蓋區(qū)域高度大于10層建筑物為中高樓宇場景時，建議64TR應(yīng)用于10層以上的中高樓宇覆蓋，32TR應(yīng)用于8層以下中低層樓宇覆蓋。

（2）容量維度。熱點場景判別，根據(jù)4G現(xiàn)網(wǎng)熱點選擇。建議在用戶/業(yè)務(wù)高熱區(qū)域使用64TR；非高話務(wù)區(qū)域可選擇性使用32TR，以降低建網(wǎng)成本。

（3）城區(qū)、高熱場景可主要采用64TR設(shè)備；郊區(qū)、農(nóng)村等場景可以主要采用32TR設(shè)備。

（4）站型選擇要盡量連片成簇，避免完全小區(qū)級別插花，可以通過64TR+32TR混合組網(wǎng)（64TR為主，32TR為輔），實現(xiàn)高低搭配，以兼顧容量和成本。局部天面受限場景、高鐵等場景，可以考慮采用8TR設(shè)備。

2.2.2 深度覆蓋規(guī)劃方案

對于高熱和補盲場景，需要結(jié)合微站等產(chǎn)品增強覆蓋和容量，給出網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建議。微站產(chǎn)品體積小，安裝靈活，可以與宏站、室分一起宏微組網(wǎng)，以滿足現(xiàn)網(wǎng)需求提升網(wǎng)絡(luò)性能。

（1）柵格級分析。地理化柵格級覆蓋數(shù)據(jù)以及話務(wù)數(shù)據(jù)通過聚類分析后，得到現(xiàn)網(wǎng)存在弱覆蓋區(qū)域和高熱區(qū)域。

（2）站址部署方案?？紤]場景信息、話務(wù)量、弱覆蓋面積、與現(xiàn)網(wǎng)站址距離等因素，通過決策樹算法，匹配場景和設(shè)備，給出最優(yōu)站址部署方案。

2.2.3 室分規(guī)劃方案

4G現(xiàn)有室分建議全部利舊，以充分滿足5G用戶業(yè)務(wù)需求。根據(jù)4G室分部署屬性以及話務(wù)等信息，確定場景化部署方案，以滿足5G不同話務(wù)需求。同時在滿足4G高流量和形態(tài)特征的建筑物中新建5G室分，主要包括占地面積、建筑高度、建筑物形態(tài)特征、話務(wù)量等條件。部署流程如圖3所示。

2.3 5G天線權(quán)值規(guī)劃方案

5G候選站點進行初始參數(shù)規(guī)劃分為兩個階段：利舊站點參數(shù)規(guī)劃和加站后的參數(shù)迭代規(guī)劃，主要涉及工程參數(shù)規(guī)劃和廣播天線權(quán)值規(guī)劃。

工程參數(shù)的下傾角方案。對于利舊站點，考慮繼承4G現(xiàn)網(wǎng)下傾和5G天線的特性，采用大機械下傾的策略；對于新建站，通過機器學(xué)習(xí)方法提取城區(qū)覆蓋環(huán)境特性，預(yù)測覆蓋效果，采用理想下傾角。

天線權(quán)值規(guī)劃利用大數(shù)據(jù)平臺完成，確定優(yōu)化權(quán)值集合，之后通過自動小區(qū)工參優(yōu)化（ACP）對工程參數(shù)和天線權(quán)值進行綜合尋優(yōu)。

2.3.1 下傾規(guī)劃方案

8TR宏站的垂直面3 dB寬度很小，一般只有6°～8°，無須設(shè)置較大物理下傾角，即可避免鄰區(qū)用戶終端（UE）的上行干擾落入3 dB主瓣范圍。在2 GHz左右頻段，2、4、8天線情況類似。

▲圖2 64收發(fā)通道和32收發(fā)通道的不同樓層速率實測增益對比

對于64TR產(chǎn)品，業(yè)務(wù)波束垂直面單元3 dB寬度達到26°～28°，并且上、下行波形不一致，對于工參有著不同的需求。

（1）下行：信號經(jīng)過多端口數(shù)字權(quán)值賦形后，再從天線發(fā)射，波形已經(jīng)是各通道加權(quán)后的結(jié)果。此時波束垂直寬度和傳統(tǒng)天線近似，所對應(yīng)的工參也同傳統(tǒng)天線近似。

（2）上行：信號在單個通道接收后，再通過權(quán)值加權(quán)合并產(chǎn)生賦形增益。在進入天線時，波形是單通道的大垂直寬度；因此需要大機械下傾，才能避免鄰區(qū)的噪聲抬升（NI）落入3 dB主瓣接收范圍。干擾示意圖如圖4所示。

對于5G產(chǎn)品下傾角方案，采用的方法為增大機械下傾角，保持5G天線和常規(guī)天線的上3 dB角度一致，規(guī)避上行干擾。同時通過權(quán)值調(diào)整，使用合適的廣播電子傾角，保持廣播法線方向和常規(guī)天線一致。

5G下傾角設(shè)置建議如下：

（1）初始總下傾角≤15°，則有源天線單元（AAU）機械下傾角等同初始總傾角，下行廣播電子傾角為0°。

（2）初始總下傾角＞15°，則AAU機械下傾角固定為15°，不足采用廣播電子下傾補充。

（3）對于高樓垂直覆蓋或者存在弱覆蓋的情況等場景，需要結(jié)合實際情況設(shè)置下傾角。

2.3.2 天線權(quán)值規(guī)劃

小區(qū)覆蓋的用戶分布是不均勻的，特別是高層建筑物較多的密集城區(qū)。用戶的立體分布隨建筑物而變化，這就需要將天線的能量集中于這些用戶密集的高價值區(qū)域，以提升用戶的整體體驗，獲得更好的投資回報。4G天線通過寬波束進行方位角和下傾角的整體調(diào)整。而5G的多波束天線支持3D波束賦形，可以精準打向某個用戶密集區(qū)域，從而提升整體的覆蓋效率和用戶體驗。5G天線權(quán)值規(guī)劃，是指對5G天線權(quán)值的天線參數(shù)四元組（水平波瓣寬度、垂直波瓣寬度、下傾角和方位角）進行規(guī)劃。5G天線權(quán)值可以產(chǎn)生上萬種組合，在實際建網(wǎng)過程中，需要根據(jù)設(shè)備進行選擇。然后結(jié)合大數(shù)據(jù)和高精度電子地圖，輸出小區(qū)級別精準天線權(quán)值規(guī)劃方案。

中興通訊網(wǎng)規(guī)大數(shù)據(jù)平臺支持基于高精度電子地圖和機器學(xué)習(xí)算法的天線權(quán)值規(guī)劃方案，并利用工參信息、高精度3D電子地圖生成MN二維點陣圖（點陣圖代表該站點覆蓋區(qū)域內(nèi)建筑物形態(tài)和分布特 征）。該大數(shù)據(jù)平臺根據(jù)覆蓋區(qū)域?qū)挾群拖噜徯^(qū)方位夾角，確定水平波瓣寬度要求；通過扇區(qū)背景建筑物形態(tài)分析，確定垂直波瓣寬度要求；最終通過扇區(qū)背景建筑形態(tài)匹配權(quán)值庫，確定站點候選權(quán)值集合，以準確考慮每個小區(qū)的無線環(huán)境特征，獲取最佳網(wǎng)絡(luò)性能。表1是使用大數(shù)據(jù)平臺對某個高層建筑較多的小區(qū)權(quán)值規(guī)劃的結(jié)果。

▲圖3 5G室分部署流程

▲圖4 不同波瓣寬度上行干擾示意圖

為應(yīng)對高層建筑物的立體覆蓋需求，垂直波瓣寬度達到25°的4層權(quán)值被采用。針對規(guī)劃權(quán)值，單波束和單層7波束對比驗證的實測結(jié)果如下：

（1）道路覆蓋方面：水平7波束權(quán)值配置，理論波束增益最大。根據(jù)測試統(tǒng)計數(shù)據(jù)，相比單波束，水平7波束整體有2～7 dB增益；相比垂直波束，在其主波瓣方向，有2～5 dB左右增益。非主瓣范圍，覆蓋弱于垂直波束。總的來說，在兼顧高樓覆蓋場景時，垂直波束配置不會影響道路邊緣覆蓋率。

（2）樓宇覆蓋方面：該小區(qū)下96 m高樓建筑內(nèi)部多層定點測試對比結(jié)果，如圖5所示。垂直4層波束相比單層7波束，垂直覆蓋范圍從7°變寬到25°。整體平均約有5 dB增益，低層和高層覆蓋約有8 dB增益?？偟膩碚f，使用垂直波束能夠有效提升高樓室內(nèi)覆蓋率。

根據(jù)測試結(jié)果，合理規(guī)劃5G天線權(quán)值，針對性采用多層權(quán)值，可以更好地滿足建筑物內(nèi)部立體覆蓋需求，在保證道路覆蓋率的基礎(chǔ)上提升室內(nèi)覆蓋，從而提升整體網(wǎng)絡(luò)覆蓋和性能。

3 結(jié)束語

基于大規(guī)模MIMO天線3D賦形特性，5G場景化網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案依托于大數(shù)據(jù)平臺和高精度電子地圖，根據(jù)產(chǎn)品特性給出不同場景的規(guī)劃方案和天線權(quán)值的場景化應(yīng)用。這使得網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案能更精準地匹配網(wǎng)絡(luò)場景化需求，更好地提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋和性能，并為5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供有效的落地支撐作用。

表1 中興通訊網(wǎng)規(guī)大數(shù)據(jù)平臺對某小區(qū)的權(quán)值規(guī)劃結(jié)果

▲圖5 不同波束在建筑物內(nèi)測試結(jié)果對比

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，5G場景和業(yè)務(wù)會越來越復(fù)雜，對網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的精準化和智能化要求也在日益提升?；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)的場景化方案和權(quán)值規(guī)劃方案，將會進一步提升面對復(fù)雜場景的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃能力。