快速部署5G網(wǎng)絡(luò)天面融合工程方法研究

鄭圣土，潘 戟，吳月文，張華東

（1.浙江云鋒網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000；2.中國(guó)鐵塔溫州市分公司，浙江 溫州 325000；3.中國(guó)聯(lián)通溫州分公司，浙江 溫州 325000）

0 引 言

2019年6月6日，工信部正式向中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)廣電4家運(yùn)營(yíng)商發(fā)放5G商用牌照。這意味著中國(guó)正式進(jìn)入了5G商用元年，并成為繼韓國(guó)、美國(guó)、瑞士、英國(guó)之后，全球第5個(gè)開(kāi)通5G服務(wù)的國(guó)家。2020年3月，中共中央政治局常務(wù)委員會(huì)召開(kāi)會(huì)議提出，加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度。5G基站建設(shè)排在新基建首要位置，如何快速部署5G網(wǎng)絡(luò)，做好5G網(wǎng)絡(luò)與2G、3G、4G的融合，進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋，更好地服務(wù)用戶，同時(shí)為5G技術(shù)演進(jìn)的研究掌握主動(dòng)權(quán)，為上下游的產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展提供保障，是當(dāng)前各大廠商和運(yùn)營(yíng)商面臨的主要問(wèn)題。

2019年9月9日，中國(guó)電信與中國(guó)聯(lián)通聯(lián)合簽署了《5G網(wǎng)絡(luò)共建共享框架合作協(xié)議書(shū)》，宣布將攜手共同建設(shè)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)合作協(xié)議，中國(guó)電信將與中國(guó)聯(lián)通在全國(guó)范圍內(nèi)合作共建5G接入網(wǎng)絡(luò)。

2020年5月20日，中國(guó)移動(dòng)與中國(guó)廣電對(duì)外宣布合作，并簽訂5G共建共享的合作框架協(xié)議。中國(guó)廣電的優(yōu)質(zhì)頻段和內(nèi)容資源，與中國(guó)移動(dòng)的成熟技術(shù)設(shè)備相互疊加，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手共享優(yōu)勢(shì)。中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)廣電將以1：1比例共同投資建設(shè)700 MHz 5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，共同所有并有權(quán)使用700 MHz 5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)。

綜上，未來(lái)中國(guó)要建設(shè)兩張5G的網(wǎng)絡(luò)，中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通共建一張5G網(wǎng)絡(luò)，中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)廣電共享一張5G網(wǎng)絡(luò)。如何快速部署5G網(wǎng)絡(luò)主要存在以下困難：（1）5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備用電需求是4G的3倍以上，因此站點(diǎn)電源整改是第一大難點(diǎn)，接近90%的站點(diǎn)需要整改；（2）天面空間需整改，能直接滿足需求的天面在4%左右，改造工作量巨大，且80%以上的天線需要做天饋融合，是本文研究的重點(diǎn)；（3）傳輸資源改造，5G的網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)組網(wǎng)，且對(duì)傳輸?shù)脑O(shè)備要求更高，70%的站點(diǎn)需要進(jìn)行傳輸改造；（4）機(jī)房空間需要改造，約30%的機(jī)房需要增加機(jī)柜。

1 5G網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

5G也稱為第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，是下一代無(wú)線系統(tǒng)移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。5G網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是通過(guò)高接入速率、低使用時(shí)延、海量連接能力、超高流量密度，實(shí)現(xiàn)人與物的智能互聯(lián)、信息的高速傳輸，從而滲透到未來(lái)社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，構(gòu)建以用戶為中心的全方位信息生態(tài)系統(tǒng)?！?G改變生活，5G改變社會(huì)”，5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將以全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，提供超高傳輸速率、毫米級(jí)傳輸時(shí)延和千億級(jí)連接能力，開(kāi)啟萬(wàn)物廣泛互聯(lián)、人機(jī)深度交互的新時(shí)代，對(duì)社會(huì)產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響將超過(guò)前幾代移動(dòng)通信技術(shù)。

5G能為用戶提供高清視頻、云桌面、在線游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR）等高端業(yè)務(wù)體驗(yàn)。5G還將應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，融合工業(yè)設(shè)施、醫(yī)療儀器以及交通工具等設(shè)備全面實(shí)現(xiàn)“萬(wàn)物互聯(lián)”，有效滿足工業(yè)、醫(yī)療以及交通等相關(guān)行業(yè)的信息化服務(wù)[1]。

為滿足5G的業(yè)務(wù)需求，它的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須具有高度靈活性、穩(wěn)定性、支持更多的工作模式，還需要高密度網(wǎng)絡(luò)，使用高級(jí)小區(qū)、高級(jí)節(jié)點(diǎn)互操作和自組織網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，5G網(wǎng)絡(luò)通過(guò)載波聚合實(shí)現(xiàn)更高的頻譜，可以在許可或非許可頻段上實(shí)現(xiàn)，可以工作在毫米波段，也可以通過(guò)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

無(wú)線接入網(wǎng)技術(shù)是5G技術(shù)中最關(guān)鍵的技術(shù)之一。圖1給出了實(shí)現(xiàn)5G需求所需的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)。5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到Gb/s量級(jí)，這需要通過(guò)使用大MIMO、毫米波和新波形及軌道角動(dòng)量復(fù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)。不同的蜂窩和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)于容量和帶寬的需求非常大。未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率必須增加Gb/s量級(jí)。較高的數(shù)據(jù)速率可以通過(guò)使用毫米波頻譜來(lái)實(shí)現(xiàn)，較小的毫米波長(zhǎng)度可以與定向天線組合，從而支持更高吞吐量，因?yàn)榇驧IMO作為空間處理技術(shù)可以提供正交極化和波束賦形。此外，5G用戶大連接需求需要采用新型多址技術(shù)，即非正交多址技術(shù)（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）[2]。

圖1 5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

圖2給出了無(wú)線接入網(wǎng)有效的毫米波。通過(guò)載波聚合可以支持更高的數(shù)據(jù)速率，即通過(guò)頻譜組合技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)更大的虛擬帶寬。其中一個(gè)策略就是使用許可或非許可頻段進(jìn)行載波聚合以改善帶寬。

圖2 適用于5G無(wú)線接入網(wǎng)的毫米波

MIMO技術(shù)基于多進(jìn)多出的天線陳列技術(shù)，是將多根發(fā)射天線和接收天線進(jìn)行陣列組合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可以看作智能天線陣列。由于它優(yōu)于部分多用戶MIMO，所以在5G中必須使用該技術(shù)。大MIMO技術(shù)需要基于上百陣元，通常工作在超過(guò)10 GHz的高頻，從而大大增加容量。

2 5G網(wǎng)絡(luò)部署

運(yùn)營(yíng)商企業(yè)自拿到5G牌照后抓緊部署網(wǎng)絡(luò)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀進(jìn)行了充分調(diào)研和摸底。先對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的頻段進(jìn)行分析如表1所示，根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)情況，基本上每個(gè)站點(diǎn)移動(dòng)都至少部署了2G+4G占用6副天線；聯(lián)通、電信部署了2G+4G或者3G+4G，天面資源已經(jīng)非常緊張。

自2014年鐵塔公司成立以來(lái)，天面的共享率已提升至80%以上，各類地面和樓面的塔型已無(wú)空余的天面空間。對(duì)溫州地區(qū)的100個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行摸底調(diào)研，情況如表2所示，能直接安裝和滿足新增抱桿條件的占比小于20%。80%以上的站點(diǎn)需要對(duì)天面進(jìn)行融合改造，以騰出空間安裝5G天線。溫州地區(qū)的5G網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)單獨(dú)建設(shè)，電信和聯(lián)通委托聯(lián)通建設(shè)，以下分移動(dòng)和聯(lián)通兩類情況對(duì)天面融合進(jìn)行討論。

表1 3家運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)網(wǎng)的頻段

表2 摸底100個(gè)站點(diǎn)的天面情況

2.1 移動(dòng)的天面融合方案

天面融合的原則：頻段相近，優(yōu)先合并；基礎(chǔ)覆蓋層，最小合并；方位角相差＞30°，不合并；高度相差＞10 m，不合并?；谛阅苡绊戭A(yù)評(píng)估，平衡網(wǎng)絡(luò)性能和投資推薦合理的天線選型，基于迭代RF參數(shù)規(guī)劃，最小化對(duì)現(xiàn)網(wǎng)2/3/4G的性能影響。如表3所示。

2.2 聯(lián)通的天面融合方案

現(xiàn)網(wǎng)以單、雙面為主，基本原則如表4所示：天面有空間場(chǎng)景，新建抱桿部署；存量站點(diǎn)有空閑抱桿場(chǎng)景，優(yōu)先考慮利舊現(xiàn)有抱桿，利舊前需做利舊可行性評(píng)估和加固方案評(píng)估；天面不滿足場(chǎng)景，通過(guò)多端口天線收編存量天線，騰出抱桿。

3 天面部署工程實(shí)踐

經(jīng)過(guò)提前摸排站點(diǎn)情況，對(duì)移動(dòng)和聯(lián)通的天面融合方案進(jìn)行匯總研究討論，確認(rèn)了以下4個(gè)工程實(shí)踐的方案，包含天線直接替換、新增抱桿、天面融合后騰出抱桿以及美化特殊站點(diǎn)的安裝示例。

表3 天饋性能影響評(píng)估，篩選最優(yōu)合并方案

表4 聯(lián)通天面融合原則

3.1 方案一：天線直接替換

移動(dòng)的D頻段獨(dú)立天線，替換D頻天線，160M帶寬直接替換現(xiàn)網(wǎng)D頻天線，實(shí)現(xiàn)4G演進(jìn)3D MIMO增加容量，如圖3所示。

圖3 直接替換

3.2 方案二：有空余空間，新增抱桿

有空余空間或抱桿直接上塔，有新增抱桿條件可新增抱桿，如圖4所示。

圖4 新增抱桿

3.3 方案三：二天面以上，融合替換

推薦全頻天線收編所有天面在滿足覆蓋要求下，考慮直接替換，如圖5所示。

圖5 融合替換示例

3.4 方案四：特殊美化站點(diǎn)

選擇標(biāo)準(zhǔn)安裝件或者大抱桿安裝天線，如圖6所示。

圖6 美化站點(diǎn)安裝示例

3.5 創(chuàng)新方案五：抱桿接續(xù)及加輔桿利舊現(xiàn)有抱桿

針對(duì)天面空間不足，通過(guò)抱桿接續(xù)及加輔桿利舊現(xiàn)有抱桿，如圖7所示。

圖7 抱桿接續(xù)及橫向增加輔助桿

3.6 創(chuàng)新方案六：女兒墻隱蔽安裝

針對(duì)中國(guó)區(qū)傳統(tǒng)樓頂站點(diǎn)天面空間受限，增加傳統(tǒng)天面時(shí)容易因?yàn)楸痪用窀兄鴮?dǎo)致部署5G受阻，采用女兒墻安裝解決方案實(shí)現(xiàn)5G AAU貼墻安裝，提高隱蔽性，如圖8所示。

4 效果及指導(dǎo)意義

通過(guò)以上方案的逐步實(shí)施推進(jìn)，目前在溫州地區(qū)已快速實(shí)現(xiàn)了5G網(wǎng)絡(luò)的廣度覆蓋。溫州移動(dòng)的5G基站數(shù)量已經(jīng)突破4 000座，溫州聯(lián)通和溫州電信的5G基站數(shù)量也突破2 000座。溫州3家運(yùn)營(yíng)商及溫州鐵塔還在繼續(xù)搶抓時(shí)間快速部署5G網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)到2020年底將突破8 000座5G基站，基本實(shí)現(xiàn)溫州主城區(qū)的廣度覆蓋和機(jī)場(chǎng)、動(dòng)車站等交通樞紐以及旅游景區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域的深度覆蓋。此外，隨著網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步覆蓋，用戶將不斷增長(zhǎng)，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的下降，需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化規(guī)劃和調(diào)整。

圖8 女兒墻安裝示例