5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法探討

田艷中，陽 波，李忠良，李 兵

（湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410126）

0 引 言

2019年6月6日，國家工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯(lián)通以及中國廣電發(fā)放5G商用牌照，標(biāo)志著中國正式進(jìn)入5G商用元年。與前幾代移動通信系統(tǒng)相比，5G系統(tǒng)能夠滿足超高速率、超低時延、超高可靠性、超高速移動以及海量連接等性能要求，提供多樣化和差異化的業(yè)務(wù)應(yīng)用。5G網(wǎng)絡(luò)將滲透到社會的各個方面，全面實現(xiàn)萬物互聯(lián)，加速經(jīng)濟(jì)社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益明顯。同時，5G無線新空口技術(shù)對無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提出了新的挑戰(zhàn)。因此，如何做好5G目標(biāo)網(wǎng)規(guī)劃和場景化規(guī)劃、建設(shè)一個5G精品網(wǎng)絡(luò)顯得非常重要。本文將在前期5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，分析5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法。

1 5G規(guī)劃面臨的挑戰(zhàn)

1.1 多業(yè)務(wù)、多場景帶來的挑戰(zhàn)

5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用具有多業(yè)務(wù)特點，對速率（用戶體驗速率0.1～1 Gb/s）、時延（1 ms）、可靠性（99.999%）和連接數(shù)量（100萬/km2）等方面提出了很高要求。同時，因為新業(yè)務(wù)的引入，5G應(yīng)用場景遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡(luò)的范圍。

多樣化的業(yè)務(wù)應(yīng)用對5G網(wǎng)絡(luò)提出了不同的性能要求，針對每種業(yè)務(wù)應(yīng)用需采用對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)部署方式。例如：不同業(yè)務(wù)應(yīng)用需考慮CU/DU部署方式，eMBB業(yè)務(wù)需考慮超密集組網(wǎng)方式，uRLLC業(yè)務(wù)需考慮MEC部署需求等。

5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃需要考慮場景精細(xì)化劃分。5G無線規(guī)劃場景除了傳統(tǒng)典型場景以外，還增加了低空空域、人不可達(dá)區(qū)域等新型場景。不同的場景具有不同的業(yè)務(wù)需求，應(yīng)根據(jù)不同場景采用針對性的網(wǎng)絡(luò)解決方案。

1.2 高頻段帶來的挑戰(zhàn)

5G采用Sub 6 GHz和24～40 GHz高頻頻段。與低頻段相比，高頻段具有更大的穿透損耗和路徑損耗。與1.8 GHz相比，2.6 GHz鏈路損耗大4～7 dB，3.5 GHz鏈路損耗大11～15 dB，4.9 GHz鏈路損耗大17～21 dB。24～40 GHz頻段覆蓋能力有限，視距傳播為主，對葉衰、雨衰等較為敏感[1]。5G通過多天線增大上行分集增益等技術(shù)來補償高頻段帶來的部分損耗，但總體上5G基站覆蓋范圍變小，需要更多的站址資源。

1.3 大規(guī)模陣列天線帶來的挑戰(zhàn)

大規(guī)模陣列天線（Massive MIMO）通過波束權(quán)值調(diào)整，實現(xiàn)覆蓋能力和頻譜效率的提升。在大規(guī)模陣列天線波束方案中，不同方位角和傾角將會組合出大量的覆蓋波形，將改變傳統(tǒng)移動網(wǎng)絡(luò)基于扇區(qū)級的寬波束規(guī)劃方法。

1.4 超密集組網(wǎng)帶來的挑戰(zhàn)

在高流量熱點區(qū)域場景中，5G將采用宏微異構(gòu)的超密集組網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行部署，以實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的高容量和高速率性能。但是，超密集組網(wǎng)技術(shù)的一些特點給5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃帶來了挑戰(zhàn)。

1.4.1 站址規(guī)劃

室內(nèi)外熱點區(qū)域采用宏基站、微基站以及皮基站超密集部署方式，進(jìn)一步縮小了基站間距，大幅增加了站點數(shù)量，給站址規(guī)劃和獲取帶來了更大難度。

1.4.2 切換和干擾

在復(fù)雜、異構(gòu)以及密集場景下，高密度的站點可能帶來較嚴(yán)重的切換和干擾問題。因此，在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中需要考慮切換優(yōu)化設(shè)置和干擾控制。

1.5 新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)帶來的挑戰(zhàn)

5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包含NSA和SA兩種。NSA（非獨立組網(wǎng)）以4G基站為錨點，進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)部署。SA（獨立組網(wǎng)）為5G網(wǎng)絡(luò)獨立新建。與SA相比，NSA組網(wǎng)方案在信令錨點的選擇及異廠家設(shè)備的兼容性方面，對站址約束及互操作帶來了挑戰(zhàn)。同時，NSA采用雙連接方式，涉及業(yè)務(wù)面數(shù)據(jù)分流的問題，需考慮對現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的性能影響。

2 無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法分析

5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃先進(jìn)行需求分析，應(yīng)以大數(shù)據(jù)技術(shù)為手段，以平臺為支撐，利用業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)、運營支撐系統(tǒng)和管理支撐系統(tǒng)輸出的CDR、MR、KPI以及KQI等海量數(shù)據(jù)建立大數(shù)據(jù)分析模型，輸出流量熱力圖、高價值用戶分布圖和覆蓋質(zhì)差分布圖等，然后根據(jù)需求分析結(jié)果完成規(guī)劃場景的精細(xì)化劃分[2]。在業(yè)務(wù)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，通過綜合平衡覆蓋規(guī)劃和容量規(guī)劃結(jié)果確定最終的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模。

2.1 業(yè)務(wù)規(guī)劃方法

5G將采用多業(yè)務(wù)建網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，不僅要滿足人與人的通信，還要滿足人與物、物與物的通信。5G業(yè)務(wù)規(guī)劃應(yīng)從業(yè)務(wù)定位、業(yè)務(wù)規(guī)劃區(qū)識別以及業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)要求等維度展開分析。

2.1.1 業(yè)務(wù)定位

5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期以熱點區(qū)域覆蓋為主，主要面向承載高速及超高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、超高可靠業(yè)務(wù)和超低時延業(yè)務(wù)。隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋的完善及技術(shù)的成熟，可適時開展VoNR業(yè)務(wù)。

2.1.2 業(yè)務(wù)規(guī)劃區(qū)識別

5G業(yè)務(wù)規(guī)劃應(yīng)借助大數(shù)據(jù)平臺分析獲取業(yè)務(wù)價值區(qū)，初期重點覆蓋區(qū)域應(yīng)為高價值熱點區(qū)、垂直行業(yè)應(yīng)用示范區(qū)、品牌宣傳體驗區(qū)以及競對區(qū)域等。

（1）高價值熱點區(qū)。高價值熱點區(qū)主要通過現(xiàn)網(wǎng)用戶及業(yè)務(wù)分布獲取高流量熱點區(qū)、高價值終端區(qū)、高價值用戶區(qū)以及用戶分布密集區(qū)等，具體見圖1。

圖1 高價值熱點區(qū)識別

（2）垂直行業(yè)應(yīng)用示范區(qū)。垂直行業(yè)應(yīng)用示范區(qū)是有較好業(yè)務(wù)基礎(chǔ)、具有明確的應(yīng)用示范效益、有明確的合作需求以及已簽約的用戶/行業(yè)用戶數(shù)分布區(qū)域，重點是省級以上工業(yè)園、產(chǎn)業(yè)園等區(qū)域。

（3）品牌宣傳體驗區(qū)。重點場景的品牌宣傳需求，如機(jī)場、車站、重要景區(qū)、商業(yè)中心添加高校等。

（4）競對區(qū)域。運營商與競爭對手市場競爭需求。

2.1.3 業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的要求

5G網(wǎng)絡(luò)采用CU/DU網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)切片及邊緣計算等技術(shù)，對5G業(yè)務(wù)多樣化和場景化具有重要作用。例如，對于uRLLC類業(yè)務(wù)，可根據(jù)業(yè)務(wù)類型和時延需求對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切片，同時將MEC下沉到更靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣的位置，最大限度地消除傳輸時延影響，從而滿足毫秒級低時延業(yè)務(wù)需求。對于mMTC小數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)，可依實際情況考慮CU/DU的分離部署，實現(xiàn)CU資源云化，降低建設(shè)難度。

2.2 覆蓋規(guī)劃方法

5G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃包括無線傳播模型選擇、鏈路預(yù)算、站間距建議以及覆蓋規(guī)劃方案等內(nèi)容。其中，傳播模型選擇和鏈路預(yù)算已在文獻(xiàn)[3]中進(jìn)行了詳細(xì)探討。根據(jù)鏈路預(yù)算結(jié)果和5G網(wǎng)絡(luò)測試分析，得出前期以滿足eMBB業(yè)務(wù)為主的5G網(wǎng)絡(luò)宏基站不同傳播環(huán)境下的站間距建議，具體見表1。

后期將根據(jù)垂直行業(yè)用戶的具體場景業(yè)務(wù)特點，提出更有針對性的站間距規(guī)劃。結(jié)合大數(shù)據(jù)手段，通過場景精細(xì)化規(guī)劃，在滿足業(yè)務(wù)需求和覆蓋指標(biāo)的條件下，制定合理和可行的覆蓋規(guī)劃方案。

表1 3個典型頻段5G宏基站站間距建議

2.3 容量規(guī)劃方法

5G業(yè)務(wù)具有多樣性特點，因此容量需求除了要考慮數(shù)據(jù)流量外，還要考慮連接數(shù)需求，尤其是uRLLC和mMTC業(yè)務(wù)，更容易出現(xiàn)較大的連接數(shù)需求。因此，5G容量規(guī)劃應(yīng)對3大業(yè)務(wù)容量需求進(jìn)行綜合分析，總體流程見圖2。

圖2 5G容量規(guī)劃流程圖

2.3.1 用戶預(yù)測

采用一定的預(yù)測方法，如增長率法、趨勢外推法、線性擬合法以及專家預(yù)測法等[4]，從社會、經(jīng)濟(jì)以及人口等眾多相關(guān)因素中尋找出與未來電信用戶市場定性定量關(guān)系的過程。對于某一業(yè)務(wù)用戶數(shù)，應(yīng)結(jié)合區(qū)域總用戶數(shù)、對應(yīng)業(yè)務(wù)用戶滲透率以及增長率等因素進(jìn)行合理估算。

2.3.2 業(yè)務(wù)模型

每個業(yè)務(wù)都具有自身的特點，不同業(yè)務(wù)模型也不同，一般受用戶分布、用戶滲透率、業(yè)務(wù)滲透率、忙時用戶并發(fā)率以及用戶行為等多因素影響[5]。因此，業(yè)務(wù)模型需結(jié)合具體場景，分析特定場景下的業(yè)務(wù)特征和用戶特點，確定符合對應(yīng)場景的業(yè)務(wù)模型。

2.3.3 容量需求計算

根據(jù)各業(yè)務(wù)模型和預(yù)測的用戶數(shù)可得到對應(yīng)業(yè)務(wù)的容量需求，累計區(qū)域內(nèi)所有業(yè)務(wù)的流量、連接數(shù)等容量需求，得到容量總需求。

2.3.4 容量規(guī)劃方案

根據(jù)容量總需求及單小區(qū)承載能力計算得到區(qū)域內(nèi)所需小區(qū)數(shù)。容量規(guī)劃要基于場景精細(xì)化進(jìn)行。對于容量需求較大的業(yè)務(wù)密集區(qū)，容量規(guī)劃方案可綜合考慮設(shè)備選型、超密集組網(wǎng)等方式來增加區(qū)域內(nèi)容量能力。

2.3.5 詳細(xì)規(guī)劃和無線仿真工作

5G詳細(xì)規(guī)劃包括站址規(guī)劃、設(shè)備選型、天線掛高、方位角、下傾角、Massive MIMO波束參數(shù)、PCI以及TA等[6]。其中，波束參數(shù)規(guī)劃為5G新增。波束規(guī)劃一般通過對場景特點、業(yè)務(wù)分布等覆蓋要求進(jìn)行詳細(xì)分析，計算出符合場景要求的水平及垂直波瓣寬度要求，從而選用適合當(dāng)前場景的波束配置類型，再結(jié)合RF參數(shù)設(shè)置、干擾控制等因素進(jìn)行權(quán)衡，選擇最適合覆蓋場景的預(yù)設(shè)權(quán)值。

3 規(guī)劃案例分析

3.1 業(yè)務(wù)規(guī)劃

某省電信運營商在某智慧園區(qū)（辦公區(qū)+住宅區(qū)）規(guī)劃5G網(wǎng)絡(luò)，需要實現(xiàn)智慧安防、智慧停車、智慧生活、遠(yuǎn)程教育以及遠(yuǎn)程辦公等業(yè)務(wù)。例如，遠(yuǎn)程全息會議要求下行速率不小于500 Mb/s，傳輸時延小于20 ms。

3.2 規(guī)劃方案

綜合考慮業(yè)務(wù)需求和現(xiàn)網(wǎng)資源，基于3.5 GHz頻段按照200～300 m站間距共規(guī)劃了7個宏基站，同時兼顧園區(qū)道路覆蓋。由于左邊小區(qū)站點居民阻工和右邊中學(xué)改建，實際實施了5個，其中3個利舊4G站址。

3.3 測試結(jié)果分析

為了評估5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋效果，對建成后的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行DT和CQT測試，其中測試終端CPE（2T4R）有約4 dB的天線增益。

3.3.1 DT測試結(jié)果及分析

通過分析圖3，馬坡嶺模塊局5G基站天線掛高40 m，室外覆蓋效果良好。作為主信號覆蓋南邊住宅樓范圍，覆蓋半徑最遠(yuǎn)到450 m（室外RSRP≥-105 dB）。白竹坡路口基站天線掛高30 m，室外覆蓋效果良好，無阻擋道路覆蓋半徑最遠(yuǎn)到500 m。馬坡嶺模塊局基站右下角道路覆蓋差，初步分析是受7層高的員工宿舍樓和道路兩邊茂密樹葉的影響很大。西南角信號較差，經(jīng)分析，是由于白竹坡路口基站切換馬坡嶺模塊局過晚引起的，需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

圖3 某智慧園區(qū)5G網(wǎng)絡(luò)DT測試結(jié)果

3.3.2 CQT測試結(jié)果及分析

通過對中間測試路線圓圈內(nèi)的辦公樓進(jìn)行CQT測試，一樓大廳離天園國際會議廳基站（圓圈邊）約62 m，在主瓣周圍RSRP約-80 dBm，PDCP層速率約690 Mb/s；一樓母嬰室（封閉環(huán)境）在開門的情況下RSRP約-98 dBm，PDCP層速率約500 Mb/s。通過對測試結(jié)果進(jìn)行綜合分析，建議在西南邊馬路邊新增景觀塔或本園區(qū)住宅區(qū)南邊新增1個宏基站。

4 結(jié) 論

分析5G規(guī)劃面臨的挑戰(zhàn)，提出了一套5G無線網(wǎng)規(guī)劃方法，并通過規(guī)劃案例進(jìn)行驗證。但是，5G網(wǎng)絡(luò)在實際建設(shè)過程中存在規(guī)劃站址不能簽約、存量站址配套改造以及存量站址配套不具備改造條件等問題，大量的5G站點建設(shè)如何落地值得進(jìn)一步研究。