面向5G時(shí)代的4G校園網(wǎng)布局策略研究

李 源，李鵬來，彭方生（中國聯(lián)通武漢分公司，湖北武漢 430014）

1 概述

隨著工信部向運(yùn)營商頒發(fā)5G 商用牌照，5G 時(shí)代已正式來臨。考慮到終端普及、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、市場(chǎng)發(fā)展等因素，預(yù)計(jì)4G 向5G 過渡需要1～2 年時(shí)間。在4G 向5G 過渡期間，如何做好4G 校園網(wǎng)布局，一方面解決目前4G 校園網(wǎng)覆蓋和容量需求，一方面為5G 大規(guī)模部署做好準(zhǔn)備，是本文要探討和解決的問題。

2 4G校園網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

2.1 網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋不足

深度覆蓋一直是校園網(wǎng)覆蓋的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，特別是宿舍底層深度覆蓋問題比較突出。

圖1 是某校園宿舍區(qū)域4G 現(xiàn)網(wǎng)布局，該區(qū)域在學(xué)生宿舍5 棟上部署一個(gè)宏站，宏站到周邊宿舍覆蓋半徑在100～150 m。由于該區(qū)域宿舍主要呈“回”字形，無線環(huán)境較封閉，加上被樹木遮擋，宿舍底層覆蓋整體較弱。從表1的測(cè)試結(jié)果來看，宿舍底層平均RSRP為-98.7 dBm，SINR 值為10 dB 左右。尤其是位于宏站覆蓋邊緣的1、4、7、9 棟宿舍底層弱覆蓋問題尤為嚴(yán)重。表1 展示了9 棟底層CQT 測(cè)試結(jié)果，大部分區(qū)域RSRP 低于-100 dBm。單純依靠4G 宏站對(duì)校園網(wǎng)覆蓋，無法解決宿舍底層深度弱覆蓋問題，需要對(duì)現(xiàn)有校園網(wǎng)站址布局進(jìn)行加密。

圖1 校園宿舍區(qū)域4G現(xiàn)網(wǎng)宏站分布圖

表1 校園宿舍區(qū)域底層4G覆蓋情況

2.2 網(wǎng)絡(luò)容量存在瓶頸

由于騰訊王卡、冰激凌套餐等不限流產(chǎn)品發(fā)展迅猛，校園網(wǎng)面臨巨大的容量和負(fù)荷壓力。宿舍區(qū)域晚忙時(shí)4G PRB 利用率保持在70%以上，CQI 低于10，后臺(tái)統(tǒng)計(jì)下行業(yè)務(wù)平均速率不足3 Mbit/s，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)速率不足1 Mbit/s（見表2）。

表2 校園宿舍區(qū)域晚忙時(shí)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

宿舍區(qū)域究竟要配置多少容量才能滿足需求？表3 是對(duì)圖1 中宿舍區(qū)域容量預(yù)估結(jié)果。該區(qū)域共9棟宿舍，共居住學(xué)生7 200 人。該院校聯(lián)通市場(chǎng)占有率為60%左右，該區(qū)域共有聯(lián)通用戶4 320 人。根據(jù)后臺(tái)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，晚忙時(shí)用戶RRC 激活率為40%，下行業(yè)務(wù)占空比為15%。按4G下行5 Mbit/s速率保障用戶感知，該區(qū)域需要配置25.9個(gè)20 MHz帶寬的4G載扇，而目前該區(qū)域1 個(gè)三載波滿配宏站僅能提供6 個(gè)20 MHz 帶寬4G 載扇和3 個(gè)10 MHz 帶寬4G 載扇，遠(yuǎn)無法滿足4G容量需求，需要進(jìn)一步提升容量。

2.3 支撐5G發(fā)展能力不足

5G 時(shí)代，如果依托現(xiàn)有4G 宏站建設(shè)5G 宏站對(duì)校園宿舍進(jìn)行覆蓋，會(huì)存在以下2個(gè)方面的問題。

表3 校園宿舍區(qū)域4G容量配置需求預(yù)估

一是5G 網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋水平無法得到保證。表4是根據(jù)5G 試驗(yàn)網(wǎng)測(cè)得的視線傳播LOS、非視線傳播NLOS 平均無線路徑路損。視線傳播LOS 主要針對(duì)宿舍高層，非視線傳播主要針對(duì)宿舍底層。表5 是根據(jù)5G試驗(yàn)網(wǎng)測(cè)得的磚混結(jié)構(gòu)校園宿舍平均穿透損耗。

表4 1.8 GHz頻段與3.5 GHz頻段無線路徑傳播損耗對(duì)比

表5 1.8 GHz頻段與3.5 GHz頻段穿透損耗對(duì)比

以測(cè)試距離150 m 為例，3.5 GHz 頻段無線路損較1.8 GHz 頻段在LOS、NLOS 2 種場(chǎng)景分別增加13.32 dB和24.86 dB的損耗；加上在穿透損耗上較1.8 GHz頻段增加6.6 dB。3.5 GHz 頻段合計(jì)比1.8 GHz 頻段增加19.92 dB 和34.46 dB 損耗。以表1 中學(xué)生宿舍9 棟為例，目前4G 底層覆蓋水平為-101 dBm，根據(jù)上面的推算，5G覆蓋水平將低于-128 dBm 的最低接入門限，無法實(shí)現(xiàn)5G接入。

二是網(wǎng)絡(luò)容量無法滿足5G 業(yè)務(wù)需求。按表3 中模型對(duì)5G 容量需求進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如表6 所示。在5G按50 Mbit/s的下行速率保障用戶感知的情況下，該宿舍區(qū)域需要配置16.2 個(gè)100 MHz 帶寬的5G 載扇。目前宿舍區(qū)域一個(gè)宏站僅提供3 個(gè)100 MHz 帶寬配置的5G載扇，無法滿足容量需求，需要進(jìn)一步加密站址。

表6 校園宿舍區(qū)域5G容量配置需求預(yù)估

3 面向5G時(shí)代4G校園網(wǎng)布局新策略

3.1 傳統(tǒng)校園網(wǎng)布局策略分析

根據(jù)本文第2 章的分析，主要依靠宏站對(duì)校園網(wǎng)進(jìn)行覆蓋，既無法滿足4G 深度覆蓋和容量需求，也無法支撐5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。要解決該問題，需要通過加密站址布局來提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋水平和網(wǎng)絡(luò)容量。

目前針對(duì)校園網(wǎng)站址加密通常采用建設(shè)宏站、建設(shè)微站、建設(shè)室分3種方式。宏站對(duì)覆蓋提升效果好，但干擾控制難度大，無法密集布局，對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量提升有限，因此只適用于一些網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較低的校園；微站雖然干擾控制相對(duì)容易，可密集布局，但因發(fā)射功率受限導(dǎo)致其覆蓋范圍小，對(duì)建設(shè)精準(zhǔn)性要求很高，站址稍有偏差就可能無法達(dá)到預(yù)期效果；建設(shè)室分在覆蓋效果和容量提升上是3 種策略中最好的，但建設(shè)投資較大，同時(shí)存在器件較多、后期維護(hù)工作量大的問題。因此需要找到一種新的校園網(wǎng)站點(diǎn)布局策略，既能有效提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋水平，同時(shí)也能大幅提升網(wǎng)絡(luò)容量，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)相對(duì)低廉的造價(jià)。

3.2 校園網(wǎng)精準(zhǔn)滴灌布局新策略

針對(duì)以上問題，本文提出“精準(zhǔn)滴灌、多點(diǎn)覆蓋”的校園網(wǎng)布局新策略。

精準(zhǔn)滴灌指的是通過采用指向性較好的特殊天線對(duì)宿舍進(jìn)行精準(zhǔn)覆蓋；多點(diǎn)覆蓋指的是通過控制天線覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)干擾，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的密集布局，從而達(dá)到提升容量的目的。

本文采取射燈大張角美化天線，與普通板狀天線不同的是，其水平半功率角僅為20°左右，垂直半功率角達(dá)60°（見表7）。這種天線一方面適合在水平方向上密集布局，提升網(wǎng)絡(luò)容量；另一方面在垂直方向上能量比較集中，能有效避免塔下黑現(xiàn)象，適合提升樓棟底層深度覆蓋（見圖2）。采用宏站RRU作為射燈天線信源，避免微站發(fā)射功率不足的問題。

表7 大張角射燈天線參數(shù)

圖2 大張角射燈天線方向圖

根據(jù)“精準(zhǔn)滴灌、多點(diǎn)覆蓋”策略，對(duì)圖1中宿舍區(qū)域網(wǎng)絡(luò)布局改造如下。

a）所有宿舍樓頂建設(shè)射燈大張角天線，共計(jì)16副天線。射燈天線傾角優(yōu)化調(diào)整為30°，利用其垂直半功率角大的特性，以精準(zhǔn)滴灌的方式覆蓋本樓下面宿舍和對(duì)面樓宇宿舍。

b）針對(duì)“一”字型宿舍采取1.8 GHz+2.1 GHz 異頻交錯(cuò)布局的方式控制干擾；針對(duì)“回”字型宿舍通過控制覆蓋范圍，將信號(hào)收縮在宿舍內(nèi)部避免外泄。

c）該區(qū)域改造后共配置16 個(gè)20 MHz 帶寬配置4G 載扇（1.8 GHz 20 MHz×8+2.1 GHz 20 MHz ×8）和8個(gè)10 MHz 帶寬4G 載扇（1.8 GHz 10 MHz×8），折合20個(gè)20 MHz帶寬4G載扇，相比原容量配置大幅提升，基本滿足第2章中對(duì)容量評(píng)估的需求。

完成改造后的網(wǎng)絡(luò)布局如圖3 所示，其中紅色箭頭表示安裝1.8 GHz RRU，白色天線表示安裝2.1 GHz RRU。

3.3 4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋實(shí)測(cè)結(jié)果

采用“精準(zhǔn)滴灌、多點(diǎn)覆蓋方式”對(duì)網(wǎng)絡(luò)布局進(jìn)行改造后，該區(qū)域整體覆蓋RSRP 水平得到較大提升。從MR 指標(biāo)來看，-85 dBm 以上MR 采樣點(diǎn)占比提升約7個(gè)百分點(diǎn)（見圖4）。

圖3 “精準(zhǔn)滴灌、多點(diǎn)覆蓋”方式校園網(wǎng)布局

從現(xiàn)場(chǎng)CQT 結(jié)果來看，該區(qū)域共9 棟宿舍底層平均RSRP 從-99.1 dBm 提升到了-84.4 dBm，提升14.7 dBm；平均SINR 從10.3 dB 提升到20.8 dB，提升10.5 dB（見表8）。

以學(xué)生宿舍9 棟為例，改造前底層平均覆蓋水平為-101 dBm，改造后達(dá)到了-84 dBm。整體覆蓋提升17 dBm。

3.4 網(wǎng)絡(luò)容量提升效果

圖4 MR指標(biāo)前后對(duì)比

表8 校園宿舍區(qū)域網(wǎng)絡(luò)布局改造后底層4G覆蓋情況

表9 網(wǎng)絡(luò)布局改造前后晚忙時(shí)指標(biāo)對(duì)比

提取網(wǎng)絡(luò)布局改造完成前、改造后各一周晚忙時(shí)指標(biāo)（見表9）。無論從吸收流量、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷還是用戶感知，都得到較大提升和改善。其中日均流量從1.56 TB 增加到2.17 TB，增加51.9%；忙時(shí)下行PRB 利用率從75.6%降至47.4%；下行用戶感知速率從2.9 Mbit/s提升到了7.5 Mbit/s。

3.5 5G覆蓋效果仿真

依托現(xiàn)有射燈天線部署5G AAU，采用Rayce 射線模型對(duì)5G 深度覆蓋效果進(jìn)行仿真。仿真參數(shù)如表10所示。

從仿真結(jié)果來看，5G RSRP≤-105 dBm 采樣點(diǎn)僅占5.58%，其余區(qū)域覆蓋水平均高于-105 dBm，平均深度覆蓋RSRP 達(dá)-97.17 dBm，完全滿足5G 深度覆蓋需求。

3.6 “精準(zhǔn)滴灌”策略與傳統(tǒng)策略對(duì)比

從覆蓋提升、干擾控制、容量提升、建設(shè)難度、建設(shè)造價(jià)、后期維護(hù)等6個(gè)方面對(duì)宏站、微站、室分、精準(zhǔn)滴灌策略對(duì)比如表11所示。

表10 5G仿真參數(shù)表

表11 集中校園網(wǎng)站址布局策略對(duì)比

網(wǎng)絡(luò)覆蓋提升方面，室分和精準(zhǔn)滴灌策略對(duì)深度覆蓋提升效果最好。宏站因?yàn)闊o法密集布局導(dǎo)致在基站覆蓋邊緣深度覆蓋效果一般，微站主要是由于發(fā)射功率較小，影響了其覆蓋效果。

干擾控制方面，宏站發(fā)射功率大，其使用的普通板狀天線水平半功率角較大，干擾控制困難。精準(zhǔn)滴灌策略因使用了方向圖比較特殊的大張角天線，有效控制了覆蓋范圍，其在干擾控制上與建設(shè)室分基本一致。

容量提升方面，宏站因干擾控制困難無法密集布局，無法大幅提升熱點(diǎn)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)容量。其他3 種方式在提升容量效果上基本一致。

建設(shè)難度方面，從目前的實(shí)際建設(shè)情況來看，宏站建設(shè)難度最大。其他3 種方式因外觀比較隱蔽，物業(yè)協(xié)調(diào)難度相對(duì)宏站較為容易。

建設(shè)造價(jià)方面，室分建設(shè)投資除信源外，還有分布系統(tǒng)投資，因此造價(jià)在4 種方式中最高。宏站因無法在校園網(wǎng)中密集布局，造價(jià)是幾種方式中最低的。微站和精準(zhǔn)滴灌策略在造價(jià)上基本一致，比宏站高，比室分低。

后期維護(hù)方面，室分因涉及大量有源、無源器件，長(zhǎng)期運(yùn)行后出現(xiàn)故障概率比另外3種方式都高，另外3種方式因?yàn)榻M成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，出現(xiàn)故障幾率比室分小得多。

綜合考慮，校園網(wǎng)精準(zhǔn)滴灌布局策略具備較大優(yōu)勢(shì)，可在熱點(diǎn)院校進(jìn)行推廣實(shí)施。

4 總結(jié)

通過前面的分析，面向5G 時(shí)代的4G 校園網(wǎng)布局策略總結(jié)如下。

a）目前主要依靠宏站方式對(duì)校園網(wǎng)進(jìn)行覆蓋，既無法滿足4G 深度覆蓋和容量需求，也無法支撐5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。要解決該問題需要通過加密站址布局來提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)容量。

b）傳統(tǒng)采用宏站、微站、室分對(duì)校園網(wǎng)進(jìn)行加密建設(shè)的策略，無法同時(shí)兼顧覆蓋、干擾、容量、造價(jià)，需要探索新的校園網(wǎng)站點(diǎn)布局策略。

c）采用“精準(zhǔn)滴灌、多點(diǎn)覆蓋”策略可以較好地解決目前4G 校園網(wǎng)存在的深度覆蓋和網(wǎng)絡(luò)容量問題。該策略也可滿足后續(xù)5G 校園網(wǎng)對(duì)深度覆蓋和容量的需求。