基于大數(shù)據(jù)的5G規(guī)劃方法分析

趙棟

引言：

每一次移動通信的發(fā)展都是為了解決當(dāng)時(shí)存在的通信需求問題，而在通信業(yè)務(wù)和傳輸應(yīng)用多元化發(fā)展的背景下，智能終端的數(shù)量也急速增加，5G需要為用戶制定全面的信息化系統(tǒng)，不斷滿足用戶需求。

一、5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1超密集組網(wǎng)技術(shù)

信息時(shí)代的快速發(fā)展對通信傳輸和網(wǎng)絡(luò)覆蓋提出了更高的要求，也對5G關(guān)鍵技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，為滿足移動業(yè)務(wù)流量的增長，5G將提高頻譜效率，擴(kuò)展頻譜資源，并覆蓋到更多的小區(qū)。在信息化時(shí)代的背景下，伴隨著各種智能終端的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)流量也呈現(xiàn)井噴式、擴(kuò)散式的發(fā)展格局，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將大量集中在通信熱點(diǎn)地區(qū)，5G網(wǎng)絡(luò)也需要針對這種現(xiàn)象進(jìn)行布局。

超密集組網(wǎng)就是實(shí)現(xiàn)5G規(guī)劃的答案之一。超密集組網(wǎng)可以改善現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，其還具有更靈活、更高效的頻率復(fù)用能力，可以大幅度提升網(wǎng)絡(luò)容量。5G時(shí)代中微基站將會發(fā)揮其實(shí)力，尤其是人口密集區(qū)域，微基站雖然對移動業(yè)務(wù)幫助較小，但可以滿足當(dāng)前用戶網(wǎng)絡(luò)通信的大量需求，在上傳下載速率提供關(guān)鍵輔助效果，這就更需要微基站去實(shí)現(xiàn)。

1.2大規(guī)模陣列天線技術(shù)

大規(guī)模陣列天線技術(shù)（Massive MIMO）是5G實(shí)現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵組成部分。從物理層面來看，5G必須要提高目標(biāo)速率，才能提升頻譜效率，可以通過擴(kuò)大帶寬、增加小區(qū)數(shù)量的方式實(shí)現(xiàn)，而大規(guī)模陣列天線技術(shù)就成為5G提高頻譜利用效率的必然選擇。

傳統(tǒng)陣列天線子系統(tǒng)多是2、4、8個(gè)，在實(shí)際信號覆蓋時(shí)只能在水平方向移動，信號發(fā)射趨于一個(gè)平面。而大規(guī)模陣列天線的子系統(tǒng)可以達(dá)到64、128甚至256個(gè)，與傳統(tǒng)陣列天線相比，可以使網(wǎng)絡(luò)性能提高數(shù)倍并能夠?yàn)楦嘤脩籼峁┓?wù)。而且大規(guī)模陣列天線在水平維度空間的基礎(chǔ)上引入垂直維度的運(yùn)用概念，實(shí)現(xiàn)垂直方向的波束賦形，其可以根據(jù)用戶位置和信道狀態(tài)計(jì)算出最優(yōu)的權(quán)重向量，為用戶提供相匹配的波速方向，還能夠?qū)Ξa(chǎn)生干擾的方向形成零陷，降低區(qū)域內(nèi)的信號干擾[1]。

二、5G規(guī)劃難中的點(diǎn)

2.1網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃難點(diǎn)

5G可以實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的高效數(shù)據(jù)傳輸，提高現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。不過從實(shí)際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃來看，5G網(wǎng)絡(luò)會受到不同網(wǎng)絡(luò)層面的限制。例如在數(shù)據(jù)信息跨層傳輸時(shí)，不同網(wǎng)絡(luò)層面對數(shù)據(jù)信息的映射情況不同，難免會造成數(shù)據(jù)空間定位的偏差情況。而在數(shù)據(jù)傳輸過程中，4G升級為5G必然會出現(xiàn)分歧。這是因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，SA、NSA的組網(wǎng)模式不同，大多數(shù)5G規(guī)劃都是由NSA向SA拓展的，使NSA成為過渡內(nèi)容，從而造成4G與5G處理信息時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)耦合性，進(jìn)而造成站址約束問題。若在實(shí)際組網(wǎng)規(guī)劃中既要區(qū)分4G與5G，又要符合高密度組網(wǎng)的需求，提升信號傳輸質(zhì)量，將會大量增加工作難度與經(jīng)濟(jì)成本。

2.2空間利用難點(diǎn)

相比較4G網(wǎng)絡(luò)空間利用，5G基站的設(shè)計(jì)與安裝對場地空間的要求更高。這是因?yàn)樵诔芗M網(wǎng)技術(shù)與大規(guī)模陣列天線技術(shù)的應(yīng)用情況下，傳統(tǒng)3G、4G的RRU網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無法在5G結(jié)構(gòu)中通用，需要建立AAU網(wǎng)路結(jié)構(gòu)來容納更多數(shù)據(jù)流量，以此達(dá)到數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸要求。正常來看AAU網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的布局是對原有RRU結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，但實(shí)際建設(shè)中兩者屬于獨(dú)立的系統(tǒng)，不能兼容，若在現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)上增添5G網(wǎng)絡(luò)必然會造成空間利用基礎(chǔ)不足的現(xiàn)象，從而影響基站資源的使用率。并且5G天線設(shè)備、射頻裝置的系統(tǒng)更為精密，施工難度也有所增加。

2.3基站系統(tǒng)難點(diǎn)

為降低建設(shè)成本，提高資源利用率，5G基站多是建立在原有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之上，這就面臨著原有3G、4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用限制，受空間格局和安裝技術(shù)的限制，需要額外為5G添加架設(shè)需求，必然會占據(jù)原有的空間資源，這就需要在保持原有基站空間不變的基礎(chǔ)上，為5G提供一定的系統(tǒng)資源，很容易造成整個(gè)基站系統(tǒng)拓展性不足。此外，為支持5G基站的運(yùn)行驅(qū)動，還需要投入一定量的電能，供電機(jī)制和供電網(wǎng)絡(luò)也要同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)容處理。

三、基于大數(shù)據(jù)的5G規(guī)劃方法

3.1基于大數(shù)據(jù)的5G規(guī)劃準(zhǔn)備

為了使5G網(wǎng)絡(luò)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，應(yīng)當(dāng)在前期就做好對規(guī)劃區(qū)域的數(shù)據(jù)信息收集，并根據(jù)準(zhǔn)確的信息預(yù)測與計(jì)算，后續(xù)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。例如區(qū)域內(nèi)的用戶基數(shù)就是容量規(guī)劃和覆蓋規(guī)劃的基礎(chǔ)，根據(jù)用戶分布情況制定相應(yīng)的策略，從而確定建網(wǎng)規(guī)模。5G規(guī)劃可分為資料收集和業(yè)務(wù)需求預(yù)測兩方面。先是規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的資料收集工作，可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)收集城市規(guī)劃區(qū)域的各類信息，這些信息涉及城市區(qū)域特點(diǎn)、通信站址、社會資源、建筑交通情況、人口密度等，是5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃應(yīng)該收集的信息。然后是對規(guī)劃區(qū)域的用戶預(yù)測。用戶預(yù)測多使用時(shí)間序列預(yù)測方法，顧名思義，這類方法會以時(shí)間為對象呈現(xiàn)出某種上升或下降趨勢，且沒有明顯的波動，不過傳統(tǒng)人為收集數(shù)據(jù)很容易受到發(fā)展趨勢的影響，導(dǎo)致預(yù)測出現(xiàn)偏差。而利用大數(shù)據(jù)技術(shù)可以站在客觀實(shí)際的角度對用戶未來發(fā)展趨勢進(jìn)行定量的估計(jì)，保證5G規(guī)劃的合理性和科學(xué)性。此外，5G規(guī)劃準(zhǔn)備還有一項(xiàng)較為重要的輸入依據(jù)，便是通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)量，是通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模和服務(wù)能力的體現(xiàn)。不過5G的業(yè)務(wù)量預(yù)測與4G網(wǎng)絡(luò)不同，5G可以利用數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)分析的方式預(yù)測未來通信業(yè)務(wù)的發(fā)展格局，以此評定各個(gè)區(qū)域的指標(biāo)參數(shù)，預(yù)測在不同區(qū)域內(nèi)可能發(fā)生的業(yè)務(wù)。這就需要利用大數(shù)據(jù)對規(guī)劃前期資料及用戶預(yù)測進(jìn)行分析，從而推斷出規(guī)劃區(qū)域內(nèi)5G的總業(yè)務(wù)量需求。另外由于各城市情況不同，規(guī)劃區(qū)域的設(shè)定應(yīng)結(jié)合實(shí)際調(diào)整[2]。

3.2基于大數(shù)據(jù)的5G規(guī)劃

5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃要考慮到經(jīng)濟(jì)成本，優(yōu)先市區(qū)中用戶密集的熱點(diǎn)區(qū)域，并且5G規(guī)劃要充分利用現(xiàn)有資源，包括各類社會資源，才能在保證5G覆蓋的同時(shí)，減少5G建設(shè)成本。在規(guī)劃策略上應(yīng)先保證覆蓋要求，并在此基礎(chǔ)上逐漸拓展容量需求。上文已經(jīng)提出微基站是5G規(guī)劃建設(shè)的重要組成部分。傳統(tǒng)宏基站蜂窩覆蓋方式在數(shù)據(jù)爆發(fā)的背景下已然難以滿足業(yè)務(wù)需求，5G規(guī)劃建設(shè)中應(yīng)利用微基站設(shè)備本身的特點(diǎn)，將其靈活布置在各個(gè)區(qū)域，例如市政路燈、交通燈等社會社會資源上，不僅可以優(yōu)化基站選址，還能夠保證微基站較短的覆蓋距離。

在5G通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃中，覆蓋和容量是兩個(gè)關(guān)鍵的內(nèi)容。覆蓋能力主要是分析單個(gè)基站的覆蓋情況，而單個(gè)基站的覆蓋能力是多種因素相互作用的結(jié)果，包括基站設(shè)備、天線特性、空氣傳播情況及接收終端系統(tǒng)等因素。并且5G要選用相應(yīng)場景的傳播模型，首先應(yīng)按照覆蓋區(qū)域的業(yè)務(wù)速率和基站布局情況，計(jì)算出場景區(qū)域內(nèi)的路徑損耗，以此確定服務(wù)質(zhì)量。然后將路徑損耗數(shù)據(jù)代入到系統(tǒng)計(jì)算分析當(dāng)中，最后就能得到5G基站在保證服務(wù)質(zhì)量基礎(chǔ)上的覆蓋半徑，也能夠進(jìn)一步推算出覆蓋區(qū)域的基本規(guī)劃布局和基站建設(shè)數(shù)量。在5G容量規(guī)劃方面，需要基于覆蓋面積和建網(wǎng)目標(biāo)綜合考慮。

在上文規(guī)劃準(zhǔn)備的計(jì)算中，能夠得到規(guī)劃區(qū)域的總?cè)萘啃枨笄闆r，而5G基站容量相比4G更加充足，以覆蓋規(guī)劃為主，容量規(guī)劃可以在基站規(guī)模確定后，驗(yàn)證是否滿足即可。若不能滿足規(guī)劃區(qū)域的容量需求，可以通過增加5G微基站的方式補(bǔ)充容量[3]。

3.3基于大數(shù)據(jù)的5G實(shí)際規(guī)劃

在理論上確定可行的基站布局后，應(yīng)通過現(xiàn)場實(shí)際勘察和原有的3G、4G網(wǎng)絡(luò)布局情況，來確定5G的站址規(guī)劃布局。目前5G網(wǎng)絡(luò)的主流頻段高于3G、4G的頻段，基站的覆蓋范圍對于現(xiàn)有系統(tǒng)將會進(jìn)一步縮小，這也是為什么5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃要考慮社會資源或原有站址資源的原因，而微基站雖然是一種有效的提高通信速率的方法，卻也會增加建網(wǎng)成本，需要5G網(wǎng)絡(luò)利用現(xiàn)有資源，實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)區(qū)域的超密集組網(wǎng)規(guī)劃。

5G實(shí)際規(guī)劃可以分為三個(gè)層面。第一層是基礎(chǔ)布局層，也是5G網(wǎng)絡(luò)的主要覆蓋層面，通過構(gòu)建基礎(chǔ)覆蓋網(wǎng)絡(luò)，為5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行提供穩(wěn)定的覆蓋保障，可以結(jié)合電信企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃區(qū)域室外的廣覆蓋以及室內(nèi)的淺層覆蓋。

第二層為補(bǔ)充覆蓋層，在基礎(chǔ)布局層的基礎(chǔ)上，針對部分規(guī)劃盲點(diǎn)，運(yùn)用宏基站、微基站或其他覆蓋方式精準(zhǔn)覆蓋。主要有橫向覆蓋、點(diǎn)覆蓋、交叉覆蓋三種類型。橫向覆蓋主要針對面積小、結(jié)構(gòu)簡單、封閉性低的建筑;點(diǎn)覆蓋則是覆蓋受網(wǎng)絡(luò)布局影響，部分低層建筑覆蓋較差的區(qū)域結(jié)構(gòu);交叉覆蓋針對建筑體積大、樓宇之間阻礙嚴(yán)重的區(qū)域，可以利用樓頂、樓面建立多層次交叉覆蓋式網(wǎng)絡(luò)。

第三層被稱為吸熱層，這個(gè)熱指的是業(yè)務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域，在滿足一般業(yè)務(wù)量需求的前提下，利用存量站址或新建站址補(bǔ)充5G容量。不過要注意若架設(shè)宏基站需要考慮區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不能引起嚴(yán)重的干擾。否則應(yīng)采用5G微基站的部署粉絲，做好宏微協(xié)同，控制好覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃區(qū)域的超密集組網(wǎng)。

除了三個(gè)層面外，5G規(guī)劃在實(shí)際應(yīng)用中還會出現(xiàn)微調(diào)的情況。已經(jīng)規(guī)劃好的站址按照10%距離以內(nèi)的誤差進(jìn)行調(diào)整，在保證覆蓋區(qū)域的基礎(chǔ)上，達(dá)到節(jié)約資源的目的，而未建設(shè)的站址的分布偏差應(yīng)小于基站間距的四分之一。

四、結(jié)束語

5G規(guī)劃建設(shè)已經(jīng)成為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域中的重要內(nèi)容，探索出合理的5G規(guī)劃方案，是滿足城市發(fā)展需求，提高通信業(yè)務(wù)增長的重要課題。在了解5G關(guān)鍵技術(shù)后，結(jié)合實(shí)際情況分析5G規(guī)劃中的難點(diǎn)，以此運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)設(shè)定5G規(guī)劃方法，提出從準(zhǔn)備階段到實(shí)施階段中5G規(guī)劃建設(shè)的要點(diǎn)，豐富了5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)的方案。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]李浩. 面向5G的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)能效優(yōu)化研究[D].電子科技大學(xué)，2020.

[2]李杰，吳威，關(guān)偉杰.基于4G大數(shù)據(jù)的5G覆蓋規(guī)劃方法[J].廣東通信技術(shù)，2020，40（12）：2-5+27.

[3]徐婷.大數(shù)據(jù)時(shí)代下5G規(guī)劃方法分析[J].數(shù)字通信世界， 2021（01）：173-174.