5G 分層組網(wǎng)在密集市區(qū)場(chǎng)景中的應(yīng)用實(shí)踐*

許 浩，錢小康

（1.中國(guó)電信股份有限公司上海分公司，上海 200081；2.上海郵電設(shè)計(jì)咨詢研究院有限公司，上海 200092）

0 引言

2019 年6 月工信部向國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商頒發(fā)了5G 牌照，經(jīng)過(guò)近2 年大規(guī)模建設(shè)，截至2020 年底，全國(guó)累計(jì)建成5G 基站71.8 萬(wàn)個(gè)，推動(dòng)共建共享5G基站33萬(wàn)個(gè)，實(shí)現(xiàn)了所有地級(jí)市5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋。目前，中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通充分整合各自優(yōu)勢(shì)與資源，共建一張5G 網(wǎng)絡(luò)，主要部署頻率為3.5 GHz；中國(guó)移動(dòng)5G 網(wǎng)絡(luò)主要部署頻率為2.6 GHz。眾所周知，高頻段無(wú)線電波在自由空間損耗、繞射損耗以及室外打室內(nèi)穿透損耗都處于劣勢(shì)，尤其是密集市區(qū)場(chǎng)景，給5G 部署帶來(lái)了挑戰(zhàn)。密集市區(qū)場(chǎng)景單靠一層宏站覆蓋難以實(shí)現(xiàn)5G 室外連續(xù)覆蓋和深度覆蓋。本文結(jié)合幾個(gè)典型案例，介紹通過(guò)優(yōu)化超高站、宏站及立桿站宏微協(xié)同以及利用天線劈裂小區(qū)方式實(shí)現(xiàn)5G 站分層組網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方法，希望能給5G 無(wú)線網(wǎng)規(guī)劃工程師提供一些參考。

1 在密集市區(qū)場(chǎng)景的應(yīng)用實(shí)踐

1.1 密集市區(qū)5G 部署面臨的挑戰(zhàn)

密集市區(qū)無(wú)線場(chǎng)景復(fù)雜多樣。一方面，高樓、超高樓密布，需要5G 基站提供高、中、低立體覆蓋；另一方面，建筑物鱗次櫛比，加上路牌、廣告牌等室外構(gòu)建物和綠化，都一定程度上遮擋了無(wú)線信號(hào)。無(wú)線信號(hào)從基站傳播到用戶需要經(jīng)過(guò)多次繞射[1]。如表1 所示，以電、聯(lián)3.5 GHz 頻段為例，繞射1 次情況下基站規(guī)劃要增加到1.4 倍規(guī)模才能達(dá)到與4G相同的效果。當(dāng)繞射次數(shù)增加到3 次，5G 基站規(guī)劃要增加到2.6 倍規(guī)模才能達(dá)到與4G 相同的效果。即便運(yùn)營(yíng)商能加大建設(shè)投入，也不一定能找到理想的宏站站址。所以，在密集市區(qū)無(wú)線場(chǎng)景部署基站需要在大面上采用64TR 宏站設(shè)備，利用多輸入多輸出（Multi-Input Multi-Output，MIMO）特性進(jìn)行立體覆蓋與容量吸收，同時(shí)需要考慮站址選址的合理性，采用桿站、掛墻以及電話亭站等多種方式，盡量減少繞射次數(shù)，從而提升5G 覆蓋效果與用戶體驗(yàn)。

表1 不同頻段、不同繞射次數(shù)下繞射損耗比較

密集市區(qū)無(wú)線場(chǎng)景的另一個(gè)特點(diǎn)是業(yè)務(wù)需求多發(fā)生在室內(nèi)，對(duì)于商務(wù)樓、交通樞紐等外墻厚實(shí)和內(nèi)部縱深較大的樓宇，需要用室分系統(tǒng)進(jìn)行專項(xiàng)部署解決。對(duì)于其他70%～80%的樓宇，需要通過(guò)室外基站覆蓋解決。高頻段無(wú)線電波在室外打室內(nèi)時(shí)，穿透損耗劣勢(shì)明顯[2]。如表2 所示，僅考慮外墻一層損耗，對(duì)于高損耗外墻，3.5 GHz 頻段部署規(guī)模是2.1 GHz 的1.6 倍，2.6 GHz 頻段部署規(guī)模也達(dá)到1.8 GHz的1.2倍[3]。如果考慮2～3個(gè)墻體穿透，對(duì)站址密度需求是極大的。所以，運(yùn)營(yíng)商有必要啟動(dòng)在4G 頻段上的5G 重耕，利用低頻段傳播優(yōu)勢(shì)與頻分雙工（Frequency-Division Duplexing，F(xiàn)DD）時(shí)延優(yōu)勢(shì)，解決密集市區(qū)大部分樓宇5G 室內(nèi)覆蓋問(wèn)題。5G 頻率能否順利重耕，取決于4G 向5G 遷轉(zhuǎn)的速度。但是，如果5G 室內(nèi)覆蓋遲遲不能有效解決，將會(huì)影響4G 向5G 遷轉(zhuǎn)的速度。對(duì)于4G 超忙的基站需要另辟蹊徑，對(duì)4G 高流量進(jìn)行分流，從而為5G 早日重耕創(chuàng)造條件。

表2 不同頻段、不同外墻材質(zhì)下的穿透損耗比較

1.2 密集市區(qū)分層組網(wǎng)建議

1.2.1 站型分層

針對(duì)密集市區(qū)無(wú)線場(chǎng)景分類及特點(diǎn)，尤其是 3.5 GHz 較高頻段的運(yùn)營(yíng)商，建議結(jié)合不同5G 設(shè)備特性以及宏站、桿站、微站等不同建設(shè)方案，對(duì)密集市區(qū)場(chǎng)景實(shí)施分層覆蓋。通過(guò)減少到達(dá)用戶的無(wú)線電波繞射次數(shù)，實(shí)現(xiàn)用較低的建設(shè)成本解決密集市區(qū)場(chǎng)景室和內(nèi)外深度覆蓋的問(wèn)題。

（1）利用64T64R 有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）多波束優(yōu)勢(shì)，對(duì)密集市區(qū)樓宇進(jìn)行中層立體覆蓋、高層立體覆蓋以及面上的基礎(chǔ)覆蓋；

（2）利用4TR/8TR 微站，結(jié)合綜合桿、電話亭、通信井等現(xiàn)有構(gòu)建物，對(duì)密集市區(qū)中層和低層進(jìn)行深度覆蓋；

（3）利用4TR 皮射頻拉遠(yuǎn)單元（Pico Remote Radio Unit，pRRU）室內(nèi)微站或RUU+傳統(tǒng)無(wú)源分布式天線系統(tǒng)（Distributed Antenna System，DAS）系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)場(chǎng)所進(jìn)行專項(xiàng)覆蓋。

1.2.2 頻率分層

對(duì)現(xiàn)網(wǎng)4G 頻段資源與承載業(yè)務(wù)及變化趨勢(shì)進(jìn)行充分評(píng)估與分析，基于5G 業(yè)務(wù)發(fā)展策略，制定低頻端4G 頻點(diǎn)騰退方案，最終根據(jù)4G 業(yè)務(wù)的實(shí)際遷轉(zhuǎn)情況，適時(shí)啟動(dòng)連片4G 頻點(diǎn)騰退工作，并實(shí)現(xiàn)5G 在低頻段上重耕。對(duì)于連片區(qū)域內(nèi)個(gè)別業(yè)務(wù)超忙站點(diǎn)，試點(diǎn)采用劈裂天線等方式分流，最終針對(duì)密集市區(qū)不同場(chǎng)景采用不同頻率分層覆蓋，從而降低3.5 GHz 基站的建設(shè)需求，降低尋址難度。

2 5G 分層組網(wǎng)在密集市區(qū)場(chǎng)景中的應(yīng)用實(shí)踐

根據(jù)密集市區(qū)分層組網(wǎng)建議，分別在超高站優(yōu)化、立桿站宏微協(xié)同以及利用劈裂天線分流3 個(gè)方面進(jìn)行了分層組網(wǎng)基站部署實(shí)踐。下面將逐一介紹試點(diǎn)方案、評(píng)估結(jié)果及后續(xù)建議。

2.1 通過(guò)超高基站優(yōu)化實(shí)現(xiàn)中層和高層覆蓋

4G 宏基站在密集市區(qū)規(guī)劃部署時(shí)，天線掛高一般選擇25～35 m。天線掛高太低，尤其是低于周邊平均建筑物高度，會(huì)引入較多阻擋，大大影響了基站的有限覆蓋距離。當(dāng)天線掛高高于35 m，尤其到達(dá)65～90 m 時(shí)，由于需要控制越區(qū)覆蓋，需要下壓天線下傾角。但是，過(guò)大的傾角會(huì)產(chǎn)生波形畸變，引入額外干擾。25～35 m 高度雖然規(guī)避了上述問(wèn)題，但由于4G 天線垂直波瓣一般只有5°～6°，不能兼顧對(duì)高層樓宇覆蓋。超高站參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，如表3 所示。大規(guī)模多輸入多輸出（massive Multi-Input Multi-Output，mMIMO）天線[4]作為5G 的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，引入后可為實(shí)現(xiàn)密集市區(qū)立體覆蓋提供助益。

表3 超高站參數(shù)優(yōu)化調(diào)整

圖1 是一個(gè)超高4G 現(xiàn)網(wǎng)站，天線掛高達(dá)到75 m。該站位于中心城區(qū)，周邊密布80～100 m 的高層居民樓。當(dāng)采用普通MIMO 模式時(shí)，越區(qū)現(xiàn)象與塔下黑現(xiàn)象特別嚴(yán)重。通過(guò)對(duì)周邊小區(qū)排摸與逐層測(cè)試，制定了優(yōu)化MIMO模式與天線方向角整體優(yōu)化方案。

圖1 優(yōu)化前后有效覆蓋范圍對(duì)比

如圖1 和表3 所示，優(yōu)化后完全消除了越區(qū)覆蓋和塔下黑現(xiàn)象。以第3 扇區(qū)覆蓋目標(biāo)環(huán)龍花苑為例，居民樓尤其是室內(nèi)5G 覆蓋得到了明顯提升。

如表4 所示，該案例表明，在5G 時(shí)代，由于MIMO 技術(shù)的引入，在密集市區(qū)部署時(shí)，可以優(yōu)化和利用超高站，但需要進(jìn)行精細(xì)化，一站一方案進(jìn)行規(guī)劃與優(yōu)化。通過(guò)明晰覆蓋目標(biāo)，選擇合適的MIMO 模式與天線方向角，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊高層樓宇的立體覆蓋。在電、聯(lián)共建一張網(wǎng)模式下，如果高站、低站分用不同的100 MHz 頻率，可取得更好的覆蓋效果。

表4 高站第3 扇區(qū)優(yōu)化后測(cè)試結(jié)果

2.2 通過(guò)宏站、桿站協(xié)同實(shí)現(xiàn)低層和中層覆蓋

在上海市政府相關(guān)部門的推動(dòng)下，架空線落地項(xiàng)目為運(yùn)營(yíng)商提供了較多綜合桿站站址資源，可以用于密集市區(qū)場(chǎng)景覆蓋補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)主要道路的連續(xù)覆蓋，為車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)保障。桿站由于部署在路邊，可對(duì)道路進(jìn)行直接覆蓋，減少了無(wú)線信號(hào)的繞射次數(shù)，能取得較好的覆蓋效果。但是，由于桿站是在已建一層宏站基礎(chǔ)上部署實(shí)施的，需要評(píng)估道路現(xiàn)有宏站覆蓋情況。如圖2 所示，在道路一端部署了桿站，天線掛高7 m，主要覆蓋兩側(cè)道路，對(duì)應(yīng)基站小區(qū)物理小區(qū)標(biāo)識(shí)（Physical Cell Identifier，PCI）為314，周邊最近的宏站距離為450 m，天線掛高25 m。該場(chǎng)景為宏微協(xié)同場(chǎng)景部署方案。方案實(shí)施后，從近到遠(yuǎn)選擇9 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，評(píng)估不同宏站負(fù)荷對(duì)桿站覆蓋的影響，如表5 所示。

表5 宏微協(xié)測(cè)試評(píng)估結(jié)果

圖2 宏微協(xié)同測(cè)試評(píng)估

在桿站近點(diǎn)區(qū)域，宏站、桿站參考信號(hào)接收功率（Reference Signal Received Power，RSRP）差值在20 dB 以上的情況下，宏站對(duì)桿站的干擾不明顯。

在桿站中點(diǎn)區(qū)域：當(dāng)宏站RSRP接近-105 dBm、差值小于15 dB 的情況下，宏站對(duì)微站干擾有波動(dòng)，影響不明顯；差值小于10 dB 的情況下，宏站對(duì)微站干擾明顯；宏站負(fù)荷達(dá)到50%時(shí)，微站速率下降了20%，75%時(shí)下降了36%；當(dāng)宏站、桿站RSRP差值小于3 dB 后，信號(hào)直接切換到宏站上。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在密集市區(qū)利用桿站的宏微場(chǎng)景，建議桿站覆蓋區(qū)域應(yīng)在宏站電平小于-100 dBm 區(qū)域內(nèi)，且桿站RSRP電平要高于宏站10 dB 以上，才能起到補(bǔ)充覆蓋的效果。

2.3 利用天線劈裂小區(qū)實(shí)現(xiàn)4G 分流與5G 重耕

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)密集市區(qū)樓宇內(nèi)部尤其是大型小區(qū)中間部位樓宇的室內(nèi)覆蓋，騰退低頻段的4G 頻點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)5G 在低頻段上重耕勢(shì)在必行。如圖3 所示，該方案選擇現(xiàn)網(wǎng)4G 超忙小區(qū)，利用劈裂天線易于劈裂小區(qū)的技術(shù)特點(diǎn)，采用1 副8 端口2 扇區(qū)天線替換傳統(tǒng)4TR 板狀天線，并通過(guò)增加1 套 1.8 GHz&2.1 GHz 4TR 雙模RRU 的方式進(jìn)行小區(qū)分裂。劈裂后的2 個(gè)1.8 GHz 小區(qū)承載原來(lái)1 個(gè)1.8 GHz 和2.1 GHz 4G 業(yè)務(wù)流量，騰退出的2.1 GHz 頻點(diǎn)用于5G 重耕，且5G 也劈裂成2 個(gè)小區(qū)。

圖3 天線劈裂示意（設(shè)備連接和扇區(qū)分布）

為評(píng)估該方案對(duì)容量的提升效果和對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的影響，各提取了天線替換前后一周的4G 話統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2.3.1 容量提升情況

如表6 所示，小區(qū)劈裂后，1.8 GHz 和2.1 GHz 周平均每小時(shí)流量提升了25.89%，最忙時(shí)提升了76.27%。周平均每小時(shí)無(wú)線資源控制（Radio Resource Control，RRC）連接用戶數(shù)提升了61.65%，最忙時(shí)提升了58.95%?？梢?，原來(lái)受壓抑的業(yè)務(wù)容量得到了有效釋放。同時(shí)，物理資源塊（Physical Resource Block，PRB）利用率分別下降了17.81%與8.33%，為2.1 GHz 騰退留出了時(shí)頻資源。

表6 劈裂前后容量情況對(duì)比

2.3.2 干擾引入分析

如圖4 所示，小區(qū)劈裂后在劈裂小區(qū)之間增加了一條邊界，不可避免引入了同頻干擾[5]，降低了邊界附近的信號(hào)與干擾加噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）值，同時(shí)不可避免降低了同頻、異頻切換率，抬升了E-RAB 的掉線率。

圖4 天線劈裂后1.8 GHz 路測(cè)SINR 值對(duì)比（50%負(fù)荷）

如表7 所示，劈裂小區(qū)和周邊鄰小區(qū)的性能指標(biāo)略有下降，其中同切換成功率、RRC 建立成功率基本保持不變，異頻切換成功率下降0.67%，E-RAB掉線率上升0.17%。與取得的容量增益相比，當(dāng)前參數(shù)均在可接受的范圍。

表7 劈裂前后周邊相關(guān)小區(qū)性指標(biāo)情況對(duì)比（單位：%）

劈裂天線由于自身技術(shù)特點(diǎn)，一副天線就可以實(shí)現(xiàn)小區(qū)分裂，不需要增加抱桿資源，且外形較為美觀。在天線增益與普通天線相當(dāng)?shù)那闆r下，垂直波瓣增加到了28°，改善了對(duì)高層建筑的覆蓋，在密集市區(qū)尤其是居民區(qū)附近有較大的部署優(yōu)勢(shì)。根據(jù)替換前后的測(cè)試結(jié)果表明，利用天線劈裂小區(qū)能有效提升原小區(qū)容量，引入干擾可控。為降低干擾，盡量將劈裂小區(qū)邊界控制在非主干河道、空地等低話務(wù)區(qū)域上，從而減少對(duì)性能指標(biāo)的影響。建議對(duì)大部分具備重耕條件的連片區(qū)域內(nèi)個(gè)別業(yè)務(wù)超忙站點(diǎn)進(jìn)行劈裂天線改造，以大大提前5G 重耕時(shí)間表，形成4G 向5G 遷移的良性循環(huán)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以5G 在密集市區(qū)場(chǎng)景部署為研究背景，分析5G 高頻率在密集市區(qū)場(chǎng)景多繞射和多穿透情況下遇到的挑戰(zhàn)。針對(duì)密集市區(qū)無(wú)線電波多繞射與多穿透損耗的特點(diǎn)，提出了通過(guò)站型分層與頻率分層2 個(gè)分層覆蓋建議，然后結(jié)合具體實(shí)踐案例，分別在超高站優(yōu)化、立桿站宏微協(xié)同、利用劈裂天線分流3 個(gè)方向進(jìn)行分層組網(wǎng)實(shí)施方案及評(píng)估結(jié)果介紹，力求給5G 無(wú)線網(wǎng)規(guī)劃工程師提供參考。密集市區(qū)無(wú)線場(chǎng)景復(fù)雜多樣，后續(xù)將結(jié)合其他諸如城市快速路、跨江大橋、大型體育場(chǎng)館高密場(chǎng)景以及2B 應(yīng)用場(chǎng)景繼續(xù)開展5G 分層組網(wǎng)實(shí)踐，以不斷提升5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量和用戶感知。