一種高密度4G/5G無線組網容量模型研究及應用

胡曉春，白小平，李納

（1.中國移動通信集團陜西有限公司，陜西 西安 710077；2.中移系統(tǒng)集成有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

第十四屆全國運動會于2021 年9 月15 日～27 日在陜西舉行，作為國內最高規(guī)格體育賽事，在全球新冠疫情形勢下，面臨多重挑戰(zhàn)和壓力。其中，開幕式場地西安奧體中心體育場將是歷屆全運會規(guī)模最大、參賽運動員及觀眾最多（達到10 萬+）、全國首次采用2G/4G/5G網絡協(xié)同的重保場館[4]。該場館的網絡保障網絡結構復雜、4G/5G 業(yè)務量巨大、網絡負荷持續(xù)升高、信號覆蓋和干擾難度極大，同時還需考慮5G 終端滲透率快速提升等復雜問題。如何有效在多用戶、多業(yè)務、多話務場景下做好4G/5G 網絡協(xié)同規(guī)劃部署是亟需解決的問題之一。

1 開幕式主要面臨的挑戰(zhàn)

第十四屆全國運動會西安奧體中心體育場作為開幕式場地，規(guī)劃面積約5 平方公里，可容納近十萬觀眾，將其列為“特級”、“重中之重”保障級別，面臨“看臺區(qū)域6.3 萬人高密度”、“4G/5G 協(xié)同業(yè)內超大規(guī)模賽事保障[5]經驗較少”、“全運通等各種APP 掃碼等業(yè)務需求種類多[6]”三大挑戰(zhàn)。

用戶數(shù)史上最高：開幕式西安奧體中心體育場看臺區(qū)域共分為三層，看臺區(qū)域觀眾數(shù)為6.3 萬，平臺區(qū)域觀眾數(shù)為2 萬，中央場地觀眾數(shù)為2 500，合計總觀眾數(shù)為8.55 萬。開幕式期間再加上工作和演職人員，總計現(xiàn)場人員可達到10 萬+，為歷史罕見的超高密度集中場景。

業(yè)務種類多、容量需求大：10 萬人聚集將對無線網絡提出十分龐大的容量需求。同時隨著互聯(lián)網及5G 賦能千行萬業(yè)，各種APP 掃碼業(yè)務需保證低時延，對容量規(guī)劃提出更高要求。

4G/5G 協(xié)同保障經驗少：歷屆全運會開幕式保障主要是以4G 網絡保障為主，而本屆將會首次納入5G 網絡保障，將從傳統(tǒng)4G 用戶為主轉變?yōu)橐?G 用戶為主，預估5G 用戶數(shù)占比將達到30% 以上，如此場景在歷史上無類似經驗可復制，5G 網絡首次面臨重大保障挑戰(zhàn)。

為確保萬無一失，通過與十四運組委會、陜西省通管局以及各方面專家的多輪溝通，并結合自身重大活動保障經驗充分研討開幕式場景業(yè)務保障需求及特點，開展精細的4G/5G 網絡規(guī)劃及開幕式4G/5G 網絡容量壓力測試。

2 無線網絡容量精細規(guī)劃

西安奧體中心體育場為開幕式主場館，總建筑面積15.6×104m2，建筑高度58.3 m，功能區(qū)主要分為看臺區(qū)域、中央場地、平層功能區(qū)，針對各個功能區(qū)采用不同的覆蓋方式和組網結構[7]。本次開幕式將是業(yè)內首次4G/5G 協(xié)同保障，同時考慮5G 終端滲透率情況，將會采用4G/5G 全頻段組網方案。

（1）按照功能劃分區(qū)域制定覆蓋方案

根據不同功能區(qū)可容納用戶人數(shù)，制定具體的覆蓋方式，最大程度模擬開幕式現(xiàn)場真實網絡環(huán)境。將西安奧體中心主體育場按照功能區(qū)劃分為：看臺區(qū)域、中央場地、平層功能區(qū)，按照功能區(qū)域定制建網方案?？磁_區(qū)域采用FDD/2.3 G/2.6 G Lampsite+GSM900 傳統(tǒng)分布系統(tǒng)雙層組網，中央場地采用BOOK2.0 異頻疊加，立體協(xié)同靈活組網[8-12]，可滿足開幕式用戶業(yè)務及容量保障需求。

4G/5G 部署策略[13]：開幕式場館西安奧體中心體育場看臺區(qū)域可容納6.3 萬名觀眾，平層功能區(qū)可容納2 萬人，采用“頻率窮盡、容量充?！钡母呙茉拕杖萘磕Ｐ驮u估，采用4G/5G 全頻段組網建設，如圖1 所示。將看臺區(qū)域劃分成多個物理網格，采用分布式皮站加賦形天線的方式覆蓋，中央場地用戶少并且較為分散，采用BOOK2.0產品覆蓋，平層工作區(qū)及電梯采用分布式皮站覆蓋[5-8]，滿足不同功能區(qū)用戶業(yè)務保障，如表1 所示。

表1 開幕式場館4G/5G容量部署策略

圖1 開幕式場館4G/5G組網情況

（2）根據區(qū)域劃分制定容量方案[14～15]

西安奧體中心體育場為開幕式場館，看臺區(qū)域可容納6.3萬名觀眾，平層功能區(qū)2 萬人，按照話務模型容量評估標準，移動用戶滲透率65%，且4G/5G 用戶數(shù)7:3，設備按最大能力進行需求計算，看臺區(qū)域采用FA 覆蓋打底，為保障用戶感知情況，4G 側單用戶上/下速率需求為0.25 Mbps/1 Mbps，5G側單用戶上/下速率需求為0.8 Mbps/4 Mbps，共計規(guī)劃4G 載波338 個，5G 載波42 個[16]。結果如表2 所示。

表2 4G/5G容量模型

3 容量壓力測試

3.1 壓力測試方案

為驗證容量規(guī)劃模型的準確性以及模擬開幕式現(xiàn)場觀眾的無線網絡環(huán)境（用戶大部分是在看微信與抖音等視頻業(yè)務），開展了開幕式的無線網絡容量壓力測試[17]，本次壓力測試采用4G/5G 混合組網，如圖2 所示，4G 采用FDD/E/D 組網，5G為4T4R組網，參數(shù)配置同商用網絡。測試頻段4G為1.8 G—2.6 G頻段，5G為2 600 MHz頻段、100 MHz帶寬，如圖3所示。結合開幕式場館看臺區(qū)域座位分布，將看臺區(qū)域劃分為80 個區(qū)塊，通過LampSite（4G：FDD/E/D，5G：2.6 G）及窄波束賦形天線進行精準覆蓋。按照看臺區(qū)域6.3 萬人，則平均每區(qū)塊人數(shù)778；選取主席臺區(qū)域作為本次測試主測區(qū)域，如圖4所示，按照每區(qū)塊778 人，按照移動用戶滲透率60%～65%，4G/5G 用戶滲透率70%～80%/30%，用戶數(shù)為404.56，考慮到有冗余情況，最終壓力測試投入400 部終端，與理論計算用戶數(shù)基本持平。

圖2 設備組網圖

圖3 測試區(qū)域頻段分配

圖4 天線覆蓋區(qū)域

（1）測試內容及業(yè)務模型

選取主席臺區(qū)域作為本次測試主測區(qū)域，如圖5 所示，用戶基本按照近中遠1:2:1 比例分布。測試內容中有單天線覆蓋性能測試、小區(qū)多業(yè)務重載場景測試，其中小區(qū)業(yè)務類測試分為鄰小區(qū)加擾和鄰小區(qū)空載兩種場景[18-19]，這樣測試主要驗證現(xiàn)場有干擾情況下的用戶感知。

圖5 主席臺壓力測試區(qū)域

本次壓力測試主要驗證4G/5G 單小區(qū)下的網絡能力，并模擬實際用戶的網絡使用情況。結合前期重大活動的保障經驗，主要為上行業(yè)務，參考十三屆全運會及各種演唱會的無線業(yè)務模型，給出本次測試重載場景，業(yè)務比例分布如表3 所示：

表3 混合業(yè)務模型

（2）測試方案[20]

本次壓力測試共涉及4 大類用例6 個測試子任務，主要為小區(qū)多業(yè)務重載場景測試和小區(qū)單業(yè)務壓力測試，其中小區(qū)業(yè)務類測試分為鄰小區(qū)加擾和鄰小區(qū)空載兩種場景，如表4 所示。

表4 壓力測試用例

3.2 壓力測試結果

（1）單小區(qū)加擾能力驗證

1）4G 單小區(qū)加擾能力驗證

◆開幕式重載場景

用戶按照近中遠1:2:1 分布，本小區(qū)單載波及周邊小區(qū)開啟，測試結論如表5 所示。

表5 4G單小區(qū)重載加擾壓力測試結果

2）5G 單小區(qū)加擾能力驗證

◆開幕式重載場景

用戶按照近中遠1:2:1 分布，周邊小區(qū)開啟，測試結論如表6 所示。

表6 5G單小區(qū)重載加擾壓力測試結果

（2）小區(qū)能力測試驗證

1）4G 單小區(qū)能力驗證

◆上傳業(yè)務

RRC 連接態(tài)用戶=52，小區(qū)上行吞吐率維持在10 Mbps，單用戶上行速率0.2 Mbps，如圖6 所示：

圖6 4G單小區(qū)上行吞吐率

◆下載業(yè)務

RRC 連接態(tài)用戶=35，小區(qū)下行吞吐率維持在38 Mbps，單用戶下行速率1.26 Mbps，如圖7 所示：

圖7 4G單小區(qū)下行吞吐率

2）5G 單小區(qū)能力驗證

◆上傳業(yè)務

當激活用戶=59，小區(qū)上行吞吐率維持在43 Mbps，單用戶上行速率0.84 Mbps；當激活用戶＞184，小區(qū)吞吐率仍然維持在31 Mbps 左右，單用戶上行速率逐步下降，但維持在0.1～0.2 Mbps，單用戶感知趨于穩(wěn)定，如圖8 所示：

圖8 5G單小區(qū)上行吞吐率

◆下載業(yè)務

當激活用戶=70，小區(qū)上行吞吐率維持304 Mbps，單用戶下行速率4.7 Mbps；當激活用戶＞141，小區(qū)吞吐率仍然維持在255 Mbps 左右，單用戶下行速率逐步下降，但維持在0.9～1.2 Mbps，單用戶感知趨于穩(wěn)定，如圖9 所示：

圖9 5G單小區(qū)下行吞吐率

4 壓力測試結果分析

本次測試為主席臺單小區(qū)測試，看臺區(qū)域劃分80個區(qū)塊，從壓力測試結果來看，主要結論包括：一是保接入，4G 單載波RRC 連接用戶數(shù)200，5G 單載波RRC 連接用戶數(shù)300；二是保感知，4G 單載波RRC 激活用戶數(shù)100，5G 單載波RRC 激活用戶數(shù)120。單區(qū)塊可確保4G/5G 微信圖片上傳、視頻直播等業(yè)務正常使用[10]。根據后臺跟蹤數(shù)據和前臺測試數(shù)據分析，本次壓力測試結果和當前容量模型設計參數(shù)值基本保持一致，上行結果對比如表7 所示，下行結果對比如表8 所示（70～100 用戶）。

表7 上行結果對比表

表8 下行結果對比表

5 開幕式實際網絡負荷及網絡質量驗證情況

本次開幕式由于受到疫情影響，入場觀眾受到一定的限制，開幕式期間RRC 連接最大用戶數(shù)峰值約2.08 萬，其中看臺區(qū)域為1.13 萬，峰值流量444 GB（其中4G 308 GB）。

4G 業(yè)務容量情況：按照開幕式實際情況看臺區(qū)域4G 移動用戶數(shù)為9 912，所需小區(qū)86 個，按容量規(guī)劃模型，4G 移動用戶數(shù)預估為32 760，規(guī)劃了217 個小區(qū)，現(xiàn)網實際配置240 個，遠遠大于開幕式當天和規(guī)劃模型所需小區(qū)數(shù)，如表9 所示：

表9 開幕式業(yè)務模型4G

5G 業(yè)務容量情況：按照開幕式實際情況看臺區(qū)域5G 移動用戶數(shù)為1 477，所需小區(qū)4 個，按容量規(guī)劃模型，5G 移動用戶數(shù)預估為8 190，規(guī)劃了30 個小區(qū)，現(xiàn)網實際配置40 個，遠遠大于開幕式當天和規(guī)劃模型所需小區(qū)數(shù)，如表10 所示：

表10 開幕式業(yè)務模型5G

由于開幕式當天，看臺區(qū)域實際到場的4G/5G 移動用戶數(shù)為11 365，按照劃分的80 個區(qū)塊，則平均每區(qū)塊人數(shù)143；4G/5G 用戶滲透率為87%/13%，4G/5G 用戶數(shù)分別為124/19，結合壓力測試及現(xiàn)場測速結果（5G 平均下載速率867.2 Mbps，4G 平均下載速率78.9 Mbps），故4G/5G 單小區(qū)可完全提供“多用戶、多業(yè)務下”正常使用，感知不受影響，同時可滿足微信圖片的上傳、抖音視頻直播等業(yè)務流暢使用（注：本次開幕式中央場地人數(shù)較少，不納入分析中）。

6 結束語

從本次十四運開幕式無線網絡保障的整體情況來看，5G 用戶的滲透率并沒有達到預期的規(guī)劃情況，預計2022 年冬奧會及亞運會期間，5G 用戶數(shù)占比將達到40%～60%，保障重點將以5G 用戶為主。

本屆十四運會作為全國首次2G/4G/5G 網絡協(xié)同的大規(guī)模重保賽事，開幕式期間無線通信網絡將面臨“高密度、多業(yè)務”的巨大挑戰(zhàn)，陜西移動針對奧體中心體育場看臺，模擬大話務場景下的用戶、業(yè)務分布，進行單小區(qū)下的“多用戶、多業(yè)務、大話務”模擬驗證測試，對業(yè)務演練仿真測試、網絡摸排、精準優(yōu)化，有效提升保障可靠性，對后續(xù)4G/5G 協(xié)同的大話務保障工作具有指導意義。