5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化策略與仿真

李文靜，文聰敏

(廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 珠海 519090)

0 引言

從工信部發(fā)布的2022年上半年通信業(yè)主要指標(biāo)完成情況和幾大運(yùn)營(yíng)商各自的數(shù)據(jù)來(lái)看，整個(gè)通信業(yè)2022年上半年的成績(jī)單已出爐。目前中國(guó)的5G基站有185.4萬(wàn)多座，占移動(dòng)基站總數(shù)的17.9%，2022年上半年新建5G基站達(dá)42.9萬(wàn)個(gè)。全國(guó)5G移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)4.55億戶(hù)，比2021年末增加1億戶(hù)，占移動(dòng)用戶(hù)總數(shù)的1/4還多，即當(dāng)前移動(dòng)用戶(hù)中每4個(gè)人就有1人使用5G手機(jī)。預(yù)計(jì)到2023年，5G 個(gè)人用戶(hù)普及率超過(guò)40%，用戶(hù)數(shù)將超過(guò)5.6 億。5G 網(wǎng)絡(luò)接入流量占比超50%，每萬(wàn)人擁有5G基站數(shù)超過(guò)18個(gè)。由此可以預(yù)見(jiàn)5G建設(shè)不斷加快，未來(lái)中國(guó)的5G建設(shè)還將高速增長(zhǎng)，5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)模將傲視全球。如此龐大的5G網(wǎng)絡(luò)將有力地推動(dòng)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)變革，助推眾多垂直產(chǎn)業(yè)升級(jí)發(fā)展新的引擎[1]。

硬件設(shè)施優(yōu)質(zhì)、用戶(hù)群體之眾、用戶(hù)需求苛刻是當(dāng)前5G發(fā)展面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，各大運(yùn)營(yíng)商只有不斷優(yōu)化服務(wù)才能牢牢把握機(jī)遇，5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化已經(jīng)成為各大運(yùn)營(yíng)商提質(zhì)升級(jí)的軟手段。5G網(wǎng)絡(luò)比4G網(wǎng)絡(luò)更復(fù)雜，需要優(yōu)化的參數(shù)更多[2]。很多關(guān)鍵性能的優(yōu)化直接關(guān)系到用戶(hù)的去留，比如網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化。

1 覆蓋指標(biāo)

4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋主要看重的參數(shù)是RSRP，代表無(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)以及物理層測(cè)量需求之一，是在某個(gè)符號(hào)內(nèi)承載參考信號(hào)的所有資源粒子(Resource Element，RE)上接收到的信號(hào)功率的平均值。通俗的理解，RSRP的功率值代表了每個(gè)子載波的功率值。而5G網(wǎng)絡(luò)采用了波束賦形技術(shù)，考慮的衡量覆蓋的幾個(gè)指標(biāo)是：承載同步信號(hào)RE的功率平均值(Synchroniza-tion Signal Reference Signal Received Power,SS-RSRP)，接收信號(hào)強(qiáng)度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)，參考信號(hào)接收質(zhì)量(Reference Signal Received Quality，RSRQ)，信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)。在仿真軟件中可以關(guān)注SS-RSRP的強(qiáng)度水平以衡量覆蓋情況，一般而言SS-RSRP低于-100 dBm左右意味著信號(hào)比較差，需要進(jìn)行優(yōu)化。習(xí)慣上按照表1中的指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)劃分。

表1 RSRP強(qiáng)度劃分

2 覆蓋優(yōu)化類(lèi)型

通常的覆蓋優(yōu)化問(wèn)題如表2所示，主要集中在覆蓋空洞、弱覆蓋、越區(qū)覆蓋、重疊覆蓋等。覆蓋空洞是指規(guī)劃應(yīng)該覆蓋的小區(qū)連片出現(xiàn)無(wú)覆蓋的現(xiàn)象。UE終端的靈敏度一般為-124 dBm，考慮部分商用終端與測(cè)試終端靈敏度的差異，預(yù)留幾個(gè)dB余量，則覆蓋空洞定義為RSRP<-119 dBm的區(qū)域，即當(dāng)信號(hào)小于-119 dBm就可認(rèn)為是覆蓋空洞；弱覆蓋是指規(guī)劃覆蓋的區(qū)域中部分區(qū)域出現(xiàn)信號(hào)低于-100 dBm的情況，信號(hào)強(qiáng)度不能夠保證業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行；越區(qū)覆蓋是指規(guī)劃中不應(yīng)覆蓋的區(qū)域反而“竄”到該區(qū)成為主服務(wù)信號(hào)，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)切換混亂、負(fù)載失衡、弱覆蓋等其他問(wèn)題；重疊覆蓋是指UE同時(shí)接收到3個(gè)或3個(gè)以上的小區(qū)信號(hào)，且鄰小區(qū)的RSRP和主小區(qū)相差不到6 dB。無(wú)論是覆蓋空洞、越區(qū)覆蓋還是重疊覆蓋均有可能引發(fā)乒乓切換、流量負(fù)載不均等問(wèn)題[3]。

表2 各種常規(guī)覆蓋問(wèn)題

可以看到，無(wú)論是哪種覆蓋問(wèn)題優(yōu)先使用的步驟就是調(diào)整天線(xiàn)的方位角、上下傾角、天線(xiàn)掛高。因?yàn)檫@是最常出現(xiàn)問(wèn)題的地方，相比重新規(guī)劃基站又是最節(jié)省成本的策略。

3 覆蓋優(yōu)化

數(shù)據(jù)采集是優(yōu)化工作的第一步，通常需要通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行覆蓋相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集。DT車(chē)載測(cè)試需要在室外駕駛測(cè)試車(chē)輛沿規(guī)劃路線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，CQT通信質(zhì)量測(cè)試需要在定點(diǎn)位置進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。它們都需要筆記本、GPS、測(cè)試手機(jī)等測(cè)試終端。測(cè)試數(shù)據(jù)獲取后需進(jìn)行覆蓋評(píng)估，是指數(shù)據(jù)采集后對(duì)關(guān)注的覆蓋指標(biāo)進(jìn)行定性的評(píng)估。例如對(duì)采集到的數(shù)據(jù)參照信號(hào)的等級(jí)劃分評(píng)估出測(cè)試路段網(wǎng)絡(luò)覆蓋的大致?tīng)顩r。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工程師工作過(guò)程中除了使用以上設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)收集外，后期優(yōu)化調(diào)整還需要使用坡度儀測(cè)量天線(xiàn)下傾角、使用羅盤(pán)測(cè)量天線(xiàn)方位角等[4]。路測(cè)是模擬真實(shí)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的第一步數(shù)據(jù)采集。由于真實(shí)的路測(cè)需要依靠戶(hù)外測(cè)試車(chē)輛沿指定的路線(xiàn)通過(guò)測(cè)試設(shè)備(測(cè)試手機(jī)UE)收集數(shù)據(jù)的過(guò)程，我們?cè)趯W(xué)習(xí)過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)這一步驟，因此，只能利用軟件模擬實(shí)現(xiàn)。對(duì)于學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，我們常常在仿真軟件上熟悉各個(gè)工作流程，模擬以上設(shè)備的使用。豐邁信息出品的5G虛擬仿真平臺(tái)就具有5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的功能，集成了豐富的教學(xué)場(chǎng)景，模擬網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的測(cè)試、分析、優(yōu)化、復(fù)測(cè)的全過(guò)程，非常方便用于培訓(xùn)、教學(xué)。

為了檢驗(yàn)優(yōu)化策略的有效性，本文打開(kāi)軟件仿真新建案例進(jìn)行驗(yàn)證。新建的場(chǎng)景為一個(gè)工業(yè)園區(qū)，結(jié)果如圖2所示。園區(qū)中初建的基站有101～501共5個(gè)小區(qū)(實(shí)際上一般一個(gè)基站布局3個(gè)小區(qū)，這里為了方便直觀一個(gè)基站只布局一個(gè)小區(qū))，而且小區(qū)中天線(xiàn)的傾角、方位角、信號(hào)強(qiáng)度等都是默認(rèn)的(未經(jīng)優(yōu)化)。布局完成后，初次上電執(zhí)行路測(cè)測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 仿真結(jié)果

仿真之后，可以通過(guò)“小區(qū)連線(xiàn)”功能查看拉線(xiàn)圖，分析各個(gè)基站小區(qū)的覆蓋情況。如圖2中拉線(xiàn)顯示，當(dāng)該路段中的線(xiàn)連向某小區(qū)時(shí)代表著由該小區(qū)為該路段提供主服務(wù)。每個(gè)測(cè)試點(diǎn)上的數(shù)值代表該點(diǎn)的強(qiáng)度等級(jí)，數(shù)值越大代表信號(hào)強(qiáng)度越好。而圖2中某些點(diǎn)沒(méi)有拉線(xiàn)顯示的黑點(diǎn)則代表完全沒(méi)有信號(hào)聯(lián)通，代表覆蓋空洞。通過(guò)仿真結(jié)果可以看到A區(qū)和B區(qū)接入了201小區(qū)的信號(hào)，很明顯A區(qū)應(yīng)該屬于距離較近的101小區(qū)覆蓋以及B區(qū)應(yīng)該屬于101小區(qū)和301小區(qū)共同覆蓋，因此此處屬于越區(qū)覆蓋。此外，A區(qū)還存在無(wú)信號(hào)覆蓋的地段，屬于覆蓋空洞。再分析C區(qū)，發(fā)現(xiàn)C區(qū)雖然被覆蓋，但是部分采樣點(diǎn)低于-100 dBm的信號(hào)質(zhì)量都比較差，屬于弱覆蓋的問(wèn)題。如圖3所示，C處還存在301，401，501小區(qū)在C區(qū)的SS-RSPR電平相差都不大的問(wèn)題(分別為-104 dBm,-99 dBm,-102 dBm)，屬于重疊覆蓋的問(wèn)題。

針對(duì)以上存在的問(wèn)題，逐個(gè)分析優(yōu)化：A，B區(qū)的越區(qū)覆蓋可以通過(guò)調(diào)整201小區(qū)的方位角使其朝向其他無(wú)覆蓋區(qū)域，或者提高其傾角調(diào)整信號(hào)發(fā)射距離或降低其信號(hào)強(qiáng)度；A區(qū)的覆蓋空洞可以調(diào)整101和501的角度使其可以覆蓋全面；對(duì)于C區(qū)，先優(yōu)化其弱覆蓋問(wèn)題：加大401小區(qū)的輻射強(qiáng)度(從36 dBm增大到43 dBm)，使其成為主服務(wù)小區(qū)，接著通過(guò)調(diào)整角度等優(yōu)化重疊覆蓋問(wèn)題。

圖3 C區(qū)重疊覆蓋

優(yōu)化后如圖4所示，通過(guò)方位角、傾角、強(qiáng)度等的調(diào)整基本上已解決了以上的問(wèn)題。通過(guò)圖5的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)采樣點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度全部大于-100 dBm，平均達(dá)到-88.7 dBm。其中約80%在(-95～-85 dBm)，約20%大于-85 dBm。值得注意的是，優(yōu)化的過(guò)程不是一蹴而就的，需要反反復(fù)復(fù)地調(diào)整。甚至改變某一項(xiàng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)其他的問(wèn)題。比如以上調(diào)整201小區(qū)朝向的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)UE在從101小區(qū)范圍內(nèi)靠近301小區(qū)范圍內(nèi)無(wú)法接入301的情況。排查發(fā)現(xiàn)是由于301和101之間沒(méi)有互設(shè)鄰區(qū)的原因。

圖4 優(yōu)化后的覆蓋

5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化需要考慮的參數(shù)、因素是非常多的，網(wǎng)絡(luò)覆蓋只是其中的一方面[5]。而且影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋的因素也很多，實(shí)際中網(wǎng)絡(luò)覆蓋的問(wèn)題不但考慮室外覆蓋還需要考慮室內(nèi)覆蓋等。以上所提及的均是從基站的布局已確定之下通常通過(guò)調(diào)整小區(qū)的方位角、傾角、天線(xiàn)高度、發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度等常規(guī)手段來(lái)優(yōu)化。除此之外還有比較耗費(fèi)成本的增刪基站方法，所以網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是一項(xiàng)系統(tǒng)性工作，從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃之初就應(yīng)該進(jìn)行充分的考量。例如前期規(guī)劃就應(yīng)該充分調(diào)研地區(qū)網(wǎng)絡(luò)流量需求，科學(xué)規(guī)劃站點(diǎn)密度以免后期站點(diǎn)搬遷造成成本的耗費(fèi)。

圖5 優(yōu)化統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

衡量5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的指標(biāo)參數(shù)很多，但是我們主要關(guān)注同步信號(hào)在每個(gè)RE的平均功率SS-RSRP的信號(hào)強(qiáng)度。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)可以對(duì)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行一個(gè)強(qiáng)弱定義，通常信號(hào)低于-100 dBm即可認(rèn)為信號(hào)較弱需要優(yōu)化。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是一個(gè)重要的工作，需要使用專(zhuān)用的設(shè)備儀器沿規(guī)劃的路線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)評(píng)估。根據(jù)評(píng)估的結(jié)果對(duì)存在的問(wèn)題使用相應(yīng)的策略進(jìn)行調(diào)整。本文探究了常規(guī)的室外覆蓋問(wèn)題以及解決措施，并通過(guò)軟件仿真驗(yàn)證優(yōu)化的有效性，對(duì)加深研究人員的理論學(xué)習(xí)或者指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化工作提供方向，為后續(xù)更高階的覆蓋優(yōu)化例如天線(xiàn)的類(lèi)型、天線(xiàn)的層數(shù)、調(diào)制模式、數(shù)字傾角、波束管理等做準(zhǔn)備。