5G天线挂高对网络竞争力的影响

张中华 郭丽华 赵静

（河南省信息咨询设计研究有限公司 河南省郑州市 450008）

1 引言

国内5G 网络目前处于大规模建设期，中国电信和中国联通已于2019年9月宣布共建共享5G 网络，5G 建设采用3.5G 为主覆盖频率。高频段带来的明显问题即为5G 基站覆盖距离相对中国移动较近，建站密度大和建设成本高等问题。如何在有限的资源情况下提高5G 覆盖的范围，发挥5G 网络的最大效能，进而提升网络的竞争力是目前亟需研究的一个重要问题。本文结合自身工程经验，研究5G 在不同挂高情况下对5G 覆盖的影响情况；利用Atoll 仿真软件结合5m 高精度地图，采用射线跟踪模型对基站不同挂高进行仿真研究，为后期运营商精准建设提供参考。

2 仿真简介

2.1 仿真软件

为了直观验证天线挂高对覆盖的影响程度，我们采用Forsk Atoll 软件进行单站仿真研究。Forsk Atoll 是一款由法国公司推出的功能强大的专业无线网络规划仿真软件，软件支持2G、3G、4G、5G 等多种技术，它为网络运营商和厂商提供了强大的架构设计和优化功能，可以广泛地应用于各类无线网络的设计操作。软件版本为Atoll 3.4.0 版本。

2.2 传播模型选取

传统的无线传播模型如Okuruma-Hata 模型、COST-Hata 模型、SPM 模型，无论从频率还是基站建设方式上都难以适用于5G 基站的覆盖预测。因此，需要在分析影响5G 覆盖因素的基础上，比较分析传统无线传播模型和最新的3D 传播模型的差异，利用模型来预测射线跟踪模型预测5G 基站覆盖能力快速实现5G 基站覆盖预算。本次仿真传播模型选择Aster Propagation Model。仿真聚焦半径及计算半径设置为650 米。

Aster 模型是Atoll 中一个可选的射线追踪传播模型，由Forsk公司发布和支持，作为Atoll 的一个可选功能。Aster 模型是一个预校正模型，支持所有无线技术，5G NR,LTE,NB-IoT,UMTS,GSM,WiMAX,Wi-Fi 等。从2.6.0 开始，增加Aster mmWave 模型，使Aster 系列模型支持的频率范围扩展到150MHz～60GHz。Aster 模型支持所有的小区类型，从微蜂窝小区、迷你蜂窝小区到宏蜂窝小区等等。支持不同类型的传播环境：密集城区、城区、郊区等，特别适合于带有高精度地图的密集城区环境。利用CW 测量数据，Aster 模型可以进行自动模型校正。Aster 模型主要考虑楼顶的垂直衍射和基于射线追踪算法的水平衍射和反射。

2.3 仿真关键参数选取

无线网络仿真是一种利用数学建模、统计分析的方法，基于电磁传播预测模拟、推演不同网络方案下网络的业务和射频组网性能，以便运营商、设计单位等进行网络规划、优化、建设、设计的基本方法和工具。

根据工程经验，结合目前实际建网情况，本次仿真关键参数选取如表1所示。

2.4 仿真流程

图1：基站周边环境示意图

图2：基站不同挂高仿真图

5G 网络仿真流程主要涉及以下几个方面：

2.4.1 地图

网络仿真在现有地物、地类、建筑物等实际地理环境基础上进行，地图的精度直接影响仿真结果。本次仿真市区采用5m 精度地图进行。

2.4.2 建模

仿真网络的参数设置，有网络级参数、重点技术（智能天线、ICIC、载波聚合）、站点（物理站、逻辑站、BBU 集中放置、直放站、多天线等站点形态）、MassiveMimo、网络设备、塔放、馈线、天线、终端、承载、业务、用户、移动环境、电磁传播、用户接入等全角度、全方位数字建模网络工参导入。

2.4.3 网络覆盖及干扰预测

（1）基于高精度三维数字地图和射线跟踪模型可使方差降低至6dB 以下。

（2）基于蒙特卡洛（原子核爆算法）仿真精确预测小区功率负载。

（3）基于小区负载和高质量的PCI，可以精确的预测覆盖和干扰关系。

目前5G 网络用户量较少，网络仿真主要针对覆盖的预测，暂不考虑容量。

3 仿真方案

本次选取市区中商业学校一个站点，该站点位于市区6 层楼顶的一个9 米拉线塔，一扇区覆盖范围内近处是商业学校内部（4-6层学校建筑），100 米外全是老城区超密集的六层城中村住宅建筑，内部信号阻挡很严重；二扇区和三扇区300 米内几乎全是老城区密集多层或六层居民楼，内部阻挡相对严重；通过设置不同的挂高参数进行仿真，抽取仿真采样点数据进行详细分析，研究结果分室内、室外两部分展示。站点无线环境和仿真结果见图1 和图2所示。

表1

表2

表3

3.1 挂高对室外覆盖的影响

根据表2 数据分析，挂高每提升3 米对整体电平均值提升约1dBm 左右。室外电平均值表明在密集城区挂高提升对近点电平提升不明显，对中远点场强提升较为明显。每提升3 米，对中点场强提升约0.35dBm,对远点边缘场强提升约0.42dBm。

3.2 挂高对室内覆盖的影响

通过对室内仿真采样点分析，挂高提升对室内整体电平提升也有改善，每3 米提升约提高电平值1dBm，如表3所示。

4 仿真结论

从仿真提取的采样点数据看，挂高提升后，采样点整体电平趋好，近点部分电平值在-90 以内变化不大，但中点和远点数据电平值均有所提升，证明挂高提升能够增加覆盖半径，特别是远点的电平值。天线高度与有效覆盖距离呈现一定的正比关系，即天线挂高越高，有效覆盖距离越远。站高每提高3 米约提升中远点电平值0.4dBm。

5 结语

5G 网络由于频段高，衰耗大，天线高度对5G 网络覆盖的影响较大。为充分发挥5G 网络效能，天线挂高至少要高于周边建筑物平均高度5 米以上，确保覆盖效果；同时应尽量选取高平台作为5G 基站的安装位置，确保基站的覆盖能够达到最优，进而能够提升整个网络的竞争力。