面向5G行业应用的智能规划方法研究和实践

2020-03-27黄家丰

通信电源技术 2020年22期

黄家丰

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏南京 210019）

0 引言

在移动通信的5G时代到来之后，移动通信已经不仅仅局限于人与人之间，越来越多的领域应用到了移动通信技术，使得人与物和物与物的移动通信拥有了广泛的市场。因此，为了满足人们居住、工作、出行以及娱乐等多方面的需求，开始在住宅区、体育场、娱乐休闲场所、写字楼、车站以及停车场等场景建设5G网络。面对这种大规模的活动建设，无疑需要一个高效简捷的规划方案，所以本文通过研究面向5G行业应用的智能规划方法并做出实践方案，首先通过从2G到4G的发展及5G网络的功能做出5G网络建设的重要性分析，然后简要描述与分析增强型移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、大规模物联网（massive Machine Type of Communication，mMTC）以及超高可靠超低时延通信（Ultra-reliable and Low Latency Communications，uRLLC）之间的应用，接着开始研究5G行业应用的智能规划方法，选择5G网络服务站的地址计算城市穿透损耗典型数值，并根据损耗值校准射线追踪模型参数，然后进行参数规划，通过时间维度和空间维度的关联迭代寻优不同场景类别中的射频参数与波束成形参数，得到其优化算法[1]。

1 5G建设的重要性分析

移动网络从2G到4G的发展，实现了人与人之间移动通信的从完全没有到逐渐丰富。在2G时代人们真正开始了大规模的移动语音通信，进入了移动通信时代，在3G时代人们开始将互联网业务与移动通信相结合，将互联网也带入了移动时代，到了4G时代移动互联网彻底转化为移动数据，与手机App相结合产生了一系列的智能产品，并普及到社会的方方面面。5G的发展，表示移动通信需要将通信场景也纳入考虑，详细描述人与人、物与物以及人与物之间的联系，并依据这些不同的联系设置不同的通信场景，对移动通信提出不同的要求。由此可以看出，所谓5G时代就是人为定义各种不同的通信场景，并以此实现移动通信的定制化服务。在注重个性化的当今社会，将移动通信由大众走向个人是一种必然的趋势，因此5G时代必定到来。而这样的一个巨大的时代浪潮，对于我国网络强国的战略目标是一个巨大的机遇，能够使我国在国际舞台上引领科技创新，还可以带动产业升级，发展新兴产业经济并拉动就业率，因此5G的建设与发展十分必要，也是我国在未来网络发展中的重要课题[2]。

2 5G行业应用概述

在5G行业的典型应用中，主要包括3种最主要的应用场景，分别是增强型移动宽带（eMBB）、大规模物联网（mMTC）以及超高可靠超低时延通信（uRLLC）。这3种技术几乎涵盖了5G的所有功能，多种详细的5G应用如表1所示。

表1 5G场景对不同行业的提升效果

随着移动数据从4G发展到5G，在时延、带宽以及可靠性方面都有了极大的进步，也正是因为这种巨大的飞跃，才能为物联网、互联网以及其他需要移动技术的相关行业提供新的发展空间。

2.1 增强型移动宽带

增强型移动宽带是针对大流量移动宽带的业务。在现有4G网络的基础上升级为5G，能够进一步提升用户的移动数据性能，得到一种追求移动数据极致高速的体验。5G在增强型移动宽带中使网络速度大幅度提升，无论是下载速度还是上传速度都有极大的提升，原本需要下载10 min的视频，现在10 s之内就能下载完毕，这表明了5G网络相较于4G网络的优越性。

2.2 大规模物联网

大规模物联网又被称为海量机器类通信，一般在6 GHz以下的波段发展，其大规模的应用体现在物联网领域。当前，全球物联网发展进入产业爆发前的战略机遇期，应用增长态势明显，物联网的发展受到国内外的共同关注，市场应用前景巨大。物联网时代万物互联，海量通信显得异常重要，物联网海量通信的核心是提供大规模的连接，WiFi和ZigBee等技术都用于支持连接。大规模物联网技术能够根据信息交互对象从不同的角度出发，重点解决传统移动通信无法很好支持物联网及垂直行业应用的问题，这种低功耗的大规模物联网连接适用于各种领域，主要面向智慧城市、环境监测、智能家居以及森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，数据包较小且连接量大[3]。

2.3 超高可靠超低时延通信

超高可靠超低时延通信技术的特点是高可靠、低时延以及极高的可用性，它包括工业应用和控制、交通安全和控制、远程制造、远程培训以及远程手术等场景及应用，在无人驾驶业务方面拥有很大潜力，此外对于安防行业也十分重要[4]。工业自动化控制需要时延大约为10 ms，这一要求在4G时代难以实现，而在无人驾驶方面对时延的要求更高，传输时延需要低至1 ms，而且对安全可靠性的要求极高。

3 5G行业应用智能规划方法研究

3.1 站址规划

与前些年的3G和4G不同，能够造成人们生活方式变革的5G数据网络结构更加复杂，其应用功能层出不穷，因此在设计5G网络的规划方案时需要针对多样化的5G功能业务做好站址规划[5]。

3.1.1 城市穿透损耗典型数值计算

想要实现实际场景的精准配置，需要先校准实际城市环境的穿透损耗模型。相比起刚开始施工的5G，4G已经实行了一段时间，且4G用户测量报告（Match Record，MR）的数据分析十分具备代表性，其配置规模已经趋于完善[6]。由于5G和4G频率接近，因此完全可以通过校准实际城市环境穿透损耗模型的方式获取城市穿透损耗的典型数值，该步骤的算法流程如图1所示。

图1 城市穿透损耗数值计算

由图1可知，第一步需要呼叫位置定位，在这个过程中，可以根据系统和功能的不同使用OTT定位、室分定位、WCCL定位以及特征匹配定位等4种定位方法，然后根据位置定位确定地图上的匹配数据并及时校正，最后分析用户环境特征，根据用户所处位置的不同，得到城市穿透损耗的典型数值。

3.1.2 射线追踪模型参数校准

得到以上的城市穿透损耗典型数值是所有5G站点设置的必需步骤，在这之后就需要依据5G网络与4G网络的差异场景校正模型参数，建立5G的射线追踪模型。参数校正的具体设置如表2所示。

表2 校正射线追踪参数取值

通过表2中对射线追踪参数的计算，可以判断5G站址的详细道路数据。当5G边缘同步信号的采样点与平均电平覆盖误差小于5%时，表明该站址规划符合所需要求。

3.2 参数迭代寻优

5G关键参数的规划包括射频（Radio Frequency，RF）参数和波束成形（Beam Forming，BF）参数。射频参数主要包括5G网络设置高度角、挂高以及下倾角等，而波束成形参数为多入多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）天线波束成形权值组合。本文主要根据以上参数规划，设计一种能够自动匹配巡游的策略算法，以此实现5G网络行业应用的智能规划[7]。

3.2.1 空间维度与时间维度的关联分析

在5G网络中设置MIMO天线波束成形的关键技术，考虑站址规划的仿真分析，通过水平和垂直动态扫描构成三维立体的波束覆盖，实现了设置8种水平波束、2种垂直波束、20种下倾角以及80种高度角的能力。考虑权值属性，将5G网络的通路天线转化为可量化的能量改变波束方位，这种能够量化的能量即可表示为权值，进而实现射频参数和波束成形参数的表达。常见的基于不同场景的波束管理方案如表3所示。

表3 基于不同场景的波束管理方案

5G网络的波束成形权值属性的设置与具体的场景有很大的关联，在计算得到时间维度波宽和空间维度波宽之后就能实现场景的自动化识别，关联5G网络无线参数的适配，提高5G网络行业应用的智能规划效率。

3.2.2 射频参数与波束成形参数的梯度算法

鉴于5G网络复杂的权值参数设置，基于随机梯度算法迭代寻优射频参数与波束成形参数，确定最佳的参数方案，其过程如图2所示。

图2 参数迭代寻优算法

如图2所示，得到最优射频参数与波束成形参数的参数组，基于路损和天线文件等数据估算参数迭代后的整体效益，直至其正向收敛。

4 5G行业应用智能规划实践

为了节省5G行业应用智能规划所需资金，可以将原有的4G网络改造成5G网络，具体的5G行业应用智能规划流程如图3所示。

图3 5G行业应用智能规划流程

在以某市作为智能规划实验点的过程中，将实验点内的各项地理数据输入到计算机内，通过计算机软件程序实现维度覆盖，然后通过4G仿真图像与4G MR折算得到不同波段的城市栅格图像数据作为底图，实现5G仿真设计。根据5G无线网络的规划区域选择合适的站点确定栅格分布，可以使用LET MR栅格汇聚电平作为参考方式，以空间维度与时间维度的关联为基础波宽，使用上文中设计的射频参数与波束成形参数的随机梯度迭代寻优算法，规划全市所需的5G车联网业务所需站址，并计算该项业务的价值预测。计算时，需注意不同的场景有不同的计算方式和权值性能，并得到最终的5G行业应用智能规划[8]。在上述智能规划体系中可以按照站址的建设成本将栅格分为高、中以及低3档，根据场景进行分类，针对网络指标计算5G网络的覆盖率如表4所示。

表4 5G网络栅格覆盖率

由表4可知，优化之后的5G网络栅格弱覆盖点，无论是高档栅格、中档栅格还是低档栅格，其覆盖率都呈下降趋势，覆盖点高档栅格、中档栅格以及低档栅格的覆盖率小幅度上升，而强覆盖点中高档栅格和低档栅格小幅度上升，中档栅格大幅度上升[9]。总体而言，只有弱覆盖点在经过智能优化后覆盖率降低，而中覆盖点和强覆盖点的覆盖率都有不同幅度的上升趋势，因此可以得到判断，5G网络行业应用的智能规划方法具备实际效用，能够解决5G网络建设中因工程量巨大而导致的规划混乱的问题[10]。