5G无线网络规划方法探讨

2020-10-26田艳中李忠良

通信电源技术 2020年13期

田艳中，阳波，李忠良，李兵

（湖南省邮电规划设计院有限公司，湖南长沙 410126）

0 引言

2019年6月6日，国家工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通以及中国广电发放5G商用牌照，标志着中国正式进入5G商用元年。与前几代移动通信系统相比，5G系统能够满足超高速率、超低时延、超高可靠性、超高速移动以及海量连接等性能要求，提供多样化和差异化的业务应用。5G网络将渗透到社会的各个方面，全面实现万物互联，加速经济社会数字化转型，经济效益和社会效益明显。同时，5G无线新空口技术对无线网络规划提出了新的挑战。因此，如何做好5G目标网规划和场景化规划、建设一个5G精品网络显得非常重要。本文将在前期5G网络建设经验的基础上，分析5G网络规划方法。

1 5G规划面临的挑战

1.1 多业务、多场景带来的挑战

5G网络应用具有多业务特点，对速率（用户体验速率0.1～1 Gb/s）、时延（1 ms）、可靠性（99.999%）和连接数量（100万/km2）等方面提出了很高要求。同时，因为新业务的引入，5G应用场景远远超出传统移动通信网络的范围。

多样化的业务应用对5G网络提出了不同的性能要求，针对每种业务应用需采用对应的网络部署方式。例如：不同业务应用需考虑CU/DU部署方式，eMBB业务需考虑超密集组网方式，uRLLC业务需考虑MEC部署需求等。

5G无线网络规划需要考虑场景精细化划分。5G无线规划场景除了传统典型场景以外，还增加了低空空域、人不可达区域等新型场景。不同的场景具有不同的业务需求，应根据不同场景采用针对性的网络解决方案。

1.2 高频段带来的挑战

5G采用Sub 6 GHz和24～40 GHz高频频段。与低频段相比，高频段具有更大的穿透损耗和路径损耗。与1.8 GHz相比，2.6 GHz链路损耗大4～7 dB，3.5 GHz链路损耗大11～15 dB，4.9 GHz链路损耗大17～21 dB。24～40 GHz频段覆盖能力有限，视距传播为主，对叶衰、雨衰等较为敏感[1]。5G通过多天线增大上行分集增益等技术来补偿高频段带来的部分损耗，但总体上5G基站覆盖范围变小，需要更多的站址资源。

1.3 大规模阵列天线带来的挑战

大规模阵列天线（Massive MIMO）通过波束权值调整，实现覆盖能力和频谱效率的提升。在大规模阵列天线波束方案中，不同方位角和倾角将会组合出大量的覆盖波形，将改变传统移动网络基于扇区级的宽波束规划方法。

1.4 超密集组网带来的挑战

在高流量热点区域场景中，5G将采用宏微异构的超密集组网架构进行部署，以实现5G网络的高容量和高速率性能。但是，超密集组网技术的一些特点给5G无线网络规划带来了挑战。

1.4.1 站址规划

室内外热点区域采用宏基站、微基站以及皮基站超密集部署方式，进一步缩小了基站间距，大幅增加了站点数量，给站址规划和获取带来了更大难度。

1.4.2 切换和干扰

在复杂、异构以及密集场景下，高密度的站点可能带来较严重的切换和干扰问题。因此，在无线网络规划中需要考虑切换优化设置和干扰控制。

1.5 新网络架构带来的挑战

5G的网络架构包含NSA和SA两种。NSA（非独立组网）以4G基站为锚点，进行5G网络部署。SA（独立组网）为5G网络独立新建。与SA相比，NSA组网方案在信令锚点的选择及异厂家设备的兼容性方面，对站址约束及互操作带来了挑战。同时，NSA采用双连接方式，涉及业务面数据分流的问题，需考虑对现有4G网络的性能影响。

2 无线网络规划方法分析

5G无线网络规划先进行需求分析，应以大数据技术为手段，以平台为支撑，利用业务支撑系统、运营支撑系统和管理支撑系统输出的CDR、MR、KPI以及KQI等海量数据建立大数据分析模型，输出流量热力图、高价值用户分布图和覆盖质差分布图等，然后根据需求分析结果完成规划场景的精细化划分[2]。在业务规划的基础上，通过综合平衡覆盖规划和容量规划结果确定最终的网络建设规模。

2.1 业务规划方法

5G将采用多业务建网标准，不仅要满足人与人的通信，还要满足人与物、物与物的通信。5G业务规划应从业务定位、业务规划区识别以及业务对网络架构要求等维度展开分析。

2.1.1 业务定位

5G网络建设初期以热点区域覆盖为主，主要面向承载高速及超高速数据业务、超高可靠业务和超低时延业务。随着网络覆盖的完善及技术的成熟，可适时开展VoNR业务。

2.1.2 业务规划区识别

5G业务规划应借助大数据平台分析获取业务价值区，初期重点覆盖区域应为高价值热点区、垂直行业应用示范区、品牌宣传体验区以及竞对区域等。

（1）高价值热点区。高价值热点区主要通过现网用户及业务分布获取高流量热点区、高价值终端区、高价值用户区以及用户分布密集区等，具体见图1。

图1 高价值热点区识别

（2）垂直行业应用示范区。垂直行业应用示范区是有较好业务基础、具有明确的应用示范效益、有明确的合作需求以及已签约的用户/行业用户数分布区域，重点是省级以上工业园、产业园等区域。

（3）品牌宣传体验区。重点场景的品牌宣传需求，如机场、车站、重要景区、商业中心添加高校等。

（4）竞对区域。运营商与竞争对手市场竞争需求。

2.1.3 业务对网络架构的要求

5G网络采用CU/DU网络架构、网络切片及边缘计算等技术，对5G业务多样化和场景化具有重要作用。例如，对于uRLLC类业务，可根据业务类型和时延需求对网络进行切片，同时将MEC下沉到更靠近网络边缘的位置，最大限度地消除传输时延影响，从而满足毫秒级低时延业务需求。对于mMTC小数据包业务，可依实际情况考虑CU/DU的分离部署，实现CU资源云化，降低建设难度。

2.2 覆盖规划方法

5G无线网络覆盖规划包括无线传播模型选择、链路预算、站间距建议以及覆盖规划方案等内容。其中，传播模型选择和链路预算已在文献[3]中进行了详细探讨。根据链路预算结果和5G网络测试分析，得出前期以满足eMBB业务为主的5G网络宏基站不同传播环境下的站间距建议，具体见表1。

后期将根据垂直行业用户的具体场景业务特点，提出更有针对性的站间距规划。结合大数据手段，通过场景精细化规划，在满足业务需求和覆盖指标的条件下，制定合理和可行的覆盖规划方案。

表1 3个典型频段5G宏基站站间距建议

2.3 容量规划方法

5G业务具有多样性特点，因此容量需求除了要考虑数据流量外，还要考虑连接数需求，尤其是uRLLC和mMTC业务，更容易出现较大的连接数需求。因此，5G容量规划应对3大业务容量需求进行综合分析，总体流程见图2。

图2 5G容量规划流程图

2.3.1 用户预测

采用一定的预测方法，如增长率法、趋势外推法、线性拟合法以及专家预测法等[4]，从社会、经济以及人口等众多相关因素中寻找出与未来电信用户市场定性定量关系的过程。对于某一业务用户数，应结合区域总用户数、对应业务用户渗透率以及增长率等因素进行合理估算。

2.3.2 业务模型

每个业务都具有自身的特点，不同业务模型也不同，一般受用户分布、用户渗透率、业务渗透率、忙时用户并发率以及用户行为等多因素影响[5]。因此，业务模型需结合具体场景，分析特定场景下的业务特征和用户特点，确定符合对应场景的业务模型。

2.3.3 容量需求计算

根据各业务模型和预测的用户数可得到对应业务的容量需求，累计区域内所有业务的流量、连接数等容量需求，得到容量总需求。

2.3.4 容量规划方案

根据容量总需求及单小区承载能力计算得到区域内所需小区数。容量规划要基于场景精细化进行。对于容量需求较大的业务密集区，容量规划方案可综合考虑设备选型、超密集组网等方式来增加区域内容量能力。

2.3.5 详细规划和无线仿真工作

5G详细规划包括站址规划、设备选型、天线挂高、方位角、下倾角、Massive MIMO波束参数、PCI以及TA等[6]。其中，波束参数规划为5G新增。波束规划一般通过对场景特点、业务分布等覆盖要求进行详细分析，计算出符合场景要求的水平及垂直波瓣宽度要求，从而选用适合当前场景的波束配置类型，再结合RF参数设置、干扰控制等因素进行权衡，选择最适合覆盖场景的预设权值。

3 规划案例分析

3.1 业务规划

某省电信运营商在某智慧园区（办公区+住宅区）规划5G网络，需要实现智慧安防、智慧停车、智慧生活、远程教育以及远程办公等业务。例如，远程全息会议要求下行速率不小于500 Mb/s，传输时延小于20 ms。

3.2 规划方案

综合考虑业务需求和现网资源，基于3.5 GHz频段按照200～300 m站间距共规划了7个宏基站，同时兼顾园区道路覆盖。由于左边小区站点居民阻工和右边中学改建，实际实施了5个，其中3个利旧4G站址。

3.3 测试结果分析

为了评估5G网络的覆盖效果，对建成后的网络进行DT和CQT测试，其中测试终端CPE（2T4R）有约4 dB的天线增益。

3.3.1 DT测试结果及分析

通过分析图3，马坡岭模块局5G基站天线挂高40 m，室外覆盖效果良好。作为主信号覆盖南边住宅楼范围，覆盖半径最远到450 m（室外RSRP≥-105 dB）。白竹坡路口基站天线挂高30 m，室外覆盖效果良好，无阻挡道路覆盖半径最远到500 m。马坡岭模块局基站右下角道路覆盖差，初步分析是受7层高的员工宿舍楼和道路两边茂密树叶的影响很大。西南角信号较差，经分析，是由于白竹坡路口基站切换马坡岭模块局过晚引起的，需要进行网络优化。

图3 某智慧园区5G网络DT测试结果

3.3.2 CQT测试结果及分析

通过对中间测试路线圆圈内的办公楼进行CQT测试，一楼大厅离天园国际会议厅基站（圆圈边）约62 m，在主瓣周围RSRP约-80 dBm，PDCP层速率约690 Mb/s；一楼母婴室（封闭环境）在开门的情况下RSRP约-98 dBm，PDCP层速率约500 Mb/s。通过对测试结果进行综合分析，建议在西南边马路边新增景观塔或本园区住宅区南边新增1个宏基站。