5G 分层组网在密集市区场景中的应用实践*

许 浩，钱小康

（1.中国电信股份有限公司上海分公司，上海 200081；2.上海邮电设计咨询研究院有限公司，上海 200092）

0 引言

2019 年6 月工信部向国内运营商颁发了5G 牌照，经过近2 年大规模建设，截至2020 年底，全国累计建成5G 基站71.8 万个，推动共建共享5G基站33万个，实现了所有地级市5G网络覆盖。目前，中国电信、中国联通充分整合各自优势与资源，共建一张5G 网络，主要部署频率为3.5 GHz；中国移动5G 网络主要部署频率为2.6 GHz。众所周知，高频段无线电波在自由空间损耗、绕射损耗以及室外打室内穿透损耗都处于劣势，尤其是密集市区场景，给5G 部署带来了挑战。密集市区场景单靠一层宏站覆盖难以实现5G 室外连续覆盖和深度覆盖。本文结合几个典型案例，介绍通过优化超高站、宏站及立杆站宏微协同以及利用天线劈裂小区方式实现5G 站分层组网的实现方法，希望能给5G 无线网规划工程师提供一些参考。

1 在密集市区场景的应用实践

1.1 密集市区5G 部署面临的挑战

密集市区无线场景复杂多样。一方面，高楼、超高楼密布，需要5G 基站提供高、中、低立体覆盖；另一方面，建筑物鳞次栉比，加上路牌、广告牌等室外构建物和绿化，都一定程度上遮挡了无线信号。无线信号从基站传播到用户需要经过多次绕射[1]。如表1 所示，以电、联3.5 GHz 频段为例，绕射1 次情况下基站规划要增加到1.4 倍规模才能达到与4G相同的效果。当绕射次数增加到3 次，5G 基站规划要增加到2.6 倍规模才能达到与4G 相同的效果。即便运营商能加大建设投入，也不一定能找到理想的宏站站址。所以，在密集市区无线场景部署基站需要在大面上采用64TR 宏站设备，利用多输入多输出（Multi-Input Multi-Output，MIMO）特性进行立体覆盖与容量吸收，同时需要考虑站址选址的合理性，采用杆站、挂墙以及电话亭站等多种方式，尽量减少绕射次数，从而提升5G 覆盖效果与用户体验。

表1 不同频段、不同绕射次数下绕射损耗比较

密集市区无线场景的另一个特点是业务需求多发生在室内，对于商务楼、交通枢纽等外墙厚实和内部纵深较大的楼宇，需要用室分系统进行专项部署解决。对于其他70%～80%的楼宇，需要通过室外基站覆盖解决。高频段无线电波在室外打室内时，穿透损耗劣势明显[2]。如表2 所示，仅考虑外墙一层损耗，对于高损耗外墙，3.5 GHz 频段部署规模是2.1 GHz 的1.6 倍，2.6 GHz 频段部署规模也达到1.8 GHz的1.2倍[3]。如果考虑2～3个墙体穿透，对站址密度需求是极大的。所以，运营商有必要启动在4G 频段上的5G 重耕，利用低频段传播优势与频分双工（Frequency-Division Duplexing，FDD）时延优势，解决密集市区大部分楼宇5G 室内覆盖问题。5G 频率能否顺利重耕，取决于4G 向5G 迁转的速度。但是，如果5G 室内覆盖迟迟不能有效解决，将会影响4G 向5G 迁转的速度。对于4G 超忙的基站需要另辟蹊径，对4G 高流量进行分流，从而为5G 早日重耕创造条件。

表2 不同频段、不同外墙材质下的穿透损耗比较

1.2 密集市区分层组网建议

1.2.1 站型分层

针对密集市区无线场景分类及特点，尤其是 3.5 GHz 较高频段的运营商，建议结合不同5G 设备特性以及宏站、杆站、微站等不同建设方案，对密集市区场景实施分层覆盖。通过减少到达用户的无线电波绕射次数，实现用较低的建设成本解决密集市区场景室和内外深度覆盖的问题。

（1）利用64T64R 有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）多波束优势，对密集市区楼宇进行中层立体覆盖、高层立体覆盖以及面上的基础覆盖；

（2）利用4TR/8TR 微站，结合综合杆、电话亭、通信井等现有构建物，对密集市区中层和低层进行深度覆盖；

（3）利用4TR 皮射频拉远单元（Pico Remote Radio Unit，pRRU）室内微站或RUU+传统无源分布式天线系统（Distributed Antenna System，DAS）系统对室内场所进行专项覆盖。

1.2.2 频率分层

对现网4G 频段资源与承载业务及变化趋势进行充分评估与分析，基于5G 业务发展策略，制定低频端4G 频点腾退方案，最终根据4G 业务的实际迁转情况，适时启动连片4G 频点腾退工作，并实现5G 在低频段上重耕。对于连片区域内个别业务超忙站点，试点采用劈裂天线等方式分流，最终针对密集市区不同场景采用不同频率分层覆盖，从而降低3.5 GHz 基站的建设需求，降低寻址难度。

2 5G 分层组网在密集市区场景中的应用实践

根据密集市区分层组网建议，分别在超高站优化、立杆站宏微协同以及利用劈裂天线分流3 个方面进行了分层组网基站部署实践。下面将逐一介绍试点方案、评估结果及后续建议。

2.1 通过超高基站优化实现中层和高层覆盖

4G 宏基站在密集市区规划部署时，天线挂高一般选择25～35 m。天线挂高太低，尤其是低于周边平均建筑物高度，会引入较多阻挡，大大影响了基站的有限覆盖距离。当天线挂高高于35 m，尤其到达65～90 m 时，由于需要控制越区覆盖，需要下压天线下倾角。但是，过大的倾角会产生波形畸变，引入额外干扰。25～35 m 高度虽然规避了上述问题，但由于4G 天线垂直波瓣一般只有5°～6°，不能兼顾对高层楼宇覆盖。超高站参数优化调整，如表3 所示。大规模多输入多输出（massive Multi-Input Multi-Output，mMIMO）天线[4]作为5G 的一项关键技术，引入后可为实现密集市区立体覆盖提供助益。

表3 超高站参数优化调整

图1 是一个超高4G 现网站，天线挂高达到75 m。该站位于中心城区，周边密布80～100 m 的高层居民楼。当采用普通MIMO 模式时，越区现象与塔下黑现象特别严重。通过对周边小区排摸与逐层测试，制定了优化MIMO模式与天线方向角整体优化方案。

图1 优化前后有效覆盖范围对比

如图1 和表3 所示，优化后完全消除了越区覆盖和塔下黑现象。以第3 扇区覆盖目标环龙花苑为例，居民楼尤其是室内5G 覆盖得到了明显提升。

如表4 所示，该案例表明，在5G 时代，由于MIMO 技术的引入，在密集市区部署时，可以优化和利用超高站，但需要进行精细化，一站一方案进行规划与优化。通过明晰覆盖目标，选择合适的MIMO 模式与天线方向角，最终实现对周边高层楼宇的立体覆盖。在电、联共建一张网模式下，如果高站、低站分用不同的100 MHz 频率，可取得更好的覆盖效果。

表4 高站第3 扇区优化后测试结果

2.2 通过宏站、杆站协同实现低层和中层覆盖

在上海市政府相关部门的推动下，架空线落地项目为运营商提供了较多综合杆站站址资源，可以用于密集市区场景覆盖补充，实现主要道路的连续覆盖，为车联网等应用提供网络保障。杆站由于部署在路边，可对道路进行直接覆盖，减少了无线信号的绕射次数，能取得较好的覆盖效果。但是，由于杆站是在已建一层宏站基础上部署实施的，需要评估道路现有宏站覆盖情况。如图2 所示，在道路一端部署了杆站，天线挂高7 m，主要覆盖两侧道路，对应基站小区物理小区标识（Physical Cell Identifier，PCI）为314，周边最近的宏站距离为450 m，天线挂高25 m。该场景为宏微协同场景部署方案。方案实施后，从近到远选择9 个测试点，评估不同宏站负荷对杆站覆盖的影响，如表5 所示。

表5 宏微协测试评估结果

图2 宏微协同测试评估

在杆站近点区域，宏站、杆站参考信号接收功率（Reference Signal Received Power，RSRP）差值在20 dB 以上的情况下，宏站对杆站的干扰不明显。

在杆站中点区域：当宏站RSRP接近-105 dBm、差值小于15 dB 的情况下，宏站对微站干扰有波动，影响不明显；差值小于10 dB 的情况下，宏站对微站干扰明显；宏站负荷达到50%时，微站速率下降了20%，75%时下降了36%；当宏站、杆站RSRP差值小于3 dB 后，信号直接切换到宏站上。

根据测试结果，在密集市区利用杆站的宏微场景，建议杆站覆盖区域应在宏站电平小于-100 dBm 区域内，且杆站RSRP电平要高于宏站10 dB 以上，才能起到补充覆盖的效果。

2.3 利用天线劈裂小区实现4G 分流与5G 重耕

为了实现对密集市区楼宇内部尤其是大型小区中间部位楼宇的室内覆盖，腾退低频段的4G 频点，实现5G 在低频段上重耕势在必行。如图3 所示，该方案选择现网4G 超忙小区，利用劈裂天线易于劈裂小区的技术特点，采用1 副8 端口2 扇区天线替换传统4TR 板状天线，并通过增加1 套 1.8 GHz&2.1 GHz 4TR 双模RRU 的方式进行小区分裂。劈裂后的2 个1.8 GHz 小区承载原来1 个1.8 GHz 和2.1 GHz 4G 业务流量，腾退出的2.1 GHz 频点用于5G 重耕，且5G 也劈裂成2 个小区。

图3 天线劈裂示意（设备连接和扇区分布）

为评估该方案对容量的提升效果和对网络性能指标的影响，各提取了天线替换前后一周的4G 话统数据进行对比分析。

2.3.1 容量提升情况

如表6 所示，小区劈裂后，1.8 GHz 和2.1 GHz 周平均每小时流量提升了25.89%，最忙时提升了76.27%。周平均每小时无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）连接用户数提升了61.65%，最忙时提升了58.95%。可见，原来受压抑的业务容量得到了有效释放。同时，物理资源块（Physical Resource Block，PRB）利用率分别下降了17.81%与8.33%，为2.1 GHz 腾退留出了时频资源。

表6 劈裂前后容量情况对比

2.3.2 干扰引入分析

如图4 所示，小区劈裂后在劈裂小区之间增加了一条边界，不可避免引入了同频干扰[5]，降低了边界附近的信号与干扰加噪声比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）值，同时不可避免降低了同频、异频切换率，抬升了E-RAB 的掉线率。

图4 天线劈裂后1.8 GHz 路测SINR 值对比（50%负荷）

如表7 所示，劈裂小区和周边邻小区的性能指标略有下降，其中同切换成功率、RRC 建立成功率基本保持不变，异频切换成功率下降0.67%，E-RAB掉线率上升0.17%。与取得的容量增益相比，当前参数均在可接受的范围。

表7 劈裂前后周边相关小区性指标情况对比（单位：%）

劈裂天线由于自身技术特点，一副天线就可以实现小区分裂，不需要增加抱杆资源，且外形较为美观。在天线增益与普通天线相当的情况下，垂直波瓣增加到了28°，改善了对高层建筑的覆盖，在密集市区尤其是居民区附近有较大的部署优势。根据替换前后的测试结果表明，利用天线劈裂小区能有效提升原小区容量，引入干扰可控。为降低干扰，尽量将劈裂小区边界控制在非主干河道、空地等低话务区域上，从而减少对性能指标的影响。建议对大部分具备重耕条件的连片区域内个别业务超忙站点进行劈裂天线改造，以大大提前5G 重耕时间表，形成4G 向5G 迁移的良性循环。

3 结语

本文以5G 在密集市区场景部署为研究背景，分析5G 高频率在密集市区场景多绕射和多穿透情况下遇到的挑战。针对密集市区无线电波多绕射与多穿透损耗的特点，提出了通过站型分层与频率分层2 个分层覆盖建议，然后结合具体实践案例，分别在超高站优化、立杆站宏微协同、利用劈裂天线分流3 个方向进行分层组网实施方案及评估结果介绍，力求给5G 无线网规划工程师提供参考。密集市区无线场景复杂多样，后续将结合其他诸如城市快速路、跨江大桥、大型体育场馆高密场景以及2B 应用场景继续开展5G 分层组网实践，以不断提升5G 网络覆盖质量和用户感知。