2019-6-19 21:44

5G密集区域规划及建设模式

摘要

随着5G试商用的临近,5G网络规模部署。本文通过对上海5G密集区域规划及建设模式摸索,提出了密集区域5G规划和建设建议。

关键词

5G  网络规划  建设模式

前言

2019年,6月6日国家工业和信息化部颁发了5G商用牌照,5G标准和终端、产业链加速推进,基于现有网络的5G演进策略及相应的网络规划部署策略对实际网络建设具有很大的指导意义。

在中国联通目前2G/3G/4G多网络共存运营的情况下,5G网络如何部署,特别在密集城区的精细化规划部署,对5G网络规模化部署能力起到正向快速牵引作用,本文将针对密集城区5G规划和建设模式进行有益的可行性探讨。

5G产业链进程

2.1 标准进程

图1 5G关键指标能力

2018年9月发布NR第一个版本(R15),满足eMBB以及(部分)URLLC需求(Option 2)。

R15中的小版本:

Phase 1(加速版本):2017年12月冻结,针对5G非独立部署场景(Option 3);

Late drop(延后版本):预计2019年3月冻结,针对5G NSA Option 4&7、NR-NR DC架构;不影响R15正常冻结;

2020年3月发布R16版本,6月ASN.1冻结:R15版本的增强和补充。

2.2  5G频谱分配

表1 频率分配

2.3  5G设备现状

当前5G基站的主设备形态以室外的AAU+BBU(CU/DU合设)以及室分有源设备为主。5G网络发展初期采用CU/DU合设方式,并随着标准和产业的成熟,适时引入CU/DU分离架构,支持业务切片,支持uRLLC和mMTC业务场景。

(1)AAU设备:采用了大规模天线技术,存在多种设备形态,应根据网络覆盖场景,覆盖需求、容量需求、建设和运营成本等方面综合考虑进行选择。对于密集城区以及高流量高价值业务场景,初期建议采用64TR AAU设备,同时满足容量和覆盖需求;对于其他区域及业务场景,后期根据多天线性能测试结果,依据降低建设及运营成本的原则,分场景进行设备选型。

表2  5G设备现状

(2)室内覆盖:由于传统室内馈线分布系统无法满足3.5GHz及以上射频信号传输需求。数字化微RRU系统由基带单元、扩展单元及微RRU组成,微RRU集成射频与天线单元。在5G建设初期,数字化微RRU系统产品IBW可到达100MHz、MIMO能力为4T4R,射频端发射功率约为250mW。在高流量和战略地标室分站点可采用5G有源分布系统,目前设备形态为室内小站(微AAU)方式进行覆盖,兼顾考虑覆盖和容量需求,初期主要面向口碑与品牌类等及2B业务需求的场景。

2.4  终端进程

目前已知的5G终端形态主要有3种:CPE设备、智能终端、智能手机。

CPE是将转化5G为WiFi信号提供数据交互的方式。

智能终端设备将主要运用于工业互联网领域,实现机器与机器互联互通。

智能手机产品已在19年第二季度推出同时支持NSA和SA模式的试商用版本。

5G规划

5G网络将以3.5GHz和4.9GHz为主力频段,均处于高频,穿透损耗大,连续覆盖难度大,网络站址密度大。

表3 频率特性

5G网络带宽比4G倍增,但RRU无法做到对应倍增,功率谱密度降低也会导致覆盖收缩。

图2 功率谱密度示意图

5G NR 3.5GHz覆盖能力相对2.6GHz下行有约16%~31%的不足,上行也有约38%的不足,5G下行覆盖能力与4G相当,现有站址可满足5G下行覆盖要求。

通过仿真,在(50Mbps/1Mbps)边缘速率要求下,5G 3.5GHz站间距约370米,密集城区基本可满足,一般城区连续覆盖。

图3 仿真后不同频率的站间距

根据上海城市特点及发展情况,将全市划分密集市区(细分为内环、中环、外环内)、一般市区、县城、乡镇、郊区等场景。

表4 链路计算结果

因此主城区基于基于全站址资源建设5G,密集城区可基本实现连续覆盖(50Mbps/1Mbps)。

3.1  5G试点区域:松江大学城

3.1.1 松江大学城5G试点区域

基于5G规划数据,我们外场测试选择松江大学城区域,该区域分布多所高校,建筑密度中等,属一般城区场景。区域内站点站间距400米左右,符合链路预算结果,能够满足测试要求。

表5 松江大学城站址统计

图4 松江大学城区域站点情况图

3.1.2 测试结果

峰值速率

1、下行峰值:在4×4 MIMO情况下,下行UDP峰值速率能够达到1540Mbps。

2、上行峰值:在2×2MIMO情况下,上行UDP峰值速率能够达到173Mbps。

图5 测试峰值速率

单站拉远距离

1、下行方向,NR200W拉远距离略低于LTE1800,但吞吐量远高于LTE1800,下行覆盖不受限。

2、上行方向,NR200W拉远距离略低于LTE1800,整体吞吐量远高于LTE1800,但在1.65km处存在转折点(SSB RSRP约为-105dBm),转折点前NR吞吐量优势明显,转折点后则吞吐量大幅度下降并差于LTE。

3、受现场环境影响(主要为测试道路在1.75km处存在明显弯曲,见右下图),NR下行拉远距离受限。

图6 单站拉远距离

室外覆盖室内场景一(主波瓣法线覆盖)

1、站高25m,下倾角0度,距离300m法线方向无遮挡,高、中、低层整体业务能力良好,能够满足基本覆盖需求,但随着楼层的增加,同频干扰显著增强,因此信号质量及吞吐量存在明显下降。

2、建议高层建筑在无室分系统情况下,可采用周边直视无遮挡的室外宏站的进行覆盖,但需注意控制站点下倾角,避免对其他高层建筑产生明显的邻区干扰。

图7 主波瓣法线室外覆盖室内

室外覆盖室内场景二(旁瓣覆盖)

1、1号居民楼:站高30m,距离160m旁瓣覆盖无遮挡,能够满足基本覆盖需求,上下行业务不受限。

2、19号居民楼:站高18m,距离150m旁瓣覆盖且有遮挡,存在弱覆盖问题,上下行业务受限严重。

3、对比1号楼和19号楼的测试场景,主要是站高存在明显差异,引发遮挡情形不同,因此可以的得出结论,当NR采用3.5G频段,为保证一般楼宇深度覆盖,建议室外站点的站高应明显大于周边遮挡物的高度。

图8 旁波瓣法线室外覆盖室内

楼宇穿透损耗

1、3.5G NR信号一二层墙体穿透损耗分别约为18.02dB、26.77dB,外场测试结果与理论分析基本一致,室外覆盖室内多仅能形成浅层覆盖,建议新建5G室分进行覆盖。

图9 楼宇穿透损耗测试结果

3.1.3 测试验证总结

1)根据单站拉远测试结果,NR3.5G为上行受限,因此应根据上行边缘速率点位来确定小区半径。因此采用L1800站点密度能够满足室外一般覆盖需求。

2)据室内穿透损耗实测结果,一二层墙体穿透损耗分别约为18.02dB、26.77dB,与理论预期相符,结合链路仿真结果,上行边缘速率为5M前提下,现网L1800站点密度无法完全满足室内覆盖需求,建议新建5G室分系统。

3.2  5G应用区域:世博中心

世博中心作为合作伙伴大会主要演示区,馆内多层网络重叠,用户接入和管理机制复杂。

3.2.1  pRRU规划方法

覆盖规划

LampSite的覆盖规划就是规划pRRU的覆盖半径和边缘RSRP,LampSite的覆盖标准首先满足目前室内覆盖的覆盖标准:

RSRP在室外10米处小于室外主导频强度5~10dB;

覆盖规划的指标通过链路预算得到,根据上一节的边缘速率和边缘RSRP的要求在链路预算工具中选择适合的室内场景和参数计算得到pRRU的覆盖半径,通过整体面积和pRRU的覆盖半径,计算出覆盖规划需要的小区个数。

目前室内推荐3GPP indoor-house 传播模型应用:

对于NR 4T4R 100M小区,单通道发射功率250mW(24dBm),CRS导频发射功率=24dBm-10*log10(3276)+3=-8dBm。

容量规划

容量估算方法如下:

第一步:用户数估

1)室内人流数 =面积/容纳人数

2)忙时总注册用户数 =室内人流数×市场占有率

3)忙时NR注册用户数 = 总用户数×NR用户比例

4)忙时NR在线用户数 = NR注册用户数×NR用户激活率

第二步:容量估算

1)忙时NR调度用户数 = 忙时NR在线用户数×业务占空比

2)NR容量 = 忙时NR调度用户数×NR用户速率需求

第三步:小区数估算

NR小区数 = NR容量 / NR小区平均吞吐率

3.2.2 世博中心规划

1)场景定制化、多产品融合解决方案

基于功能区细分规划扇区,满足不同区域的容量需求:针对上海世博中心室内多功能区、多场景及话务分布不均衡特点,根据覆盖和容量需求,综合利用内置pRRU+外置pRRU+AAU等5G产品,定制化场景解决方案,连续覆盖的同时做到容量最大化,共划分28个小区。

图10 世博中心设备形态

2)基于场景的精细化覆盖解决方案

①高密重载场景,除常规覆盖方案,针对特定高话务区演示区,进行滴灌式覆盖,每个展区放置1个pRRU 1个小区;

②通过降低小区功率,物理遮挡、频点优先级及邻区参数优化等手段降低多小区间的干扰;

③手机终端锁频演示,做到单小区专用,提高演示效果。

图11 覆盖示意图及场景

3.2.3 世博中心规划方案

世博中心:规划210个吸顶pRRU、 6个外置天线pRRU,实际计划安装19个吸顶pRRU、25个外置天线pRRU、6个宏站AAU,涉及展厅已覆盖,但走廊、会议室等非展示区域5G不连续覆盖。

表5 规划点位分布

3.2.4 世博中心演示效果

在2019年4月23~25日世博中心内,实现了国内首个室内5G最大业务密度的全生态链的业务体验,5G网络演示效果良好,室分下行峰值速率接近1Gbps,达成了“Gbps极致体验”的演示效果。

图12 世博中心场馆内业务速率展示

3.3  5G精细规划

基于2B用户和2C用户场景化的规划目标,是5G有别于只考虑2C用户的2/3/4G网络规划。不同场景的QoS需求是不一样的,终端包含了人+物。

下表列出了当前一些典型5G典型应用的QoS要求。

表6  5G典型应用QoS要求

表7  5G典型应用场景的业务模型示例

3.3.1  5G网络规划流程

基于5G场景立体网络规划的主要流程有三步:

一、智能场景分析:包括对业务类型、热点,分布场景进行智能识别和分析,作为智能规划的输入;

二、智能规划:包括3D立体地理建模(包含3D环境重构),3DMIMO精确立体仿真,原站址优化和新站址推荐;

三、自主智能5G网络决策,产生可实施5G网络决策,包括站点的价值排序和站型选择、场景识别排序、用户体验QoS排序。

规划完成实施后,就是优化和验证了,实现整个流程得以进行闭环管理。精确规划流程和数据流,可以无缝衔接网络建设、优化、维护等各个生产流程。

图13  5G精确规划流程闭环管理

3.3.2  5G规划的关键技术步骤

5G行业立体网络规划的关键技术有以下六点:1、准确的3D地图重建;2、部署场景的识别;3、建网目标的设定;4、先进的射线跟踪模型;5、 mMIMO天线模型动态配置,迭代仿真;6、智能的自主决策系统。

图14  5G精确规划关键技术步骤

基于AI的精确3D地图生成

利用人工智能的功能,结合无人机航拍图片,基于SFM算法,构建3D数字点云地图。生成精确的3D地图输出给仿真模块;仿真结果更精确。

人工智能识别建筑物外里面材质,为5G穿透损耗的设定提供精确设定依据;小区覆盖范围的计算得到进一步改善。

图15  3D重建方案

基于场景和应用需求的规划

体现5G业务驱动的本质属性,场景抓取,实现社会场景的自动识别,结合地理地图信息,计算出细分场景;

图16  场景构建

根据不同的场景定义不同的规划需求目标,实现精细化规划的规划需求输入

图17  5G场景应用映射

基于AI算法的立体MIMO仿真

5G MIMO技术的引入,触发对3D立体覆盖进行规划和工参优化;

针对复杂的5G天线波束参数的最佳选择需求,引入自动寻找最优天线方向图。

根据候选站址,计算最佳推荐站址;

站点价值评估以及AI智能规划、优化决策系统,根据MR、业务XDR数据等价值参考数据,输出5G价值站点建设优先级;基于其他KPI,可以进行优化决策输出,指导网络优化。

3.3.3  5G规划工具平台的实现

基于AI的5G精规4步走,精确制定5G规划方案,包括方案配置、3D地图重建、AI场景分类、仿真精规四个步骤。

图18  5G场景应用映射

方案配置

六大方案配置数据有:区域航拍数据,区域POI数据、区域现有站点数据、区域业务分布数据、区域用户分布数据、5G应用数据。多维度的数据输入让5G规划更为精确,同时亦兼顾了5G应用的特性,对区域使用无人机航拍获取高精度地图数据,并结合区域POI信息以及区域现有的站点和电信业务数据,实现场景用户分布的细化。

图19  6大方案及5G应用性能需求自定义设置界面

自定义的5G应用和场景配置让规划“量身定做”,可针对5G应用和5G场景性能参数进行自定义,针对性的从区域实际的5G应用场景出发,以达到更为细致的5G规划。

3D重建

精细化三维地图是进行5G精确规划的关键要素,基于AI的精细化三维地图亦能够关注到建筑物上以及周边的植被纹理细节,AI的精细化三维地图更能精细的包含区域中的如建筑物材质,轮廓,植被纹理、区域建筑分布等影响5G信号的关键细节。通过对比后续仿真的差异,可以发现3D重构后,5G的仿真会更准确。

图20 高精度地图和重建实景地图的仿真对比

场景分类

针对划定区域的5G应用和场景配置,基于AI进行场景分类:基于POI和地理信息,实现场景的自动识别、分类统计和区域分布。

每个场景可以设定不同的规划目标和门限,实现对部署子场景的精确规划。

图21 场景应用配置

精确规划

分三步:首先是基于重构精准地图的3D立体规划仿真,然后,动态选择最优MIMO配置参数,重分优化现有站址的天线和方位角;最后,检阅每种服务在每种场景下的,应用满足度。

1)精确3D规划

针对划定区域的进行规划仿真,基于AI的3D精细化地图和基于AI的场景分类及可配置应用、场景。区域规划仿真输性能输出。

图22 仿真结果

2)MIMO参数的动态可视化

动态进行MIMO参数比对可视化,找到最优的参数配比。首次将mMIMO的pattern用于5G网络仿真规划中,准确估算mMIMO对5G无线网络覆盖的实际影响和增益。

图23 不同MIMO参数配置的仿真对比

3)5G应用的服务满足情况的检阅

规划区域内数10+ 5G应用的覆盖支持仿真,并可添加配置规划区域内场景及5G应用类型的添加和仿真。

图24 不同应用服务满足切片分析

3.3.4  张江人工智能岛精确规划案例

张江人工智慧岛位于张江中区川和路,占地面积6.6万平方米,地上总建筑面积10万平方米,共21幢建筑。岛上集聚IBM研发总部、英飞凌大中华区总部、微软AI&IoT?Insider实验室、ADA?Health等跨国企业巨头,同济大学无人系统研究院等科研院所,以及云从科技、小蚁科技、汇纳科技、黑瞳科技等?“独角兽”企业。首期在岛上实现5G 行业应用如下:

1)车联网控制:通过5G 网络实现无人车巡逻,编队行驶、送货机器人路线规划等等

2)安防:通过无人机监控和无人巡逻船巡逻等实现园区的安全控制。

3)智慧应用体验:建立体验厅完成了5G超高清直播演示、提供了5G VR 体验;

中国联通在岛上将整合31个应用场景(已对接80+企业 已采用40+产品和技术),针对不同行业应用对5G 网络的需求,我们将对统一考虑提出5G 基于行业应用的精确组网规划。

 

图25 张江智慧岛室外应用分布

张江智慧岛应用设计需求分析和规划目标设定

不同的业务对覆盖的要求不同,因此小区边缘速率的规划目标不同,室外考虑8种业务设计需求。上下行边缘速率要求,是进行小区站址规划和天线天馈工参优化设计的目标条件。

表8 张江智慧岛室内外应用需求分析

张江智慧岛3D重构

由于张江智慧岛,是新建的园区,最新的高精度地图还是一片荒地,因此,基于无人机采集的图像,进行点云三维模型的重构。

图26 张江智慧岛3D重建实景图

精确智能场景识别,实现现网与5G精确规划目标的对接

不同的业务对覆盖的要求不同,因此小区边缘速率的规划目标不同,室外考虑8种业务设计需求。上下行边缘速率要求,是进行小区站址规划和天线天馈工参优化设计的目标条件。

表9 张江智慧岛场景应用规划目标

张江智慧岛的立体规划仿真

1)基础无线规划仿真

包括上行、下行以及业务并发原有站址仿真结果上行规划仿真。

下行仿真:根据业务要求,边缘下行速率要求为10Mbps~16Mbps,上行速率为10~60Mbps,根据理论计算,上行受限,上行速率决定业务的覆盖范围,总体速率显示,原站址满足下行均能有效覆盖。

上行仿真:园区东北部分速率达不到60M以上,安防机器人在此区域无法开展上传视频业务;园区所有建筑室内上行速率低于业务演示要求的40Mbps;原有站址不满足。

并发仿真:园区东北部分,安防机器人和其他演示在此区域无法并发开展;原有站址不满足。

建议在此区域附近增补一个站点,以满足安防机器人。新增站址后,问题区域的并发业务满足度得到解决。

图27 张江智慧岛仿真分析

2)垂直覆盖规划切片仿真

无人机立体覆盖切片仿真结果:按照正常地面基站的俯仰角,到达50米高度时,空域外围速率下降明显,可飞行空域开始降低。80米高度园区上空有明显低速区域;100米高度时,低速区域进一步扩大。

图28 张江智慧岛垂直不同高度切片仿真

3)建筑物园区立体覆盖多视角站点规划仿真

图29 张江智慧岛立体覆盖仿真

4)各业务满足情况

张江智慧岛的室外7个主要业务,包括移动和静态的行业应用,水平的和垂直的区域内,都能够100%满足行业应用需求(无人机需要在50米以下的范围)。

表10 张江智慧岛室外行业应用满足情况

图30 张江智慧岛主要应用满足区域分布

基于5G综合立体切片网络规划优势是:

1)基于5G场景和应用驱动目标

2)3D精确地图,建筑材质识别,仿真更精细

3)立体仿真,结果更优

4)站点价值输出,投入产出更优化

4.5G网络建设模式

为更好、更快地推动5G网络规模建设,结合已有的建设经验,以行业对接市政府寻求政策支持。

规划先行。将5G基础设施规划纳入政府的规划和控制性详细规划,实现5G建设与其他相关规划有效衔接,确保5G基础设施融合建设、资源共享。

推进社会资源开放共享。结合本市架空线入地和合杆整治,利用路灯杆等城市公共资源建设5G小型化基站,并同步推进高架桥、龙门架等城市公共资源的开发利用。政府部门、国有企事业单位,以及机场、地铁、交通枢纽等公共场所管理单位全面开放资源,为新建站址选址购租提供便利,确保5G站址资源的满足。通信行业依据5G技术要求、行业规划、建设计划等,按需共享社会资源,新建站址同步考虑社会其他行业需求,推广通信综合杆的建设。

提升电力和通信管线配套服务能级。针对5G基站建设,推动政策支持,降低建设费用。推动在配套建设中免收进场费、协调费、资源占用费、绿地补偿费等相关费用,降低建设成本,实现行业可持续发展。建立健全相关协调推进机制,推进国网上海公司在电力申请配套等方面形成绿色通道,缩短响应时间,协调推进上海市信息管线有限公司战略合作。

加强行业监管协作。在行业主管单位领导和监管下,铁塔公司牵头组织,民营企业共同参与电信企业需求建设。营造上海铁塔为主体,多家民营企业参与的友好氛围,共同推进难点站址落地。

结束语

本文从5G网络架构及规划等角度,分析了中国联通基于现有网络在密集城区5G的建设策略,并以案例探讨了5G网络规划、验证,给出建议的建设模式,对于中国联通后续快速部署5G试验网及商用网络具有较好的参考意义。

参考文献

[1]乔纳森·罗德里格斯. 5G:开启移动网络新时代[M]. 北京:电子工业出版社,2016:12-30.

[2]苏昕等. 5G大规模天线技术[M]. 北京:人民邮电出版社,2017:77-86.

[3]李兴旺. 5G大规模MIMO:理论、算法与关键技术[M]. 北京:机械工业出版社,2017:13-23.

[4]杨峰义. 5G无线网络及关键技术[M]. 北京:人民邮电出版社,2017:32-55.

[5]Afif Osseiran. 5G移动无线通信技术[M]. 北京:人民邮电出版社,2017:135-146.

[6]陈鹏. 5G:关键技术与系统演进[M]. 北京:机械工业出版社,2015:64-87.

[7]卢晓文. 5G关键技术及其对4G的影响研究[J]. 邮电设计技术,2015(11):45-47.

[8]栾 帅,冯 毅,张 涛,许珺. 浅析大规模MIMO天线设计及对5G系统的影响[J]. 邮电设计技术,2016(7):28-31.

[9]李平,王雪,于大吉. 5G网络演进方案及运营思路探讨[J]. 邮电设计技术,2017(3):5-9.

作者:刘占强 马良川 付智 施忠祥 张平

来源:邮电设计技术

相关

5G网络规划建设模式
本评论 更新于:2019-12-15 3:45:36