5G場景化網規方案探討

潘彩華/PAN Caihua

（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057）

(ZTE Corporation, Shenzhen 518057, China)

1 概述

1.1 5G網規方案關注點

5G網絡已經開始進入規模建設階段[1-4]。為了更好地體現5G性能，需要從場景角度，如宏覆蓋、密集住宅區、場館、校園、地鐵、高鐵等場景[5]給出精準專業的規劃建設方案。基于大規模天線陣列的大規模多輸入多輸出（MIMO）是5G空口核心技術，該技術帶來的空口革新技術極大地提升了5G網絡覆蓋和性能。這主要表現在：通過廣播窄波束掃描、多樣化天線權值組合及用戶級動態窄波束精準覆蓋提升覆蓋能力；同時通過基于波束賦形的多用戶（MU）-MIMO技術，提升網絡頻譜效率。傳統的網規方法無法滿足基于大規模MIMO的網絡覆蓋、速率和容量規劃需求。5G網規需要解決的核心問題是如何基于大規模MIMO技術進行場景化精準網絡規劃建設。

1.2 5G 大規模MIMO特性分析

5G引入了廣播波束掃描的概念。小區廣播信息通過同步/廣播塊（SSB）發送，包含主同步信號（PSS）、輔同步信號（SSS）和物理廣播信道（PBCH）。SSB在多個不同指向的子波束上依次發射，其個數與具體定義的幀結構密切相關。2.6 GHz頻段、5 ms單周期結構最多有8個SSB可選位置，最大可以支持8個子波束；3.5 GHz頻段、2.5 ms雙周期結構最多有7個SSB可選位置，最大可支持7個子波束。經過5G建網研究，目前主流網絡采用7/8波束組網[6]。

SSB每個子波束，通過配置不同的天線端口權值，來確定各自的波束寬度和指向。5G小區支持靈活的廣播波束權值配置，生成不同組合的SSB賦型波束，以滿足不同場景覆蓋要求。5G天線與4G天線的不同之處在于3D波束賦形，即相較于2D波束賦形，在垂直維度增加了一個可利用的維度[7]。5G新的天線特性帶來的垂直面覆蓋和性能變化，需要在無線網絡規劃中進行相應的規劃和研究。

2 5G場景化網規方案

5G建網首先需要根據建筑物、覆蓋、話務、信息點（POI）等信息建立場景特征庫，精準區分場景，然后根據場景特征匹配64收發通道（TR）、32TR、8TR、4TR、2TR以及Pico等產品。宏站產品最終通過天線權值規劃給出小區級別規劃方案，并需要綜合場景、設備能力、成本給出解決方案[8]，如圖1所示。

▲圖1 5G場景化方案匹配

2.1 5G場景劃分

5G精準規劃需要進行場景識別。首先利用在線地圖的POI識別可以得到建筑物的居民區、辦公樓等屬性，然后結合高精度電子地圖提取建筑物信息，最后根據覆蓋、話務信息綜合確定場景類別。

借助大數據平臺，結合上述幾個維度綜合得到的小區級別、柵格級別和建筑物級別的價值信息，區分出需要宏覆蓋場景、室分覆蓋場景以及深度覆蓋場景。場景與產品匹配得到場景化方案。

2.2 場景化規劃方案

室外宏覆蓋場景需要結合實際需求選擇宏覆蓋設備進行覆蓋，以保證室外用戶感知。深度覆蓋場景可以引入微站，改善核心價值區的覆蓋和容量性能。高價值室內及競爭對標區域引入新型室分，提升用戶體驗。部分現網4G部署室內分布系統的場景，在容量需求滿足的情況下，可考慮利用舊室內分布系統進行快速低成本部署。

2.2.1 宏站規劃方案

2.2.1.1 不同宏站能力對比分析

64TR設備和32TR設備是室外最主要的產品，在實際建網中如何選擇至關重要，這需要綜合覆蓋、容量和無線環境等幾個維度進行評估。

（1）水平覆蓋對比。64TR可提升上行覆蓋，使邊緣速率提升1.5倍；下行賦型更精準，下行邊緣速率可提升2倍。

（2）容量對比。多流自適應場景下，相對于32TR，64TR在靜止環境、全緩沖業務下提供16%左右的流量增益，在移動環境下提供36%左右的流量增益。

綜合以上分析，由于空間分辨率的提高，相比于32TR，64TR在靜止和移動環境下均能提供顯著的吞吐量增益。

（3）垂直覆蓋維度。相對于32TR，針對樓宇覆蓋，64TR在低、中、高層均有明顯的性能增益，約為6%～43%；針對地面覆蓋，64TR有4%～15%的性能增益。同時，由于更大的垂直天線3 dB擴展角、更靈活的業務賦形能力，64TR為整個垂直維度（尤其是中高層覆蓋）都帶來明顯的性能增益。

垂直覆蓋維度對比結果表明：64TR更適合樓宇覆蓋。我們建議64TR應用于10層以上的中高樓宇覆蓋，32TR應用于中低層樓宇覆蓋，測試結果如圖2所示。

（4）從無線環境角度考慮。在密集城區和一般城區，無線環境復雜，MU-MIMO配對成功率高，64TR性能更優；在郊區和農村，無線環境相對簡單，MU-MIMO配對成功率降低，32TR足夠滿足性能需求。

需要精確進行大規模MIMO站點規劃時，建議在用戶/業務高熱區域使用64TR；非高話務區域可選擇性使用32TR，以降低建網成本。

2.2.1.2 場景化站點選擇建議

從場景特點來看，密集城區和一般城區站間距在200～500 m，話務密度大，80%用戶發生在建筑物室內；郊區、農村等場景話務量相對低，50%用戶發生在室內[9]。結合不同場景環境和話務特征，根據64TR、32TR和8TR等常見設備機型的覆蓋、容量以及工程情況差異，場景化站點選擇建議如下：

（1）覆蓋維度。當超過20%的覆蓋區域高度大于10層建筑物為中高樓宇場景時，建議64TR應用于10層以上的中高樓宇覆蓋，32TR應用于8層以下中低層樓宇覆蓋。

（2）容量維度。熱點場景判別，根據4G現網熱點選擇。建議在用戶/業務高熱區域使用64TR；非高話務區域可選擇性使用32TR，以降低建網成本。

（3）城區、高熱場景可主要采用64TR設備；郊區、農村等場景可以主要采用32TR設備。

（4）站型選擇要盡量連片成簇，避免完全小區級別插花，可以通過64TR+32TR混合組網（64TR為主，32TR為輔），實現高低搭配，以兼顧容量和成本。局部天面受限場景、高鐵等場景，可以考慮采用8TR設備。

2.2.2 深度覆蓋規劃方案

對于高熱和補盲場景，需要結合微站等產品增強覆蓋和容量，給出網絡規劃建議。微站產品體積小，安裝靈活，可以與宏站、室分一起宏微組網，以滿足現網需求提升網絡性能。

（1）柵格級分析。地理化柵格級覆蓋數據以及話務數據通過聚類分析后，得到現網存在弱覆蓋區域和高熱區域。

（2）站址部署方案。考慮場景信息、話務量、弱覆蓋面積、與現網站址距離等因素，通過決策樹算法，匹配場景和設備，給出最優站址部署方案。

2.2.3 室分規劃方案

4G現有室分建議全部利舊，以充分滿足5G用戶業務需求。根據4G室分部署屬性以及話務等信息，確定場景化部署方案，以滿足5G不同話務需求。同時在滿足4G高流量和形態特征的建筑物中新建5G室分，主要包括占地面積、建筑高度、建筑物形態特征、話務量等條件。部署流程如圖3所示。

2.3 5G天線權值規劃方案

5G候選站點進行初始參數規劃分為兩個階段：利舊站點參數規劃和加站后的參數迭代規劃，主要涉及工程參數規劃和廣播天線權值規劃。

工程參數的下傾角方案。對于利舊站點，考慮繼承4G現網下傾和5G天線的特性，采用大機械下傾的策略；對于新建站，通過機器學習方法提取城區覆蓋環境特性，預測覆蓋效果，采用理想下傾角。

天線權值規劃利用大數據平臺完成，確定優化權值集合，之后通過自動小區工參優化（ACP）對工程參數和天線權值進行綜合尋優。

2.3.1 下傾規劃方案

8TR宏站的垂直面3 dB寬度很小，一般只有6°～8°，無須設置較大物理下傾角，即可避免鄰區用戶終端（UE）的上行干擾落入3 dB主瓣范圍。在2 GHz左右頻段，2、4、8天線情況類似。

▲圖2 64收發通道和32收發通道的不同樓層速率實測增益對比

對于64TR產品，業務波束垂直面單元3 dB寬度達到26°～28°，并且上、下行波形不一致，對于工參有著不同的需求。

（1）下行：信號經過多端口數字權值賦形后，再從天線發射，波形已經是各通道加權后的結果。此時波束垂直寬度和傳統天線近似，所對應的工參也同傳統天線近似。

（2）上行：信號在單個通道接收后，再通過權值加權合并產生賦形增益。在進入天線時，波形是單通道的大垂直寬度；因此需要大機械下傾，才能避免鄰區的噪聲抬升（NI）落入3 dB主瓣接收范圍。干擾示意圖如圖4所示。

對于5G產品下傾角方案，采用的方法為增大機械下傾角，保持5G天線和常規天線的上3 dB角度一致，規避上行干擾。同時通過權值調整，使用合適的廣播電子傾角，保持廣播法線方向和常規天線一致。

5G下傾角設置建議如下：

（1）初始總下傾角≤15°，則有源天線單元（AAU）機械下傾角等同初始總傾角，下行廣播電子傾角為0°。

（2）初始總下傾角＞15°，則AAU機械下傾角固定為15°，不足采用廣播電子下傾補充。

（3）對于高樓垂直覆蓋或者存在弱覆蓋的情況等場景，需要結合實際情況設置下傾角。

2.3.2 天線權值規劃

小區覆蓋的用戶分布是不均勻的，特別是高層建筑物較多的密集城區。用戶的立體分布隨建筑物而變化，這就需要將天線的能量集中于這些用戶密集的高價值區域，以提升用戶的整體體驗，獲得更好的投資回報。4G天線通過寬波束進行方位角和下傾角的整體調整。而5G的多波束天線支持3D波束賦形，可以精準打向某個用戶密集區域，從而提升整體的覆蓋效率和用戶體驗。5G天線權值規劃，是指對5G天線權值的天線參數四元組（水平波瓣寬度、垂直波瓣寬度、下傾角和方位角）進行規劃。5G天線權值可以產生上萬種組合，在實際建網過程中，需要根據設備進行選擇。然后結合大數據和高精度電子地圖，輸出小區級別精準天線權值規劃方案。

中興通訊網規大數據平臺支持基于高精度電子地圖和機器學習算法的天線權值規劃方案，并利用工參信息、高精度3D電子地圖生成MN二維點陣圖（點陣圖代表該站點覆蓋區域內建筑物形態和分布特 征）。該大數據平臺根據覆蓋區域寬度和相鄰小區方位夾角，確定水平波瓣寬度要求；通過扇區背景建筑物形態分析，確定垂直波瓣寬度要求；最終通過扇區背景建筑形態匹配權值庫，確定站點候選權值集合，以準確考慮每個小區的無線環境特征，獲取最佳網絡性能。表1是使用大數據平臺對某個高層建筑較多的小區權值規劃的結果。

▲圖3 5G室分部署流程

▲圖4 不同波瓣寬度上行干擾示意圖

為應對高層建筑物的立體覆蓋需求，垂直波瓣寬度達到25°的4層權值被采用。針對規劃權值，單波束和單層7波束對比驗證的實測結果如下：

（1）道路覆蓋方面：水平7波束權值配置，理論波束增益最大。根據測試統計數據，相比單波束，水平7波束整體有2～7 dB增益；相比垂直波束，在其主波瓣方向，有2～5 dB左右增益。非主瓣范圍，覆蓋弱于垂直波束。總的來說，在兼顧高樓覆蓋場景時，垂直波束配置不會影響道路邊緣覆蓋率。

（2）樓宇覆蓋方面：該小區下96 m高樓建筑內部多層定點測試對比結果，如圖5所示。垂直4層波束相比單層7波束，垂直覆蓋范圍從7°變寬到25°。整體平均約有5 dB增益，低層和高層覆蓋約有8 dB增益。總的來說，使用垂直波束能夠有效提升高樓室內覆蓋率。

根據測試結果，合理規劃5G天線權值，針對性采用多層權值，可以更好地滿足建筑物內部立體覆蓋需求，在保證道路覆蓋率的基礎上提升室內覆蓋，從而提升整體網絡覆蓋和性能。

3 結束語

基于大規模MIMO天線3D賦形特性，5G場景化網絡規劃方案依托于大數據平臺和高精度電子地圖，根據產品特性給出不同場景的規劃方案和天線權值的場景化應用。這使得網絡規劃方案能更精準地匹配網絡場景化需求，更好地提升網絡覆蓋和性能，并為5G網絡建設提供有效的落地支撐作用。

表1 中興通訊網規大數據平臺對某小區的權值規劃結果

▲圖5 不同波束在建筑物內測試結果對比

隨著5G網絡的發展，5G場景和業務會越來越復雜，對網絡規劃的精準化和智能化要求也在日益提升。基于人工智能技術的場景化方案和權值規劃方案，將會進一步提升面對復雜場景的網絡規劃能力。