面向5G ToB行業應用的無線網絡組網設計研究

劉淑祎

中國移動通信集團河北有限公司 石家莊 050000

引言

5G作為新一代移動通信技術，在大帶寬和低時延等業務場景具有顯著優勢。相比光纖和以太網等固網產品，采用5G可以減少工程布線，實現業務的快速上線，并且相比Wi-Fi具有更穩定的網絡覆蓋及抗干擾能力，能夠顯著提升企業生產效率，降低人力、設備及相關部署維護成本，可以更好地滿足工業園區、鋼鐵及港口等企業信息化應用需求[1]。

5G ToB行業應用由于涉及到工業生產安全性和可靠性要求，在進行網絡組網設計和規劃時要充分考慮，包括前期的業務建模、建網標準、組網方案、RF規劃，到后續的連接級或用戶級調優、性能和SLA保障等方面，任何一個環節沒有考慮周全，都有可能導致最終的業務無法滿足工業生產要求[2-3]。

5G ToB作為一個新的業務場景，目前在行業中的應用相對較少，主要集中在鋼鐵、港口、煤礦等典型場景[4]。同時當前行業應用各類5G終端也不夠成熟，需要運營商、設備商及產業界共同努力，從而真正發揮5G網絡的價值。本文主要基于當前鋼鐵行業應用實踐，針對5G ToB行業應用場景下無線網絡規劃、組網設計及相關設備選型建議等方面進行研究，并給出了相關參考或建議，支撐5G行業應用的快速部署[5]。

1 基站選型方法

當前5G基站主要包括宏站AAU、微站及數字化室分等類型，還沒有專門用于ToB場景的基站產品，因此5G ToB場景下的無線設備選型主要結合現有設備能力和業務場景進行選擇，當前主流5G基站的設備特點及應用場景，如表1所示。

表1 主流5G基站設備特點及ToB應用場景

在實際應用中，具體選用哪種設備類型，要結合企業需求、現場環境、施工難度及造價等多個因素綜合評估，設備選型總體流程如圖1所示。

圖1 5G ToB基站選型4步法

步驟1：基于網絡場景的覆蓋需求分析。

結合具體場景的業務模型分析(如上行速率要求、終端數量等)，預估其覆蓋需求、容量需求和定位功能等。

步驟2：結合具體場景，進一步明確需求。

1)全封閉場景(如地下煤礦)：空間狹長，AAU波束難展開，參考采用室分設備；

2)半封閉室內(如鋼鐵庫房)：室內空曠且區域較大，AAU波束易展開，參考采用宏站AAU、EM等中大型設備；

3)標準工廠：安裝空間有限，容量密度大、干擾強，參考采用數字化室分設備；

4)開放場景(如港口)：可安裝基站高度>25米，AAU波束易展開，優先采用宏站；

5)其他場景(如電力、警務、醫療等行業)：由于5G ToB垂直行業尚處于孵化發展階段，目前主要聚焦于鋼鐵、港口、煤礦等典型場景，其他場景需結合具體企業需求進行調研、分析，從而明確需求。

步驟3：充分考慮5G ToB場景的行業防護約束。

針對高溫、防塵、防爆等特殊場景5G覆蓋需求，在選擇基站設備的時候要考慮加裝相關的防護裝置以滿足企業生產需要。以地下煤礦為例，存在嚴格的防爆和功率要求，要求設備放入防爆盒，無線設備功率小于6W，同時要求無線設備具備良好的散熱能力等。

步驟4：考慮產品頻段的要求和能力。

結合運營商頻譜資源以及部署場景隔離程度(如封閉、半封閉)，確定可用的頻段、子幀配比、頻率復用策略等[6-7]。如港口和工業園區等場景，由于存在與公網接觸，則應充分考慮全網子幀配比統一、時間同步以及公網和專網的干擾問題。

以某鋼鐵企業5G無人天車業務為例進行說明。

1)覆蓋場景分析：業務所在區域為封閉式金屬結構庫房，業務需求主要是天車PLC控制類和視頻回傳場景，對時延和上行容量均有較高的要求。

2)產品選型分析：結合當前5G基站設備能力，從覆蓋、容量、施工難度等方面綜合考慮選取64T64R宏站AAU進行覆蓋。

3)覆蓋&容量估算：庫房共計20個攝像頭，單個庫房5個攝像頭匯聚到CPE，規劃部署4個CPE，單CPE上行速率要求＞70Mb/s。

4)小區估算：按照2.6G 100M帶寬進行規劃，單小區平均上行速率250Mb/s左右，規劃1個小區即可滿足業務需求。

2 網絡估算方法

無線網絡估算，主要包括覆蓋目標確定、網絡覆蓋估算和網絡容量估算。

2.1 覆蓋目標規劃

確定網絡的上行邊緣速率和覆蓋電平，以用于網絡覆蓋估算，整體方法如下所示。

1)基于覆蓋基線：根據不同的產品類型，獲取基本的覆蓋電平與速率基線，作為輸入條件。

2)上行邊緣速率獲取：以上行速率需求最大的作為邊緣速率，將所有業務都轉換成大上行的業務，以上行速率最大的業務為邊緣速率規劃目標。

3)邊緣覆蓋電平規劃：將大上行業務與低時延&高可靠業務取最大值，在上一步驟已將所有業務都轉換成大上行業務，取上行速率最大的業務，其對應的邊緣電平作為邊緣覆蓋的電平。其中大上行業務對無線網絡上行速率有要求，低時延&高可靠性業務一般對上行容量要求不高，對無線網絡覆蓋質量要求較高，兩者既有區分又有聯系，區別在于對網絡要求不同，聯系在于均需要在無線網絡覆蓋良好的情況下方可滿足。

基于某鋼鐵企業5G無人天車業務得出的5G ToB的網絡覆蓋規劃參考標準(前提條件：①64T AAU 頻率2.6GHz、子幀配比8:2、帶寬100MHz；②SA組網，終端2T4R 26dBm；③功率配置：200W/100Mhz；④上行IoT 20dB)，如表2所示。

表2 5G ToB覆蓋規劃標準

2.2 網絡覆蓋估算

根據已獲取的上行邊緣速率和邊緣電平覆蓋要求，并結合基站產品選型，可以計算出單站的覆蓋半徑，從而得出站點規模，整體流程如下：

1)設置覆蓋目標，如上行邊緣速率；

2)根據所選基站產品形態，輸入子幀配比、帶寬、功率、天線收發數、天線增益、上行干擾余量、工作頻段信息及傳播模型等參數；

3)輸出小區覆蓋半徑；

4)根據小區覆蓋半徑，計算單站的覆蓋面積；

5)按照區域面積，計算站點數目=區域面積/單站覆蓋面積，向上取整。

2.3 網絡容量估算

根據總體容量訴求確定小區/站點數目，結合覆蓋估算的站點規模給出最終需要的站點規模。其中小區容量口徑需要根據產品類型、子幀配比、帶寬等設置，以采用的基站設備廠家發布口徑為依據。網絡容量估算流程如圖2所示。

圖2 網絡容量估算流程

3 組網設計方法

當前5G ToB行業應用主要集中在鋼鐵、港口等場景，對低時延、大上行等具有較高要求，組網主要以專網部署方式為主。

3.1 基站部署原則

1)均衡原則：每個小區所覆蓋的終端數量及容量相對一致，盡量避免出現個別小區容量過載或者輕載的情況；

2)同頻站點避免對打：建議背靠背安裝減少同頻干擾，如圖3(a)所示；

3)天線安裝位置：如AAU主瓣覆蓋方向避免金屬物遮擋；

4)充分利用物理環境隔離覆蓋：AAU點位選擇盡量利用廠房內的建筑物信息實現同頻信號在物理上的隔離，減少干擾，如圖3(b)所示；

5)站高選擇：優先選擇高度較高的位置放置站點，但站高不宜過高，避免產生重疊覆蓋問題，如圖3(c)所示。

圖3 基站部署原則示意圖

3.2 終端部署原則

目前5G ToB終端主要以CPE為主，在終端部署過程中應遵循以下幾點要求。

1)避免終端距離基站過近：CPE點位選擇需要考慮覆蓋以及上行功率飽和問題，不能距離基站太近；

2)終端駐留小區盡量保持穩定：①針對固定點位，通過鎖頻方式確保終端接入固定小區，減少終端在不同小區間切換對業務帶來的潛在影響；②針對移動范圍較大的終端，如果確有多個小區切換需求，則盡量保證切換小區相對穩定，且小區容量設計時提前做好容量預留，避免切換到非規劃小區。

3.3 頻率規劃原則

對于5G ToB應用，需要基于實際業務場景及網絡需求考慮是否選擇異頻組網，從引入異頻組網的原因上，可以做如下原則細分。

1)同頻干擾大，導致小區容量降低，無法滿足需求。

第一，優先保障同頻段新增異頻。同頻段新增異頻是為了減少小區的新增成本，利用已有基站寬頻的特點引入異頻頻點。第二，新增異頻段異頻。異頻段組網會增加相關設備成本，如無同頻段資源可用，則考慮新增異頻組網。從性能最優角度考慮，新增異頻段頻段，可以保證容量的新增且不會對原有的頻點產生影響[8]。第三，在無任何新增頻點基礎上，考慮進行同頻段拆分。拆分建議如下：①當上行IoT～10dB及以下，不進行同頻小區頻點和帶寬的拆分，此時拆分頻點和帶寬的干擾降低不足以抵消整體上行容量的損失；②當上行IoT～20dB高干擾場景，建議嘗試同頻小區頻點和帶寬的拆分，拆分后的頻點不要超過2個頻段；③當上行IoT～35dB左右的超高干擾場景，建議嘗試同頻小區頻點和帶寬的拆分，拆分后的頻點不要超過3個頻段。

2)同頻干擾大、小區容量滿足，但小區邊界用戶體驗不滿足，引入異頻組網。

5G ToB行業應用場景下，有些業務分布比較集中，在小區的邊界處易出現上行邊緣速率不滿足業務需求的問題，則此時采用邊界異頻插花方式可以很好地降低整網的上行IoT及保障邊緣用戶體驗。

針對大上行業務場景，異頻引入需要結合異頻的帶寬、子幀配比綜合考慮用戶間的負載均衡，設置不同頻點的優先級別，確保用戶的分層駐留。針對大上行業務且存在移動用戶，則需要考慮終端異頻測量對于終端容量的影響，盡量將移動用戶按照需求劃分到單獨的頻點，減少終端異頻切換的影響。針對低時延與上行業務混合場景且存在異頻組網場景，建議結合業務需求單獨地劃分頻點或者在單獨的頻點上配置切片資源來進行駐留，減少異頻切換對于低時延用戶的影響。

4 RF參數規劃

4.1 方位角設計

5G ToB網絡的方位角設計，建議參考如下規劃原則。

1)基站同向控制干擾：保證同頻主覆蓋方位對準用戶，鄰區旁瓣覆蓋用戶，如圖4(a)所示。①終端側：采用水平方向角度窄的天線，或者優化水平方向，主瓣對服務小區，旁瓣對鄰區；②基站側：服務基站窄水平波束對準服務小區，水平角度盡量遠離鄰區指向。

2)基站對打控制干擾：一般盡量避免同頻基站對打，如實在無法錯開，則盡量優化方位角使得鄰區旁瓣覆蓋用戶，主瓣對準服務站點，如圖4(b)所示。①終端側：采用旁瓣或者背瓣抑制好天線，調整水平方向旁瓣對鄰區；②基站側：服務基站水平角度盡量遠離鄰區。

3)基站背打控制干擾：同頻組網下優先參考，其中服務基站盡量采用背瓣抑制性能較好的天線，減少天線背瓣帶來的干擾，如圖4(c)所示。

圖4 基站和CPE方位角規劃示意圖

4.2 下傾角設計

5G Massive MIMO針對不同的信道有不同形態的波束，主要分為SSB廣播信道波束(影響用戶在網絡中的接入、切換，從而決定NR小區覆蓋區域)和業務信道波束(影響用戶的體驗，如吞吐率、業務時延等)。

①SSB廣播信道SSB總傾角=5G小區機械下傾 +SSB可調電下傾

②CSI-RS總下傾角=5G小區機械下傾 + CSI-RS波束下傾角

機械下傾角同時對廣播波束和業務波束進行調整，不同產品支持的SSB Pattern場景和波束的可調范圍有差異。CSI-RS對應多層垂直波束，CSI-RS的垂直層數、各垂直層的指向，不僅與單TRX的形態有關(如預置下傾)，還與CSI-RS的權值有關，CSI-RS波束下傾角是產品本身固有的屬性。

5G toC場景通常是以CSI-RS次外層波束的法線指向小區邊緣為原則規劃下傾角，ToB園區場景為高干擾場景，多徑嚴重，建議以CSI-RS最外層波束上3dB位置指向小區邊緣為原則規劃下傾角，如圖5所示。

圖5 機械下傾角規劃示意圖

其中機械下傾角= Arctan(H/d)-CSI-RS最外層波束上3dB傾角，H為基站相對于目標終端的高度，d為水平覆蓋距離。

4.3 功率設計

基站下行功率的設計用于滿足覆蓋要求，需要結合場景配置，在實際操作中需要注意如下幾點。

1)避免下行功率飽和問題

避免出現下行功率飽和造成終端解調性能下降。對于上行需求大，下行功率可以配置小，保證覆蓋要求即可；對于下行存在較強覆蓋要求可以參考公網方式進行功率配置；切換駐留問題，可以單獨優化SSB的功率偏置控制切換重疊帶。

2)下行功率配置需要考慮一定行業約束

該場景的配置主要是與行業約束強相關，如煤礦存在基站功率6W的限制以保證井下工作的安全，因此即使存在下行覆蓋要求，也需要按照行業要求控制下行功率。

3)終端上行功率也需要注意飽和問題

接收機的最大接收電平是指接收機在不發生失真情況下能夠接收的最大信號，接收機則采用了AGC(自動增益控制)來確保有用信號落在器件的輸入動態范圍之內。簡單的說就是有一個負反饋環路：檢測接收信號強度(過低／過高)－調整放大器增益(調高／調低)－放大器輸出信號確保落在下一級器件的輸入動態范圍之內。由于接收機的非線性特性，當接收機收到強功率時，接收機的AGC會進行動態調整確保信號落入接收范圍內，從而產生終端功率飽和問題，此時會損傷接收機的解調性能而導致在其工作信道的解調能力下降，反而會影響吞吐率。終端側功率飽和建議測試點位RSRP<-55dBm，如果RSRP太強，建議適當降低小區功率。針對單AAU的功率飽和門限與上行RB使用的情況相關，考慮極限情況上行RB=273時候，則對應的UL RSRP要控制在-77dBm以下，實際中可以參考基站配置調整該參數的設置范圍控制單用戶的飽和門限。

在RF參數規劃過程中，還涉及基站標識、PCI、TAC等參數的規劃，此類參數規劃方法與5G公網規劃方法、原則基本一致，參照現有方法執行即可。

4.4 仿真規劃

5G ToB業務仿真規劃整體思路與公網仿真規劃基本一致。但由于ToB業務的特殊性，在具體實施過程中需要重點關注以下幾個差異點。

1)業務建模

建模可以分為業務建模和網絡建模兩大塊，業務建模主要是通過對行業客戶充分的調研，獲取業務類型、業務運行環境、業務配置、業務流信息等關鍵信息，以便準確獲得業務需求，并為轉換成網絡需求做準備，用來指導后續網絡的規劃建設。網絡建模就是根據業務建模的輸出，將業務的需求轉換成實際的網絡需求，5G ToB主要的網絡需求就是上行速率、時延及可靠性要求等。

2)容量估算

5G ToB項目中視頻監控、視頻回傳等大上行業務比較常見，在網絡規劃中要重點評估容量對業務的滿足程度。以視頻回傳業務為例，在網絡容量估算環節要對攝像頭業務特征進行分析，分別評估單攝像頭及多攝像頭場景下網絡容量帶寬需求，進而基于小區容量基線評估需要規劃的小區數量。

3)上行速率仿真

基于高精度電子地圖和相關站點工參信息，在上行速率仿真方面，可以通過對空口傳播射線路徑的模擬，來實現準確的上行速率預測。基于上行速率預測的結果，可以判斷當前網絡規劃方案能否滿足實際業務的訴求。基于某鋼鐵企業庫房5G無人天車視頻回傳業務的實踐結果看，70Mb/s的邊緣速率識別準確率達到了90%左右，上行速率仿真的原理示意如圖6所示。

圖6 上行速率仿真原理說明

5 總結與展望

基于5G的行業應用目前還處于發展階段，一方面相關的行業解決方案需要在實際應用中逐步完善，另一方面面向垂直行業的5G終端產品相對較少，同時不同廠家產品成熟度也有待提升。本文主要針對無線網絡規劃方案進行了分析，從設備選型、網絡估算、組網設計等方面給出了相關建議，為5G網絡在行業的深入應用提供參考。隨著行業應用的深入，后續應重點加強5G端到端網絡規劃的研究，同時針對企業高可靠性、安全性等特殊要求進行針對性設計。