面向5G行業應用的智能規劃方法研究和實踐

黃家豐

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

在移動通信的5G時代到來之后，移動通信已經不僅僅局限于人與人之間，越來越多的領域應用到了移動通信技術，使得人與物和物與物的移動通信擁有了廣泛的市場。因此，為了滿足人們居住、工作、出行以及娛樂等多方面的需求，開始在住宅區、體育場、娛樂休閑場所、寫字樓、車站以及停車場等場景建設5G網絡。面對這種大規模的活動建設，無疑需要一個高效簡捷的規劃方案，所以本文通過研究面向5G行業應用的智能規劃方法并做出實踐方案，首先通過從2G到4G的發展及5G網絡的功能做出5G網絡建設的重要性分析，然后簡要描述與分析增強型移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、大規模物聯網（massive Machine Type of Communication，mMTC）以及超高可靠超低時延通信（Ultra-reliable and Low Latency Communications，uRLLC）之間的應用，接著開始研究5G行業應用的智能規劃方法，選擇5G網絡服務站的地址計算城市穿透損耗典型數值，并根據損耗值校準射線追蹤模型參數，然后進行參數規劃，通過時間維度和空間維度的關聯迭代尋優不同場景類別中的射頻參數與波束成形參數，得到其優化算法[1]。

1 5G建設的重要性分析

移動網絡從2G到4G的發展，實現了人與人之間移動通信的從完全沒有到逐漸豐富。在2G時代人們真正開始了大規模的移動語音通信，進入了移動通信時代，在3G時代人們開始將互聯網業務與移動通信相結合，將互聯網也帶入了移動時代，到了4G時代移動互聯網徹底轉化為移動數據，與手機App相結合產生了一系列的智能產品，并普及到社會的方方面面。5G的發展，表示移動通信需要將通信場景也納入考慮，詳細描述人與人、物與物以及人與物之間的聯系，并依據這些不同的聯系設置不同的通信場景，對移動通信提出不同的要求。由此可以看出，所謂5G時代就是人為定義各種不同的通信場景，并以此實現移動通信的定制化服務。在注重個性化的當今社會，將移動通信由大眾走向個人是一種必然的趨勢，因此5G時代必定到來。而這樣的一個巨大的時代浪潮，對于我國網絡強國的戰略目標是一個巨大的機遇，能夠使我國在國際舞臺上引領科技創新，還可以帶動產業升級，發展新興產業經濟并拉動就業率，因此5G的建設與發展十分必要，也是我國在未來網絡發展中的重要課題[2]。

2 5G行業應用概述

在5G行業的典型應用中，主要包括3種最主要的應用場景，分別是增強型移動寬帶（eMBB）、大規模物聯網（mMTC）以及超高可靠超低時延通信（uRLLC）。這3種技術幾乎涵蓋了5G的所有功能，多種詳細的5G應用如表1所示。

表1 5G場景對不同行業的提升效果

隨著移動數據從4G發展到5G，在時延、帶寬以及可靠性方面都有了極大的進步，也正是因為這種巨大的飛躍，才能為物聯網、互聯網以及其他需要移動技術的相關行業提供新的發展空間。

2.1 增強型移動寬帶

增強型移動寬帶是針對大流量移動寬帶的業務。在現有4G網絡的基礎上升級為5G，能夠進一步提升用戶的移動數據性能，得到一種追求移動數據極致高速的體驗。5G在增強型移動寬帶中使網絡速度大幅度提升，無論是下載速度還是上傳速度都有極大的提升，原本需要下載10 min的視頻，現在10 s之內就能下載完畢，這表明了5G網絡相較于4G網絡的優越性。

2.2 大規模物聯網

大規模物聯網又被稱為海量機器類通信，一般在6 GHz以下的波段發展，其大規模的應用體現在物聯網領域。當前，全球物聯網發展進入產業爆發前的戰略機遇期，應用增長態勢明顯，物聯網的發展受到國內外的共同關注，市場應用前景巨大。物聯網時代萬物互聯，海量通信顯得異常重要，物聯網海量通信的核心是提供大規模的連接，WiFi和ZigBee等技術都用于支持連接。大規模物聯網技術能夠根據信息交互對象從不同的角度出發，重點解決傳統移動通信無法很好支持物聯網及垂直行業應用的問題，這種低功耗的大規模物聯網連接適用于各種領域，主要面向智慧城市、環境監測、智能家居以及森林防火等以傳感和數據采集為目標的應用場景，數據包較小且連接量大[3]。

2.3 超高可靠超低時延通信

超高可靠超低時延通信技術的特點是高可靠、低時延以及極高的可用性，它包括工業應用和控制、交通安全和控制、遠程制造、遠程培訓以及遠程手術等場景及應用，在無人駕駛業務方面擁有很大潛力，此外對于安防行業也十分重要[4]。工業自動化控制需要時延大約為10 ms，這一要求在4G時代難以實現，而在無人駕駛方面對時延的要求更高，傳輸時延需要低至1 ms，而且對安全可靠性的要求極高。

3 5G行業應用智能規劃方法研究

3.1 站址規劃

與前些年的3G和4G不同，能夠造成人們生活方式變革的5G數據網絡結構更加復雜，其應用功能層出不窮，因此在設計5G網絡的規劃方案時需要針對多樣化的5G功能業務做好站址規劃[5]。

3.1.1 城市穿透損耗典型數值計算

想要實現實際場景的精準配置，需要先校準實際城市環境的穿透損耗模型。相比起剛開始施工的5G，4G已經實行了一段時間，且4G用戶測量報告（Match Record，MR）的數據分析十分具備代表性，其配置規模已經趨于完善[6]。由于5G和4G頻率接近，因此完全可以通過校準實際城市環境穿透損耗模型的方式獲取城市穿透損耗的典型數值，該步驟的算法流程如圖1所示。

圖1 城市穿透損耗數值計算

由圖1可知，第一步需要呼叫位置定位，在這個過程中，可以根據系統和功能的不同使用OTT定位、室分定位、WCCL定位以及特征匹配定位等4種定位方法，然后根據位置定位確定地圖上的匹配數據并及時校正，最后分析用戶環境特征，根據用戶所處位置的不同，得到城市穿透損耗的典型數值。

3.1.2 射線追蹤模型參數校準

得到以上的城市穿透損耗典型數值是所有5G站點設置的必需步驟，在這之后就需要依據5G網絡與4G網絡的差異場景校正模型參數，建立5G的射線追蹤模型。參數校正的具體設置如表2所示。

表2 校正射線追蹤參數取值

通過表2中對射線追蹤參數的計算，可以判斷5G站址的詳細道路數據。當5G邊緣同步信號的采樣點與平均電平覆蓋誤差小于5%時，表明該站址規劃符合所需要求。

3.2 參數迭代尋優

5G關鍵參數的規劃包括射頻（Radio Frequency，RF）參數和波束成形（Beam Forming，BF）參數。射頻參數主要包括5G網絡設置高度角、掛高以及下傾角等，而波束成形參數為多入多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）天線波束成形權值組合。本文主要根據以上參數規劃，設計一種能夠自動匹配巡游的策略算法，以此實現5G網絡行業應用的智能規劃[7]。

3.2.1 空間維度與時間維度的關聯分析

在5G網絡中設置MIMO天線波束成形的關鍵技術，考慮站址規劃的仿真分析，通過水平和垂直動態掃描構成三維立體的波束覆蓋，實現了設置8種水平波束、2種垂直波束、20種下傾角以及80種高度角的能力。考慮權值屬性，將5G網絡的通路天線轉化為可量化的能量改變波束方位，這種能夠量化的能量即可表示為權值，進而實現射頻參數和波束成形參數的表達。常見的基于不同場景的波束管理方案如表3所示。

表3 基于不同場景的波束管理方案

5G網絡的波束成形權值屬性的設置與具體的場景有很大的關聯，在計算得到時間維度波寬和空間維度波寬之后就能實現場景的自動化識別，關聯5G網絡無線參數的適配，提高5G網絡行業應用的智能規劃效率。

3.2.2 射頻參數與波束成形參數的梯度算法

鑒于5G網絡復雜的權值參數設置，基于隨機梯度算法迭代尋優射頻參數與波束成形參數，確定最佳的參數方案，其過程如圖2所示。

圖2 參數迭代尋優算法

如圖2所示，得到最優射頻參數與波束成形參數的參數組，基于路損和天線文件等數據估算參數迭代后的整體效益，直至其正向收斂。

4 5G行業應用智能規劃實踐

為了節省5G行業應用智能規劃所需資金，可以將原有的4G網絡改造成5G網絡，具體的5G行業應用智能規劃流程如圖3所示。

圖3 5G行業應用智能規劃流程

在以某市作為智能規劃實驗點的過程中，將實驗點內的各項地理數據輸入到計算機內，通過計算機軟件程序實現維度覆蓋，然后通過4G仿真圖像與4G MR折算得到不同波段的城市柵格圖像數據作為底圖，實現5G仿真設計。根據5G無線網絡的規劃區域選擇合適的站點確定柵格分布，可以使用LET MR柵格匯聚電平作為參考方式，以空間維度與時間維度的關聯為基礎波寬，使用上文中設計的射頻參數與波束成形參數的隨機梯度迭代尋優算法，規劃全市所需的5G車聯網業務所需站址，并計算該項業務的價值預測。計算時，需注意不同的場景有不同的計算方式和權值性能，并得到最終的5G行業應用智能規劃[8]。在上述智能規劃體系中可以按照站址的建設成本將柵格分為高、中以及低3檔，根據場景進行分類，針對網絡指標計算5G網絡的覆蓋率如表4所示。

表4 5G網絡柵格覆蓋率

由表4可知，優化之后的5G網絡柵格弱覆蓋點，無論是高檔柵格、中檔柵格還是低檔柵格，其覆蓋率都呈下降趨勢，覆蓋點高檔柵格、中檔柵格以及低檔柵格的覆蓋率小幅度上升，而強覆蓋點中高檔柵格和低檔柵格小幅度上升，中檔柵格大幅度上升[9]。總體而言，只有弱覆蓋點在經過智能優化后覆蓋率降低，而中覆蓋點和強覆蓋點的覆蓋率都有不同幅度的上升趨勢，因此可以得到判斷，5G網絡行業應用的智能規劃方法具備實際效用，能夠解決5G網絡建設中因工程量巨大而導致的規劃混亂的問題[10]。

5 結 論

為解決5G建設過程中規劃效率及精準性的問題，分別研究5G建設的重要性、5G行業應用以及5G智能規劃，又根據超高可靠超低時延通信的特點，實踐探究5G行業應用中的智能規劃，得到了一個具備高效率、高智能以及高精準的建設規劃方案，實現了對于5G資源的精準投放。