快速部署5G網絡天面融合工程方法研究

鄭圣土，潘 戟，吳月文，張華東

（1.浙江云鋒網絡技術有限公司，浙江 杭州 310000；2.中國鐵塔溫州市分公司，浙江 溫州 325000；3.中國聯(lián)通溫州分公司，浙江 溫州 325000）

0 引 言

2019年6月6日，工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯(lián)通、中國廣電4家運營商發(fā)放5G商用牌照。這意味著中國正式進入了5G商用元年，并成為繼韓國、美國、瑞士、英國之后，全球第5個開通5G服務的國家。2020年3月，中共中央政治局常務委員會召開會議提出，加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度。5G基站建設排在新基建首要位置，如何快速部署5G網絡，做好5G網絡與2G、3G、4G的融合，進一步優(yōu)化網絡覆蓋，更好地服務用戶，同時為5G技術演進的研究掌握主動權，為上下游的產業(yè)鏈發(fā)展提供保障，是當前各大廠商和運營商面臨的主要問題。

2019年9月9日，中國電信與中國聯(lián)通聯(lián)合簽署了《5G網絡共建共享框架合作協(xié)議書》，宣布將攜手共同建設5G無線網絡。根據合作協(xié)議，中國電信將與中國聯(lián)通在全國范圍內合作共建5G接入網絡。

2020年5月20日，中國移動與中國廣電對外宣布合作，并簽訂5G共建共享的合作框架協(xié)議。中國廣電的優(yōu)質頻段和內容資源，與中國移動的成熟技術設備相互疊加，強強聯(lián)手共享優(yōu)勢。中國移動和中國廣電將以1：1比例共同投資建設700 MHz 5G無線網絡，共同所有并有權使用700 MHz 5G無線網絡資產。

綜上，未來中國要建設兩張5G的網絡，中國電信和中國聯(lián)通共建一張5G網絡，中國移動和中國廣電共享一張5G網絡。如何快速部署5G網絡主要存在以下困難：（1）5G網絡的設備用電需求是4G的3倍以上，因此站點電源整改是第一大難點，接近90%的站點需要整改；（2）天面空間需整改，能直接滿足需求的天面在4%左右，改造工作量巨大，且80%以上的天線需要做天饋融合，是本文研究的重點；（3）傳輸資源改造，5G的網絡單獨組網，且對傳輸的設備要求更高，70%的站點需要進行傳輸改造；（4）機房空間需要改造，約30%的機房需要增加機柜。

1 5G網絡簡介

5G也稱為第五代移動通信網絡，是下一代無線系統(tǒng)移動通信標準。5G網絡的特點是通過高接入速率、低使用時延、海量連接能力、超高流量密度，實現人與物的智能互聯(lián)、信息的高速傳輸，從而滲透到未來社會各個領域，構建以用戶為中心的全方位信息生態(tài)系統(tǒng)。“4G改變生活，5G改變社會”，5G無線網絡將以全新的網絡架構和關鍵技術，提供超高傳輸速率、毫米級傳輸時延和千億級連接能力，開啟萬物廣泛互聯(lián)、人機深度交互的新時代，對社會產生的深遠影響將超過前幾代移動通信技術。

5G能為用戶提供高清視頻、云桌面、在線游戲、虛擬現實（VR）以及增強現實（VR）等高端業(yè)務體驗。5G還將應用到物聯(lián)網等領域，融合工業(yè)設施、醫(yī)療儀器以及交通工具等設備全面實現“萬物互聯(lián)”，有效滿足工業(yè)、醫(yī)療以及交通等相關行業(yè)的信息化服務[1]。

為滿足5G的業(yè)務需求，它的網絡架構必須具有高度靈活性、穩(wěn)定性、支持更多的工作模式，還需要高密度網絡，使用高級小區(qū)、高級節(jié)點互操作和自組織網絡來實現。此外，5G網絡通過載波聚合實現更高的頻譜，可以在許可或非許可頻段上實現，可以工作在毫米波段，也可以通過認知無線電技術實現。

無線接入網技術是5G技術中最關鍵的技術之一。圖1給出了實現5G需求所需的無線網絡關鍵技術。5G網絡的數據傳輸速度達到Gb/s量級，這需要通過使用大MIMO、毫米波和新波形及軌道角動量復用來實現。不同的蜂窩和無線網絡對于容量和帶寬的需求非常大。未來5G網絡數據速率必須增加Gb/s量級。較高的數據速率可以通過使用毫米波頻譜來實現，較小的毫米波長度可以與定向天線組合，從而支持更高吞吐量，因為大MIMO作為空間處理技術可以提供正交極化和波束賦形。此外，5G用戶大連接需求需要采用新型多址技術，即非正交多址技術（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）[2]。

圖1 5G無線網絡的關鍵技術

圖2給出了無線接入網有效的毫米波。通過載波聚合可以支持更高的數據速率，即通過頻譜組合技術產生一個更大的虛擬帶寬。其中一個策略就是使用許可或非許可頻段進行載波聚合以改善帶寬。

圖2 適用于5G無線接入網的毫米波

MIMO技術基于多進多出的天線陳列技術，是將多根發(fā)射天線和接收天線進行陣列組合來實現的，可以看作智能天線陣列。由于它優(yōu)于部分多用戶MIMO，所以在5G中必須使用該技術。大MIMO技術需要基于上百陣元，通常工作在超過10 GHz的高頻，從而大大增加容量。

2 5G網絡部署

運營商企業(yè)自拿到5G牌照后抓緊部署網絡，對網絡的現狀進行了充分調研和摸底。先對現網的頻段進行分析如表1所示，根據現網情況，基本上每個站點移動都至少部署了2G+4G占用6副天線；聯(lián)通、電信部署了2G+4G或者3G+4G，天面資源已經非常緊張。

自2014年鐵塔公司成立以來，天面的共享率已提升至80%以上，各類地面和樓面的塔型已無空余的天面空間。對溫州地區(qū)的100個站點進行摸底調研，情況如表2所示，能直接安裝和滿足新增抱桿條件的占比小于20%。80%以上的站點需要對天面進行融合改造，以騰出空間安裝5G天線。溫州地區(qū)的5G網絡移動單獨建設，電信和聯(lián)通委托聯(lián)通建設，以下分移動和聯(lián)通兩類情況對天面融合進行討論。

表1 3家運營商現網的頻段

表2 摸底100個站點的天面情況

2.1 移動的天面融合方案

天面融合的原則：頻段相近，優(yōu)先合并；基礎覆蓋層，最小合并；方位角相差＞30°，不合并；高度相差＞10 m，不合并。基于性能影響預評估，平衡網絡性能和投資推薦合理的天線選型，基于迭代RF參數規(guī)劃，最小化對現網2/3/4G的性能影響。如表3所示。

2.2 聯(lián)通的天面融合方案

現網以單、雙面為主，基本原則如表4所示：天面有空間場景，新建抱桿部署；存量站點有空閑抱桿場景，優(yōu)先考慮利舊現有抱桿，利舊前需做利舊可行性評估和加固方案評估；天面不滿足場景，通過多端口天線收編存量天線，騰出抱桿。

3 天面部署工程實踐

經過提前摸排站點情況，對移動和聯(lián)通的天面融合方案進行匯總研究討論，確認了以下4個工程實踐的方案，包含天線直接替換、新增抱桿、天面融合后騰出抱桿以及美化特殊站點的安裝示例。

表3 天饋性能影響評估，篩選最優(yōu)合并方案

表4 聯(lián)通天面融合原則

3.1 方案一：天線直接替換

移動的D頻段獨立天線，替換D頻天線，160M帶寬直接替換現網D頻天線，實現4G演進3D MIMO增加容量，如圖3所示。

圖3 直接替換

3.2 方案二：有空余空間，新增抱桿

有空余空間或抱桿直接上塔，有新增抱桿條件可新增抱桿，如圖4所示。

圖4 新增抱桿

3.3 方案三：二天面以上，融合替換

推薦全頻天線收編所有天面在滿足覆蓋要求下，考慮直接替換，如圖5所示。

圖5 融合替換示例

3.4 方案四：特殊美化站點

選擇標準安裝件或者大抱桿安裝天線，如圖6所示。

圖6 美化站點安裝示例

3.5 創(chuàng)新方案五：抱桿接續(xù)及加輔桿利舊現有抱桿

針對天面空間不足，通過抱桿接續(xù)及加輔桿利舊現有抱桿，如圖7所示。

圖7 抱桿接續(xù)及橫向增加輔助桿

3.6 創(chuàng)新方案六：女兒墻隱蔽安裝

針對中國區(qū)傳統(tǒng)樓頂站點天面空間受限，增加傳統(tǒng)天面時容易因為被居民感知而導致部署5G受阻，采用女兒墻安裝解決方案實現5G AAU貼墻安裝，提高隱蔽性，如圖8所示。

4 效果及指導意義

通過以上方案的逐步實施推進，目前在溫州地區(qū)已快速實現了5G網絡的廣度覆蓋。溫州移動的5G基站數量已經突破4 000座，溫州聯(lián)通和溫州電信的5G基站數量也突破2 000座。溫州3家運營商及溫州鐵塔還在繼續(xù)搶抓時間快速部署5G網絡，預計到2020年底將突破8 000座5G基站，基本實現溫州主城區(qū)的廣度覆蓋和機場、動車站等交通樞紐以及旅游景區(qū)等重點區(qū)域的深度覆蓋。此外，隨著網絡的進一步覆蓋，用戶將不斷增長，同時會出現網絡性能的下降，需要進行網絡優(yōu)化規(guī)劃和調整。

圖8 女兒墻安裝示例