基于4G大數(shù)據(jù)的5G覆蓋規(guī)劃方法

1 引言

傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法，是在典型環(huán)境中通過人工路測(cè)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后校正傳播模型，之后再根據(jù)校正后的傳播模型進(jìn)行覆蓋仿真。使用傳播模型較正的方法，由于需要人工路測(cè)，所以路測(cè)資源消耗相對(duì)較大；并且模型校正過程中會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗或平滑的處理，有可能出現(xiàn)仿真結(jié)果在小尺度范圍與實(shí)際相差較大的問題。

中國(guó)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)TD-LTE多年，在4G上積累了大量的高價(jià)值數(shù)據(jù)和寶貴經(jīng)驗(yàn)。而目前處于5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，在5G上特別是5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃上積累的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)較少。如果可以將4G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)過程積累的高價(jià)值大數(shù)據(jù)應(yīng)用于5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，無疑將解決5G無線規(guī)劃實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不足的問題。

本文通過整合4G網(wǎng)絡(luò)D頻段的MDT數(shù)據(jù)、4G網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)工參、4G天線方向圖、5G的發(fā)射功率、5G天線方向圖等大數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)了5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、模擬，提出一種4/5G共站同頻情況下的全新覆蓋規(guī)劃方法，此方法實(shí)現(xiàn)了4G實(shí)際數(shù)據(jù)和5G規(guī)劃數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換，避免了傳統(tǒng)規(guī)劃方法在小尺度范圍精度不高的缺陷。試驗(yàn)證明，本文提出的新算法在平均誤差和誤差標(biāo)準(zhǔn)差均優(yōu)于傳統(tǒng)的傳播模型校正方法。

2 基于4G數(shù)據(jù)的5G覆蓋預(yù)測(cè)理論介紹

對(duì)于無線信號(hào)傳播，通用的接收?qǐng)鰪?qiáng)計(jì)算公式如下：

其中，參數(shù)說明如表1所示。

表1 參數(shù)說明

中國(guó)移動(dòng)在5G建設(shè)初期計(jì)劃使用2.6 GHz頻段（2 515～2 675 MHz共160 M帶寬）作為室外宏站覆蓋，并且使用4G、5G共站建設(shè)的方案，5G使用的這個(gè)頻段與TD-LTE的D頻段（2 575～2 615 MHz）是包含與被包含的關(guān)系，而且平均中心頻率相等，可以認(rèn)為是同頻，使得把4G大數(shù)據(jù)用于5G覆蓋規(guī)劃成為可能。

當(dāng)4/5G同頻共站設(shè)置時(shí)，對(duì)于相同的接收點(diǎn)，信號(hào)傳播的路徑相同，頻率相同，則路徑上的損耗也相同。則4G和5G的接收?qǐng)鰪?qiáng)差異為TxPower、TxGain及RxGain的差異之和，用等式表示如下：

上面等式中，右邊的數(shù)據(jù)都可以在大數(shù)據(jù)資源中獲得的，其中Prx_4g可以從4G網(wǎng)絡(luò)D頻段的MDT數(shù)據(jù)獲得，TxPower_4g可以從4G工參數(shù)據(jù)獲得，TxGain_4g可以通過4G天線方向圖數(shù)據(jù)獲取，TxPower_5g是規(guī)劃設(shè)計(jì)的發(fā)射功率值，TxGain_5G可以通過5G天線方向圖數(shù)據(jù)獲取，4/5G終端接收增益的差異可以從已有的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)獲取。

3 數(shù)據(jù)集介紹

3.1 MDT數(shù)據(jù)

MDT（Minimization Drive Test，即最小化路測(cè)）數(shù)據(jù)包含終端所在的經(jīng)緯度，UE上報(bào)的服務(wù)小區(qū)標(biāo)識(shí)，UE上報(bào)的RSRP等。它同時(shí)擁有無線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)信息和用戶精確位置信息，在4G大數(shù)據(jù)中具有舉足輕重的作用，是大數(shù)據(jù)中最有價(jià)值的數(shù)據(jù)之一。MDT數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)主要有3點(diǎn)：

① 全部都是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確、直接地反映網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況；

② 具有精確的經(jīng)緯度信息，可以滿足扇區(qū)級(jí)、柵格級(jí)甚至是位置點(diǎn)的分析；

③ 數(shù)據(jù)量大，覆蓋面廣，能夠提供整個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)全面、詳盡的覆蓋信息。

本文使用的是4G網(wǎng)絡(luò)D頻段的MDT數(shù)據(jù)。

3.2 4G工參數(shù)據(jù)

工參即工程參數(shù)，是指從工程建設(shè)開始記錄并維護(hù)下來的一批無線基站相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)或參數(shù)。工參數(shù)據(jù)至少應(yīng)包含小區(qū)名稱信息、小區(qū)位置信息、小區(qū)參考信號(hào)發(fā)射功率信息、小區(qū)天線型號(hào)信息、小區(qū)天線的水平方向角信息、小區(qū)天線的下傾角信息等。

3.3 4/5G天線方向圖數(shù)據(jù)

4/5G天線方向圖數(shù)據(jù)指天線測(cè)量時(shí)獲得天線輻射方向圖，通常只測(cè)量其水平面及垂直面數(shù)據(jù)，本文通過內(nèi)插法實(shí)現(xiàn)從水平面及垂直面數(shù)據(jù)到三維空間任意水平角及下傾角的輻射增益轉(zhuǎn)換。

3.4 5G的規(guī)劃工參

包括5G的規(guī)劃發(fā)射功率，5G規(guī)劃天線型號(hào)等。

3.5 4/5G的終端增益差異

包括4G終端增益數(shù)據(jù)和5G終端增益數(shù)據(jù)

4 數(shù)據(jù)組織流程

隨著4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和壯大，以上相關(guān)大數(shù)據(jù)資源特別是MDT的數(shù)據(jù)量可能達(dá)到TB級(jí)甚至是PB級(jí)，這樣的數(shù)據(jù)如同一個(gè)蘊(yùn)藏量巨大的金礦，人工分析已無法處理這樣量級(jí)的數(shù)據(jù)。本文利用云計(jì)算技術(shù)，通過5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的算法研究，研發(fā)了基于4G大數(shù)據(jù)的5G覆蓋精準(zhǔn)規(guī)劃工具，對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行體系化、流程化的組織和處理，實(shí)現(xiàn)5G覆蓋的精準(zhǔn)規(guī)劃。

基于4G大數(shù)據(jù)的5G覆蓋精準(zhǔn)規(guī)劃工具首先對(duì)本文第3節(jié)提到的數(shù)據(jù)源的采集和存儲(chǔ)，然后對(duì)4G工參與5G規(guī)劃工參進(jìn)行關(guān)聯(lián)計(jì)算，得到4/5G發(fā)射功率差異；再通過工參數(shù)據(jù)查詢相應(yīng)的4G天線型號(hào)數(shù)據(jù)和5G天線型號(hào)數(shù)據(jù)，得到4/5G的天線增益差異；4/5G的終端增益差異從已公布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中統(tǒng)計(jì)獲得。將MDT數(shù)據(jù)中的4G的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)與上述獲得的各種差異合并計(jì)算，得到5G的預(yù)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)，然后再組織批量的5G預(yù)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)，進(jìn)行柵格化統(tǒng)計(jì)、GIS地圖呈現(xiàn)及其他規(guī)劃應(yīng)用。

處理流程圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程圖

5 應(yīng)用舉例

本文選取了某市移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)某區(qū)域的LTE網(wǎng)絡(luò)D頻段的MDT數(shù)據(jù)，通過上述算法進(jìn)行關(guān)聯(lián)、計(jì)算，生成具有精確位置信息的5G預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，把這些數(shù)據(jù)與不同的數(shù)字地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用功能，下面進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

應(yīng)用之一：與樓宇圖層進(jìn)行關(guān)聯(lián)呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)樓宇網(wǎng)絡(luò)覆蓋的評(píng)估與分析，如圖2所示。

應(yīng)用之二：與道路圖層進(jìn)行關(guān)聯(lián)呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)道路網(wǎng)絡(luò)覆蓋的評(píng)估與分析，如圖3所示。

應(yīng)用之三：將全網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化計(jì)算，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)深度覆蓋的評(píng)估與分析，如圖4所示。

應(yīng)用之四：篩選個(gè)別小區(qū)呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)小區(qū)深度覆蓋的評(píng)估與分析，如圖5所示。

應(yīng)用之五：篩選弱覆蓋的柵格呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)弱覆蓋區(qū)域的直觀呈現(xiàn)，如圖6所示。

圖2 樓宇網(wǎng)絡(luò)覆蓋評(píng)估與分析

圖3 道路網(wǎng)絡(luò)覆蓋評(píng)估與分析

圖4 全網(wǎng)深度覆蓋評(píng)估與分析

圖5 單個(gè)小區(qū)深度覆蓋評(píng)估與分析

圖6 弱覆蓋評(píng)估與分析

從圖6可以看到，根據(jù)模擬程序的計(jì)算，在牛湖的某個(gè)站點(diǎn)覆蓋下，5G模擬覆蓋存在一片連續(xù)弱覆蓋區(qū)域，如圖7所示。

圖7 弱覆蓋區(qū)域驗(yàn)證與測(cè)試

經(jīng)實(shí)地測(cè)試，該地?zé)o線環(huán)境復(fù)雜，街道較窄，形成一個(gè)深巷地形，LTE的信號(hào)強(qiáng)度也不是特別好，NSA模式下的5G信號(hào)相對(duì)更差，進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)經(jīng)常斷流，基本是不可用的情況。這顯示出基于4G大數(shù)據(jù)的5G規(guī)劃方法的結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合，證實(shí)該方法是可行且精確的。

另外通過較大范圍路測(cè)，將路測(cè)數(shù)據(jù)、傳統(tǒng)的傳播模型校正方法生成的模擬數(shù)據(jù)及基于4G大數(shù)據(jù)的5G規(guī)劃方法生成的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，筆者發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的傳播模型校正方法預(yù)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)較樂觀，而基于4G大數(shù)據(jù)的5G規(guī)劃方法相對(duì)更精確，更符合實(shí)際測(cè)試的情況。對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示。

本文分析認(rèn)為，傳統(tǒng)的模型校正方法實(shí)施過程中，需要把整片區(qū)域的覆蓋情況通過數(shù)學(xué)處理方法形成一條傳播模型公式，亦即使用一條傳播公式來描述整個(gè)區(qū)域的覆蓋情況，處理過程中必定會(huì)丟失了一些較為小尺度的細(xì)節(jié)情況，所以用于預(yù)測(cè)時(shí)部分區(qū)域與實(shí)測(cè)情況相差較大；本文使用的基于4G大數(shù)據(jù)的5G規(guī)劃方法，對(duì)4G D頻段的MDT實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換，由于MDT數(shù)據(jù)的場(chǎng)強(qiáng)及位置信息都是精確的，所以轉(zhuǎn)換后的規(guī)劃數(shù)據(jù)也相對(duì)更精確。

表2 傳統(tǒng)方法、本文預(yù)測(cè)方法與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的偏差對(duì)比

2020年7月剛剛凍結(jié)的3GPP R16版本中，5G NR增加了MDT特性，未來將可以提供5G全網(wǎng)實(shí)際的覆蓋情況，也可以為本文的規(guī)劃預(yù)測(cè)方法提供閉環(huán)驗(yàn)證，筆者真切地期望這一天的到來。

6 結(jié)論

5G網(wǎng)絡(luò)在空口技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上采用了全新的標(biāo)準(zhǔn)，以滿足未來的各樣應(yīng)用場(chǎng)景。特別是Massive MIMO技術(shù)的引入，改變了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基于扇區(qū)級(jí)寬波束的傳統(tǒng)方法，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法的沖擊很大。可預(yù)見的是，在5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃過程中，遇到的更多的都會(huì)是新問題，沒有先例可循，解決難度較大。本文通過詳細(xì)介紹和論述，論證了將4G的MDT大數(shù)據(jù)應(yīng)用在5G覆蓋規(guī)劃中的可行性，并把數(shù)據(jù)組織處理方法和流程進(jìn)行梳理歸納，形成流程圖。本文的主要意義有以下兩點(diǎn)：一是對(duì)每一點(diǎn)都是使用MDT實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行覆蓋轉(zhuǎn)換預(yù)測(cè)，避免了純理論預(yù)測(cè)的不確定性；二是實(shí)現(xiàn)柵格級(jí)甚至是具體位置點(diǎn)的預(yù)測(cè)，避免了傳統(tǒng)扇區(qū)級(jí)寬波束規(guī)劃方法在小尺度區(qū)域精度低的問題。希望本文所提出新的方法和系統(tǒng)，能起到提升5G規(guī)劃精度的作用，作為相關(guān)項(xiàng)目參考，為中國(guó)移動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。