面向5G時代的4G校園網布局策略研究

李 源，李鵬來，彭方生（中國聯通武漢分公司，湖北武漢 430014）

1 概述

隨著工信部向運營商頒發5G 商用牌照，5G 時代已正式來臨。考慮到終端普及、網絡建設、市場發展等因素，預計4G 向5G 過渡需要1～2 年時間。在4G 向5G 過渡期間，如何做好4G 校園網布局，一方面解決目前4G 校園網覆蓋和容量需求，一方面為5G 大規模部署做好準備，是本文要探討和解決的問題。

2 4G校園網面臨的挑戰

2.1 網絡深度覆蓋不足

深度覆蓋一直是校園網覆蓋的難點和痛點，特別是宿舍底層深度覆蓋問題比較突出。

圖1 是某校園宿舍區域4G 現網布局，該區域在學生宿舍5 棟上部署一個宏站，宏站到周邊宿舍覆蓋半徑在100～150 m。由于該區域宿舍主要呈“回”字形，無線環境較封閉，加上被樹木遮擋，宿舍底層覆蓋整體較弱。從表1的測試結果來看，宿舍底層平均RSRP為-98.7 dBm，SINR 值為10 dB 左右。尤其是位于宏站覆蓋邊緣的1、4、7、9 棟宿舍底層弱覆蓋問題尤為嚴重。表1 展示了9 棟底層CQT 測試結果，大部分區域RSRP 低于-100 dBm。單純依靠4G 宏站對校園網覆蓋，無法解決宿舍底層深度弱覆蓋問題，需要對現有校園網站址布局進行加密。

圖1 校園宿舍區域4G現網宏站分布圖

表1 校園宿舍區域底層4G覆蓋情況

2.2 網絡容量存在瓶頸

由于騰訊王卡、冰激凌套餐等不限流產品發展迅猛，校園網面臨巨大的容量和負荷壓力。宿舍區域晚忙時4G PRB 利用率保持在70%以上，CQI 低于10，后臺統計下行業務平均速率不足3 Mbit/s，現場實測速率不足1 Mbit/s（見表2）。

表2 校園宿舍區域晚忙時統計指標

宿舍區域究竟要配置多少容量才能滿足需求？表3 是對圖1 中宿舍區域容量預估結果。該區域共9棟宿舍，共居住學生7 200 人。該院校聯通市場占有率為60%左右，該區域共有聯通用戶4 320 人。根據后臺指標統計，晚忙時用戶RRC 激活率為40%，下行業務占空比為15%。按4G下行5 Mbit/s速率保障用戶感知，該區域需要配置25.9個20 MHz帶寬的4G載扇，而目前該區域1 個三載波滿配宏站僅能提供6 個20 MHz 帶寬4G 載扇和3 個10 MHz 帶寬4G 載扇，遠無法滿足4G容量需求，需要進一步提升容量。

2.3 支撐5G發展能力不足

5G 時代，如果依托現有4G 宏站建設5G 宏站對校園宿舍進行覆蓋，會存在以下2個方面的問題。

表3 校園宿舍區域4G容量配置需求預估

一是5G 網絡深度覆蓋水平無法得到保證。表4是根據5G 試驗網測得的視線傳播LOS、非視線傳播NLOS 平均無線路徑路損。視線傳播LOS 主要針對宿舍高層，非視線傳播主要針對宿舍底層。表5 是根據5G試驗網測得的磚混結構校園宿舍平均穿透損耗。

表4 1.8 GHz頻段與3.5 GHz頻段無線路徑傳播損耗對比

表5 1.8 GHz頻段與3.5 GHz頻段穿透損耗對比

以測試距離150 m 為例，3.5 GHz 頻段無線路損較1.8 GHz 頻段在LOS、NLOS 2 種場景分別增加13.32 dB和24.86 dB的損耗；加上在穿透損耗上較1.8 GHz頻段增加6.6 dB。3.5 GHz 頻段合計比1.8 GHz 頻段增加19.92 dB 和34.46 dB 損耗。以表1 中學生宿舍9 棟為例，目前4G 底層覆蓋水平為-101 dBm，根據上面的推算，5G覆蓋水平將低于-128 dBm 的最低接入門限，無法實現5G接入。

二是網絡容量無法滿足5G 業務需求。按表3 中模型對5G 容量需求進行評估，結果如表6 所示。在5G按50 Mbit/s的下行速率保障用戶感知的情況下，該宿舍區域需要配置16.2 個100 MHz 帶寬的5G 載扇。目前宿舍區域一個宏站僅提供3 個100 MHz 帶寬配置的5G載扇，無法滿足容量需求，需要進一步加密站址。

表6 校園宿舍區域5G容量配置需求預估

3 面向5G時代4G校園網布局新策略

3.1 傳統校園網布局策略分析

根據本文第2 章的分析，主要依靠宏站對校園網進行覆蓋，既無法滿足4G 深度覆蓋和容量需求，也無法支撐5G網絡的發展。要解決該問題，需要通過加密站址布局來提升網絡覆蓋水平和網絡容量。

目前針對校園網站址加密通常采用建設宏站、建設微站、建設室分3種方式。宏站對覆蓋提升效果好，但干擾控制難度大，無法密集布局，對網絡容量提升有限，因此只適用于一些網絡負荷較低的校園；微站雖然干擾控制相對容易，可密集布局，但因發射功率受限導致其覆蓋范圍小，對建設精準性要求很高，站址稍有偏差就可能無法達到預期效果；建設室分在覆蓋效果和容量提升上是3 種策略中最好的，但建設投資較大，同時存在器件較多、后期維護工作量大的問題。因此需要找到一種新的校園網站點布局策略，既能有效提升網絡覆蓋水平，同時也能大幅提升網絡容量，同時又能實現相對低廉的造價。

3.2 校園網精準滴灌布局新策略

針對以上問題，本文提出“精準滴灌、多點覆蓋”的校園網布局新策略。

精準滴灌指的是通過采用指向性較好的特殊天線對宿舍進行精準覆蓋；多點覆蓋指的是通過控制天線覆蓋范圍和網絡干擾，實現網絡的密集布局，從而達到提升容量的目的。

本文采取射燈大張角美化天線，與普通板狀天線不同的是，其水平半功率角僅為20°左右，垂直半功率角達60°（見表7）。這種天線一方面適合在水平方向上密集布局，提升網絡容量；另一方面在垂直方向上能量比較集中，能有效避免塔下黑現象，適合提升樓棟底層深度覆蓋（見圖2）。采用宏站RRU作為射燈天線信源，避免微站發射功率不足的問題。

表7 大張角射燈天線參數

圖2 大張角射燈天線方向圖

根據“精準滴灌、多點覆蓋”策略，對圖1中宿舍區域網絡布局改造如下。

a）所有宿舍樓頂建設射燈大張角天線，共計16副天線。射燈天線傾角優化調整為30°，利用其垂直半功率角大的特性，以精準滴灌的方式覆蓋本樓下面宿舍和對面樓宇宿舍。

b）針對“一”字型宿舍采取1.8 GHz+2.1 GHz 異頻交錯布局的方式控制干擾；針對“回”字型宿舍通過控制覆蓋范圍，將信號收縮在宿舍內部避免外泄。

c）該區域改造后共配置16 個20 MHz 帶寬配置4G 載扇（1.8 GHz 20 MHz×8+2.1 GHz 20 MHz ×8）和8個10 MHz 帶寬4G 載扇（1.8 GHz 10 MHz×8），折合20個20 MHz帶寬4G載扇，相比原容量配置大幅提升，基本滿足第2章中對容量評估的需求。

完成改造后的網絡布局如圖3 所示，其中紅色箭頭表示安裝1.8 GHz RRU，白色天線表示安裝2.1 GHz RRU。

3.3 4G網絡覆蓋實測結果

采用“精準滴灌、多點覆蓋方式”對網絡布局進行改造后，該區域整體覆蓋RSRP 水平得到較大提升。從MR 指標來看，-85 dBm 以上MR 采樣點占比提升約7個百分點（見圖4）。

圖3 “精準滴灌、多點覆蓋”方式校園網布局

從現場CQT 結果來看，該區域共9 棟宿舍底層平均RSRP 從-99.1 dBm 提升到了-84.4 dBm，提升14.7 dBm；平均SINR 從10.3 dB 提升到20.8 dB，提升10.5 dB（見表8）。

以學生宿舍9 棟為例，改造前底層平均覆蓋水平為-101 dBm，改造后達到了-84 dBm。整體覆蓋提升17 dBm。

3.4 網絡容量提升效果

圖4 MR指標前后對比

表8 校園宿舍區域網絡布局改造后底層4G覆蓋情況

表9 網絡布局改造前后晚忙時指標對比

提取網絡布局改造完成前、改造后各一周晚忙時指標（見表9）。無論從吸收流量、網絡負荷還是用戶感知，都得到較大提升和改善。其中日均流量從1.56 TB 增加到2.17 TB，增加51.9%；忙時下行PRB 利用率從75.6%降至47.4%；下行用戶感知速率從2.9 Mbit/s提升到了7.5 Mbit/s。

3.5 5G覆蓋效果仿真

依托現有射燈天線部署5G AAU，采用Rayce 射線模型對5G 深度覆蓋效果進行仿真。仿真參數如表10所示。

從仿真結果來看，5G RSRP≤-105 dBm 采樣點僅占5.58%，其余區域覆蓋水平均高于-105 dBm，平均深度覆蓋RSRP 達-97.17 dBm，完全滿足5G 深度覆蓋需求。

3.6 “精準滴灌”策略與傳統策略對比

從覆蓋提升、干擾控制、容量提升、建設難度、建設造價、后期維護等6個方面對宏站、微站、室分、精準滴灌策略對比如表11所示。

表10 5G仿真參數表

表11 集中校園網站址布局策略對比

網絡覆蓋提升方面，室分和精準滴灌策略對深度覆蓋提升效果最好。宏站因為無法密集布局導致在基站覆蓋邊緣深度覆蓋效果一般，微站主要是由于發射功率較小，影響了其覆蓋效果。

干擾控制方面，宏站發射功率大，其使用的普通板狀天線水平半功率角較大，干擾控制困難。精準滴灌策略因使用了方向圖比較特殊的大張角天線，有效控制了覆蓋范圍，其在干擾控制上與建設室分基本一致。

容量提升方面，宏站因干擾控制困難無法密集布局，無法大幅提升熱點區域網絡容量。其他3 種方式在提升容量效果上基本一致。

建設難度方面，從目前的實際建設情況來看，宏站建設難度最大。其他3 種方式因外觀比較隱蔽，物業協調難度相對宏站較為容易。

建設造價方面，室分建設投資除信源外，還有分布系統投資，因此造價在4 種方式中最高。宏站因無法在校園網中密集布局，造價是幾種方式中最低的。微站和精準滴灌策略在造價上基本一致，比宏站高，比室分低。

后期維護方面，室分因涉及大量有源、無源器件，長期運行后出現故障概率比另外3種方式都高，另外3種方式因為組成結構簡單，出現故障幾率比室分小得多。

綜合考慮，校園網精準滴灌布局策略具備較大優勢，可在熱點院校進行推廣實施。

4 總結

通過前面的分析，面向5G 時代的4G 校園網布局策略總結如下。

a）目前主要依靠宏站方式對校園網進行覆蓋，既無法滿足4G 深度覆蓋和容量需求，也無法支撐5G 網絡的發展。要解決該問題需要通過加密站址布局來提升網絡覆蓋和網絡容量。

b）傳統采用宏站、微站、室分對校園網進行加密建設的策略，無法同時兼顧覆蓋、干擾、容量、造價，需要探索新的校園網站點布局策略。

c）采用“精準滴灌、多點覆蓋”策略可以較好地解決目前4G 校園網存在的深度覆蓋和網絡容量問題。該策略也可滿足后續5G 校園網對深度覆蓋和容量的需求。