5G 分層組網在密集市區場景中的應用實踐*

許 浩，錢小康

（1.中國電信股份有限公司上海分公司，上海 200081；2.上海郵電設計咨詢研究院有限公司，上海 200092）

0 引言

2019 年6 月工信部向國內運營商頒發了5G 牌照，經過近2 年大規模建設，截至2020 年底，全國累計建成5G 基站71.8 萬個，推動共建共享5G基站33萬個，實現了所有地級市5G網絡覆蓋。目前，中國電信、中國聯通充分整合各自優勢與資源，共建一張5G 網絡，主要部署頻率為3.5 GHz；中國移動5G 網絡主要部署頻率為2.6 GHz。眾所周知，高頻段無線電波在自由空間損耗、繞射損耗以及室外打室內穿透損耗都處于劣勢，尤其是密集市區場景，給5G 部署帶來了挑戰。密集市區場景單靠一層宏站覆蓋難以實現5G 室外連續覆蓋和深度覆蓋。本文結合幾個典型案例，介紹通過優化超高站、宏站及立桿站宏微協同以及利用天線劈裂小區方式實現5G 站分層組網的實現方法，希望能給5G 無線網規劃工程師提供一些參考。

1 在密集市區場景的應用實踐

1.1 密集市區5G 部署面臨的挑戰

密集市區無線場景復雜多樣。一方面，高樓、超高樓密布，需要5G 基站提供高、中、低立體覆蓋；另一方面，建筑物鱗次櫛比，加上路牌、廣告牌等室外構建物和綠化，都一定程度上遮擋了無線信號。無線信號從基站傳播到用戶需要經過多次繞射[1]。如表1 所示，以電、聯3.5 GHz 頻段為例，繞射1 次情況下基站規劃要增加到1.4 倍規模才能達到與4G相同的效果。當繞射次數增加到3 次，5G 基站規劃要增加到2.6 倍規模才能達到與4G 相同的效果。即便運營商能加大建設投入，也不一定能找到理想的宏站站址。所以，在密集市區無線場景部署基站需要在大面上采用64TR 宏站設備，利用多輸入多輸出（Multi-Input Multi-Output，MIMO）特性進行立體覆蓋與容量吸收，同時需要考慮站址選址的合理性，采用桿站、掛墻以及電話亭站等多種方式，盡量減少繞射次數，從而提升5G 覆蓋效果與用戶體驗。

表1 不同頻段、不同繞射次數下繞射損耗比較

密集市區無線場景的另一個特點是業務需求多發生在室內，對于商務樓、交通樞紐等外墻厚實和內部縱深較大的樓宇，需要用室分系統進行專項部署解決。對于其他70%～80%的樓宇，需要通過室外基站覆蓋解決。高頻段無線電波在室外打室內時，穿透損耗劣勢明顯[2]。如表2 所示，僅考慮外墻一層損耗，對于高損耗外墻，3.5 GHz 頻段部署規模是2.1 GHz 的1.6 倍，2.6 GHz 頻段部署規模也達到1.8 GHz的1.2倍[3]。如果考慮2～3個墻體穿透，對站址密度需求是極大的。所以，運營商有必要啟動在4G 頻段上的5G 重耕，利用低頻段傳播優勢與頻分雙工（Frequency-Division Duplexing，FDD）時延優勢，解決密集市區大部分樓宇5G 室內覆蓋問題。5G 頻率能否順利重耕，取決于4G 向5G 遷轉的速度。但是，如果5G 室內覆蓋遲遲不能有效解決，將會影響4G 向5G 遷轉的速度。對于4G 超忙的基站需要另辟蹊徑，對4G 高流量進行分流，從而為5G 早日重耕創造條件。

表2 不同頻段、不同外墻材質下的穿透損耗比較

1.2 密集市區分層組網建議

1.2.1 站型分層

針對密集市區無線場景分類及特點，尤其是 3.5 GHz 較高頻段的運營商，建議結合不同5G 設備特性以及宏站、桿站、微站等不同建設方案，對密集市區場景實施分層覆蓋。通過減少到達用戶的無線電波繞射次數，實現用較低的建設成本解決密集市區場景室和內外深度覆蓋的問題。

（1）利用64T64R 有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）多波束優勢，對密集市區樓宇進行中層立體覆蓋、高層立體覆蓋以及面上的基礎覆蓋；

（2）利用4TR/8TR 微站，結合綜合桿、電話亭、通信井等現有構建物，對密集市區中層和低層進行深度覆蓋；

（3）利用4TR 皮射頻拉遠單元（Pico Remote Radio Unit，pRRU）室內微站或RUU+傳統無源分布式天線系統（Distributed Antenna System，DAS）系統對室內場所進行專項覆蓋。

1.2.2 頻率分層

對現網4G 頻段資源與承載業務及變化趨勢進行充分評估與分析，基于5G 業務發展策略，制定低頻端4G 頻點騰退方案，最終根據4G 業務的實際遷轉情況，適時啟動連片4G 頻點騰退工作，并實現5G 在低頻段上重耕。對于連片區域內個別業務超忙站點，試點采用劈裂天線等方式分流，最終針對密集市區不同場景采用不同頻率分層覆蓋，從而降低3.5 GHz 基站的建設需求，降低尋址難度。

2 5G 分層組網在密集市區場景中的應用實踐

根據密集市區分層組網建議，分別在超高站優化、立桿站宏微協同以及利用劈裂天線分流3 個方面進行了分層組網基站部署實踐。下面將逐一介紹試點方案、評估結果及后續建議。

2.1 通過超高基站優化實現中層和高層覆蓋

4G 宏基站在密集市區規劃部署時，天線掛高一般選擇25～35 m。天線掛高太低，尤其是低于周邊平均建筑物高度，會引入較多阻擋，大大影響了基站的有限覆蓋距離。當天線掛高高于35 m，尤其到達65～90 m 時，由于需要控制越區覆蓋，需要下壓天線下傾角。但是，過大的傾角會產生波形畸變，引入額外干擾。25～35 m 高度雖然規避了上述問題，但由于4G 天線垂直波瓣一般只有5°～6°，不能兼顧對高層樓宇覆蓋。超高站參數優化調整，如表3 所示。大規模多輸入多輸出（massive Multi-Input Multi-Output，mMIMO）天線[4]作為5G 的一項關鍵技術，引入后可為實現密集市區立體覆蓋提供助益。

表3 超高站參數優化調整

圖1 是一個超高4G 現網站，天線掛高達到75 m。該站位于中心城區，周邊密布80～100 m 的高層居民樓。當采用普通MIMO 模式時，越區現象與塔下黑現象特別嚴重。通過對周邊小區排摸與逐層測試，制定了優化MIMO模式與天線方向角整體優化方案。

圖1 優化前后有效覆蓋范圍對比

如圖1 和表3 所示，優化后完全消除了越區覆蓋和塔下黑現象。以第3 扇區覆蓋目標環龍花苑為例，居民樓尤其是室內5G 覆蓋得到了明顯提升。

如表4 所示，該案例表明，在5G 時代，由于MIMO 技術的引入，在密集市區部署時，可以優化和利用超高站，但需要進行精細化，一站一方案進行規劃與優化。通過明晰覆蓋目標，選擇合適的MIMO 模式與天線方向角，最終實現對周邊高層樓宇的立體覆蓋。在電、聯共建一張網模式下，如果高站、低站分用不同的100 MHz 頻率，可取得更好的覆蓋效果。

表4 高站第3 扇區優化后測試結果

2.2 通過宏站、桿站協同實現低層和中層覆蓋

在上海市政府相關部門的推動下，架空線落地項目為運營商提供了較多綜合桿站站址資源，可以用于密集市區場景覆蓋補充，實現主要道路的連續覆蓋，為車聯網等應用提供網絡保障。桿站由于部署在路邊，可對道路進行直接覆蓋，減少了無線信號的繞射次數，能取得較好的覆蓋效果。但是，由于桿站是在已建一層宏站基礎上部署實施的，需要評估道路現有宏站覆蓋情況。如圖2 所示，在道路一端部署了桿站，天線掛高7 m，主要覆蓋兩側道路，對應基站小區物理小區標識（Physical Cell Identifier，PCI）為314，周邊最近的宏站距離為450 m，天線掛高25 m。該場景為宏微協同場景部署方案。方案實施后，從近到遠選擇9 個測試點，評估不同宏站負荷對桿站覆蓋的影響，如表5 所示。

表5 宏微協測試評估結果

圖2 宏微協同測試評估

在桿站近點區域，宏站、桿站參考信號接收功率（Reference Signal Received Power，RSRP）差值在20 dB 以上的情況下，宏站對桿站的干擾不明顯。

在桿站中點區域：當宏站RSRP接近-105 dBm、差值小于15 dB 的情況下，宏站對微站干擾有波動，影響不明顯；差值小于10 dB 的情況下，宏站對微站干擾明顯；宏站負荷達到50%時，微站速率下降了20%，75%時下降了36%；當宏站、桿站RSRP差值小于3 dB 后，信號直接切換到宏站上。

根據測試結果，在密集市區利用桿站的宏微場景，建議桿站覆蓋區域應在宏站電平小于-100 dBm 區域內，且桿站RSRP電平要高于宏站10 dB 以上，才能起到補充覆蓋的效果。

2.3 利用天線劈裂小區實現4G 分流與5G 重耕

為了實現對密集市區樓宇內部尤其是大型小區中間部位樓宇的室內覆蓋，騰退低頻段的4G 頻點，實現5G 在低頻段上重耕勢在必行。如圖3 所示，該方案選擇現網4G 超忙小區，利用劈裂天線易于劈裂小區的技術特點，采用1 副8 端口2 扇區天線替換傳統4TR 板狀天線，并通過增加1 套 1.8 GHz&2.1 GHz 4TR 雙模RRU 的方式進行小區分裂。劈裂后的2 個1.8 GHz 小區承載原來1 個1.8 GHz 和2.1 GHz 4G 業務流量，騰退出的2.1 GHz 頻點用于5G 重耕，且5G 也劈裂成2 個小區。

圖3 天線劈裂示意（設備連接和扇區分布）

為評估該方案對容量的提升效果和對網絡性能指標的影響，各提取了天線替換前后一周的4G 話統數據進行對比分析。

2.3.1 容量提升情況

如表6 所示，小區劈裂后，1.8 GHz 和2.1 GHz 周平均每小時流量提升了25.89%，最忙時提升了76.27%。周平均每小時無線資源控制（Radio Resource Control，RRC）連接用戶數提升了61.65%，最忙時提升了58.95%。可見，原來受壓抑的業務容量得到了有效釋放。同時，物理資源塊（Physical Resource Block，PRB）利用率分別下降了17.81%與8.33%，為2.1 GHz 騰退留出了時頻資源。

表6 劈裂前后容量情況對比

2.3.2 干擾引入分析

如圖4 所示，小區劈裂后在劈裂小區之間增加了一條邊界，不可避免引入了同頻干擾[5]，降低了邊界附近的信號與干擾加噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）值，同時不可避免降低了同頻、異頻切換率，抬升了E-RAB 的掉線率。

圖4 天線劈裂后1.8 GHz 路測SINR 值對比（50%負荷）

如表7 所示，劈裂小區和周邊鄰小區的性能指標略有下降，其中同切換成功率、RRC 建立成功率基本保持不變，異頻切換成功率下降0.67%，E-RAB掉線率上升0.17%。與取得的容量增益相比，當前參數均在可接受的范圍。

表7 劈裂前后周邊相關小區性指標情況對比（單位：%）

劈裂天線由于自身技術特點，一副天線就可以實現小區分裂，不需要增加抱桿資源，且外形較為美觀。在天線增益與普通天線相當的情況下，垂直波瓣增加到了28°，改善了對高層建筑的覆蓋，在密集市區尤其是居民區附近有較大的部署優勢。根據替換前后的測試結果表明，利用天線劈裂小區能有效提升原小區容量，引入干擾可控。為降低干擾，盡量將劈裂小區邊界控制在非主干河道、空地等低話務區域上，從而減少對性能指標的影響。建議對大部分具備重耕條件的連片區域內個別業務超忙站點進行劈裂天線改造，以大大提前5G 重耕時間表，形成4G 向5G 遷移的良性循環。

3 結語

本文以5G 在密集市區場景部署為研究背景，分析5G 高頻率在密集市區場景多繞射和多穿透情況下遇到的挑戰。針對密集市區無線電波多繞射與多穿透損耗的特點，提出了通過站型分層與頻率分層2 個分層覆蓋建議，然后結合具體實踐案例，分別在超高站優化、立桿站宏微協同、利用劈裂天線分流3 個方向進行分層組網實施方案及評估結果介紹，力求給5G 無線網規劃工程師提供參考。密集市區無線場景復雜多樣，后續將結合其他諸如城市快速路、跨江大橋、大型體育場館高密場景以及2B 應用場景繼續開展5G 分層組網實踐，以不斷提升5G 網絡覆蓋質量和用戶感知。