一種高密度4G/5G無線組網(wǎng)容量模型研究及應(yīng)用

胡曉春，白小平，李納

（1.中國移動通信集團陜西有限公司，陜西 西安 710077；2.中移系統(tǒng)集成有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

第十四屆全國運動會于2021 年9 月15 日～27 日在陜西舉行，作為國內(nèi)最高規(guī)格體育賽事，在全球新冠疫情形勢下，面臨多重挑戰(zhàn)和壓力。其中，開幕式場地西安奧體中心體育場將是歷屆全運會規(guī)模最大、參賽運動員及觀眾最多（達到10 萬+）、全國首次采用2G/4G/5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的重保場館[4]。該場館的網(wǎng)絡(luò)保障網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、4G/5G 業(yè)務(wù)量巨大、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷持續(xù)升高、信號覆蓋和干擾難度極大，同時還需考慮5G 終端滲透率快速提升等復(fù)雜問題。如何有效在多用戶、多業(yè)務(wù)、多話務(wù)場景下做好4G/5G 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同規(guī)劃部署是亟需解決的問題之一。

1 開幕式主要面臨的挑戰(zhàn)

第十四屆全國運動會西安奧體中心體育場作為開幕式場地，規(guī)劃面積約5 平方公里，可容納近十萬觀眾，將其列為“特級”、“重中之重”保障級別，面臨“看臺區(qū)域6.3 萬人高密度”、“4G/5G 協(xié)同業(yè)內(nèi)超大規(guī)模賽事保障[5]經(jīng)驗較少”、“全運通等各種APP 掃碼等業(yè)務(wù)需求種類多[6]”三大挑戰(zhàn)。

用戶數(shù)史上最高：開幕式西安奧體中心體育場看臺區(qū)域共分為三層，看臺區(qū)域觀眾數(shù)為6.3 萬，平臺區(qū)域觀眾數(shù)為2 萬，中央場地觀眾數(shù)為2 500，合計總觀眾數(shù)為8.55 萬。開幕式期間再加上工作和演職人員，總計現(xiàn)場人員可達到10 萬+，為歷史罕見的超高密度集中場景。

業(yè)務(wù)種類多、容量需求大：10 萬人聚集將對無線網(wǎng)絡(luò)提出十分龐大的容量需求。同時隨著互聯(lián)網(wǎng)及5G 賦能千行萬業(yè)，各種APP 掃碼業(yè)務(wù)需保證低時延，對容量規(guī)劃提出更高要求。

4G/5G 協(xié)同保障經(jīng)驗少：歷屆全運會開幕式保障主要是以4G 網(wǎng)絡(luò)保障為主，而本屆將會首次納入5G 網(wǎng)絡(luò)保障，將從傳統(tǒng)4G 用戶為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐?G 用戶為主，預(yù)估5G 用戶數(shù)占比將達到30% 以上，如此場景在歷史上無類似經(jīng)驗可復(fù)制，5G 網(wǎng)絡(luò)首次面臨重大保障挑戰(zhàn)。

為確保萬無一失，通過與十四運組委會、陜西省通管局以及各方面專家的多輪溝通，并結(jié)合自身重大活動保障經(jīng)驗充分研討開幕式場景業(yè)務(wù)保障需求及特點，開展精細(xì)的4G/5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及開幕式4G/5G 網(wǎng)絡(luò)容量壓力測試。

2 無線網(wǎng)絡(luò)容量精細(xì)規(guī)劃

西安奧體中心體育場為開幕式主場館，總建筑面積15.6×104m2，建筑高度58.3 m，功能區(qū)主要分為看臺區(qū)域、中央場地、平層功能區(qū)，針對各個功能區(qū)采用不同的覆蓋方式和組網(wǎng)結(jié)構(gòu)[7]。本次開幕式將是業(yè)內(nèi)首次4G/5G 協(xié)同保障，同時考慮5G 終端滲透率情況，將會采用4G/5G 全頻段組網(wǎng)方案。

（1）按照功能劃分區(qū)域制定覆蓋方案

根據(jù)不同功能區(qū)可容納用戶人數(shù)，制定具體的覆蓋方式，最大程度模擬開幕式現(xiàn)場真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。將西安奧體中心主體育場按照功能區(qū)劃分為：看臺區(qū)域、中央場地、平層功能區(qū)，按照功能區(qū)域定制建網(wǎng)方案。看臺區(qū)域采用FDD/2.3 G/2.6 G Lampsite+GSM900 傳統(tǒng)分布系統(tǒng)雙層組網(wǎng)，中央場地采用BOOK2.0 異頻疊加，立體協(xié)同靈活組網(wǎng)[8-12]，可滿足開幕式用戶業(yè)務(wù)及容量保障需求。

4G/5G 部署策略[13]：開幕式場館西安奧體中心體育場看臺區(qū)域可容納6.3 萬名觀眾，平層功能區(qū)可容納2 萬人，采用“頻率窮盡、容量充裕”的高密話務(wù)容量模型評估，采用4G/5G 全頻段組網(wǎng)建設(shè)，如圖1 所示。將看臺區(qū)域劃分成多個物理網(wǎng)格，采用分布式皮站加賦形天線的方式覆蓋，中央場地用戶少并且較為分散，采用BOOK2.0產(chǎn)品覆蓋，平層工作區(qū)及電梯采用分布式皮站覆蓋[5-8]，滿足不同功能區(qū)用戶業(yè)務(wù)保障，如表1 所示。

表1 開幕式場館4G/5G容量部署策略

圖1 開幕式場館4G/5G組網(wǎng)情況

（2）根據(jù)區(qū)域劃分制定容量方案[14～15]

西安奧體中心體育場為開幕式場館，看臺區(qū)域可容納6.3萬名觀眾，平層功能區(qū)2 萬人，按照話務(wù)模型容量評估標(biāo)準(zhǔn)，移動用戶滲透率65%，且4G/5G 用戶數(shù)7:3，設(shè)備按最大能力進行需求計算，看臺區(qū)域采用FA 覆蓋打底，為保障用戶感知情況，4G 側(cè)單用戶上/下速率需求為0.25 Mbps/1 Mbps，5G側(cè)單用戶上/下速率需求為0.8 Mbps/4 Mbps，共計規(guī)劃4G 載波338 個，5G 載波42 個[16]。結(jié)果如表2 所示。

表2 4G/5G容量模型

3 容量壓力測試

3.1 壓力測試方案

為驗證容量規(guī)劃模型的準(zhǔn)確性以及模擬開幕式現(xiàn)場觀眾的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（用戶大部分是在看微信與抖音等視頻業(yè)務(wù)），開展了開幕式的無線網(wǎng)絡(luò)容量壓力測試[17]，本次壓力測試采用4G/5G 混合組網(wǎng)，如圖2 所示，4G 采用FDD/E/D 組網(wǎng)，5G為4T4R組網(wǎng)，參數(shù)配置同商用網(wǎng)絡(luò)。測試頻段4G為1.8 G—2.6 G頻段，5G為2 600 MHz頻段、100 MHz帶寬，如圖3所示。結(jié)合開幕式場館看臺區(qū)域座位分布，將看臺區(qū)域劃分為80 個區(qū)塊，通過LampSite（4G：FDD/E/D，5G：2.6 G）及窄波束賦形天線進行精準(zhǔn)覆蓋。按照看臺區(qū)域6.3 萬人，則平均每區(qū)塊人數(shù)778；選取主席臺區(qū)域作為本次測試主測區(qū)域，如圖4所示，按照每區(qū)塊778 人，按照移動用戶滲透率60%～65%，4G/5G 用戶滲透率70%～80%/30%，用戶數(shù)為404.56，考慮到有冗余情況，最終壓力測試投入400 部終端，與理論計算用戶數(shù)基本持平。

圖2 設(shè)備組網(wǎng)圖

圖3 測試區(qū)域頻段分配

圖4 天線覆蓋區(qū)域

（1）測試內(nèi)容及業(yè)務(wù)模型

選取主席臺區(qū)域作為本次測試主測區(qū)域，如圖5 所示，用戶基本按照近中遠(yuǎn)1:2:1 比例分布。測試內(nèi)容中有單天線覆蓋性能測試、小區(qū)多業(yè)務(wù)重載場景測試，其中小區(qū)業(yè)務(wù)類測試分為鄰小區(qū)加擾和鄰小區(qū)空載兩種場景[18-19]，這樣測試主要驗證現(xiàn)場有干擾情況下的用戶感知。

圖5 主席臺壓力測試區(qū)域

本次壓力測試主要驗證4G/5G 單小區(qū)下的網(wǎng)絡(luò)能力，并模擬實際用戶的網(wǎng)絡(luò)使用情況。結(jié)合前期重大活動的保障經(jīng)驗，主要為上行業(yè)務(wù)，參考十三屆全運會及各種演唱會的無線業(yè)務(wù)模型，給出本次測試重載場景，業(yè)務(wù)比例分布如表3 所示：

表3 混合業(yè)務(wù)模型

（2）測試方案[20]

本次壓力測試共涉及4 大類用例6 個測試子任務(wù)，主要為小區(qū)多業(yè)務(wù)重載場景測試和小區(qū)單業(yè)務(wù)壓力測試，其中小區(qū)業(yè)務(wù)類測試分為鄰小區(qū)加擾和鄰小區(qū)空載兩種場景，如表4 所示。

表4 壓力測試用例

3.2 壓力測試結(jié)果

（1）單小區(qū)加擾能力驗證

1）4G 單小區(qū)加擾能力驗證

◆開幕式重載場景

用戶按照近中遠(yuǎn)1:2:1 分布，本小區(qū)單載波及周邊小區(qū)開啟，測試結(jié)論如表5 所示。

表5 4G單小區(qū)重載加擾壓力測試結(jié)果

2）5G 單小區(qū)加擾能力驗證

◆開幕式重載場景

用戶按照近中遠(yuǎn)1:2:1 分布，周邊小區(qū)開啟，測試結(jié)論如表6 所示。

表6 5G單小區(qū)重載加擾壓力測試結(jié)果

（2）小區(qū)能力測試驗證

1）4G 單小區(qū)能力驗證

◆上傳業(yè)務(wù)

RRC 連接態(tài)用戶=52，小區(qū)上行吞吐率維持在10 Mbps，單用戶上行速率0.2 Mbps，如圖6 所示：

圖6 4G單小區(qū)上行吞吐率

◆下載業(yè)務(wù)

RRC 連接態(tài)用戶=35，小區(qū)下行吞吐率維持在38 Mbps，單用戶下行速率1.26 Mbps，如圖7 所示：

圖7 4G單小區(qū)下行吞吐率

2）5G 單小區(qū)能力驗證

◆上傳業(yè)務(wù)

當(dāng)激活用戶=59，小區(qū)上行吞吐率維持在43 Mbps，單用戶上行速率0.84 Mbps；當(dāng)激活用戶＞184，小區(qū)吞吐率仍然維持在31 Mbps 左右，單用戶上行速率逐步下降，但維持在0.1～0.2 Mbps，單用戶感知趨于穩(wěn)定，如圖8 所示：

圖8 5G單小區(qū)上行吞吐率

◆下載業(yè)務(wù)

當(dāng)激活用戶=70，小區(qū)上行吞吐率維持304 Mbps，單用戶下行速率4.7 Mbps；當(dāng)激活用戶＞141，小區(qū)吞吐率仍然維持在255 Mbps 左右，單用戶下行速率逐步下降，但維持在0.9～1.2 Mbps，單用戶感知趨于穩(wěn)定，如圖9 所示：

圖9 5G單小區(qū)下行吞吐率

4 壓力測試結(jié)果分析

本次測試為主席臺單小區(qū)測試，看臺區(qū)域劃分80個區(qū)塊，從壓力測試結(jié)果來看，主要結(jié)論包括：一是保接入，4G 單載波RRC 連接用戶數(shù)200，5G 單載波RRC 連接用戶數(shù)300；二是保感知，4G 單載波RRC 激活用戶數(shù)100，5G 單載波RRC 激活用戶數(shù)120。單區(qū)塊可確保4G/5G 微信圖片上傳、視頻直播等業(yè)務(wù)正常使用[10]。根據(jù)后臺跟蹤數(shù)據(jù)和前臺測試數(shù)據(jù)分析，本次壓力測試結(jié)果和當(dāng)前容量模型設(shè)計參數(shù)值基本保持一致，上行結(jié)果對比如表7 所示，下行結(jié)果對比如表8 所示（70～100 用戶）。

表7 上行結(jié)果對比表

表8 下行結(jié)果對比表

5 開幕式實際網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量驗證情況

本次開幕式由于受到疫情影響，入場觀眾受到一定的限制，開幕式期間RRC 連接最大用戶數(shù)峰值約2.08 萬，其中看臺區(qū)域為1.13 萬，峰值流量444 GB（其中4G 308 GB）。

4G 業(yè)務(wù)容量情況：按照開幕式實際情況看臺區(qū)域4G 移動用戶數(shù)為9 912，所需小區(qū)86 個，按容量規(guī)劃模型，4G 移動用戶數(shù)預(yù)估為32 760，規(guī)劃了217 個小區(qū)，現(xiàn)網(wǎng)實際配置240 個，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開幕式當(dāng)天和規(guī)劃模型所需小區(qū)數(shù)，如表9 所示：

表9 開幕式業(yè)務(wù)模型4G

5G 業(yè)務(wù)容量情況：按照開幕式實際情況看臺區(qū)域5G 移動用戶數(shù)為1 477，所需小區(qū)4 個，按容量規(guī)劃模型，5G 移動用戶數(shù)預(yù)估為8 190，規(guī)劃了30 個小區(qū)，現(xiàn)網(wǎng)實際配置40 個，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開幕式當(dāng)天和規(guī)劃模型所需小區(qū)數(shù)，如表10 所示：

表10 開幕式業(yè)務(wù)模型5G

由于開幕式當(dāng)天，看臺區(qū)域?qū)嶋H到場的4G/5G 移動用戶數(shù)為11 365，按照劃分的80 個區(qū)塊，則平均每區(qū)塊人數(shù)143；4G/5G 用戶滲透率為87%/13%，4G/5G 用戶數(shù)分別為124/19，結(jié)合壓力測試及現(xiàn)場測速結(jié)果（5G 平均下載速率867.2 Mbps，4G 平均下載速率78.9 Mbps），故4G/5G 單小區(qū)可完全提供“多用戶、多業(yè)務(wù)下”正常使用，感知不受影響，同時可滿足微信圖片的上傳、抖音視頻直播等業(yè)務(wù)流暢使用（注：本次開幕式中央場地人數(shù)較少，不納入分析中）。

6 結(jié)束語

從本次十四運開幕式無線網(wǎng)絡(luò)保障的整體情況來看，5G 用戶的滲透率并沒有達到預(yù)期的規(guī)劃情況，預(yù)計2022 年冬奧會及亞運會期間，5G 用戶數(shù)占比將達到40%～60%，保障重點將以5G 用戶為主。

本屆十四運會作為全國首次2G/4G/5G 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的大規(guī)模重保賽事，開幕式期間無線通信網(wǎng)絡(luò)將面臨“高密度、多業(yè)務(wù)”的巨大挑戰(zhàn)，陜西移動針對奧體中心體育場看臺，模擬大話務(wù)場景下的用戶、業(yè)務(wù)分布，進行單小區(qū)下的“多用戶、多業(yè)務(wù)、大話務(wù)”模擬驗證測試，對業(yè)務(wù)演練仿真測試、網(wǎng)絡(luò)摸排、精準(zhǔn)優(yōu)化，有效提升保障可靠性，對后續(xù)4G/5G 協(xié)同的大話務(wù)保障工作具有指導(dǎo)意義。