5G網絡覆蓋優化策略與仿真

李文靜，文聰敏

(廣東科學技術職業學院，廣東 珠海 519090)

0 引言

從工信部發布的2022年上半年通信業主要指標完成情況和幾大運營商各自的數據來看，整個通信業2022年上半年的成績單已出爐。目前中國的5G基站有185.4萬多座，占移動基站總數的17.9%，2022年上半年新建5G基站達42.9萬個。全國5G移動電話用戶4.55億戶，比2021年末增加1億戶，占移動用戶總數的1/4還多，即當前移動用戶中每4個人就有1人使用5G手機。預計到2023年，5G 個人用戶普及率超過40%，用戶數將超過5.6 億。5G 網絡接入流量占比超50%，每萬人擁有5G基站數超過18個。由此可以預見5G建設不斷加快，未來中國的5G建設還將高速增長，5G網絡規模將傲視全球。如此龐大的5G網絡將有力地推動信息技術產業變革，助推眾多垂直產業升級發展新的引擎[1]。

硬件設施優質、用戶群體之眾、用戶需求苛刻是當前5G發展面臨的機遇與挑戰，各大運營商只有不斷優化服務才能牢牢把握機遇，5G網絡優化已經成為各大運營商提質升級的軟手段。5G網絡比4G網絡更復雜，需要優化的參數更多[2]。很多關鍵性能的優化直接關系到用戶的去留，比如網絡覆蓋優化。

1 覆蓋指標

4G網絡覆蓋主要看重的參數是RSRP，代表無線信號強度的關鍵參數以及物理層測量需求之一，是在某個符號內承載參考信號的所有資源粒子(Resource Element，RE)上接收到的信號功率的平均值。通俗的理解，RSRP的功率值代表了每個子載波的功率值。而5G網絡采用了波束賦形技術，考慮的衡量覆蓋的幾個指標是：承載同步信號RE的功率平均值(Synchroniza-tion Signal Reference Signal Received Power,SS-RSRP)，接收信號強度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)，參考信號接收質量(Reference Signal Received Quality，RSRQ)，信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)。在仿真軟件中可以關注SS-RSRP的強度水平以衡量覆蓋情況，一般而言SS-RSRP低于-100 dBm左右意味著信號比較差，需要進行優化。習慣上按照表1中的指標進行等級劃分。

表1 RSRP強度劃分

2 覆蓋優化類型

通常的覆蓋優化問題如表2所示，主要集中在覆蓋空洞、弱覆蓋、越區覆蓋、重疊覆蓋等。覆蓋空洞是指規劃應該覆蓋的小區連片出現無覆蓋的現象。UE終端的靈敏度一般為-124 dBm，考慮部分商用終端與測試終端靈敏度的差異，預留幾個dB余量，則覆蓋空洞定義為RSRP<-119 dBm的區域，即當信號小于-119 dBm就可認為是覆蓋空洞；弱覆蓋是指規劃覆蓋的區域中部分區域出現信號低于-100 dBm的情況，信號強度不能夠保證業務的正常運行；越區覆蓋是指規劃中不應覆蓋的區域反而“竄”到該區成為主服務信號，會導致信號切換混亂、負載失衡、弱覆蓋等其他問題；重疊覆蓋是指UE同時接收到3個或3個以上的小區信號，且鄰小區的RSRP和主小區相差不到6 dB。無論是覆蓋空洞、越區覆蓋還是重疊覆蓋均有可能引發乒乓切換、流量負載不均等問題[3]。

表2 各種常規覆蓋問題

可以看到，無論是哪種覆蓋問題優先使用的步驟就是調整天線的方位角、上下傾角、天線掛高。因為這是最常出現問題的地方，相比重新規劃基站又是最節省成本的策略。

3 覆蓋優化

數據采集是優化工作的第一步，通常需要通過數據采集系統進行覆蓋相關指標數據的采集。DT車載測試需要在室外駕駛測試車輛沿規劃路線進行數據收集，CQT通信質量測試需要在定點位置進行數據收集。它們都需要筆記本、GPS、測試手機等測試終端。測試數據獲取后需進行覆蓋評估，是指數據采集后對關注的覆蓋指標進行定性的評估。例如對采集到的數據參照信號的等級劃分評估出測試路段網絡覆蓋的大致狀況。網絡優化工程師工作過程中除了使用以上設備進行數據收集外，后期優化調整還需要使用坡度儀測量天線下傾角、使用羅盤測量天線方位角等[4]。路測是模擬真實網絡優化的第一步數據采集。由于真實的路測需要依靠戶外測試車輛沿指定的路線通過測試設備(測試手機UE)收集數據的過程，我們在學習過程中難以實現這一步驟，因此，只能利用軟件模擬實現。對于學習和培訓，我們常常在仿真軟件上熟悉各個工作流程，模擬以上設備的使用。豐邁信息出品的5G虛擬仿真平臺就具有5G網絡優化的功能，集成了豐富的教學場景，模擬網絡優化的測試、分析、優化、復測的全過程，非常方便用于培訓、教學。

為了檢驗優化策略的有效性，本文打開軟件仿真新建案例進行驗證。新建的場景為一個工業園區，結果如圖2所示。園區中初建的基站有101～501共5個小區(實際上一般一個基站布局3個小區，這里為了方便直觀一個基站只布局一個小區)，而且小區中天線的傾角、方位角、信號強度等都是默認的(未經優化)。布局完成后，初次上電執行路測測試結果如圖2所示。

圖2 仿真結果

仿真之后，可以通過“小區連線”功能查看拉線圖，分析各個基站小區的覆蓋情況。如圖2中拉線顯示，當該路段中的線連向某小區時代表著由該小區為該路段提供主服務。每個測試點上的數值代表該點的強度等級，數值越大代表信號強度越好。而圖2中某些點沒有拉線顯示的黑點則代表完全沒有信號聯通，代表覆蓋空洞。通過仿真結果可以看到A區和B區接入了201小區的信號，很明顯A區應該屬于距離較近的101小區覆蓋以及B區應該屬于101小區和301小區共同覆蓋，因此此處屬于越區覆蓋。此外，A區還存在無信號覆蓋的地段，屬于覆蓋空洞。再分析C區，發現C區雖然被覆蓋，但是部分采樣點低于-100 dBm的信號質量都比較差，屬于弱覆蓋的問題。如圖3所示，C處還存在301，401，501小區在C區的SS-RSPR電平相差都不大的問題(分別為-104 dBm,-99 dBm,-102 dBm)，屬于重疊覆蓋的問題。

針對以上存在的問題，逐個分析優化：A，B區的越區覆蓋可以通過調整201小區的方位角使其朝向其他無覆蓋區域，或者提高其傾角調整信號發射距離或降低其信號強度；A區的覆蓋空洞可以調整101和501的角度使其可以覆蓋全面；對于C區，先優化其弱覆蓋問題：加大401小區的輻射強度(從36 dBm增大到43 dBm)，使其成為主服務小區，接著通過調整角度等優化重疊覆蓋問題。

圖3 C區重疊覆蓋

優化后如圖4所示，通過方位角、傾角、強度等的調整基本上已解決了以上的問題。通過圖5的統計發現采樣點信號強度全部大于-100 dBm，平均達到-88.7 dBm。其中約80%在(-95～-85 dBm)，約20%大于-85 dBm。值得注意的是，優化的過程不是一蹴而就的，需要反反復復地調整。甚至改變某一項時會出現其他的問題。比如以上調整201小區朝向的時候，發現UE在從101小區范圍內靠近301小區范圍內無法接入301的情況。排查發現是由于301和101之間沒有互設鄰區的原因。

圖4 優化后的覆蓋

5G網絡優化需要考慮的參數、因素是非常多的，網絡覆蓋只是其中的一方面[5]。而且影響網絡覆蓋的因素也很多，實際中網絡覆蓋的問題不但考慮室外覆蓋還需要考慮室內覆蓋等。以上所提及的均是從基站的布局已確定之下通常通過調整小區的方位角、傾角、天線高度、發射信號強度等常規手段來優化。除此之外還有比較耗費成本的增刪基站方法，所以網絡優化是一項系統性工作，從網絡規劃之初就應該進行充分的考量。例如前期規劃就應該充分調研地區網絡流量需求，科學規劃站點密度以免后期站點搬遷造成成本的耗費。

圖5 優化統計結果

4 結語

衡量5G網絡覆蓋的指標參數很多，但是我們主要關注同步信號在每個RE的平均功率SS-RSRP的信號強度。通過經驗可以對信號強度進行一個強弱定義，通常信號低于-100 dBm即可認為信號較弱需要優化。網絡優化是一個重要的工作，需要使用專用的設備儀器沿規劃的路線進行數據采集，然后還需要對數據進行數據評估。根據評估的結果對存在的問題使用相應的策略進行調整。本文探究了常規的室外覆蓋問題以及解決措施，并通過軟件仿真驗證優化的有效性，對加深研究人員的理論學習或者指導網絡覆蓋優化工作提供方向，為后續更高階的覆蓋優化例如天線的類型、天線的層數、調制模式、數字傾角、波束管理等做準備。