李 源，李鵬來，彭方生（中國聯(lián)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(fā)5G 商用牌照，5G 時代已正式來臨?？紤]到終端普及、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、市場發(fā)展等因素，預(yù)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(wǎng)布局，一方面解決目前4G 校園網(wǎng)覆蓋和容量需求，一方面為5G 大規(guī)模部署做好準(zhǔn)備，是本文要探討和解決的問題。

2 4G校園網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

2.1 網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋不足

深度覆蓋一直是校園網(wǎng)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(qū)域4G 現(xiàn)網(wǎng)布局，該區(qū)域在學(xué)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(qū)域宿舍主要呈“回”字形，無線環(huán)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(jié)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(yán)重。表1 展示了9 棟底層CQT 測試結(jié)果，大部分區(qū)域RSRP 低于-100 dBm。單純依靠4G 宏站對校園網(wǎng)覆蓋，無法解決宿舍底層深度弱覆蓋問題，需要對現(xiàn)有校園網(wǎng)站址布局進(jìn)行加密。

圖1 校園宿舍區(qū)域4G現(xiàn)網(wǎng)宏站分布圖

表1 校園宿舍區(qū)域底層4G覆蓋情況

2.2 網(wǎng)絡(luò)容量存在瓶頸

由于騰訊王卡、冰激凌套餐等不限流產(chǎn)品發(fā)展迅猛，校園網(wǎng)面臨巨大的容量和負(fù)荷壓力。宿舍區(qū)域晚忙時4G PRB 利用率保持在70%以上，CQI 低于10，后臺統(tǒng)計下行業(yè)務(wù)平均速率不足3 Mbit/s，現(xiàn)場實測速率不足1 Mbit/s（見表2）。

表2 校園宿舍區(qū)域晚忙時統(tǒng)計指標(biāo)

宿舍區(qū)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(qū)域容量預(yù)估結(jié)果。該區(qū)域共9棟宿舍，共居住學(xué)生7 200 人。該院校聯(lián)通市場占有率為60%左右，該區(qū)域共有聯(lián)通用戶4 320 人。根據(jù)后臺指標(biāo)統(tǒng)計，晚忙時用戶RRC 激活率為40%，下行業(yè)務(wù)占空比為15%。按4G下行5 Mbit/s速率保障用戶感知，該區(qū)域需要配置25.9個20 MHz帶寬的4G載扇，而目前該區(qū)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(yuǎn)無法滿足4G容量需求，需要進(jìn)一步提升容量。

2.3 支撐5G發(fā)展能力不足

5G 時代，如果依托現(xiàn)有4G 宏站建設(shè)5G 宏站對校園宿舍進(jìn)行覆蓋，會存在以下2個方面的問題。

表3 校園宿舍區(qū)域4G容量配置需求預(yù)估

一是5G 網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋水平無法得到保證。表4是根據(jù)5G 試驗網(wǎng)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(jù)5G試驗網(wǎng)測得的磚混結(jié)構(gòu)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(xué)生宿舍9 棟為例，目前4G 底層覆蓋水平為-101 dBm，根據(jù)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(xiàn)5G接入。

二是網(wǎng)絡(luò)容量無法滿足5G 業(yè)務(wù)需求。按表3 中模型對5G 容量需求進(jìn)行評估，結(jié)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(qū)域需要配置16.2 個100 MHz 帶寬的5G 載扇。目前宿舍區(qū)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(jìn)一步加密站址。

表6 校園宿舍區(qū)域5G容量配置需求預(yù)估

3 面向5G時代4G校園網(wǎng)布局新策略

3.1 傳統(tǒng)校園網(wǎng)布局策略分析

根據(jù)本文第2 章的分析，主要依靠宏站對校園網(wǎng)進(jìn)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(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。要解決該問題，需要通過加密站址布局來提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋水平和網(wǎng)絡(luò)容量。

目前針對校園網(wǎng)站址加密通常采用建設(shè)宏站、建設(shè)微站、建設(shè)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(wǎng)絡(luò)容量提升有限，因此只適用于一些網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(fā)射功率受限導(dǎo)致其覆蓋范圍小，對建設(shè)精準(zhǔn)性要求很高，站址稍有偏差就可能無法達(dá)到預(yù)期效果；建設(shè)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(shè)投資較大，同時存在器件較多、后期維護(hù)工作量大的問題。因此需要找到一種新的校園網(wǎng)站點布局策略，既能有效提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋水平，同時也能大幅提升網(wǎng)絡(luò)容量，同時又能實現(xiàn)相對低廉的造價。

3.2 校園網(wǎng)精準(zhǔn)滴灌布局新策略

針對以上問題，本文提出“精準(zhǔn)滴灌、多點覆蓋”的校園網(wǎng)布局新策略。

精準(zhǔn)滴灌指的是通過采用指向性較好的特殊天線對宿舍進(jìn)行精準(zhǔn)覆蓋；多點覆蓋指的是通過控制天線覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)干擾，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的密集布局，從而達(dá)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(dá)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(wǎng)絡(luò)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(xiàn)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(fā)射功率不足的問題。

表7 大張角射燈天線參數(shù)

圖2 大張角射燈天線方向圖

根據(jù)“精準(zhǔn)滴灌、多點覆蓋”策略，對圖1中宿舍區(qū)域網(wǎng)絡(luò)布局改造如下。

a）所有宿舍樓頂建設(shè)射燈大張角天線，共計16副天線。射燈天線傾角優(yōu)化調(diào)整為30°，利用其垂直半功率角大的特性，以精準(zhǔn)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(nèi)部避免外泄。

c）該區(qū)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)覆蓋實測結(jié)果

采用“精準(zhǔn)滴灌、多點覆蓋方式”對網(wǎng)絡(luò)布局進(jìn)行改造后，該區(qū)域整體覆蓋RSRP 水平得到較大提升。從MR 指標(biāo)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(zhǔn)滴灌、多點覆蓋”方式校園網(wǎng)布局

從現(xiàn)場CQT 結(jié)果來看，該區(qū)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(xué)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(dá)到了-84 dBm。整體覆蓋提升17 dBm。

3.4 網(wǎng)絡(luò)容量提升效果

圖4 MR指標(biāo)前后對比

表8 校園宿舍區(qū)域網(wǎng)絡(luò)布局改造后底層4G覆蓋情況

表9 網(wǎng)絡(luò)布局改造前后晚忙時指標(biāo)對比

提取網(wǎng)絡(luò)布局改造完成前、改造后各一周晚忙時指標(biāo)（見表9）。無論從吸收流量、網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(xiàn)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(jìn)行仿真。仿真參數(shù)如表10所示。

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

3.6 “精準(zhǔn)滴灌”策略與傳統(tǒng)策略對比

從覆蓋提升、干擾控制、容量提升、建設(shè)難度、建設(shè)造價、后期維護(hù)等6個方面對宏站、微站、室分、精準(zhǔn)滴灌策略對比如表11所示。

表10 5G仿真參數(shù)表

表11 集中校園網(wǎng)站址布局策略對比

網(wǎng)絡(luò)覆蓋提升方面，室分和精準(zhǔn)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(dǎo)致在基站覆蓋邊緣深度覆蓋效果一般，微站主要是由于發(fā)射功率較小，影響了其覆蓋效果。

干擾控制方面，宏站發(fā)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(zhǔn)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(shè)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(qū)域網(wǎng)絡(luò)容量。其他3 種方式在提升容量效果上基本一致。

建設(shè)難度方面，從目前的實際建設(shè)情況來看，宏站建設(shè)難度最大。其他3 種方式因外觀比較隱蔽，物業(yè)協(xié)調(diào)難度相對宏站較為容易。

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

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

綜合考慮，校園網(wǎng)精準(zhǔn)滴灌布局策略具備較大優(yōu)勢，可在熱點院校進(jìn)行推廣實施。

4 總結(jié)

通過前面的分析，面向5G 時代的4G 校園網(wǎng)布局策略總結(jié)如下。

a）目前主要依靠宏站方式對校園網(wǎng)進(jìn)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(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。要解決該問題需要通過加密站址布局來提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)容量。

b）傳統(tǒng)采用宏站、微站、室分對校園網(wǎng)進(jìn)行加密建設(shè)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(wǎng)站點布局策略。

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