洪超宇 張炎生

摘要：在5G普及之前，4G依舊是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的主力軍。進(jìn)行應(yīng)急優(yōu)化的體育場(chǎng)占地65799 m2，最多可以容納6萬(wàn)余人，是當(dāng)?shù)嘏e辦體育比賽和大型活動(dòng)的主要承擔(dān)者。當(dāng)進(jìn)行活動(dòng)時(shí)，人流量有激增的現(xiàn)象，面對(duì)著巨大的信息沖擊，需要保障此區(qū)域的通信。目前會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量的問(wèn)題主要有基站的容量問(wèn)題和同頻干擾問(wèn)題。該方案主要方法是實(shí)地調(diào)查并記錄體育場(chǎng)周圍的室外基站和體育場(chǎng)的室內(nèi)分布系統(tǒng)，分析是否有容量不足和干擾的現(xiàn)象;再運(yùn)用測(cè)試機(jī)對(duì)此體育場(chǎng)周圍進(jìn)行信號(hào)路測(cè)，通過(guò)測(cè)試機(jī)測(cè)得的數(shù)據(jù)直觀反映信號(hào)不良的區(qū)域，結(jié)合信號(hào)分布分析原因，再進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。為使用戶獲得的下行速率不低于2 Mb/s ，優(yōu)化的方案包括改造室內(nèi)分布系統(tǒng)和派遣應(yīng)急通信車進(jìn)行下行容量的支持，并使體育場(chǎng)周圍的 RSRP值維持在-75 dBm ，SINR值不低于15 dB ，使得室內(nèi)可以進(jìn)行中等速率的通信業(yè)務(wù)，室外可以進(jìn)行較高速率的通信業(yè)務(wù)。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急通信;大型場(chǎng)館;工程設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN929.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492（2021）11-0106-03

Emergency Optimization Scheme Design of 4G Mobile System Based on the Sudden Increase of Users

Hong Chaoyu，Zhang Yansheng※

（School of Electronic and Information Engineering， Guangdong Ocean University， Zhanjiang， Guangdong 524088， China）

Abstract： Before 5G is popularized， 4G is still the main force of mobile communication network. The design for emergency optimization of the stadium covers an area of 65799 m2， can accommodate up to more than 60000 people， is the main undertaker of local sports competitions and large-scale activities. When carrying out activities， the flow of people has a surge phenomenon， in the face of a huge information impact， the need to protect the communication in the area. At present， the main problems that will affect the signal quality are the capacity of the base station and the co-frequency interference. The main method of the design was to investigate and record the outdoor base station around the stadium and the indoor distribution system of the stadium， to analyze whether there was insufficient capacity and interference phenomenon. Then， the test machine was used to conduct signal road test around the stadium， and the data obtained by the test machine can directly reflect the area with bad signal. Combined with the signal distribution， the reason was analyzed， and then the scheme was designed. In order to achieve a downlink rate of no less than 2 Mb/s for users， the optimized scheme includes transformation of indoor distribution system and dispatch of emergency communication vehicles to support downlink capacity， and maintain the RSRP value around the stadium at -75 dBm and the SINR value at no less than 15 dB， so that indoor communication services of medium speed can be carried out， outdoor communication services at higher rates can be carried out.

Key words： emergency communication; large venues; engineering design

0 引言

應(yīng)急通信主要可以分為兩種[1]，第一種是應(yīng)急通信服務(wù)，對(duì)于在計(jì)劃內(nèi)的活動(dòng)，利用已經(jīng)擁有的技術(shù)和設(shè)備來(lái)滿足目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的通信需求;第二種是減災(zāi)通信，由于自然災(zāi)害等事件屬于突發(fā)事件，難以預(yù)料到從而提前部署，所以在事發(fā)后運(yùn)用靈活的應(yīng)急通信方式以及相關(guān)設(shè)備為目標(biāo)區(qū)域提供通信的支持，從而為救援重建等工作提供通信保障。

應(yīng)用在大型場(chǎng)館中的應(yīng)急通信大部分屬于應(yīng)急通信服務(wù)，例如2008年舉辦奧運(yùn)會(huì)時(shí)候的北京鳥(niǎo)巢體育館、水立方體育館;舉辦春節(jié)活動(dòng)的廣州各大花市等，應(yīng)急通信的保障工作必不可少。又如2020年初，因?yàn)樾鹿诜窝滓咔槎杆俳ǔ傻奈錆h火神山醫(yī)院中的應(yīng)急通信保障屬于減災(zāi)通信[2]，疫情突然爆發(fā)，跟時(shí)間賽跑以挽救更多的生命，而龐大的醫(yī)療人員、患者、支援救援人員等之間的通信需求突增，在政府、運(yùn)營(yíng)商、建設(shè)者各方的協(xié)調(diào)和齊心協(xié)力之下[3]，在火神山醫(yī)院開(kāi)工的當(dāng)晚，就搭建成一個(gè)可以滿足當(dāng)前需求的5G網(wǎng)絡(luò)，為疫情攻堅(jiān)阻擊戰(zhàn)的勝利奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本設(shè)計(jì)采用中國(guó)電信運(yùn)營(yíng)商來(lái)進(jìn)行研究，應(yīng)解決4G 網(wǎng)絡(luò)的重疊覆蓋和用戶容量?jī)蓚€(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。達(dá)到為體育場(chǎng)提供在用戶量突增情況下的最優(yōu)移動(dòng)應(yīng)急通信解決方案和為諸如此類的大型場(chǎng)館提供應(yīng)急通信建議等預(yù)期目標(biāo)。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)是通過(guò)對(duì)此體育場(chǎng)的4G移動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)急優(yōu)化方案，探尋出一套對(duì)諸如此類的大型場(chǎng)館的應(yīng)急4G移動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)急優(yōu)化方案[4]。

1 體育場(chǎng)原設(shè)計(jì)和存在問(wèn)題

1.1 設(shè)計(jì)流程

體育場(chǎng)設(shè)計(jì)流程[5]如圖1所示。到達(dá)體育場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，內(nèi)容包括周邊室外基站的分布情況和體育場(chǎng)的室內(nèi)分布系統(tǒng)，再進(jìn)行測(cè)試設(shè)備的調(diào)試，選定有代表性的測(cè)試地點(diǎn)，用中國(guó)電信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的軟件測(cè)得并記錄測(cè)試終端收到的各項(xiàng)性能指標(biāo)。分析原因并提出應(yīng)急優(yōu)化的解決方案，分析該方案是否可行、合理。在方案實(shí)施后，再對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，和之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，判斷是否有效果，然后形成優(yōu)化報(bào)告，整理數(shù)據(jù)。若方案不合理，則應(yīng)當(dāng)重新分析原因并提出新的方案，重復(fù)步驟。

1.2 體育場(chǎng)室外基站分布

此體育場(chǎng)目前共有 LTE 室外站12個(gè)，都為單發(fā)單收類型的 FDD-LTE 基站，每個(gè)基站單扇使用的系統(tǒng)帶寬為2×20 MHz ，下行峰值吞吐速率為200 Mb/s ，單扇同時(shí)在線的 VoLTE 用戶數(shù)不少于400個(gè)。20 M 的系統(tǒng)帶寬可以最大同時(shí)保持連接的用戶數(shù)為1200人左右，可以最大保證400個(gè)人同時(shí)使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)[6]。經(jīng)計(jì)算可得，此體育場(chǎng)室外基站可以最大同時(shí)連接的用戶數(shù)為28800個(gè)，可以提供的最大下行容量為4800 Mb/s 。此體育場(chǎng)圖2體育場(chǎng)室外基站的位置分布室外基站的位置分布如圖2所示。

1.3 體育場(chǎng)室內(nèi)分布系統(tǒng)

現(xiàn)有的室內(nèi)分布系統(tǒng)把此體育場(chǎng)分成了38個(gè)物理小區(qū)，且每個(gè)物理小區(qū)都采用雙載頻1.8/2.1 G 載波聚合。在有棚頂?shù)?2個(gè)物理小區(qū)中采用賦形天線;在無(wú)棚頂?shù)?個(gè)物理小區(qū)中采用射燈天線。如圖3所示。每個(gè)雙載頻物理小區(qū)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)下行承載能力為120 Mb/s ，總共可以同時(shí)提供的下行容量為4560 Mb/s[7]，存在著一定的重疊覆蓋。

1.4 下行容量估算

此體育場(chǎng)的最大容納為六萬(wàn)人，假設(shè)體育館承載量達(dá)到最大容量[8]。根據(jù)中國(guó)電信的市場(chǎng)占比，按照30%計(jì)算，使用中國(guó)電信的人數(shù)大概有18000人。由于4G 的普及[9]，活躍用戶的取值取80%，可得活躍用戶數(shù)為14400人。兩大4G制式之一的 FDD-LTE 是中國(guó)電信所使用的4G制式，故用戶滲透率為100%。設(shè)同時(shí)激活的人數(shù)比例為60%，則最多有8640（14400×60%）人同時(shí)使用4G 網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)單用戶下行體驗(yàn)速率為2 Mb/s ，則最大同時(shí)激活的用戶下行容量的總需求為17280 Mb/s （8640×2）。

1.5 應(yīng)急優(yōu)化前測(cè)試

設(shè)計(jì)中把測(cè)試點(diǎn)設(shè)定在了此體育場(chǎng)東、南、西、北共4個(gè)入口處，如圖4所示。

測(cè)試的結(jié)果如表1所示。由測(cè)試結(jié)果可得，4個(gè)測(cè)試點(diǎn)的區(qū)域范圍的 RSRP 值均小于-85 dBm ，平均值為-93 dBm ，說(shuō)明此體育場(chǎng)周圍信號(hào)覆蓋一般，在體育場(chǎng)室內(nèi)起呼成功率較低，而在室外可以進(jìn)行低速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。SINR 值普遍偏低，最高是東廣場(chǎng)附近的區(qū)域，達(dá)到6 dB ;最低是北廣場(chǎng)附近的區(qū)域，達(dá)到1 dB，表明體育場(chǎng)總體的4G信號(hào)質(zhì)量較差。說(shuō)明了體育場(chǎng)在用戶量激增的情況下，無(wú)法提供足夠的用戶下行容量來(lái)保證用戶的正常通信，急需優(yōu)化。

2 應(yīng)急優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

2.1 優(yōu)化室內(nèi)分布系統(tǒng)

室內(nèi)分布系統(tǒng)的工作流程為，把場(chǎng)館分為若干個(gè)小區(qū)后，采用 BBU+RRU 的多通道方案，每個(gè)小區(qū)按照不同的環(huán)境使用不同類型的天線，如有棚頂?shù)膮^(qū)域采用賦型天線，波束窄、旁瓣抑制比高，所以可以增加小區(qū)之間的間隔度，有效降低重疊覆蓋;無(wú)棚頂?shù)膮^(qū)域采用射燈天線，水平波束較窄，垂直波束較寬，所以可以最大程度地滿足垂直面的需求。

優(yōu)化方案為，把有棚頂?shù)膮^(qū)域從32個(gè) FDD LTE 雙載頻物理小區(qū)增加到40個(gè)，無(wú)棚頂?shù)膮^(qū)域從6個(gè)增加到10個(gè)，同時(shí)，BBU、RRU 和天線等器材和設(shè)備都要相應(yīng)地增加，配套使用。理論上可以提供的同時(shí)最大激活下行用戶容量增加至6000 Mb/s 。優(yōu)化后的室內(nèi)分布情況如圖5所示。

2.2 布置應(yīng)急通信車

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，室外基站和室內(nèi)分布系統(tǒng)可以同時(shí)提供的最大激活下行用戶容量約為12800 Mb/s （4800+6000），距離所預(yù)估的最大下行用戶容量17280 Mb/s還有一定的差距。因?yàn)榇梭w育場(chǎng)處于市中心區(qū)域，采用應(yīng)急通信無(wú)人機(jī)的方案需要考慮禁飛區(qū)域與停放區(qū)域的限制，所以最佳方案是向中國(guó)電信申請(qǐng)應(yīng)急通信車來(lái)補(bǔ)充缺少的下行用戶容量。應(yīng)急通信車的天線的高度一般在10～15 m左右，工作流程大致如下：核心網(wǎng)通過(guò)交換機(jī)可以連接衛(wèi)星通信系統(tǒng)[10]，通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與指揮中心[11]保持實(shí)時(shí)通信;核心網(wǎng)通過(guò)網(wǎng)線連接 LTE 基站，基站可以為用戶終端提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)，此外，基站還可以與車載 CPE連接，將4G信號(hào)轉(zhuǎn)化為WiFi信號(hào)，也可以為用戶終端提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)。

由于①點(diǎn)位通過(guò)的人流量最大，同時(shí)RSRQ 和 SINR 值都偏低，綜合信號(hào)質(zhì)量較差，所以此方案將應(yīng)急通信車部署在了①點(diǎn)位附近。應(yīng)急通信車發(fā)射的而信號(hào)采用 2.1 G 的頻段，天線位置[12]越離地面15 m左右，左邊的天線方位角設(shè)為 260°，下傾角為 20°，可以覆蓋前面約45 m的范圍;中間的天線和右邊的天線為體育場(chǎng)提供用戶下行容量，其中，中間的天線方位角為325°，右邊天線的方位角為 30°，下傾角都設(shè)為 5°，可以覆蓋前面約180 m的范圍。應(yīng)急通信車的位置和天線方向如圖6所示。

3 此方案優(yōu)化目標(biāo)

經(jīng)過(guò)室內(nèi)分布系統(tǒng)的優(yōu)化和應(yīng)急通信車進(jìn)行用戶下行容量補(bǔ)充后，再對(duì)信號(hào)覆蓋情況進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試點(diǎn)如圖4所示，與之前一致，相對(duì)應(yīng)的優(yōu)化前技術(shù)指標(biāo)與預(yù)期性能指標(biāo)對(duì)比如表2所示。

采用改造室內(nèi)分布系統(tǒng)和部署應(yīng)急車的方案優(yōu)化后，優(yōu)化目標(biāo)的RSRP值維持在-75 dBm左右，信號(hào)覆蓋較好，室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行的通信業(yè)務(wù)速率中等，室外環(huán)境進(jìn)行的通信業(yè)務(wù)速率較高，符合用戶可以獲得2 Mb/s的下行速率的要求。原本綜合信號(hào)質(zhì)量最差的①點(diǎn)位經(jīng)過(guò)優(yōu)化達(dá)到了較為理想的SINR值，而各點(diǎn)的RSRQ值都處在中等偏上的位置，說(shuō)明信號(hào)質(zhì)量較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

以估算最大用戶下行容量的方式，來(lái)對(duì)所應(yīng)急優(yōu)化區(qū)域進(jìn)行分析，分析的內(nèi)容包括室外基站數(shù)量及分布以及室內(nèi)分布系統(tǒng)的情況。對(duì)于市中心的大型場(chǎng)館，首先要考慮其周圍的室外基站分布，其附近的通信設(shè)施較為完善，如果再增設(shè)基站會(huì)引起信號(hào)的重疊覆蓋，從而引起同頻干擾的現(xiàn)象發(fā)生，所以最佳的方案還是對(duì)室內(nèi)分布系統(tǒng)進(jìn)行改造。此外，可以加派應(yīng)急通信車補(bǔ)充下行用戶容量。對(duì)于一些處在郊區(qū)的大型場(chǎng)館，周邊的通信設(shè)施較為缺乏，首先考慮增設(shè)基站，保持成本投入與用戶使用信號(hào)質(zhì)量的動(dòng)態(tài)平衡，其次才是優(yōu)化室內(nèi)分布系統(tǒng)。在普及5G之前，要把4G的應(yīng)急優(yōu)化系統(tǒng)完善，為5G的發(fā)展鋪好道路。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李飛，張松軼，冀峰.應(yīng)急體系變革下應(yīng)急通信發(fā)展初探[J].無(wú)線電通信技術(shù)，2019，45（3）：262-265.

[2] 徐小濤，江俠風(fēng)，李俊杰，等.火神山醫(yī)院應(yīng)急通信保障工程建設(shè)情況及啟示[J].電信快報(bào)，2020（8）：22-26.

[3] 梁堃.重大災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信保障初探[J].數(shù)字通信世界，2021（4）：219-220.

[4] 趙明.電子信息技術(shù)在通信指揮中的應(yīng)用[J].數(shù)字通信世界，2021（5）：224-225.

[5] 張昊曄，嵇雪.認(rèn)知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)與目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].江蘇通信，2021，37（2）：34-37.

[6] 陳悅，韋玉姣.廣州天河體育中心公共空間現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及啟示[J].建筑與文化，2021（5）：228-229.

[7] 崔林.大型場(chǎng)館有源分布系統(tǒng)建設(shè)特點(diǎn)分析[J].信息通信，2018（5）：217-219.

[8] 劉榮朵.我國(guó)應(yīng)急通信發(fā)展的需求分析[J].信息通信技術(shù)與政策，2019（12）：63-66.

[9] 周洋.應(yīng)急通信技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].電子世界，2021（6）：87-89.

[10] 侯繼江.中國(guó)電信應(yīng)急衛(wèi)星通信能力及應(yīng)用[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2021（1）：58-61.

[11] 陳琳，朱江，蔣宇帆.基于專用4G基站的應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)[J].電子世界，2020（22）：200-201.

[12] 王亞軍，張艷. 4G通信中的關(guān)鍵技術(shù)之智能天線技術(shù)[J]. 信息通信，2015（1）：213-215.

第一作者簡(jiǎn)介：洪超宇（1999-），男，廣東陽(yáng)江人，大學(xué)本科，研究領(lǐng)域?yàn)橥ㄐ殴こ獭?/p>

※通訊作者簡(jiǎn)介：張炎生（1962-），男，湖北天門人，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域?yàn)橥ㄐ殴こ獭⑿畔⒓夹g(shù)。

（編輯：刁少華）