基于5G数字网络模型的室内外一体化覆盖规划方法研究

钟志刚，陈任翔，南作用（中讯邮电咨询设计院有限公司，北京 100048）

1 概述

随着移动通信技术的飞速发展，用户在满足基本语音业务需求的同时，对数据业务的需求也不断提升。同时，随着5G新业务种类的持续推出和行业边界的不断扩展，数据业务整体呈现指数级增长，室内区域产生的数据业务流量在整个网络中已经占有很高的比例。研究表明，随着大数据时代已经来临，4G 时代70%以上的数据业务发生在室内，而在5G 时代这个比例将提升至85%以上。因此，5G 时代的室内覆盖至关重要，随着700 MHz 低频加入，5G 网络城区深度覆盖、室内区域网络覆盖将成为运营商关注的焦点。

“数字时代”是电子信息时代的标志，电子信息的所有机器语言都是用“数字”代表的，故也称其为数字时代。数字时代要求5G或未来网络方案数字化、信息化、智能化，同时更好地兼顾无线网络性能和成本的数字关系，以期得到更为精确的建设成本与性能的数字关系模型，而其中涉及站点配置参数、天线建模参数、设备建模参数、衰落余量、无线电波传播模型等，且整个数字网络方案模型处在探索研究阶段，诸多因素导致该工作异常复杂。

而现有的网络方案方法体系主要以链路预算为主，其核心为基于场景化的粗放模型，其输出多为不同场景下的站点覆盖半径，且很难兼顾网络同频干扰、PCI 规划等诸多因素，而其结果很难建立起具体方案效果与成本之间的数字关系，在移动通信早期，计算机技术尚不发达情况下，链路预算可用于粗估网络规模，而以现有计算机算力及水平，显然其与数字时代的特征格格不入。

本文以数字网络模型为特征，以5G及未来无线网络覆盖效率与成本为研究对象，兼顾投资效率与无线技术特征，探索“数字”时代下5G及未来网络规划的方法体系，供网络规划、优化借鉴。

2 问题引出

与现有的移动通信系统相比，5G 引入3.5 GHz、4.9 GHz 频段，乃至毫米波频段，这些高频段更高的穿透损耗带来的室内外网络覆盖差日益扩大。具体如图1所示。

图1 中黄色覆盖为SS-RSRP≥-118 dBm 区域预测图，从图1 可以看出，室外覆盖距离约1 167 m，如关注室内覆盖电平，则覆盖距离仅为245 m，这主要受室内穿透损耗的影响。该损耗通常随着频段的升高相应增加。网络规划中如以室内覆盖为标准，通常会按照350～400 m 站距规划网络；而此时，如按照如上室外覆盖半径，则站距约为1 700 m，两者对应的站点规模比约为18∶1，而室外信号重叠率将增至约4 层站。实际测试结果也有类似趋势。

图1 3.5 GHz频段5G NR 室内外覆盖示意

目前，国内5G网络规划常采用室内覆盖站距来评估，与仿真预测相比，在未考虑相关余量的情况下，5G NR 网络室外实测的拉远距离可以达到1 800 m 以上，此时速率仍能达到50 Mbit/s 以上，与常规方法中链路预算的结果相差甚大。

另据近期消息，我国已累计建成5G基站超81.9万个，全球占比约为70%；我国的4G 基站全球占比在60%以上。考虑人口密度、无线环境、国土面积等因素外，从技术角度，需要引入更好的网络规划数字模型和方法，进一步更合理、科学、高效地规划5G及未来的无线网络，探索一套性价比更高的、数字化无线网络方法体系。

3 5G室内外一体化数字网络方案模型

针对以上问题，为提升5G及未来无线网络规划方法体系的数字化、信息化、智能化、科学化，构建数字化网络智能分析模型和方法体系。具体如图2所示。

图2 数字网络方案方法拓扑

与常规网络规划方案不同，在5G 数字网络模型中，整体模块要求如下。

a）对整个5G 网络进行全息三维网络数字建模，主要包括对无线环境、基础网络、运营商网络实体进行精细建模，数字模型涵盖城市建筑、地物、地形、网络时隙、频段、承载、业务、5G特征组网技术、用户移动环境、用户密度、物理/逻辑站点、网络接入及负载控制等。

b）在原有网络策略基础上，将策略和目标进行方案制约因素指标设计，在指标基础上进行指标数字化转化，最终形成数字化目标模型。无线网络是一个受覆盖、干扰、容量、质量、成本等诸多因素制约的体系，在目标设计中，形成的一定是相互制约、相互影响的指标体系，以便得到网络规模最佳的方案。

c）对室内外一体化具体站址、天线点、扇区参数、小区参数给出精确的数字范围或可变配置池。再借助步骤b）中相互制约的数字化参数，使用核心的禁忌搜索、贪婪算法、决策树算法及图启发等，完成基于数字模型的室内外一体化方案（其中核心方案算法非本文数字模型的重点，待其他论文中详细讨论）。此处应采用如下算法对每条可选的方案进行综合数字评分，其规则可按照如下公式进行：

式中：

i——目标覆盖区域内所有数字栅格点

N——总的栅格点数

1Th［Qual（i）］——阶梯函数，其中Th 指标满足目标要求Qual，则该像素点统计为1，否则为0

a（i）——该目标的组合的加权系数，可代表区域重要性或业务密度等

式中：

i——一个涵盖所有数字网络目标的指标

Qi（x）——对第i次网络目标的客观数字评价

C（x）——与配置x相关的（财务）成本

ai——与第i个质量目标相关联的权重因子，对不同技术、区域、业务的不同质量目标采用不同的权重。如果已达到目标覆盖率，则覆盖成本为空

k——财务投入与技术投入权重比例

最终基于Covobj与CotT（x）来综合评定5G网络室内外数字化一体化方案结果，解决网络规划方案中技术和成本的均衡关系，最终形成兼顾网络性能和成本的数字化方案。同时，除区域方案满足整体要求外，针对每个站点、设备配置、工参的调整输出相应的方案。

d）在第c）步的基础上，再考虑施工、配套等经济成本因素，综合考虑年度投资，精准、科学、高效地核定年度网络效果与投资，并完善相关PCI 编码、邻区、干扰矩阵等方案。

同时，在以上方法实施时，结合数字网络模型，需注意以下要点。

a）城市室内外三维环境建模。现有的网络规划方法往往基于无线覆盖场景得出覆盖半径，在数字网络方案中，首先应对无线网络覆盖环境进行数字化建模。建模精度与方法严格按照电磁传播模型相关理论和要求，即影响电磁传播模型的直射、反射、衍射、透射等相关因素均应数字化，以得到精确的电磁传播预测值。现有已经实现为基于投影方式的建模，如图4 所示。除此之外，基于倾斜摄影技术的无线环境建模则更为精细，代表数字化无线环境建模的方向。无论哪种建模方式，均要求垂直和水平精度通常在±2 m内，且影响电波关键建筑边角应能完整拟合。对于室内建筑结构建模，要求则更为精细，应能考虑墙体厚度、材质等特征，且对于影响电磁传播的建筑体，也应进行精细数字建模（含厚度、材质、高度等信息）。整个无线覆盖环境建模是整个室内外网络方案及方法的基础，也是整个数字化网络模型的核心，在此基础上才能更好地评估无线网络覆盖、干扰、容量、成本之间的关系。

图3 建筑投影覆盖建模及倾斜摄影技术实景建模示意

b）网络基础模型。目前链路预算方法中，缺少对网络频段、时隙、承载、业务等的建模，而对于整个5G移动通信技术体制而言，其建模精细程度直接决定网络的基础。最终关键指标与网络基础建模有密切的关系。表1 为常规链路预算方法评估网络覆盖半径，表2 为以指标SS-RSRP 为重点关注指标，考虑相关时隙及带宽等因素，对网络进行精确信道建模评估网络覆盖。从表1 和表2 可以看出，表1 和表2 针对700 MHz、900 MHz 评判覆盖结果截然相反，表1 似乎更合乎常规低频覆盖更远的表象。而实际根据网络规划核算指标SS-RSRP 及详细的带宽、信道、时隙建模，兼顾功率、天线配置，最终得到的结果与常规概念截然相反，但恰为实际网络推演效果。故对技术体制等基本网络的精确建模往往修正常规的表象，而网络实际，需综合考虑配置等相关因素，进行详实的数字建模，再基于数字模型进行合理推演预测。否则，将得到与实际网络运行相悖的结论。

表1 常规链路预算方法评估网络覆盖半径

表2 对网络进行精确信道建模评估网络覆盖

c）室内外一体化方案建模的关键问题。目前室内外建模的关键除城市建筑环境、网络精细数字建模外，关键在于室内外覆盖目标的确定以及穿透参数的取定。正如前述，因为穿透损耗随着频率升高而增加，直接导致室内外覆盖范围差异的扩大，3.5 GHz 与1.8 GHz 相比，穿透损耗增加4～6 dB，对应覆盖距离差异在300 m 左右。如重点兼顾室内，则室外覆盖重叠度过高，干扰过强，对5G 而言，数据速率瓶颈愈加严重。如重点考虑室外，则深度及室内覆盖电平不足，出现大量弱覆盖或盲区。该趋势将随着频率的增高，问题愈加严重，给网络规划带来更大的挑战。且该问题很难从技术上予以解决，建议从大的建网策略来考虑。同时，长远来看，随着室内业务的提升，从技术角度，室内分布及Wi-Fi是更为高效、高质的终极解决方案，且从无线技术的长远来看，高频带来的高容量、高带宽更易提供更优质的用户业务体验。而室外场景覆盖，从3G中后期开始，基本形成成熟稳定的覆盖面。在策略确定的基础上，可以采用乐观或悲观的态度确定关键穿透损耗核心参数，悲观的参数设定更加兼顾室内深度覆盖，但随之而来的是增加网络投入，而最终室外用户的速率一定程度上会整体降低。采用乐观的参数设定，则室外用户重叠度和干扰会大幅降低，而损失部分室内深度覆盖，但就当前国内网络整体状态而言，应能提升投资效率。参数建议按照三维射线跟踪模型参数体系取定。具体示例如表3所示。

气候变暖是目前全球面临的一个严峻挑战。若不采取应对措施，气候变化将给人类发展、经济和环境带来巨额成本。我们迫切希望东南亚国家之间能够积极应对全球气候变化，采取果断而有力的措施，或者是减缓措施，将二氧化碳排放控制在一定的浓度范围内，而这些费用是相对温和的，延迟行动意味着更大的风险和更高的成本。

表3 室内外核心参数穿透损耗设定参数体系

d）对于网络数字目标的设定，首先构筑相互制约的数字指标体系，在该体系的基础上确定指标权值系数及目标值。这里需要说明的是，通常现在5G规划核心SS-RSRP 权值及目标较高，要求增加站点及投入，而一定负荷下对SS-SINR、重叠覆盖、速率等要求较高，则相应地要求站点规模适中或未进入过饱和。对于网络状态的判定，可以基于建网策略、网络运营数据分析、站距评估、测试等，就无线网络的常规技术特征而言，当覆盖过度时，必然会导致干扰恶化，但具体点与网络结构、站点分布、业务负荷及当前状态等诸多因素有关，建议建网初期，侧重SS-RSRP 权值和目标值；网络饱和期，侧重SS-SINR、重叠覆盖、速率等目标和权值。

e）在数字网络模型下，用户建模突破原有基于数字像素点的区域评估，本文采用对用户进行全息数字化建模，采用数字化方式描述用户业务（其含承载、速率、特征技术修正等）、移动行为模型及用户终端场景等信息，其主要建模参数如表4 所示。根据表4，可以针对用户位置做精细的业务级分析，最终分析在某一数字位置点所有服务小区、SS-RSRP、SS-SINR、Received PDSCH Power、Received PDCCH Power、Received SS Power、Received PBCH Power 以及业务接入情况，可以满足对用户、业务进行精确的数字分析与感知评估。

表4 用户行为数字建模表

f）为提升电磁传播预测的精准度，数字网络模型中更注重室外或室内的模型校正与训练。图4所示为对当前默认模型进行的测试评估。图4 中，未校正训练模型与实测值相比，其平均误差高达20 dB 以上，而常规链路预算方法通常使用的为没有校正训练、且更为粗略的模型，其误差级别应高于这一误差量级。针对精准的数字网络模型，根据以上误差量级及网络仿真评估，其对网络规模的影响在35%以上。故要求进行5G网络精准的数字建模时，必须进行核心基础电磁传播模型校正与训练。

图4 对当前默认模型进行的测试评估

g）对于室内及深度方案，目前方案思路分为2 个部分，第1部分一定天线口功率范围下天线点方案，第2 部分为基于天线点位置、功率及信源条件下的分布系统路由方案，与室外相比，无线环境及范围相对简单，但天线与路由方案相互制约、影响导致数字化方案难度增加，而国内现在粗放方式的建设，导致室内方案的优化提升空间较大，且由于多系统共用的分布系统方案，导致室内分布系统方案难度更大。为此，本文从室内外一体给出相关方法论及核心要点。

4 数字网络规划案例

本文按照上述方法和思路，对某地3.5 GHz 5G NR网络进行数字化建模，并按照其中要点进行实际案例应用。此处选取该地密集城区环境，约13.82 km2，在现有LTE 网络基础上，对5G 网络进行数字建模，进而推演室内外一体化方案的室外宏站站点及工参方案。对于5G NR基础网络建模按照如下思路进行。

对于网络建设策略，设定以下目标进行推演。

a）现有方案：为常规建网思路，基于链路预算评估结果，与现网1∶1或结构优化后方案1∶1。

b）策略1（重点兼顾室内）：建设满足室内覆盖目标，以规划方案的指标作为目标，重点考虑以室外的站点覆盖室内。

c）策略2（以室外为主）：针对5G，室内外覆盖区域差异问题，主要考虑室外宏站覆盖室外场景，兼顾部分室内场景覆盖。

基于以上思路，构建相互制约的方案指标体系，其中SS-RSRP 表征整个网络覆盖，要求作为网络的必要指标，该指标将要求方案中尽可能的增加站点、功率、天线增益等因素；同时构筑了重叠覆盖指标，其中1-2、1-4 分别代表第1 强小区与第2 强小区差、第1 强小区与第4强小区差，其指标权值为1∶1∶1。在此基础上确定具体数字指标要求，将相关建网策略数字化，具体如表5所示。

表5 5G NR方案策略数字目标指标

基于以上指标，采用贪婪算法、禁忌搜索、决策树、图启发、机器学习等自动智能算法，对方案进行全程、全域数字推演，得到如图5 所示结果。从图5 可以看出，在5G NR RSRP 并未明显恶化的情况下，整个网络重叠覆盖大幅降低，进而全网SS-SINR 将明显提升，随之而来用户速率感知也将明显提升，具体如图6所示。

图5 核心指标提升效果预测（绿色表示达到设定目标，蓝色反之）

图6 网络数字策略推演方案效果

从考察指标效果而言，将策略数字化之后，沿着策略的方向推演，可以看出，基于现网整体1∶1 建设，网络重叠覆盖高，结果与链路预算方法相符，会有多层站重叠，导致高SS-SINR 区域明显较少。而采用网络数字指标，高SS-SINR 区域明显提升。而基于不同数字化策略下，策略2（以室外为主）相对于策略1（重点兼顾室内）的SS-SINR 提升更为明显。其网络方案整体情况如表6所示。

表6 5G数字网络模型下室内外一体化方案

同时，数字方案可以针对每个站点细节方案、参数配置等计算Covobj与CotT（x），其中Covobj对应每个数字化指标的提升，CotT（x）对应Total Cost。最终再结合配套投资，形成投资与每个站点方案相对应的精准数字化方案。

数字网络建模及室内外一体化方法已经将网络环境、策略、目标等均数字化、精准化、合理化。同时，该方法极易对网络规建当前状态进行数字诊断和定位，如可以引申得出，目前该区域内无线网络规模已经处于过饱和状态，应进一步优化提升网络高SSSINR区域的比例。

5 总结

在当前大数据、云计算、互联网等数字经济浪潮下，传统的基于近乎几何、公式级简要的网络规划方法和算法已经无法支撑复杂的5G及未来无线网络，而切实从当下就应以“数字”“精准”“科学”“智能”的思维模式考虑当前5G 无线网络的规划建设。本文拟以数字的思维，重新审视、革新现有的思路方法，以期在5G 及未来无线网络规划、设计、优化、运营中“抛砖引玉”。