基于某体育场用户突增下4G移动系统应急优化方案设计

洪超宇 张炎生

摘要：在5G普及之前，4G依旧是移动通信网络的主力军。进行应急优化的体育场占地65799 m2，最多可以容纳6万余人，是当地举办体育比赛和大型活动的主要承担者。当进行活动时，人流量有激增的现象，面对着巨大的信息冲击，需要保障此区域的通信。目前会影响信号质量的问题主要有基站的容量问题和同频干扰问题。该方案主要方法是实地调查并记录体育场周围的室外基站和体育场的室内分布系统，分析是否有容量不足和干扰的现象;再运用测试机对此体育场周围进行信号路测，通过测试机测得的数据直观反映信号不良的区域，结合信号分布分析原因，再进行方案设计。为使用户获得的下行速率不低于2 Mb/s ，优化的方案包括改造室内分布系统和派遣应急通信车进行下行容量的支持，并使体育场周围的 RSRP值维持在-75 dBm ，SINR值不低于15 dB ，使得室内可以进行中等速率的通信业务，室外可以进行较高速率的通信业务。

关键词：应急通信;大型场馆;工程设计

中图分类号：TN929.5文献标志码：A文章编号：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

應急通信主要可以分为两种[1]，第一种是应急通信服务，对于在计划内的活动，利用已经拥有的技术和设备来满足目标区域内的通信需求;第二种是减灾通信，由于自然灾害等事件属于突发事件，难以预料到从而提前部署，所以在事发后运用灵活的应急通信方式以及相关设备为目标区域提供通信的支持，从而为救援重建等工作提供通信保障。

应用在大型场馆中的应急通信大部分属于应急通信服务，例如2008年举办奥运会时候的北京鸟巢体育馆、水立方体育馆;举办春节活动的广州各大花市等，应急通信的保障工作必不可少。又如2020年初，因为新冠肺炎疫情而迅速建成的武汉火神山医院中的应急通信保障属于减灾通信[2]，疫情突然爆发，跟时间赛跑以挽救更多的生命，而庞大的医疗人员、患者、支援救援人员等之间的通信需求突增，在政府、运营商、建设者各方的协调和齐心协力之下[3]，在火神山医院开工的当晚，就搭建成一个可以满足当前需求的5G网络，为疫情攻坚阻击战的胜利奠定了坚实的基础。

本设计采用中国电信运营商来进行研究，应解决4G 网络的重叠覆盖和用户容量兩个关键问题。达到为体育场提供在用户量突增情况下的最优移动应急通信解决方案和为诸如此类的大型场馆提供应急通信建议等预期目标。本设计的创新点是通过对此体育场的4G移动系统应急优化方案，探寻出一套对诸如此类的大型场馆的应急4G移动系统应急优化方案[4]。

1 体育场原设计和存在问题

1.1 设计流程

体育场设计流程[5]如图1所示。到达体育场进行实地调研，内容包括周边室外基站的分布情况和体育场的室内分布系统，再进行测试设备的调试，选定有代表性的测试地点，用中国电信网络优化的软件测得并记录测试终端收到的各项性能指标。分析原因并提出应急优化的解决方案，分析该方案是否可行、合理。在方案实施后，再对网络进行测试，和之前的数据进行比较分析，判断是否有效果，然后形成优化报告，整理数据。若方案不合理，则应当重新分析原因并提出新的方案，重复步骤。

1.2 体育场室外基站分布

此体育场目前共有 LTE 室外站12个，都为单发单收类型的 FDD-LTE 基站，每个基站单扇使用的系统带宽为2×20 MHz ，下行峰值吞吐速率为200 Mb/s ，单扇同时在线的 VoLTE 用户数不少于400个。20 M 的系统带宽可以最大同时保持连接的用户数为1200人左右，可以最大保证400个人同时使用移动网络[6]。经计算可得，此体育场室外基站可以最大同时连接的用户数为28800个，可以提供的最大下行容量为4800 Mb/s 。此体育场图2体育场室外基站的位置分布室外基站的位置分布如图2所示。

1.3 体育场室内分布系统

现有的室内分布系统把此体育场分成了38个物理小区，且每个物理小区都采用双载频1.8/2.1 G 载波聚合。在有棚顶的32个物理小区中采用赋形天线;在无棚顶的6个物理小区中采用射灯天线。如图3所示。每个双载频物理小区数据业务下行承载能力为120 Mb/s ，总共可以同时提供的下行容量为4560 Mb/s[7]，存在着一定的重叠覆盖。

1.4 下行容量估算

此体育场的最大容纳为六万人，假设体育馆承载量达到最大容量[8]。根据中国电信的市场占比，按照30%计算，使用中国电信的人数大概有18000人。由于4G 的普及[9]，活跃用户的取值取80%，可得活跃用户数为14400人。两大4G制式之一的 FDD-LTE 是中国电信所使用的4G制式，故用户渗透率为100%。设同时激活的人数比例为60%，则最多有8640（14400×60%）人同时使用4G 网络。假设单用户下行体验速率为2 Mb/s ，则最大同时激活的用户下行容量的总需求为17280 Mb/s （8640×2）。

1.5 应急优化前测试

设计中把测试点设定在了此体育场东、南、西、北共4个入口处，如图4所示。

测试的结果如表1所示。由测试结果可得，4个测试点的区域范围的 RSRP 值均小于-85 dBm ，平均值为-93 dBm ，说明此体育场周围信号覆盖一般，在体育场室内起呼成功率较低，而在室外可以进行低速率的数据业务。SINR 值普遍偏低，最高是东广场附近的区域，达到6 dB ;最低是北广场附近的区域，达到1 dB，表明体育场总体的4G信号质量较差。说明了体育场在用户量激增的情况下，无法提供足够的用户下行容量来保证用户的正常通信，急需优化。

2 应急优化设计方案

2.1 优化室内分布系统

室内分布系统的工作流程为，把场馆分为若干个小区后，采用 BBU+RRU 的多通道方案，每个小区按照不同的环境使用不同类型的天线，如有棚顶的区域采用赋型天线，波束窄、旁瓣抑制比高，所以可以增加小区之间的间隔度，有效降低重叠覆盖;无棚顶的区域采用射灯天线，水平波束较窄，垂直波束较宽，所以可以最大程度地满足垂直面的需求。

优化方案为，把有棚顶的区域从32个 FDD LTE 双载频物理小区增加到40个，无棚顶的区域从6个增加到10个，同时，BBU、RRU 和天线等器材和设备都要相应地增加，配套使用。理论上可以提供的同时最大激活下行用户容量增加至6000 Mb/s 。优化后的室内分布情况如图5所示。

2.2 布置应急通信车

经过优化后，室外基站和室内分布系统可以同时提供的最大激活下行用户容量约为12800 Mb/s （4800+6000），距离所预估的最大下行用户容量17280 Mb/s还有一定的差距。因为此体育场处于市中心区域，采用应急通信无人机的方案需要考虑禁飞区域与停放区域的限制，所以最佳方案是向中国电信申请应急通信车来补充缺少的下行用户容量。应急通信车的天线的高度一般在10～15 m左右，工作流程大致如下：核心网通过交换机可以连接卫星通信系统[10]，通过卫星网络与指挥中心[11]保持实时通信;核心网通过网线连接 LTE 基站，基站可以为用户终端提供数据通信服务，此外，基站还可以与车载 CPE连接，将4G信号转化为WiFi信号，也可以为用户终端提供数据通信服务。

由于①点位通过的人流量最大，同时RSRQ 和 SINR 值都偏低，综合信号质量较差，所以此方案将应急通信车部署在了①点位附近。应急通信车发射的而信号采用 2.1 G 的频段，天线位置[12]越离地面15 m左右，左边的天线方位角设为 260°，下倾角为 20°，可以覆盖前面约45 m的范围;中间的天线和右边的天线为体育场提供用户下行容量，其中，中间的天线方位角为325°，右边天线的方位角为 30°，下倾角都设为 5°，可以覆盖前面约180 m的范围。应急通信车的位置和天线方向如图6所示。

3 此方案优化目标

经过室内分布系统的优化和应急通信车进行用户下行容量补充后，再对信号覆盖情况进行测试。测试点如图4所示，与之前一致，相对应的优化前技术指标与预期性能指标对比如表2所示。

采用改造室内分布系统和部署应急车的方案优化后，优化目标的RSRP值维持在-75 dBm左右，信号覆盖较好，室內环境进行的通信业务速率中等，室外环境进行的通信业务速率较高，符合用户可以获得2 Mb/s的下行速率的要求。原本综合信号质量最差的①点位经过优化达到了较为理想的SINR值，而各点的RSRQ值都处在中等偏上的位置，说明信号质量较好。

4 结束语

以估算最大用户下行容量的方式，来对所应急优化区域进行分析，分析的内容包括室外基站数量及分布以及室内分布系统的情况。对于市中心的大型场馆，首先要考虑其周围的室外基站分布，其附近的通信设施较为完善，如果再增设基站会引起信号的重叠覆盖，从而引起同频干扰的现象发生，所以最佳的方案还是对室内分布系统进行改造。此外，可以加派应急通信车补充下行用户容量。对于一些处在郊区的大型场馆，周边的通信设施较为缺乏，首先考虑增设基站，保持成本投入与用户使用信号质量的动态平衡，其次才是优化室内分布系统。在普及5G之前，要把4G的应急优化系统完善，为5G的发展铺好道路。

参考文献：

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[11] 陈琳，朱江，蒋宇帆.基于专用4G基站的应急通信指挥系统[J].电子世界，2020（22）：200-201.

[12] 王亚军，张艳. 4G通信中的关键技术之智能天线技术[J]. 信息通信，2015（1）：213-215.

第一作者简介：洪超宇（1999-），男，广东阳江人，大学本科，研究领域为通信工程。

※通讯作者简介：张炎生（1962-），男，湖北天门人，硕士，副教授，硕士生导师，研究领域为通信工程、信息技术。

（编辑：刁少华）