面向5G ToB行业应用的无线网络组网设计研究

刘淑祎

中国移动通信集团河北有限公司 石家庄 050000

引言

5G作为新一代移动通信技术，在大带宽和低时延等业务场景具有显著优势。相比光纤和以太网等固网产品，采用5G可以减少工程布线，实现业务的快速上线，并且相比Wi-Fi具有更稳定的网络覆盖及抗干扰能力，能够显著提升企业生产效率，降低人力、设备及相关部署维护成本，可以更好地满足工业园区、钢铁及港口等企业信息化应用需求[1]。

5G ToB行业应用由于涉及到工业生产安全性和可靠性要求，在进行网络组网设计和规划时要充分考虑，包括前期的业务建模、建网标准、组网方案、RF规划，到后续的连接级或用户级调优、性能和SLA保障等方面，任何一个环节没有考虑周全，都有可能导致最终的业务无法满足工业生产要求[2-3]。

5G ToB作为一个新的业务场景，目前在行业中的应用相对较少，主要集中在钢铁、港口、煤矿等典型场景[4]。同时当前行业应用各类5G终端也不够成熟，需要运营商、设备商及产业界共同努力，从而真正发挥5G网络的价值。本文主要基于当前钢铁行业应用实践，针对5G ToB行业应用场景下无线网络规划、组网设计及相关设备选型建议等方面进行研究，并给出了相关参考或建议，支撑5G行业应用的快速部署[5]。

1 基站选型方法

当前5G基站主要包括宏站AAU、微站及数字化室分等类型，还没有专门用于ToB场景的基站产品，因此5G ToB场景下的无线设备选型主要结合现有设备能力和业务场景进行选择，当前主流5G基站的设备特点及应用场景，如表1所示。

表1 主流5G基站设备特点及ToB应用场景

在实际应用中，具体选用哪种设备类型，要结合企业需求、现场环境、施工难度及造价等多个因素综合评估，设备选型总体流程如图1所示。

图1 5G ToB基站选型4步法

步骤1：基于网络场景的覆盖需求分析。

结合具体场景的业务模型分析(如上行速率要求、终端数量等)，预估其覆盖需求、容量需求和定位功能等。

步骤2：结合具体场景，进一步明确需求。

1)全封闭场景(如地下煤矿)：空间狭长，AAU波束难展开，参考采用室分设备；

2)半封闭室内(如钢铁库房)：室内空旷且区域较大，AAU波束易展开，参考采用宏站AAU、EM等中大型设备；

3)标准工厂：安装空间有限，容量密度大、干扰强，参考采用数字化室分设备；

4)开放场景(如港口)：可安装基站高度>25米，AAU波束易展开，优先采用宏站；

5)其他场景(如电力、警务、医疗等行业)：由于5G ToB垂直行业尚处于孵化发展阶段，目前主要聚焦于钢铁、港口、煤矿等典型场景，其他场景需结合具体企业需求进行调研、分析，从而明确需求。

步骤3：充分考虑5G ToB场景的行业防护约束。

针对高温、防尘、防爆等特殊场景5G覆盖需求，在选择基站设备的时候要考虑加装相关的防护装置以满足企业生产需要。以地下煤矿为例，存在严格的防爆和功率要求，要求设备放入防爆盒，无线设备功率小于6W，同时要求无线设备具备良好的散热能力等。

步骤4：考虑产品频段的要求和能力。

结合运营商频谱资源以及部署场景隔离程度(如封闭、半封闭)，确定可用的频段、子帧配比、频率复用策略等[6-7]。如港口和工业园区等场景，由于存在与公网接触，则应充分考虑全网子帧配比统一、时间同步以及公网和专网的干扰问题。

以某钢铁企业5G无人天车业务为例进行说明。

1)覆盖场景分析：业务所在区域为封闭式金属结构库房，业务需求主要是天车PLC控制类和视频回传场景，对时延和上行容量均有较高的要求。

2)产品选型分析：结合当前5G基站设备能力，从覆盖、容量、施工难度等方面综合考虑选取64T64R宏站AAU进行覆盖。

3)覆盖&容量估算：库房共计20个摄像头，单个库房5个摄像头汇聚到CPE，规划部署4个CPE，单CPE上行速率要求＞70Mb/s。

4)小区估算：按照2.6G 100M带宽进行规划，单小区平均上行速率250Mb/s左右，规划1个小区即可满足业务需求。

2 网络估算方法

无线网络估算，主要包括覆盖目标确定、网络覆盖估算和网络容量估算。

2.1 覆盖目标规划

确定网络的上行边缘速率和覆盖电平，以用于网络覆盖估算，整体方法如下所示。

1)基于覆盖基线：根据不同的产品类型，获取基本的覆盖电平与速率基线，作为输入条件。

2)上行边缘速率获取：以上行速率需求最大的作为边缘速率，将所有业务都转换成大上行的业务，以上行速率最大的业务为边缘速率规划目标。

3)边缘覆盖电平规划：将大上行业务与低时延&高可靠业务取最大值，在上一步骤已将所有业务都转换成大上行业务，取上行速率最大的业务，其对应的边缘电平作为边缘覆盖的电平。其中大上行业务对无线网络上行速率有要求，低时延&高可靠性业务一般对上行容量要求不高，对无线网络覆盖质量要求较高，两者既有区分又有联系，区别在于对网络要求不同，联系在于均需要在无线网络覆盖良好的情况下方可满足。

基于某钢铁企业5G无人天车业务得出的5G ToB的网络覆盖规划参考标准(前提条件：①64T AAU 频率2.6GHz、子帧配比8:2、带宽100MHz；②SA组网，终端2T4R 26dBm；③功率配置：200W/100Mhz；④上行IoT 20dB)，如表2所示。

表2 5G ToB覆盖规划标准

2.2 网络覆盖估算

根据已获取的上行边缘速率和边缘电平覆盖要求，并结合基站产品选型，可以计算出单站的覆盖半径，从而得出站点规模，整体流程如下：

1)设置覆盖目标，如上行边缘速率；

2)根据所选基站产品形态，输入子帧配比、带宽、功率、天线收发数、天线增益、上行干扰余量、工作频段信息及传播模型等参数；

3)输出小区覆盖半径；

4)根据小区覆盖半径，计算单站的覆盖面积；

5)按照区域面积，计算站点数目=区域面积/单站覆盖面积，向上取整。

2.3 网络容量估算

根据总体容量诉求确定小区/站点数目，结合覆盖估算的站点规模给出最终需要的站点规模。其中小区容量口径需要根据产品类型、子帧配比、带宽等设置，以采用的基站设备厂家发布口径为依据。网络容量估算流程如图2所示。

图2 网络容量估算流程

3 组网设计方法

当前5G ToB行业应用主要集中在钢铁、港口等场景，对低时延、大上行等具有较高要求，组网主要以专网部署方式为主。

3.1 基站部署原则

1)均衡原则：每个小区所覆盖的终端数量及容量相对一致，尽量避免出现个别小区容量过载或者轻载的情况；

2)同频站点避免对打：建议背靠背安装减少同频干扰，如图3(a)所示；

3)天线安装位置：如AAU主瓣覆盖方向避免金属物遮挡；

4)充分利用物理环境隔离覆盖：AAU点位选择尽量利用厂房内的建筑物信息实现同频信号在物理上的隔离，减少干扰，如图3(b)所示；

5)站高选择：优先选择高度较高的位置放置站点，但站高不宜过高，避免产生重叠覆盖问题，如图3(c)所示。

图3 基站部署原则示意图

3.2 终端部署原则

目前5G ToB终端主要以CPE为主，在终端部署过程中应遵循以下几点要求。

1)避免终端距离基站过近：CPE点位选择需要考虑覆盖以及上行功率饱和问题，不能距离基站太近；

2)终端驻留小区尽量保持稳定：①针对固定点位，通过锁频方式确保终端接入固定小区，减少终端在不同小区间切换对业务带来的潜在影响；②针对移动范围较大的终端，如果确有多个小区切换需求，则尽量保证切换小区相对稳定，且小区容量设计时提前做好容量预留，避免切换到非规划小区。

3.3 频率规划原则

对于5G ToB应用，需要基于实际业务场景及网络需求考虑是否选择异频组网，从引入异频组网的原因上，可以做如下原则细分。

1)同频干扰大，导致小区容量降低，无法满足需求。

第一，优先保障同频段新增异频。同频段新增异频是为了减少小区的新增成本，利用已有基站宽频的特点引入异频频点。第二，新增异频段异频。异频段组网会增加相关设备成本，如无同频段资源可用，则考虑新增异频组网。从性能最优角度考虑，新增异频段频段，可以保证容量的新增且不会对原有的频点产生影响[8]。第三，在无任何新增频点基础上，考虑进行同频段拆分。拆分建议如下：①当上行IoT～10dB及以下，不进行同频小区频点和带宽的拆分，此时拆分频点和带宽的干扰降低不足以抵消整体上行容量的损失；②当上行IoT～20dB高干扰场景，建议尝试同频小区频点和带宽的拆分，拆分后的频点不要超过2个频段；③当上行IoT～35dB左右的超高干扰场景，建议尝试同频小区频点和带宽的拆分，拆分后的频点不要超过3个频段。

2)同频干扰大、小区容量满足，但小区边界用户体验不满足，引入异频组网。

5G ToB行业应用场景下，有些业务分布比较集中，在小区的边界处易出现上行边缘速率不满足业务需求的问题，则此时采用边界异频插花方式可以很好地降低整网的上行IoT及保障边缘用户体验。

针对大上行业务场景，异频引入需要结合异频的带宽、子帧配比综合考虑用户间的负载均衡，设置不同频点的优先级别，确保用户的分层驻留。针对大上行业务且存在移动用户，则需要考虑终端异频测量对于终端容量的影响，尽量将移动用户按照需求划分到单独的频点，减少终端异频切换的影响。针对低时延与上行业务混合场景且存在异频组网场景，建议结合业务需求单独地划分频点或者在单独的频点上配置切片资源来进行驻留，减少异频切换对于低时延用户的影响。

4 RF参数规划

4.1 方位角设计

5G ToB网络的方位角设计，建议参考如下规划原则。

1)基站同向控制干扰：保证同频主覆盖方位对准用户，邻区旁瓣覆盖用户，如图4(a)所示。①终端侧：采用水平方向角度窄的天线，或者优化水平方向，主瓣对服务小区，旁瓣对邻区；②基站侧：服务基站窄水平波束对准服务小区，水平角度尽量远离邻区指向。

2)基站对打控制干扰：一般尽量避免同频基站对打，如实在无法错开，则尽量优化方位角使得邻区旁瓣覆盖用户，主瓣对准服务站点，如图4(b)所示。①终端侧：采用旁瓣或者背瓣抑制好天线，调整水平方向旁瓣对邻区；②基站侧：服务基站水平角度尽量远离邻区。

3)基站背打控制干扰：同频组网下优先参考，其中服务基站尽量采用背瓣抑制性能较好的天线，减少天线背瓣带来的干扰，如图4(c)所示。

图4 基站和CPE方位角规划示意图

4.2 下倾角设计

5G Massive MIMO针对不同的信道有不同形态的波束，主要分为SSB广播信道波束(影响用户在网络中的接入、切换，从而决定NR小区覆盖区域)和业务信道波束(影响用户的体验，如吞吐率、业务时延等)。

①SSB广播信道SSB总倾角=5G小区机械下倾 +SSB可调电下倾

②CSI-RS总下倾角=5G小区机械下倾 + CSI-RS波束下倾角

机械下倾角同时对广播波束和业务波束进行调整，不同产品支持的SSB Pattern场景和波束的可调范围有差异。CSI-RS对应多层垂直波束，CSI-RS的垂直层数、各垂直层的指向，不仅与单TRX的形态有关(如预置下倾)，还与CSI-RS的权值有关，CSI-RS波束下倾角是产品本身固有的属性。

5G toC场景通常是以CSI-RS次外层波束的法线指向小区边缘为原则规划下倾角，ToB园区场景为高干扰场景，多径严重，建议以CSI-RS最外层波束上3dB位置指向小区边缘为原则规划下倾角，如图5所示。

图5 机械下倾角规划示意图

其中机械下倾角= Arctan(H/d)-CSI-RS最外层波束上3dB倾角，H为基站相对于目标终端的高度，d为水平覆盖距离。

4.3 功率设计

基站下行功率的设计用于满足覆盖要求，需要结合场景配置，在实际操作中需要注意如下几点。

1)避免下行功率饱和问题

避免出现下行功率饱和造成终端解调性能下降。对于上行需求大，下行功率可以配置小，保证覆盖要求即可；对于下行存在较强覆盖要求可以参考公网方式进行功率配置；切换驻留问题，可以单独优化SSB的功率偏置控制切换重叠带。

2)下行功率配置需要考虑一定行业约束

该场景的配置主要是与行业约束强相关，如煤矿存在基站功率6W的限制以保证井下工作的安全，因此即使存在下行覆盖要求，也需要按照行业要求控制下行功率。

3)终端上行功率也需要注意饱和问题

接收机的最大接收电平是指接收机在不发生失真情况下能够接收的最大信号，接收机则采用了AGC(自动增益控制)来确保有用信号落在器件的输入动态范围之内。简单的说就是有一个负反馈环路：检测接收信号强度(过低／过高)－调整放大器增益(调高／调低)－放大器输出信号确保落在下一级器件的输入动态范围之内。由于接收机的非线性特性，当接收机收到强功率时，接收机的AGC会进行动态调整确保信号落入接收范围内，从而产生终端功率饱和问题，此时会损伤接收机的解调性能而导致在其工作信道的解调能力下降，反而会影响吞吐率。终端侧功率饱和建议测试点位RSRP<-55dBm，如果RSRP太强，建议适当降低小区功率。针对单AAU的功率饱和门限与上行RB使用的情况相关，考虑极限情况上行RB=273时候，则对应的UL RSRP要控制在-77dBm以下，实际中可以参考基站配置调整该参数的设置范围控制单用户的饱和门限。

在RF参数规划过程中，还涉及基站标识、PCI、TAC等参数的规划，此类参数规划方法与5G公网规划方法、原则基本一致，参照现有方法执行即可。

4.4 仿真规划

5G ToB业务仿真规划整体思路与公网仿真规划基本一致。但由于ToB业务的特殊性，在具体实施过程中需要重点关注以下几个差异点。

1)业务建模

建模可以分为业务建模和网络建模两大块，业务建模主要是通过对行业客户充分的调研，获取业务类型、业务运行环境、业务配置、业务流信息等关键信息，以便准确获得业务需求，并为转换成网络需求做准备，用来指导后续网络的规划建设。网络建模就是根据业务建模的输出，将业务的需求转换成实际的网络需求，5G ToB主要的网络需求就是上行速率、时延及可靠性要求等。

2)容量估算

5G ToB项目中视频监控、视频回传等大上行业务比较常见，在网络规划中要重点评估容量对业务的满足程度。以视频回传业务为例，在网络容量估算环节要对摄像头业务特征进行分析，分别评估单摄像头及多摄像头场景下网络容量带宽需求，进而基于小区容量基线评估需要规划的小区数量。

3)上行速率仿真

基于高精度电子地图和相关站点工参信息，在上行速率仿真方面，可以通过对空口传播射线路径的模拟，来实现准确的上行速率预测。基于上行速率预测的结果，可以判断当前网络规划方案能否满足实际业务的诉求。基于某钢铁企业库房5G无人天车视频回传业务的实践结果看，70Mb/s的边缘速率识别准确率达到了90%左右，上行速率仿真的原理示意如图6所示。

图6 上行速率仿真原理说明

5 总结与展望

基于5G的行业应用目前还处于发展阶段，一方面相关的行业解决方案需要在实际应用中逐步完善，另一方面面向垂直行业的5G终端产品相对较少，同时不同厂家产品成熟度也有待提升。本文主要针对无线网络规划方案进行了分析，从设备选型、网络估算、组网设计等方面给出了相关建议，为5G网络在行业的深入应用提供参考。随着行业应用的深入，后续应重点加强5G端到端网络规划的研究，同时针对企业高可靠性、安全性等特殊要求进行针对性设计。