一种高密度4G/5G无线组网容量模型研究及应用

胡晓春，白小平，李纳

（1.中国移动通信集团陕西有限公司，陕西 西安 710077；2.中移系统集成有限公司，陕西 西安 710065）

0 引言

第十四届全国运动会于2021 年9 月15 日～27 日在陕西举行，作为国内最高规格体育赛事，在全球新冠疫情形势下，面临多重挑战和压力。其中，开幕式场地西安奥体中心体育场将是历届全运会规模最大、参赛运动员及观众最多（达到10 万+）、全国首次采用2G/4G/5G网络协同的重保场馆[4]。该场馆的网络保障网络结构复杂、4G/5G 业务量巨大、网络负荷持续升高、信号覆盖和干扰难度极大，同时还需考虑5G 终端渗透率快速提升等复杂问题。如何有效在多用户、多业务、多话务场景下做好4G/5G 网络协同规划部署是亟需解决的问题之一。

1 开幕式主要面临的挑战

第十四届全国运动会西安奥体中心体育场作为开幕式场地，规划面积约5 平方公里，可容纳近十万观众，将其列为“特级”、“重中之重”保障级别，面临“看台区域6.3 万人高密度”、“4G/5G 协同业内超大规模赛事保障[5]经验较少”、“全运通等各种APP 扫码等业务需求种类多[6]”三大挑战。

用户数史上最高：开幕式西安奥体中心体育场看台区域共分为三层，看台区域观众数为6.3 万，平台区域观众数为2 万，中央场地观众数为2 500，合计总观众数为8.55 万。开幕式期间再加上工作和演职人员，总计现场人员可达到10 万+，为历史罕见的超高密度集中场景。

业务种类多、容量需求大：10 万人聚集将对无线网络提出十分庞大的容量需求。同时随着互联网及5G 赋能千行万业，各种APP 扫码业务需保证低时延，对容量规划提出更高要求。

4G/5G 协同保障经验少：历届全运会开幕式保障主要是以4G 网络保障为主，而本届将会首次纳入5G 网络保障，将从传统4G 用户为主转变为以5G 用户为主，预估5G 用户数占比将达到30% 以上，如此场景在历史上无类似经验可复制，5G 网络首次面临重大保障挑战。

为确保万无一失，通过与十四运组委会、陕西省通管局以及各方面专家的多轮沟通，并结合自身重大活动保障经验充分研讨开幕式场景业务保障需求及特点，开展精细的4G/5G 网络规划及开幕式4G/5G 网络容量压力测试。

2 无线网络容量精细规划

西安奥体中心体育场为开幕式主场馆，总建筑面积15.6×104m2，建筑高度58.3 m，功能区主要分为看台区域、中央场地、平层功能区，针对各个功能区采用不同的覆盖方式和组网结构[7]。本次开幕式将是业内首次4G/5G 协同保障，同时考虑5G 终端渗透率情况，将会采用4G/5G 全频段组网方案。

（1）按照功能划分区域制定覆盖方案

根据不同功能区可容纳用户人数，制定具体的覆盖方式，最大程度模拟开幕式现场真实网络环境。将西安奥体中心主体育场按照功能区划分为：看台区域、中央场地、平层功能区，按照功能区域定制建网方案。看台区域采用FDD/2.3 G/2.6 G Lampsite+GSM900 传统分布系统双层组网，中央场地采用BOOK2.0 异频叠加，立体协同灵活组网[8-12]，可满足开幕式用户业务及容量保障需求。

4G/5G 部署策略[13]：开幕式场馆西安奥体中心体育场看台区域可容纳6.3 万名观众，平层功能区可容纳2 万人，采用“频率穷尽、容量充裕”的高密话务容量模型评估，采用4G/5G 全频段组网建设，如图1 所示。将看台区域划分成多个物理网格，采用分布式皮站加赋形天线的方式覆盖，中央场地用户少并且较为分散，采用BOOK2.0产品覆盖，平层工作区及电梯采用分布式皮站覆盖[5-8]，满足不同功能区用户业务保障，如表1 所示。

表1 开幕式场馆4G/5G容量部署策略

图1 开幕式场馆4G/5G组网情况

（2）根据区域划分制定容量方案[14～15]

西安奥体中心体育场为开幕式场馆，看台区域可容纳6.3万名观众，平层功能区2 万人，按照话务模型容量评估标准，移动用户渗透率65%，且4G/5G 用户数7:3，设备按最大能力进行需求计算，看台区域采用FA 覆盖打底，为保障用户感知情况，4G 侧单用户上/下速率需求为0.25 Mbps/1 Mbps，5G侧单用户上/下速率需求为0.8 Mbps/4 Mbps，共计规划4G 载波338 个，5G 载波42 个[16]。结果如表2 所示。

表2 4G/5G容量模型

3 容量压力测试

3.1 压力测试方案

为验证容量规划模型的准确性以及模拟开幕式现场观众的无线网络环境（用户大部分是在看微信与抖音等视频业务），开展了开幕式的无线网络容量压力测试[17]，本次压力测试采用4G/5G 混合组网，如图2 所示，4G 采用FDD/E/D 组网，5G为4T4R组网，参数配置同商用网络。测试频段4G为1.8 G—2.6 G频段，5G为2 600 MHz频段、100 MHz带宽，如图3所示。结合开幕式场馆看台区域座位分布，将看台区域划分为80 个区块，通过LampSite（4G：FDD/E/D，5G：2.6 G）及窄波束赋形天线进行精准覆盖。按照看台区域6.3 万人，则平均每区块人数778；选取主席台区域作为本次测试主测区域，如图4所示，按照每区块778 人，按照移动用户渗透率60%～65%，4G/5G 用户渗透率70%～80%/30%，用户数为404.56，考虑到有冗余情况，最终压力测试投入400 部终端，与理论计算用户数基本持平。

图2 设备组网图

图3 测试区域频段分配

图4 天线覆盖区域

（1）测试内容及业务模型

选取主席台区域作为本次测试主测区域，如图5 所示，用户基本按照近中远1:2:1 比例分布。测试内容中有单天线覆盖性能测试、小区多业务重载场景测试，其中小区业务类测试分为邻小区加扰和邻小区空载两种场景[18-19]，这样测试主要验证现场有干扰情况下的用户感知。

图5 主席台压力测试区域

本次压力测试主要验证4G/5G 单小区下的网络能力，并模拟实际用户的网络使用情况。结合前期重大活动的保障经验，主要为上行业务，参考十三届全运会及各种演唱会的无线业务模型，给出本次测试重载场景，业务比例分布如表3 所示：

表3 混合业务模型

（2）测试方案[20]

本次压力测试共涉及4 大类用例6 个测试子任务，主要为小区多业务重载场景测试和小区单业务压力测试，其中小区业务类测试分为邻小区加扰和邻小区空载两种场景，如表4 所示。

表4 压力测试用例

3.2 压力测试结果

（1）单小区加扰能力验证

1）4G 单小区加扰能力验证

◆开幕式重载场景

用户按照近中远1:2:1 分布，本小区单载波及周边小区开启，测试结论如表5 所示。

表5 4G单小区重载加扰压力测试结果

2）5G 单小区加扰能力验证

◆开幕式重载场景

用户按照近中远1:2:1 分布，周边小区开启，测试结论如表6 所示。

表6 5G单小区重载加扰压力测试结果

（2）小区能力测试验证

1）4G 单小区能力验证

◆上传业务

RRC 连接态用户=52，小区上行吞吐率维持在10 Mbps，单用户上行速率0.2 Mbps，如图6 所示：

图6 4G单小区上行吞吐率

◆下载业务

RRC 连接态用户=35，小区下行吞吐率维持在38 Mbps，单用户下行速率1.26 Mbps，如图7 所示：

图7 4G单小区下行吞吐率

2）5G 单小区能力验证

◆上传业务

当激活用户=59，小区上行吞吐率维持在43 Mbps，单用户上行速率0.84 Mbps；当激活用户＞184，小区吞吐率仍然维持在31 Mbps 左右，单用户上行速率逐步下降，但维持在0.1～0.2 Mbps，单用户感知趋于稳定，如图8 所示：

图8 5G单小区上行吞吐率

◆下载业务

当激活用户=70，小区上行吞吐率维持304 Mbps，单用户下行速率4.7 Mbps；当激活用户＞141，小区吞吐率仍然维持在255 Mbps 左右，单用户下行速率逐步下降，但维持在0.9～1.2 Mbps，单用户感知趋于稳定，如图9 所示：

图9 5G单小区下行吞吐率

4 压力测试结果分析

本次测试为主席台单小区测试，看台区域划分80个区块，从压力测试结果来看，主要结论包括：一是保接入，4G 单载波RRC 连接用户数200，5G 单载波RRC 连接用户数300；二是保感知，4G 单载波RRC 激活用户数100，5G 单载波RRC 激活用户数120。单区块可确保4G/5G 微信图片上传、视频直播等业务正常使用[10]。根据后台跟踪数据和前台测试数据分析，本次压力测试结果和当前容量模型设计参数值基本保持一致，上行结果对比如表7 所示，下行结果对比如表8 所示（70～100 用户）。

表7 上行结果对比表

表8 下行结果对比表

5 开幕式实际网络负荷及网络质量验证情况

本次开幕式由于受到疫情影响，入场观众受到一定的限制，开幕式期间RRC 连接最大用户数峰值约2.08 万，其中看台区域为1.13 万，峰值流量444 GB（其中4G 308 GB）。

4G 业务容量情况：按照开幕式实际情况看台区域4G 移动用户数为9 912，所需小区86 个，按容量规划模型，4G 移动用户数预估为32 760，规划了217 个小区，现网实际配置240 个，远远大于开幕式当天和规划模型所需小区数，如表9 所示：

表9 开幕式业务模型4G

5G 业务容量情况：按照开幕式实际情况看台区域5G 移动用户数为1 477，所需小区4 个，按容量规划模型，5G 移动用户数预估为8 190，规划了30 个小区，现网实际配置40 个，远远大于开幕式当天和规划模型所需小区数，如表10 所示：

表10 开幕式业务模型5G

由于开幕式当天，看台区域实际到场的4G/5G 移动用户数为11 365，按照划分的80 个区块，则平均每区块人数143；4G/5G 用户渗透率为87%/13%，4G/5G 用户数分别为124/19，结合压力测试及现场测速结果（5G 平均下载速率867.2 Mbps，4G 平均下载速率78.9 Mbps），故4G/5G 单小区可完全提供“多用户、多业务下”正常使用，感知不受影响，同时可满足微信图片的上传、抖音视频直播等业务流畅使用（注：本次开幕式中央场地人数较少，不纳入分析中）。

6 结束语

从本次十四运开幕式无线网络保障的整体情况来看，5G 用户的渗透率并没有达到预期的规划情况，预计2022 年冬奥会及亚运会期间，5G 用户数占比将达到40%～60%，保障重点将以5G 用户为主。

本届十四运会作为全国首次2G/4G/5G 网络协同的大规模重保赛事，开幕式期间无线通信网络将面临“高密度、多业务”的巨大挑战，陕西移动针对奥体中心体育场看台，模拟大话务场景下的用户、业务分布，进行单小区下的“多用户、多业务、大话务”模拟验证测试，对业务演练仿真测试、网络摸排、精准优化，有效提升保障可靠性，对后续4G/5G 协同的大话务保障工作具有指导意义。