基于基站定位的柵格級5G用戶網(wǎng)絡(luò)覆蓋洞察分析方法

李冠華 洪沛 楊國鋒

【摘要】? ? 2020年是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要時期，5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)大規(guī)模商用，由于頻段高、波長短、穿透能力弱，要全面部署高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)存在一定難度，基站建設(shè)成為非常關(guān)鍵的一環(huán)。本文分析研究了基于基站的多點定位算法，計算移動終端用戶的經(jīng)緯度位置信息;提出了柵格級基站網(wǎng)絡(luò)覆蓋分析方法。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G? ? 基站? ? 多點定位? ? 柵格

引言：

隨著5G技術(shù)的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)和智能化對基于位置的服務(wù)提出了更高要求，“5G”定位作為解決室外到室內(nèi)高精度問題的技術(shù)，將發(fā)揮更強(qiáng)的賦能作用。5G的技術(shù)包括編碼方法、波束賦形、大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、毫米波譜等，具有大寬帶，有利于參數(shù)估計，引入大規(guī)模天線，基站可裝配128個天線單元，為高精度距離和位置測量提供了基礎(chǔ)。

5G基站相比于4G，5G基站的掩蓋更加密集，路燈、大街、寫字樓里都可以布上5G天線。5G完成密集組網(wǎng)，移動端信號則可被多個基站一起接收到，這將有利于多基站協(xié)作完成高精度定位。

一、基于基站的用戶定位的價值

隨著網(wǎng)絡(luò)考核、優(yōu)化工作不斷發(fā)展完善，基站的鄰區(qū)數(shù)據(jù)及相關(guān)電平數(shù)據(jù)愈發(fā)精準(zhǔn)，通過柵格精細(xì)化分析方式，能有效定位出柵格內(nèi)移動端數(shù)量、駐留趨勢、網(wǎng)絡(luò)狀況，更加合理的評估網(wǎng)絡(luò)狀況，調(diào)整基站分布，并結(jié)合5G精準(zhǔn)營銷活動，提升用戶感知。

以基站為中間過渡，進(jìn)行移動端的定位，能夠更直觀地發(fā)現(xiàn)不同地理位置所特有的用戶特征，在研究區(qū)域特征和進(jìn)行區(qū)域規(guī)劃方面，能夠提供直觀并且實時地有效信息。在移動終端層面來講，將位置信息和實際地用戶特征結(jié)合，能夠為用戶提供更加精準(zhǔn)，更加定制化的服務(wù)，不僅限于導(dǎo)航等功能，基于基站的區(qū)域劃分，更夠為用戶提供更好的城市生活體驗，從而實現(xiàn)更好，更智能的城市生活。

二、傳統(tǒng)覆蓋的現(xiàn)狀及5G建設(shè)

2.1 室外覆蓋

5G宏基站采用AAU主流設(shè)備，呈現(xiàn)RRU與天線集成的混合設(shè)備形式。 由于AAU采用的天線陣列具有大規(guī)模特性，與RRU繞組密不可分，且與4G頻段不兼容，需要單獨部署和重建。一個5G基站的三扇區(qū)需要向天面添加三個較大的AAU設(shè)備，在天面擁擠的情況下，很容易導(dǎo)致空間不足。天面已滿的情況，扇區(qū)無法使用或者需要減少扇區(qū)，這大大增加了選址和建設(shè)的難度，也增加了信號連片覆蓋的難度。尤其是在市區(qū)，要找到一個合適的站高作為站頂面并不容易。除此之外，5G宏基站的設(shè)備對抱桿也有很高的要求，普通的路燈桿、警燈桿等在高度和承重方面都欠缺安裝要求。由于AAU體積較大，主流設(shè)備廠商的AAU設(shè)備的體重均在35kg以上，所以在抱桿的選擇上限制較多。如果不能增加小桿站的高度和強(qiáng)度，那么建設(shè)更密集站址的5G站，采用小基站進(jìn)行信號覆蓋或許是一種更好的方案。

2.2 室內(nèi)覆蓋

在3G、4G時代，以小區(qū)為代表的室內(nèi)覆蓋相對密集但流量需求分散，以宏基站覆蓋方式為主。到了5G時代，工作頻率提高較多，當(dāng)大于3.5GHz時，路徑損耗和穿透損耗急劇上升，大大降低了有效覆蓋。不同外墻材料的損耗差異較大。 損耗一般高于20dB，有的損耗高達(dá)30dB，對信號穿透影響很大?，F(xiàn)網(wǎng)是通過在室內(nèi)部署室內(nèi)分布系統(tǒng)來完成室內(nèi)深度覆蓋，由于5G具有高頻段特點，將傳統(tǒng)的DAS應(yīng)用到5G信號覆蓋上，僅通過更換信號源是不可行的?，F(xiàn)有的DAS，如饋線、功分器、合路器和放大器多數(shù)工作時都要求工作頻率低于2.5GHz，這只能滿足4G，而對于5G Sub6G以及未來的毫米波信號是無法接入的。電信的3.5GHz可以很好反應(yīng)這點，存量的合路器、耦合器、天線等均沒辦法使用，如圖1所示：

考慮到5G的多天線以及4×4 MIMO工程建設(shè)性難特性。如需升級1T1R或2T2R的室內(nèi)分布系統(tǒng)為4T4R，操作較為復(fù)雜，需要將4路的DAS部署4條饋線、4套設(shè)備和天線，此外5G的高頻率資源分配和復(fù)雜場景應(yīng)用使得無線通信更為復(fù)雜，這給網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)帶來了較大的挑戰(zhàn)。目前可行性最好的方案為：有源室分的方式進(jìn)行室內(nèi)信號覆蓋，由于在高容量場景下進(jìn)行，導(dǎo)致建設(shè)成本偏高。

2.3 5G小基站室外覆蓋

在5G網(wǎng)絡(luò)興起前期，宏基站被作為主要的部署方式。小基站在業(yè)務(wù)場景運行穩(wěn)定前提下，不僅保證了用戶的高速體驗效果，而且5G信號的連續(xù)廣泛覆蓋特性體現(xiàn)較為明顯。

5G小基站體積小、重量輕，易于安裝和維護(hù)，提高了網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性和通用性，降低了增加宏基站的成本，并實現(xiàn)了高速致盲和吸熱。但是，由于小基站的發(fā)射功率低，覆蓋范圍短，其實并不適合網(wǎng)絡(luò)方案的連續(xù)修補(bǔ)，也無法對宏基站的功能替代，5G中過多的部署小基站會影響整體網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和后續(xù)優(yōu)化。由于5G小基站的過度部署會對網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和后續(xù)優(yōu)化，因此需要在建設(shè)規(guī)劃中嚴(yán)格遵循以下2個原則。1.不應(yīng)影響宏基站的覆蓋范圍，且保證周圍宏基站的輸出功率正常。2.在宏基站中、遠(yuǎn)區(qū)（覆蓋較弱區(qū)段）設(shè)置小基站，避免相互干擾。

2.4 5G小基站在室內(nèi)覆蓋

在4G時代，室內(nèi)信號覆蓋主要采用無源室分（使用傳統(tǒng)DAS）和小型基站系統(tǒng)（有源數(shù)字室分系統(tǒng)）兩種方式。傳統(tǒng)的DAS組成部分包括：BBU、RRU、合路器、功分器和小型天線。小型基站比DAS有優(yōu)勢。網(wǎng)絡(luò)配置由BBU、RHub和pRRU組成，設(shè)備形式簡單，易于建設(shè)。對整個設(shè)備可以全局監(jiān)控，通過在網(wǎng)管上對設(shè)備實時監(jiān)控，從而掌握設(shè)備的工作狀態(tài)。它還具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，可以通過軟件升級靈活擴(kuò)展，跟上網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展步伐?，F(xiàn)階段5G小基站的建設(shè)成本偏高，但隨著需求和產(chǎn)量的逐步增加，參照4G時代的價格模式，5G小基站的建設(shè)成本將逐步回落。

三、網(wǎng)絡(luò)柵格級覆蓋思路

如圖2所示，總體設(shè)計理念是將區(qū)域地圖柵格化，利用基站的數(shù)據(jù)（基站的地理坐標(biāo)、基站的終端數(shù)量和移動的信號強(qiáng)度），通過基站的多點定位算法估算出移動的經(jīng)緯度坐標(biāo)，并根據(jù)得到的坐標(biāo)在柵格層面對移動進(jìn)行柵格化。通過劃分區(qū)域得到設(shè)定范圍內(nèi)的終端數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。該系統(tǒng)在5G基站部署、移動用戶統(tǒng)計、用戶運動軌跡和人流密度特征的描述方面應(yīng)用較好，為城市商圈規(guī)劃，擁擠公共區(qū)域的人群疏散和路線規(guī)劃等問題提供了不錯的方案。

3.1基站多點定位算法

多點定位算法模型需要得到用戶位于多個基站的位置信息，并且保證每位用戶至少存在三個及三個以上的基站定位信息。通過基站基礎(chǔ)信息獲取所有基站的坐標(biāo)值，利用多個基站點定位算法建立模型，計算每個基站距離用戶的最短距離，定位用戶的坐標(biāo)位置。多點定位算法模型主要以每個基站離用戶的距離為半徑形成一個圓形，通過多個圓的交界點精準(zhǔn)定位用戶的坐標(biāo)位置。

3.2多點定位算法模型

若同一區(qū)域有n個基站，所有基站接收到的信號來自同一終端，設(shè)各基站的位置坐標(biāo)分別為（α1，β1），（α2，β2），（α3，β3），…，（αn，βn）假設(shè)移動終端接受到的基站信號強(qiáng)度分別為w1，w2，w3，…，wn。則移動端坐標(biāo)位置可用如下模型計算。

基站多點定位坐標(biāo)計算公式：

R：地球半徑;αi：第i個基站的緯度坐標(biāo)值;βi：第i個基站的經(jīng)度坐標(biāo)值;wi：用戶接收到的第i個基站的信號強(qiáng)度值;x，y，z：經(jīng)緯度在直角坐標(biāo)系下對應(yīng)位置加權(quán)匯總;xavg，yavg，zavg：經(jīng)緯度在直角坐標(biāo)系下對應(yīng)位置匯總的均值;θlat：需要定位點的緯度;θlon：需要定位點的經(jīng)度。

3.3柵格級網(wǎng)絡(luò)覆蓋

結(jié)合基站的實時數(shù)據(jù)給終端編號，移動端與多個基站之間的信號強(qiáng)度已知值，根據(jù)多點定位算法計算移動終端的經(jīng)緯度坐標(biāo)。將基站所在區(qū)域劃分為50米長寬的柵格級圖，通過判斷移動端經(jīng)緯度坐標(biāo)是否在某一柵格區(qū)域內(nèi)，從而進(jìn)行對該柵格的用戶進(jìn)行統(tǒng)計，分析5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，柵格級用戶數(shù)量，柵格級網(wǎng)絡(luò)狀況，柵格級用戶密度。用戶覆蓋量分析：通過柵格化用戶覆蓋量分析，可以了解到某個柵格（小區(qū)、商場）下有多少用戶，根據(jù)此用戶信息建立精準(zhǔn)的5G營銷活動。用戶駐留比分析：通過用戶駐留比分析可以分析每個柵格用戶的流動情況，哪某個區(qū)域激增、驟降情況。網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)弱覆蓋效果評估：通過網(wǎng)絡(luò)弱覆蓋效果分析，可以了解某個區(qū)域用戶的信號覆蓋情況。

四、結(jié)束語

該方案實現(xiàn)了基于大數(shù)據(jù)的。通過MR數(shù)據(jù)挖掘和分析，利用自身的AGPS和TA信息，建立基于大數(shù)據(jù)的多點定位方案模型，在柵格層面上基于移動端用戶位置信息分析用戶覆蓋量、用戶駐留比和網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)弱覆蓋效果等為優(yōu)化基站建設(shè)和用戶感知建設(shè)提供支撐。此方法給運動軌跡的刻畫、人員密度的表征、公共管理的人員疏散、路線規(guī)劃等提供了方案。然而，目前業(yè)界利用MR數(shù)據(jù)統(tǒng)計用戶的做法并不十分準(zhǔn)確，由于不同環(huán)境下移動信號強(qiáng)度的偏差和現(xiàn)實環(huán)境的復(fù)雜性，柵格級的網(wǎng)絡(luò)覆蓋分析會出現(xiàn)誤差。隨著5G技術(shù)發(fā)展迅猛，基站定位技術(shù)將迎來快速發(fā)展，精度也將進(jìn)一步提高。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 姜麗， 楊立敏. 5G 時代小基站的建設(shè)需求分析[J]. 通信設(shè)計 與應(yīng)用， 2019.

[2] 王升龍. 探析 5G 基站規(guī)劃建設(shè)的難點[J]. 通信設(shè)計與應(yīng)用， 2019.

[3] 梅雅鑫. 5G 已來小基站廠商蓄勢待發(fā)[J]. 5G·無線， 2019.

[4] 管文明，廖夢石. LTE小區(qū)合并技術(shù)及其在現(xiàn)網(wǎng)的應(yīng)用 實踐[J]. 電信技術(shù)， 2015，7（11）： 85-88.