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5G基站需要隔多远建一个?关于网络规划的那些问题

在中国,5G网络的建设已经进入了第二期,从重点覆盖走向全面覆盖,从室外覆盖走向深度覆盖。

在此期间,经常有亲密用户进行如此的灵魂拷问:

  • 5G基站需要隔多远建一个?

  • 5G网络的平均下载速率是多少?

  • 5G网络下随时随地都能流畅地做直播吗?

这些问题其实都和网络规划相关。网规是建网前最关键的步骤,也是移动通信产业中一个至关重要的工作岗位。

    啥是网规?
凡事预则立,不预则废。话说要建设一张5G网络,总得有个目标规划,不然,花了大价钱买设备做工程,稀里糊涂地安装好,可能发现平均速率也没快多少。
网络规划,就是要明确目标,花多少钱,建多少站,服务多少用户,速率多高,把一切都安排得明明白白。
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由于网络建设是一个端到端的复杂过程,包含了无线接入,传输,核心网,配套设施(铁塔,机房,电源,空调,消防)等环节,规划需要把各个环节统一考虑,这就是“广义”的网络规划。
但我们平时脱口而出的“网规”,则是专指无线网络的规划。这是因为接入网涉及到多个基站的建设,投资最大,网络的性能和用户体验直接相关,自然成为关注的重中之重。

    网规能做些啥?
要在一片地区建设5G网络,网规需要回答下面一组问题:
1.  需要建多少基站,才能覆盖良好,容量足够?
2.  这些基站要建在什么地方,才能达到覆盖和容量要求?
3.  预计建成后的网络性能如何,平均下载和上传速率是多少?
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这里的三个问题和本文最前面提出的三个问题,在本质上都是一样的。
网规,就是使用一系列的方法论和工具,指导网络建设,让运营商的钱花在刀刃上。解答好这些问题,就是网规工作的最大价值。
另外,网络在建成之后,随着用户的发展,难免需要扩容,或者频谱重耕,把原先的3G和4G的频谱拿来给5G用,到底要什么时候扩容,哪些站应该扩容,怎样做才能不影响性能,这些也是网规的工作内容。

    网规要咋做?
网规是一个系统工程,需要遵循严格的流程。这个流程包含了需求分析,规模估算,站点选择,规划仿真这四步。
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  • 需求分析:

需求分析的目的,是要确定网规的目标。目标不清,做什么都是错,纲举目张,一切才有了方向。
这一步,核心工作是搜集信息,也就是问客户问题:
1.  口袋里有多少钱,希望建多少站点?
2.  想要覆盖哪些地方?一般来说分为四类:密集城区,一般城区,郊区,农村,您要覆盖的地方,这些场景各占多大比例?不同场景的重要性不同,规划的标准也是不一样的。
3.  要用哪个频段?不同频段的传播特性不同,对站点数量的影响非常大。比如在中国,用700M来覆盖就仅需45到50万个基站,而用3.5GHz来覆盖的话,需要的站点数是700M的6倍之多。
4.  要服务多少用户,采用什么话务模型?这俩问题是为了核算规划网络的容量能否和客户的目标相符。
5.  想要开展什么业务? 不同业务需要的下载和上传速率是不一样的,对时延的要求也不尽相同。网规需要根据业务需求设定一个边缘速率,也就是在这个小区内任意位置都可以支持这种业务。
以5G为例,虽然愿景中定义了三大场景,但初期我们聚焦于面向个人用户的增强型移动宽带业务(eMBB),目前各种典型业务的需求如下表所示。

业务类型

上行/下行

带宽需求

时延需求

视频直播

(720P,1080P)

上行/下行

2~5Mbps

50ms

2K视频

下行

10Mbps

50ms

4K视频

下行

25Mbps

50ms

8K视频

下行

50Mbps

50ms

VR/AR

下行

20~50Mbps

20ms

云游戏

下行

100Mbps

20ms

目前手机屏幕的分辨率集中在1080P到2K,就算考虑到其他高清设备,50Mbps的速率已足以在线看4K视频了,满足需要云游戏要求就需100Mbps的速率。
对于视频直播来说,消耗的流量以上行为主,按照手机拍摄720P到1080P的视频来算的话,上传速率约为2~5Mbps
因此,对于5G高价值场景,规划的小区边缘速率建议下行50Mbps,上行2Mbps;在超高话务的热点区域,建议按下行100Mbps,上行5Mbps来规划

  • 规模估算:

完成了建网目标的需求分析,下来就需要评估需要建设多少基站了。一般按照覆盖和容量这两个维度来算,也就是,先按照覆盖来估一版需要的站点数,再按容量来算一版站点数,然后在两个中取多的那个。

我们先来看基于覆盖的规模估算。
要进行基于覆盖的规模估算,首先要进行的就是链路预算。
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链路预算的思想是,按照目标的边缘速率要求,再考虑信号从基站或者手机发出经历的馈线损耗,传播损耗,穿透损耗,天线增益等过程,得到最大允许的路径损耗值(MAPL,Maximum Allowed Pass Loss),再结合传播模型,就可以得到小区的覆盖范围了。
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一般来说,基站的能力强,发射功率大,可达200瓦到320瓦,而手机的发射功率则要小得多,一般为0.2瓦到0.4瓦。因此上行的MAPL要小于下行,也就是说,覆盖是上行受限的,计算小区半径的时候,只考虑上行就可以了。
所谓传播模型,就是表达无线信号怎样在空间中传播的数学模型。频段不同,覆盖场景不同,天线的高度不同,都会导致使用模型的差异。
对于5G来说,协议定义了三种传播模型UMi,UMa,RMa。其中UMi用于城区的微站覆盖场景,UMa用于城区的宏站覆盖场景,RMa则用于农村地区的宏站覆盖场景。
这些传播模型和最大路损之间的数学关系相当复杂,这里就不展开说了,大家只需知道,根据最大路损和传播模型,就可以算出手机和基站之间的最大距离,也就是小区半径了。
有了小区半径,自然就可以算出站间距,也可以算出单个基站的覆盖面积了。通过用该区域的总面积除以单站的覆盖面积,所需的站点数也就算出来了。
注意,在网规中,一般按照每个基站三个扇区,每个扇区是一个正六边形来计算,因此一个站的覆盖面积相当于三个正六边形的面积。
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对于5G来说,以2.6GHz频段,边缘速率2Mbps为例,在密集城区的站间距约为450米,一般城区约为700米,郊区约为1300米。3.5GHz由于频率高覆盖要差一些,站间距都要比2.6GHz小100米左右。
下面,再来看基于容量的规模估算。
首先要搞清楚基站的容量到底是多少。这个容量并不是理论峰值速率,而是综合考虑了无线环境,覆盖场景,用户分布,综合多天线技术,基站和手机的发射功率,以及干扰情况得出的一个平均值,通常由系统仿真得到。
比如,在密集城区,5G在频段2.6GHz的下行平均容量一般为800M到1000Mbs,一般城区和郊区则更低,而所有场景下的理论峰值速率都可以到1700Mbps以上
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有了基站容量,再根据总用户数,业务的渗透率,以及单用户的业务模型:忙时每用户打多长时间电话,下载或者上传多少数据量,就可以算出支撑这么多用户的各种业务需要多少基站了。
好了,有了基于覆盖和容量这两个维度估算的站点数,取其大者,就是网络规划所需要的站点数了。下一步,就是要确定这些站点都应该建在哪里。

  • 站点选择:

如果是全新建站,就要借助各种工具,把站点按照用户的分布情况来在地图上布下去,按照密集城区,一般城区,郊区,农村这样的优先级来进行,对于交通干道,旅游景点也要重点考虑。
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需要注意的是,尽量不要把站点放在山顶,道路中间,湖泊,海里等明显不适合的地方,或者周边有无线电台,雷达站,卫星地面站等干扰源的附近。
当然,移动通信经过了这么多年的发展,前面的2G,3G和4G在部署的时候,早已建设好了大量的站点,拥有现成的机房,铁塔,配套资源。因此5G在新建的时候,只需要利用这些现成的站址,在上面增加设备即可,实在不满足覆盖和容量的时候,才考虑新建站点。

  • 规划仿真:

前面的几步再精确缜密,其实也不过是纸上谈兵。实际环境中,地形复杂,加之建筑密集,扇区的覆盖怎么可能是正六边形呢?用户的分布和业务使用也需综合考虑,简单估算也未必符合实际情况。
这就需要通过“仿真”这个工具来验证。仿真理解起来,非常容易,就是“仿”真,模仿现实存在中真的东西。
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也就是说,仿真软件会通过高精度地图掌控目标区域的地形地貌,以及其上的建筑,树木等一切必要信息,再加上基站的位置,天线高度,天线增益,手机高度,手机能力,及用户分布等全方位信息,计算出覆盖,干扰,平均速率,边缘速率等各项指标。
在5G时代,引入了Massive MIMO技术,可通过大规模天线阵列,以及波束赋形来实现上下行多流传输,并增强了垂直覆盖能力,因此仿真需要演进到3D楼宇仿真才能准确反映覆盖效果。
并且,Massive MIMO因其强大的波束赋形能力,可以灵活地调整下面5个参数:水平波瓣宽度,垂直波瓣宽度,方向角,下倾角,以及波束数量。这5个参数可通过调整不同天线的权值来确定,在仿真中也需要一并考虑。
最后,使用仿真的结果来修正前面通过覆盖和容量估算的站点数和站点位置,就可得出最终规划的结果,可以给客户输出网规技术建议书了!
相信看到这里,大家对最前面的那三个问题已经有了答案