洪超宇 張炎生

摘要：在5G普及之前，4G依舊是移動通信網(wǎng)絡(luò)的主力軍。進行應(yīng)急優(yōu)化的體育場占地65799 m2，最多可以容納6萬余人，是當(dāng)?shù)嘏e辦體育比賽和大型活動的主要承擔(dān)者。當(dāng)進行活動時，人流量有激增的現(xiàn)象，面對著巨大的信息沖擊，需要保障此區(qū)域的通信。目前會影響信號質(zhì)量的問題主要有基站的容量問題和同頻干擾問題。該方案主要方法是實地調(diào)查并記錄體育場周圍的室外基站和體育場的室內(nèi)分布系統(tǒng)，分析是否有容量不足和干擾的現(xiàn)象;再運用測試機對此體育場周圍進行信號路測，通過測試機測得的數(shù)據(jù)直觀反映信號不良的區(qū)域，結(jié)合信號分布分析原因，再進行方案設(shè)計。為使用戶獲得的下行速率不低于2 Mb/s ，優(yōu)化的方案包括改造室內(nèi)分布系統(tǒng)和派遣應(yīng)急通信車進行下行容量的支持，并使體育場周圍的 RSRP值維持在-75 dBm ，SINR值不低于15 dB ，使得室內(nèi)可以進行中等速率的通信業(yè)務(wù)，室外可以進行較高速率的通信業(yè)務(wù)。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急通信;大型場館;工程設(shè)計

中圖分類號：TN929.5文獻標志碼：A文章編號：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(yīng)急通信主要可以分為兩種[1]，第一種是應(yīng)急通信服務(wù)，對于在計劃內(nèi)的活動，利用已經(jīng)擁有的技術(shù)和設(shè)備來滿足目標區(qū)域內(nèi)的通信需求;第二種是減災(zāi)通信，由于自然災(zāi)害等事件屬于突發(fā)事件，難以預(yù)料到從而提前部署，所以在事發(fā)后運用靈活的應(yīng)急通信方式以及相關(guān)設(shè)備為目標區(qū)域提供通信的支持，從而為救援重建等工作提供通信保障。

應(yīng)用在大型場館中的應(yīng)急通信大部分屬于應(yīng)急通信服務(wù)，例如2008年舉辦奧運會時候的北京鳥巢體育館、水立方體育館;舉辦春節(jié)活動的廣州各大花市等，應(yīng)急通信的保障工作必不可少。又如2020年初，因為新冠肺炎疫情而迅速建成的武漢火神山醫(yī)院中的應(yīng)急通信保障屬于減災(zāi)通信[2]，疫情突然爆發(fā)，跟時間賽跑以挽救更多的生命，而龐大的醫(yī)療人員、患者、支援救援人員等之間的通信需求突增，在政府、運營商、建設(shè)者各方的協(xié)調(diào)和齊心協(xié)力之下[3]，在火神山醫(yī)院開工的當(dāng)晚，就搭建成一個可以滿足當(dāng)前需求的5G網(wǎng)絡(luò)，為疫情攻堅阻擊戰(zhàn)的勝利奠定了堅實的基礎(chǔ)。

本設(shè)計采用中國電信運營商來進行研究，應(yīng)解決4G 網(wǎng)絡(luò)的重疊覆蓋和用戶容量兩個關(guān)鍵問題。達到為體育場提供在用戶量突增情況下的最優(yōu)移動應(yīng)急通信解決方案和為諸如此類的大型場館提供應(yīng)急通信建議等預(yù)期目標。本設(shè)計的創(chuàng)新點是通過對此體育場的4G移動系統(tǒng)應(yīng)急優(yōu)化方案，探尋出一套對諸如此類的大型場館的應(yīng)急4G移動系統(tǒng)應(yīng)急優(yōu)化方案[4]。

1 體育場原設(shè)計和存在問題

1.1 設(shè)計流程

體育場設(shè)計流程[5]如圖1所示。到達體育場進行實地調(diào)研，內(nèi)容包括周邊室外基站的分布情況和體育場的室內(nèi)分布系統(tǒng)，再進行測試設(shè)備的調(diào)試，選定有代表性的測試地點，用中國電信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的軟件測得并記錄測試終端收到的各項性能指標。分析原因并提出應(yīng)急優(yōu)化的解決方案，分析該方案是否可行、合理。在方案實施后，再對網(wǎng)絡(luò)進行測試，和之前的數(shù)據(jù)進行比較分析，判斷是否有效果，然后形成優(yōu)化報告，整理數(shù)據(jù)。若方案不合理，則應(yīng)當(dāng)重新分析原因并提出新的方案，重復(fù)步驟。

1.2 體育場室外基站分布

此體育場目前共有 LTE 室外站12個，都為單發(fā)單收類型的 FDD-LTE 基站，每個基站單扇使用的系統(tǒng)帶寬為2×20 MHz ，下行峰值吞吐速率為200 Mb/s ，單扇同時在線的 VoLTE 用戶數(shù)不少于400個。20 M 的系統(tǒng)帶寬可以最大同時保持連接的用戶數(shù)為1200人左右，可以最大保證400個人同時使用移動網(wǎng)絡(luò)[6]。經(jīng)計算可得，此體育場室外基站可以最大同時連接的用戶數(shù)為28800個，可以提供的最大下行容量為4800 Mb/s 。此體育場圖2體育場室外基站的位置分布室外基站的位置分布如圖2所示。

1.3 體育場室內(nèi)分布系統(tǒng)

現(xiàn)有的室內(nèi)分布系統(tǒng)把此體育場分成了38個物理小區(qū)，且每個物理小區(qū)都采用雙載頻1.8/2.1 G 載波聚合。在有棚頂?shù)?2個物理小區(qū)中采用賦形天線;在無棚頂?shù)?個物理小區(qū)中采用射燈天線。如圖3所示。每個雙載頻物理小區(qū)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)下行承載能力為120 Mb/s ，總共可以同時提供的下行容量為4560 Mb/s[7]，存在著一定的重疊覆蓋。

1.4 下行容量估算

此體育場的最大容納為六萬人，假設(shè)體育館承載量達到最大容量[8]。根據(jù)中國電信的市場占比，按照30%計算，使用中國電信的人數(shù)大概有18000人。由于4G 的普及[9]，活躍用戶的取值取80%，可得活躍用戶數(shù)為14400人。兩大4G制式之一的 FDD-LTE 是中國電信所使用的4G制式，故用戶滲透率為100%。設(shè)同時激活的人數(shù)比例為60%，則最多有8640（14400×60%）人同時使用4G 網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)單用戶下行體驗速率為2 Mb/s ，則最大同時激活的用戶下行容量的總需求為17280 Mb/s （8640×2）。

1.5 應(yīng)急優(yōu)化前測試

設(shè)計中把測試點設(shè)定在了此體育場東、南、西、北共4個入口處，如圖4所示。

測試的結(jié)果如表1所示。由測試結(jié)果可得，4個測試點的區(qū)域范圍的 RSRP 值均小于-85 dBm ，平均值為-93 dBm ，說明此體育場周圍信號覆蓋一般，在體育場室內(nèi)起呼成功率較低，而在室外可以進行低速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。SINR 值普遍偏低，最高是東廣場附近的區(qū)域，達到6 dB ;最低是北廣場附近的區(qū)域，達到1 dB，表明體育場總體的4G信號質(zhì)量較差。說明了體育場在用戶量激增的情況下，無法提供足夠的用戶下行容量來保證用戶的正常通信，急需優(yōu)化。

2 應(yīng)急優(yōu)化設(shè)計方案

2.1 優(yōu)化室內(nèi)分布系統(tǒng)

室內(nèi)分布系統(tǒng)的工作流程為，把場館分為若干個小區(qū)后，采用 BBU+RRU 的多通道方案，每個小區(qū)按照不同的環(huán)境使用不同類型的天線，如有棚頂?shù)膮^(qū)域采用賦型天線，波束窄、旁瓣抑制比高，所以可以增加小區(qū)之間的間隔度，有效降低重疊覆蓋;無棚頂?shù)膮^(qū)域采用射燈天線，水平波束較窄，垂直波束較寬，所以可以最大程度地滿足垂直面的需求。

優(yōu)化方案為，把有棚頂?shù)膮^(qū)域從32個 FDD LTE 雙載頻物理小區(qū)增加到40個，無棚頂?shù)膮^(qū)域從6個增加到10個，同時，BBU、RRU 和天線等器材和設(shè)備都要相應(yīng)地增加，配套使用。理論上可以提供的同時最大激活下行用戶容量增加至6000 Mb/s 。優(yōu)化后的室內(nèi)分布情況如圖5所示。

2.2 布置應(yīng)急通信車

經(jīng)過優(yōu)化后，室外基站和室內(nèi)分布系統(tǒng)可以同時提供的最大激活下行用戶容量約為12800 Mb/s （4800+6000），距離所預(yù)估的最大下行用戶容量17280 Mb/s還有一定的差距。因為此體育場處于市中心區(qū)域，采用應(yīng)急通信無人機的方案需要考慮禁飛區(qū)域與停放區(qū)域的限制，所以最佳方案是向中國電信申請應(yīng)急通信車來補充缺少的下行用戶容量。應(yīng)急通信車的天線的高度一般在10～15 m左右，工作流程大致如下：核心網(wǎng)通過交換機可以連接衛(wèi)星通信系統(tǒng)[10]，通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與指揮中心[11]保持實時通信;核心網(wǎng)通過網(wǎng)線連接 LTE 基站，基站可以為用戶終端提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)，此外，基站還可以與車載 CPE連接，將4G信號轉(zhuǎn)化為WiFi信號，也可以為用戶終端提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)。

由于①點位通過的人流量最大，同時RSRQ 和 SINR 值都偏低，綜合信號質(zhì)量較差，所以此方案將應(yīng)急通信車部署在了①點位附近。應(yīng)急通信車發(fā)射的而信號采用 2.1 G 的頻段，天線位置[12]越離地面15 m左右，左邊的天線方位角設(shè)為 260°，下傾角為 20°，可以覆蓋前面約45 m的范圍;中間的天線和右邊的天線為體育場提供用戶下行容量，其中，中間的天線方位角為325°，右邊天線的方位角為 30°，下傾角都設(shè)為 5°，可以覆蓋前面約180 m的范圍。應(yīng)急通信車的位置和天線方向如圖6所示。

3 此方案優(yōu)化目標

經(jīng)過室內(nèi)分布系統(tǒng)的優(yōu)化和應(yīng)急通信車進行用戶下行容量補充后，再對信號覆蓋情況進行測試。測試點如圖4所示，與之前一致，相對應(yīng)的優(yōu)化前技術(shù)指標與預(yù)期性能指標對比如表2所示。

采用改造室內(nèi)分布系統(tǒng)和部署應(yīng)急車的方案優(yōu)化后，優(yōu)化目標的RSRP值維持在-75 dBm左右，信號覆蓋較好，室內(nèi)環(huán)境進行的通信業(yè)務(wù)速率中等，室外環(huán)境進行的通信業(yè)務(wù)速率較高，符合用戶可以獲得2 Mb/s的下行速率的要求。原本綜合信號質(zhì)量最差的①點位經(jīng)過優(yōu)化達到了較為理想的SINR值，而各點的RSRQ值都處在中等偏上的位置，說明信號質(zhì)量較好。

4 結(jié)束語

以估算最大用戶下行容量的方式，來對所應(yīng)急優(yōu)化區(qū)域進行分析，分析的內(nèi)容包括室外基站數(shù)量及分布以及室內(nèi)分布系統(tǒng)的情況。對于市中心的大型場館，首先要考慮其周圍的室外基站分布，其附近的通信設(shè)施較為完善，如果再增設(shè)基站會引起信號的重疊覆蓋，從而引起同頻干擾的現(xiàn)象發(fā)生，所以最佳的方案還是對室內(nèi)分布系統(tǒng)進行改造。此外，可以加派應(yīng)急通信車補充下行用戶容量。對于一些處在郊區(qū)的大型場館，周邊的通信設(shè)施較為缺乏，首先考慮增設(shè)基站，保持成本投入與用戶使用信號質(zhì)量的動態(tài)平衡，其次才是優(yōu)化室內(nèi)分布系統(tǒng)。在普及5G之前，要把4G的應(yīng)急優(yōu)化系統(tǒng)完善，為5G的發(fā)展鋪好道路。

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第一作者簡介：洪超宇（1999-），男，廣東陽江人，大學(xué)本科，研究領(lǐng)域為通信工程。

※通訊作者簡介：張炎生（1962-），男，湖北天門人，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域為通信工程、信息技術(shù)。

（編輯：刁少華）