5G移动通信技术基站选址方案的研究.pdf

2023 年 8 月 25 日第 7 卷 第 16 期现代信息科技Modern Information TechnologyAug.2023 Vol.7 No.1601012023.082023.08DOI:10.19850/ki.2096-4706.2023.16.001收稿日期：2023-03-06基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划项目（202213988011Y）；教育部产学合作协同育人项目（202102357032）；江苏高校“青蓝工程”5G 移动通信技术基站选址方案的研究郭彦文，田亚平，郭志成（江苏师范大学科文学院 电气与智能制造学院，江苏 徐州 221132）摘 要：5G 的基站选址作为 5G 的命脉，其选址原则与传统的基站选择原则大不相同，存在一系列的问题和挑战。针对 5G 基站选址存在的问题，结合 5G 移动通信技术本身的结构和频谱等特性，对传统的站址选取原则进行改进，解决 5G 基站建设过程中存在的选址难度大和受信号干扰等问题，形成适合于 5G 移动通信技术的基站选址方案，有望改善目前的 5G 基站境况。关键词：5G；基站选址；频谱；覆盖面中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）16-0001-05Research on Base Station Location Selection Scheme of 5G Mobile Communication TechnologyGUO Yanwen,TIAN Yaping,GUO Zhicheng(School of Electrical and Intelligent Manufacturing,Jiangsu Normal University Kewen College,Xuzhou 221132,China)Abstract:The location selection of 5G base stations,as the lifeblood of 5G,differs greatly from traditional base station selection principles and poses a series of problems and challenges.In response to the problems of 5G base station location selection,combined with the inherent structure and spectrum characteristics of 5G mobile communication technology,the traditional principle of site location selection is improved to solve the problems of difficult station location selection and signal interference during the construction process of 5G base stations.A suitable base station location selection scheme for 5G mobile communication technology is formed,which is expected to improve the current situation of 5G base stations.Keywords:5G;base station location selection;spectrum;coverage0 引 言移动通信是社会运行和国民经济的基础产业之一1，它每次的技术革新都会对社会造成十分巨大的影响，改变人们的生活方式。随着科技的飞速发展，移动通信技术已发展为第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technology,5G），是到目前为止最新一代蜂窝移动通信技术2。其主要目标是实现高数据传输速率，增加系统容量并与大规模的设备连接3。与 4G 移动通信技术相比，5G 在传输速度和安全性方面有了显著的提升4，具有更高的带宽、速度和较低的延迟，支持数千亿个物联网设备的连接5。为整个通信行业的发展奠定了基础，并为中国经济复苏提供强有力的技术保障6。随着 5G 技术的快速发展，5G 基站的分布范围逐步扩大7。然而，建设过程中的 5G 基站选址仍是制约其快速发展的关键因素。与 4G 基站相比，5G 基站建设的覆盖范围相对较小，需要建设更多的基站才能达到 4G 基站覆盖的效果。从基站选址方面来看，5G 服务范围主要集中在高频接收上8，高速无线传输技术和通信网络中对数据传输的高要求间接削弱了 5G 的覆盖范围。在空间布局上，5G 基站的布局优化须基于4G基站网络来确定辐射范围，在满足网络覆盖需求的同时，也不会破坏原有的空间格局。在 5G 网络中，相邻节点的传输损耗相似，干扰程度相近，这将导致各种网络性能的恶化，进一步增加 5G 基站规划的难度。本文根据 5G 基站的结构特性和 5G 网络频谱特性，分析了 5G 基站建设选址的要求，探讨了 5G基站建设过程中存在的选址难度高以及受信号干扰等问题，合理引入微型基站，考虑到话务分布和基站高度，尽可能避开周边干扰设施，以较低成本完成 5G 基站建设中的选址规划。现代信息科技8月下16期.indd 1现代信息科技8月下16期.indd 12023/8/15 17:37:572023/8/15 17:37:570202第 16 期现代信息科技2023.082023.081 5G 基站结构和频谱特性1.1 5G 基站的结构5G 基 站 是 5G 通 信 网 的 核 心，包 括 5G 网关、5G 集线器、5G 芯片组、5G 移动热点和室内外 5G 路由器等，它的主要目的是实现无线网络覆盖，实现用户设备与中央网络的通信。根据功能层面划分，5G 基站分为 5G 基带单元和 5G 射频单元，可以通过通用公共射频接口（Common Public Radio Interface,CPRI）或增强型通用公共射频接口（Enhanced Common Public Radio Interface,ECPRI）进行连接。5G 基带单元负责处理新空口（New Radio,NR）基带协议，集成用户平面（User Plane,UP）和控制平面（Control Plane,CP）协议处理功能，支持基站之间的互连接口（XN 接口）和核心网回程接口（NG 接口）。为了提高资源的利用率，满足增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband,EMBB）、大型物联网（Massive Machine Type Communication,MMTC）和低时延高可靠物联网（Ultra-Reliable Low-Latency Communications,URLLC）三个 5G 基站所需的主要功能，5G 基站结构也因此进行了相应的改进。4G基站通信网络基本的产品结构体系是基带处理单元（Bandwidth Based Unit,BBU）和射频拉远单元（Remote Radio Unit,RRU）结构，而 5G 基站的产品结构体系已发生很大的变化，成为由中央单位控制单元（Control Unit,CU）、分布式单元（Distributed Unit,DU）和有源天线单元（Active Antenna Unit,AAU）构成的三级结构9，如图 1 所示。BBU 分为 CU 和DU，CU 集中处理高级别协议处理（PDCP/RRC），站点分部保留底层协议处理（MAC/PHY）10。这样的结构体系在进行多个连接时较为便捷，实现了高频与低频的协作，并且简化了平台交换和开放过程。RRCPDCP-CSDAPPDCP-URLCMACPHYRFN2N3E1F1-CF1-U核心网CUDUAAU回传中传前传控制面用户面AMFUPF图 1 5G 基站结构1.2 5G 频谱与覆盖频谱是通信领域的稀缺资源。目前，3 000 5 000 MHz 是 5G 网络的主要工作频段，远远高于4G 网络所使用的频段。在信息传输的过程中，信号频段越高，其衰减程度越大，所需的基站密度更大。5G 网络所需的频谱资源超过前几代通信网络的总和。2019 年，工业和信息技术部发布了关于中国移动通信系统频率的计划，5G 系统的工作频带为 3 300 3 600 MHz 和 4 800 5 000 MHz11，室内使用频带为 3 300 3 400 MHz。中国移动 5G 基站网络主要使用 2.6G 和 4.9G 频带12，中国电信和中国联通 5G 网络获得 3.5G 频段。5G 频段的局限性使得 5G 基站的覆盖半径不超过 1 千米，现有基站站址的分布密度还无法满足5G 信号全覆盖的需求。由此可见，站点建设增量较大及其紧迫性使得选择合适的站址方案变得越发重要。2 5G 基站选址存在的问题2.1 基站结构改变带来的基站选址问题相较于 4G 基站，5G 基站在结构上发生了较大的变化。4G 通信网络基站的产品体系结构是 BBU和 RRU 结构，而 5G 通信网络基站的产品体系结构则是 CU、DU 和 AAU 的三级结构。这种结构上的不同，给 4G 和 5G 在网络结构层面上的数据传输带来一定的识别难度。同时，5G 基站运营的多种网络系统也在不断地优化之中。在此过程中，它所呈现的数据结构会在原有的网络空间中出现错误，网络系统升级的难度间接增加，使得 5G 基站无法在原有的 4G 基站基础上进行便捷改造，并且大范围内无法使用 4G 基站固有的基站地址，导致 5G 基站的选址建设需要进行全新的规划，在选址建设难度和经济成本投入上形成了巨大的压力。2.2 使用高频段带来的基站选址问题由于 5G 具有主流频段的特性，5G 网络单基站覆盖半径更小，穿透能力更弱，建站密度更高，组网方式更加多样化。对于越来越丰富的应用场景，所选用的站址方案需要均衡各种网络业务的负荷，而现有的基站站址分布密度根本无法满足 5G 信号覆盖的需求。特别是在密集型市区建设 5G 基站，考虑到异构网络的因素，基站站间距较 4G 网络的基站站间距大大减小。此时要想 5G 应用达到理想的网络覆盖率，就要密集地部署 5G 网络基站，这样就使 5G 网络的拓扑结构异常复杂，与以往移动通信系统不兼容的问题也更加凸显。现代信息科技8月下16期.indd 2现代信息科技8月下16期.indd 22023/8/15 17:37:582023/8/15 17:37:5803032023.082023.08第 16 期2.3 基站间干扰带来的基站选址问题为解决网络负载均衡的问题，需要增加 5G 网络微基站的建设量，以防止区域内出现网络堵塞的情况。5G 网络宏基站和微基站共同向信号覆盖范围内的用户提供网络服务，各个基站间会产生信号干扰的问题，另外还有来自 4G 基站的信号干扰。因为5G 网络宏基站与 5G 网络微基站使用的是同样的频谱，5G 网络微基站数量的增加，会加重整个网络系统的信号干扰，其中，5G 网络宏基站与 5G 网络微基站之间产生的信号干扰称为“跨层干扰”，同属一个 5G 网络宏基站下的 5G 网络微基站与 5G 网络微基站之间产生的信号干扰称为“同频干扰”。较大功率设备噪声高，容易影响通信质量，类似通信频段的频率会造成设备之间的相互干扰，从而导致网络质量降低。5G 基站之间的同频干扰如图 2 所示。?图 2 相邻小区同频干扰示意图以上问题的存在，一定程度上形成了选址难、投资成本高和影响城市市容景观等难题，阻碍了 5G基站的大规模建设，致使中国 5G 网络的普及速度降低，不利于 5G 技术在国民经济中发挥应有的作用。3 5G 基站选址方案解决 5G 基站选址存在的问题，对 5G 网络的网络质量和发展方