基于基站定位的栅格级5G用户网络覆盖洞察分析方法
李冠华 洪沛 杨国锋
【摘要】 2020年是網络建设的重要时期，5G网络实现大规模商用，由于频段高、波长短、穿透能力弱，要全面部署高质量的网络存在一定难度，基站建设成为非常关键的一环。本文分析研究了基于基站的多点定位算法，计算移动终端用户的经纬度位置信息;提出了栅格级基站网络覆盖分析方法。
【关键词】 5G 基站 多点定位 栅格
引言：
随着5G技术的应用，物联网和智能化对基于位置的服务提出了更高要求，“5G”定位作为解决室外到室内高精度问题的技术，将发挥更强的赋能作用。5G的技术包括编码方法、波束赋形、大规模天线阵列、超密集组网、毫米波谱等，具有大宽带，有利于参数估计，引入大规模天线，基站可装配128个天线单元，为高精度距离和位置测量提供了基础。
5G基站相比于4G，5G基站的掩盖更加密集，路灯、大街、写字楼里都可以布上5G天线。5G完成密集组网，移动端信号则可被多个基站一起接收到，这将有利于多基站协作完成高精度定位。
一、基于基站的用户定位的价值
随着网络考核、优化工作不断发展完善，基站的邻区数据及相关电平数据愈发精准，通过栅格精细化分析方式，能有效定位出栅格内移动端数量、驻留趋势、网络状况，更加合理的评估网络状况，调整基站分布，并结合5G精准营销活动，提升用户感知。
以基站为中间过渡，进行移动端的定位，能够更直观地发现不同地理位置所特有的用户特征，在研究区域特征和进行区域规划方面，能够提供直观并且实时地有效信息。在移动终端层面来讲，将位置信息和实际地用户特征结合，能够为用户提供更加精准，更加定制化的服务，不仅限于导航等功能，基于基站的区域划分，更够为用户提供更好的城市生活体验，从而实现更好，更智能的城市生活。
二、传统覆盖的现状及5G建设
2.1 室外覆盖
5G宏基站采用AAU主流设备，呈现RRU与天线集成的混合设备形式。
由于AAU采用的天线阵列具有大规模特性，与RRU绕组密不可分，且与4G频段不兼容，需要单独部署和重建。一个5G基站的三扇区需要向天面添加三个较大的AAU设备，在天面拥挤的情况下，很容易导致空间不足。天面已满的情况，扇区无法使用或者需要减少扇区，这大大增加了选址和建设的难度，也增加了信号连片覆盖的难度。尤其是在市区，要找到一个合适的站高作为站顶面并不容易。除此之外，5G宏基站的设备对抱杆也有很高的要求，普通的路灯杆、警灯杆等在高度和承重方面都欠缺安装要求。由于AAU体积较大，主流设备厂商的AAU设备的体重均在35kg以上，所以在抱杆的选择上限制较多。如果不能增加小杆站的高度和强度，那么建设更密集站址的5G站，采用小基站进行信号覆盖或许是一种更好的方案。
2.2 室内覆盖
在3G、4G时代，以小区为代表的室内覆盖相对密集但流量需求分散，以宏基站覆盖方式为主。到了5G时代，工作频率提高较多，当大于3.5GHz时，路径损耗和穿透损耗急剧上升，大大降低了有效覆盖。不同外墙材料的损耗差异较大。
损耗一般高于20dB，有的损耗高达30dB，对信号穿透影响很大。现网是通过在室内部署室内分布系统来完成室内深度覆盖，由于5G具有高频段特点，将传统的DAS应用到5G信号覆盖上，仅通过更换信号源是不可行的。现有的DAS，如馈线、功分器、合路器和放大器多数工作时都要求工作频率低于2.5GHz，这只能满足4G，而对于5G Sub6G以及未来的毫米波信号是无法接入的。电信的3.5GHz可以很好反应这点，存量的合路器、耦合器、天线等均没办法使用，如图1所示：
考虑到5G的多天线以及4×4 MIMO工程建设性难特性。如需升级1T1R或2T2R的室内分布系统为4T4R，操作较为复杂，需要将4路的DAS部署4条馈线、4套设备和天线，此外5G的高频率资源分配和复杂场景应用使得无线通信更为复杂，这给网络管理和维护带来了较大的挑战。目前可行性最好的方案为：有源室分的方式进行室内信号覆盖，由于在高容量场景下进行，导致建设成本偏高。
2.3 5G小基站室外覆盖
在5G网络兴起前期，宏基站被作为主要的部署方式。小基站在业务场景运行稳定前提下，不仅保证了用户的高速体验效果，而且5G信号的连续广泛覆盖特性体现较为明显。
5G小基站体积小、重量轻，易于安装和维护，提高了网络部署的灵活性和通用性，降低了增加宏基站的成本，并实现了高速致盲和吸热。但是，由于小基站的发射功率低，覆盖范围短，其实并不适合网络方案的连续修补，也无法对宏基站的功能替代，5G中过多的部署小基站会影响整体网络规划和后续优化。由于5G小基站的过度部署会对网络规划和后续优化，因此需要在建设规划中严格遵循以下2个原则。1.不应影响宏基站的覆盖范围，且保证周围宏基站的输出功率正常。2.在宏基站中、远区（覆盖较弱区段）设置小基站，避免相互干扰。
2.4 5G小基站在室内覆盖
在4G时代，室内信号覆盖主要采用无源室分（使用传统DAS）和小型基站系统（有源数字室分系统）两种方式。传统的DAS组成部分包括：BBU、RRU、合路器、功分器和小型天线。小型基站比DAS有优势。网络配置由BBU、RHub和pRRU组成，设备形式简单，易于建设。对整个设备可以全局监控，通过在网管上对设备实时监控，从而掌握设备的工作状态。它还具有很强的可扩展性，可以通过软件升级灵活扩展，跟上网络的发展步伐。现阶段5G小基站的建设成本偏高，但随着需求和产量的逐步增加，参照4G时代的价格模式，5G小基站的建设成本将逐步回落。
三、网络栅格级覆盖思路
如图2所示，总体设计理念是将区域地图栅格化，利用基站的数据（基站的地理坐标、基站的终端数量和移动的信号强度），通过基站的多点定位算法估算出移动的经纬度坐标，并根据得到的坐标在栅格层面对移动进行栅格化。通过划分区域得到设定范围内的终端数量和网络状态。该系统在5G基站部署、移动用户统计、用户运动轨迹和人流密度特征的描述方面应用较好，为城市商圈规划，拥挤公共区域的人群疏散和路线规划等问题提供了不错的方案。
3.1基站多點定位算法
多点定位算法模型需要得到用户位于多个基站的位置信息，并且保证每位用户至少存在三个及三个以上的基站定位信息。通过基站基础信息获取所有基站的坐标值，利用多个基站点定位算法建立模型，计算每个基站距离用户的最短距离，定位用户的坐标位置。多点定位算法模型主要以每个基站离用户的距离为半径形成一个圆形，通过多个圆的交界点精准定位用户的坐标位置。
3.2多点定位算法模型
若同一区域有n个基站，所有基站接收到的信号来自同一终端，设各基站的位置坐标分别为（α1，β1），（α2，β2），（α3，β3），…，（αn，βn）假设移动终端接受到的基站信号强度分别为w1，w2，w3，…，wn。则移动端坐标位置可用如下模型计算。
基站多点定位坐标计算公式：
R：地球半径;αi：第i个基站的纬度坐标值;βi：第i个基站的经度坐标值;wi：用户接收到的第i个基站的信号强度值;x，y，z：经纬度在直角坐标系下对应位置加权汇总;xavg，yavg，zavg：经纬度在直角坐标系下对应位置汇总的均值;θlat：需要定位点的纬度;θlon：需要定位点的经度。
3.3栅格级网络覆盖
结合基站的实时数据给终端编号，移动端与多个基站之间的信号强度已知值，根据多点定位算法计算移动终端的经纬度坐标。将基站所在区域划分为50米长宽的栅格级图，通过判断移动端经纬度坐标是否在某一栅格区域内，从而进行对该栅格的用户进行统计，分析5G网络覆盖区域，栅格级用户数量，栅格级网络状况，栅格级用户密度。用户覆盖量分析：通过栅格化用户覆盖量分析，可以了解到某个栅格（小区、商场）下有多少用户，根据此用户信息建立精准的5G营销活动。用户驻留比分析：通过用户驻留比分析可以分析每个栅格用户的流动情况，哪某个区域激增、骤降情况。网络强弱覆盖效果评估：通过网络弱覆盖效果分析，可以了解某个区域用户的信号覆盖情况。
四、结束语
该方案实现了基于大数据的。通过MR数据挖掘和分析，利用自身的AGPS和TA信息，建立基于大数据的多点定位方案模型，在栅格层面上基于移动端用户位置信息分析用户覆盖量、用户驻留比和网络强弱覆盖效果等为优化基站建设和用户感知建设提供支撑。此方法给运动轨迹的刻画、人员密度的表征、公共管理的人员疏散、路线规划等提供了方案。然而，目前业界利用MR数据统计用户的做法并不十分准确，由于不同环境下移动信号强度的偏差和现实环境的复杂性，栅格级的网络覆盖分析会出现误差。随着5G技术发展迅猛，基站定位技术将迎来快速发展，精度也将进一步提高。
参 考 文 献
[1] 姜丽， 杨立敏. 5G 时代小基站的建设需求分析[J]. 通信设计 与应用， 2019.
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