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      面向5G規(guī)模部署的無線網(wǎng)資源儲備策略

      2019-12-10 03:59:10黃小光趙品勇華信咨詢設(shè)計研究院有限公司浙江杭州310014
      郵電設(shè)計技術(shù) 2019年11期
      關(guān)鍵詞:站址功耗機房

      陳 君,黃小光,趙品勇,汪 偉(華信咨詢設(shè)計研究院有限公司,浙江杭州 310014)

      0 引言

      5G 無線網(wǎng)絡(luò)具備高峰速率、高頻譜效率、高移動性、高密度連接、大容量、低時延、低功耗等關(guān)鍵特性指標。ITU 在其發(fā)布的《5G 白皮書》中定義了5G 的三大應(yīng)用場景:增強移動寬帶(eMBB)、超高可靠低時延通信(uRLLC)、大規(guī)模機器類通信(mMTC)。3 類場景業(yè)務(wù)對帶寬和時延要求不同,對組網(wǎng)覆蓋指標及承載容量也有所差異。為實現(xiàn)以上業(yè)務(wù)的應(yīng)用部署目標,未來2~3 年,5G 無線網(wǎng)絡(luò)將主要采用3.4~3.6 GHz、4.8~5 GHz 頻譜,5G 更高頻段縮短了單站覆蓋范圍,直接導致5G 站址密度較4G 時期大幅增加,更多的站址需求進一步加大了選址難度。此外,5G 配套需求更加苛刻,5G 天線較原有4G 天線重量增加2 倍,基站功耗較4G 設(shè)備增加4~5 倍,對存量站點的機房和動力配套改造帶來巨大壓力[1]。

      為了后期更好地開展5G基站規(guī)模部署建設(shè),需提前積極對5G站址規(guī)劃和配套方案進行探索和實踐,提升5G 基站建設(shè)管理水平[2]。基于以上背景,本文將對5G 組網(wǎng)覆蓋標準進行分析,在此基礎(chǔ)上探討存量站的篩選標準和5G新建站的獲取儲備策略,同時以某試點區(qū)為背景,分析5G 配套方面的規(guī)劃建設(shè)要求,為未來5G大規(guī)模建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

      1 5G NR組網(wǎng)技術(shù)介紹

      隨著2018 年6 月獨立組網(wǎng)(SA)標準凍結(jié),加上2017 年12 月率先凍結(jié)的NSA(非獨立組網(wǎng))標準,5G已經(jīng)完成第1階段全功能標準化工作,兩者區(qū)別如下:

      a)NSA需使用現(xiàn)有4G核心網(wǎng)和4G基站,以4G作為控制面錨點,來滿足激進運營商利用現(xiàn)有LTE 網(wǎng)絡(luò)資源實現(xiàn)5G NR 快速部署的需求;NSA 主要以提升熱點區(qū)域網(wǎng)絡(luò)帶寬為主要目標,由于非獨立組網(wǎng)沒有獨立信令面,仍需依托4G 基站和核心網(wǎng)工作,因此NSA無法真正發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)性能和能力,比如只能滿足增強移動寬帶(eMBB)場景中的部分應(yīng)用,無法支持低時延高可靠(uRLLC)場景和海量大連接(mMTC)場景,而且NSA 終端是雙連接,很多對時延敏感的業(yè)務(wù)體驗不佳。

      b)SA 是業(yè)界公認的5G 目標方案,能實現(xiàn)所有5G的新特征,有利于充分發(fā)揮5G 全部能力。SA 涵蓋無線接口、核心網(wǎng)、接入網(wǎng)、網(wǎng)管等實現(xiàn)端到端通信系統(tǒng)的所有5G全新標準,采用端到端的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),支持5G 各類接口,實現(xiàn)5G 各項功能,提供更多5G 服務(wù)。SA 的核心網(wǎng)采用全新架構(gòu),能夠支持多種場景功能。SA 可以較好滿足網(wǎng)絡(luò)切片的多樣化,終端也比較簡單,但對覆蓋連片的要求比較高,因此初期投資比較大。

      運營商可采用NSA 和SA 2 種標準開展5G 組網(wǎng)建設(shè)[3]。以典型3.5 GHz 組網(wǎng)為例,相比SA,在NSA 組網(wǎng)下,終端在3.5 GHz上行只有單發(fā),導致以下不足:

      a)上行覆蓋受損3 dB:終端上行只有單發(fā)功能,發(fā)射功率只有23 dBm,導致上行覆蓋受損。

      b)單用戶NR 上行速率減少:上行失去SU-MIMO雙流Beam-forming能力。

      c)小區(qū)吞吐率損失:下行無法實現(xiàn)MU-MIMO 和SU-MIMO 并行。在覆蓋方面,以2 Mbit/s 邊緣速率標準分析為例,不同組網(wǎng)方案下的上行覆蓋半徑見表1。

      表1 NSA、SA組網(wǎng)上行覆蓋半徑對比

      從表1 可以看出,SA 組網(wǎng)覆蓋性能全面優(yōu)于NSA,結(jié)合未來5G 業(yè)務(wù)部署的需求來看,NSA 將只作為5G 網(wǎng)絡(luò)的過渡方案,SA 是5G 網(wǎng)絡(luò)的終極方案。因此,5G資源儲備建議按照SA組網(wǎng)需求進行配置。

      2 5G站址資源儲備思路

      2.1 現(xiàn)有存量站址獲取

      存量站址主要來源于現(xiàn)有2G/4G 系統(tǒng)站址資源,由于5G NR 系統(tǒng)與現(xiàn)有4G 系統(tǒng)設(shè)備能力和組網(wǎng)頻段不同,可以通過鏈路預算分析2 種系統(tǒng)的站址需求差異,以3.5 GHz SA組網(wǎng)下的站址需求評估為例,相比現(xiàn)有4G 2.6 GHz 系統(tǒng),基于Hata 模型的鏈路預算如表2所示。

      表2 3.5 GHz與2.6 GHz覆蓋半徑分析

      從表2 可以看出,5G 信道上行受限,3.5 GHz 在空間損耗上要差于2.6 GHz,但考慮到SA 模式下上行雙發(fā)等優(yōu)勢,上行2 Mbit/s的邊緣速率時,3.5 GHz室外覆蓋距離為240 m(站間距360 m),與現(xiàn)有2.6 GHz 的8T8R 組網(wǎng)、上行512 kbit/s時小區(qū)覆蓋230 m 相當。由此假設(shè)4G 每平方千米9 個站(512 kbit/s),則5G 站址需求為每平方千米6個站(1 Mbit/s)/9個站(2 Mbit/s)。

      利舊存量站址,實際存在部分站點位置合理,但可利舊條件不足,因此,開展站址資源利舊時,可參考圖1 所示流程提前進行可利舊站點梳理,僅將具備改造擴容條件的站址納入5G可利舊站址資源池。

      2.2 新增站址儲備策略

      5G 將采用超密集組網(wǎng)方案,站點由傳統(tǒng)宏站+室分方式進一步向宏+小微站協(xié)同、室內(nèi)外站點協(xié)同模式的超密集分層立體組網(wǎng)方向改變,此外,引入高頻組網(wǎng)進一步加劇了站點資源的需求,大量基站部署給站址獲取帶來巨大壓力,尤其在當前用戶業(yè)務(wù)需求的不斷提升、物業(yè)及業(yè)務(wù)經(jīng)濟意識的不斷增強、民眾環(huán)保理念的不斷深化、物權(quán)相關(guān)爭奪日趨激烈以及政府對基站等通信設(shè)施相關(guān)法規(guī)尚待完善的大背景下,站址資源有效獲取是5G大規(guī)模建設(shè)面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。

      圖1 5G可利舊站址資源分析流程

      a)加強與政府及行業(yè)主管部門的溝通協(xié)調(diào),主動建立良好關(guān)系,依托政府及行業(yè)主管單位的政策支持,積極營造利于5G 規(guī)劃建設(shè)的外部條件。以某省5G 站址儲備為例,各部門及單位達成率先部署推進5G 規(guī)劃建設(shè)共識,包括省級指示要加強規(guī)劃統(tǒng)籌,堅持資源開放,共建共享,由鐵塔公司在5G 基站規(guī)劃的指導下,統(tǒng)一建設(shè),共享使用;省通管局表態(tài)加快5G規(guī)劃納入城鄉(xiāng)總體規(guī)劃的進程,由鐵塔公司統(tǒng)籌全行業(yè)需求,全量納入平臺管理,提升共建共享水平;省經(jīng)信委、住建廳表態(tài)將積極謀劃5G 應(yīng)用及業(yè)務(wù)試點,推動資源開放,加大宣傳引導,出臺《建筑物移動通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)范》。

      b)分階段將目標站址庫全量納入城鄉(xiāng)總體規(guī)劃,由鐵塔公司作為統(tǒng)籌單位,依據(jù)站址資源庫涉及的各類社會公共資源產(chǎn)權(quán)歸屬,與資源管理部門簽署框架協(xié)議。

      第1 階段:積極跟進5G 技術(shù)發(fā)展,提前啟動5G 目標站址規(guī)劃,在滿足5G 網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的同時,需兼顧相關(guān)業(yè)務(wù)容量需求進行的站址級規(guī)劃,輸出機房儲備庫、目標宏站站址庫、微站站址資源庫和5G 室分樓宇庫。

      a)對現(xiàn)有存量機房進行全面排查,根據(jù)機房配套標準對存量機房配套情況(承重、面積、動力配套、可新增機架位等)進行可用性評估。在新建區(qū)域需結(jié)合現(xiàn)有機房布局分析,合理開展新機房位置規(guī)劃,形成匯聚機房儲備庫。

      b)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀、城市發(fā)展、地形地貌、人口分布等因素,依托城鄉(xiāng)發(fā)展和電信企業(yè)網(wǎng)絡(luò)部署策略,建立宏站目標站址資源庫。比如建成區(qū)場景內(nèi)可基于當前網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化數(shù)據(jù)、運維數(shù)據(jù)開展深度覆蓋補點規(guī)劃、新建區(qū)域場景基于站間距及仿真手段開展新增站址規(guī)劃、鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村場景以實現(xiàn)廣覆蓋為目標進行站址規(guī)劃。

      c)通過“摸底抽樣分析、政府行業(yè)協(xié)同、批量簽約儲備”3 步法,實現(xiàn)社會資源(路燈桿、監(jiān)控桿、公交站臺、建筑物外立面等)提前獲取、批量獲取、科學獲取,與各行業(yè)簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議,按照資源產(chǎn)權(quán)屬性形成詳實的微站站址資源庫。

      d)通過對室分重點場景樓宇(地鐵、鐵路、高速公路、機場、車站、碼頭、大型場館等)和其他各類樓宇的清查,基于共建共享部署策略,積極與相關(guān)業(yè)主聯(lián)系,提前獲取業(yè)主建設(shè)許可,形成5G室分樓宇庫。

      第2 階段:將目標宏站和微站資源全量納入城鄉(xiāng)總體規(guī)劃,由鐵塔公司作為行業(yè)統(tǒng)籌單位,依據(jù)微站站址涉及的各類社會公共資源產(chǎn)權(quán)歸屬,與資源管理部門簽署框架協(xié)議。

      a)將目標站址全量納入城鄉(xiāng)總體規(guī)劃,具體包括提前與城鄉(xiāng)規(guī)劃局協(xié)商溝通,擬定規(guī)劃報批具體流程;按照報批流程,與規(guī)劃勘測設(shè)計院溝通確定規(guī)劃方案、制訂細節(jié)和費用合同;安排鐵塔設(shè)計院介入,修訂規(guī)劃方案;修訂方案后,協(xié)助規(guī)劃勘測設(shè)計院報批城鄉(xiāng)規(guī)劃方案;以政府正式批文和專項規(guī)劃圖紙作為完整納入依據(jù)。

      b)與資源管理部門簽訂框架協(xié)議,包括屬地分公司鐵塔綜合部門以專項規(guī)劃成果作為依據(jù),找各行業(yè)社會公共資源產(chǎn)權(quán)單位簽署框架協(xié)議,獲取資源開放支持;以統(tǒng)談統(tǒng)簽或統(tǒng)談分簽方式,建立市場化合作模式;資源獲取以各資源管理部門的正式框架協(xié)議為依據(jù)。

      3 5G配套需求應(yīng)對方案

      5G 引入新型Massive MIMO 多天線技術(shù),天線數(shù)增至64 根或更多,用多個小功率的功放連接各個天線端口,功率轉(zhuǎn)化效率較低,而自適應(yīng)的波束調(diào)整也帶來了額外的功率消耗,目前Massive MIMO 設(shè)備的能化效率僅15%左右,一臺射頻設(shè)備功耗最高可達到1 500~2 000 W;此外,多天線應(yīng)用使得對基站基帶處理能力和功耗要求也倍增,5G 單BBU 設(shè)備功耗是當前4G 的2~3 倍,S111 配置下單站最高功耗可達到6 000~7 000 W。基站處理能力倍增,對應(yīng)設(shè)備能耗增大,對基站機房的要求將進一步提高[4]。

      此外,天線數(shù)目的增多將使用大量的饋線,傳統(tǒng)“RRU+天線”的線性天線陣列不適合5G 系統(tǒng),因此,5G 采用射頻模塊與天線系統(tǒng)相結(jié)合的有源天線系統(tǒng)(AAS),將傳統(tǒng)的RRU 和天線合并為一體化AAU 設(shè)備,相比傳統(tǒng)4G 設(shè)備,5G AAU 體積也有所增加,對天面安裝條件要求更高。當前階段,應(yīng)借鑒5G試驗網(wǎng)組網(wǎng)建設(shè)經(jīng)驗,提前建立5G 配套改造標準,包括塔桅/天面、電源配套、外電等方案體系。下面以某地區(qū)利用某廠商設(shè)備開展5G 試點為例,組網(wǎng)AAU 設(shè)備功耗1 700 W,尺寸890 mm×490 mm×142 mm,傳輸設(shè)備功耗800 W,BBU 設(shè)備功耗1 800 W,總結(jié)5G 配套改造方案。

      3.1 5G塔桅及天面方案

      從該試驗網(wǎng)建設(shè)情況來看,5G 需重點關(guān)注共享站點的AAU掛高和美化外罩尺寸大小問題。

      3.1.1 改造需求分析

      美化外罩尺寸需求:下傾角需求±20°、方位角滿足360°時,美化罩規(guī)格(長×寬)為1 300 mm×1 300 mm;下傾角需求±30°、方位角滿足360°時,美化罩規(guī)格(長×寬)為1 600 mm×1 600 mm;同時要求美化罩前后的通透率應(yīng)大于60%且上下通透無遮擋。

      天線掛高需求:根據(jù)鏈路測算,為保證測試效果最優(yōu)化,5G AAU 掛高不應(yīng)低于20 m。如采用NSA 組網(wǎng)時,4G與5G系統(tǒng)垂直距離不超過5 m。

      3.1.2 塔桅改造應(yīng)對

      美化外罩應(yīng)對措施:對于地面美化塔站點,需統(tǒng)一拆除美化外罩,確保AAU 的安裝以及后期方位角和下傾角的調(diào)整;對于樓面美化方柱站點,由于1 300 mm×1 300 mm 美化外罩過大,對施工和物業(yè)協(xié)調(diào)帶來較大困難,因此建議選用800 mm×800 mm外罩。

      天線桂高應(yīng)對措施:對于樓面站,為5G 基站獨立新建配重支架或美化外罩,以保證5G AAU 的掛高和安裝空間要求;對于地面站,若平臺已占滿或空余平臺掛高不足,則通過合路改造,將運營商原有天饋系統(tǒng)合路,騰出空余天線支架,將最優(yōu)位置用于5G AAU的安裝。

      3.2 電源及配套方案

      3.2.1 電源設(shè)備方案

      3.2.1.1 改造需求分析

      按照3+4 h(無線+傳輸)的備電要求,SA 站點(含傳輸)配置600 Ah 鋰電池,NSA 站點(含傳輸)配置800 Ah鋰電池。

      根據(jù)設(shè)備功耗測算結(jié)果,SA 站點(含傳輸)配置250 A 開關(guān)電源模塊,NSA 站點(含傳輸)配置300 A 開關(guān)電源模塊。

      3.2.1.2 應(yīng)對解決方案

      對于機房空間充裕站點,建議直接新增梯次電池;同時開關(guān)電源為300 A 以下時,新增一套開關(guān)電源系統(tǒng)單獨給5G 設(shè)備使用(機房站點建議配置600 A 型號組合開關(guān)電源,迷你機房配置300A型號嵌入式開關(guān)電源),滿足5G配套電源需求。

      對于機房空間緊張站點,將現(xiàn)有鉛酸電池替換為梯次電池;同時開關(guān)電源為300 A 以下時,將原300 A開關(guān)電源替換為600 A 開關(guān)電源,滿足5G 配套電源需求。

      3.2.2 機房空間改造方案

      3.2.2.1 改造需求分析

      每增加1套5G 系統(tǒng),按照3+4 h的備電需求,電池倉需要增加600~800 Ah的梯級電池安裝位置。

      每增加1 套5G 系統(tǒng),設(shè)備倉需要10 U 的安裝空間,其中BBU占用3 U空間,傳輸設(shè)備占用5 U空間,散熱預留2 U空間。

      3.2.2.2 應(yīng)對解決方案

      對于有機房站址,判斷其具有空余10 U 的機柜位(含壁掛),如空余機柜位滿足安裝需求則直接利舊,如不滿足則通過合理調(diào)整機房空間(拆除停用設(shè)備,設(shè)備整合等),騰出空余空間新增綜合柜用于安裝5G設(shè)備。

      對于一體化機柜及無機房站址,通過新增或原址更換4倉迷你機房的方式進行共享改造。

      3.2.3 通風散熱系統(tǒng)方案

      3.2.3.1 改造需求分析

      根據(jù)基站空調(diào)熱負荷計算公式Q12=K×(Q1×1.06+Q2)得出:每新增1 套5G 系統(tǒng),需新配置1.5P 的空調(diào)來滿足散熱需求。

      3.2.3.2 應(yīng)對解決方案

      普通宏站根據(jù)熱負荷計算公式測算增加5G 系統(tǒng)后的熱負荷情況,根據(jù)實際測算結(jié)果加裝或更換制冷量更大的空調(diào)。

      由于室外機柜的門板式空調(diào)制冷量只有1~1.5 kW,且室外機柜空間小無法加裝或更換空調(diào),所以對于一體化機柜及無機房站址,優(yōu)先通過新增或原址更換迷你機房的方式,新增1.5P 的民用空調(diào),解決室外機柜散熱問題。

      3.3 外電需求分析

      機房市電容量需求主要受設(shè)備功耗、電池充電功耗、空調(diào)功耗影響。從前文主設(shè)備功耗來看,5G 每系統(tǒng)所需容量為5.4 kW(SA)~7 kW(NSA),按照3+4 h備電要求考慮,充電功率為2.8~3.8 kW;5G 基站空調(diào)總熱負荷約3.25 kW,需要配置制冷量3.75 kW(1.5P)空調(diào),制冷功率約為1.125 kW,由此,每套5G 系統(tǒng)需要6.5~7.5 kW,考慮電池充電功率和空調(diào)照明功耗,建議配置12~15 kVA市電容量。

      4 結(jié)束語

      本文對未來5G 站址資源儲備策略和無線配套方案標準進行研究。關(guān)于5G站址儲備,建議獲取政策及社會資源支持,一方面加強與政府及行業(yè)主管部門的溝通協(xié)調(diào),主動建立良好關(guān)系,依托政府及行業(yè)主管單位的政策支持,積極營造利于5G規(guī)劃建設(shè)的外部條件;另一方面積極跟進5G 技術(shù)發(fā)展,開展目標網(wǎng)站址資源規(guī)劃,形成完整的規(guī)劃資源儲備“四庫”,同時將站址庫全量納入城鄉(xiāng)總體規(guī)劃,由鐵塔公司作為行業(yè)統(tǒng)籌單位,依據(jù)站址資源庫涉及的各類社會公共資源產(chǎn)權(quán)歸屬,與資源管理部門簽署框架協(xié)議。提前形成5G 配套方案標準,通過參與運營商5G 試驗網(wǎng)建設(shè),總結(jié)5G 組網(wǎng)中包括塔桅天面、電源及配套、外電引入等方面方案要求,依托建設(shè)實施中深入挖掘存量資源的能力,積極推進新技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用,形成5G 建設(shè)配套方案標準體系,為5G大規(guī)模商用建設(shè)提供參考價值。

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