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偏远地区5G无线网络精准选址评估方法的研究

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邱东来成立华

【摘要】为了解决5G无线网络基站在偏远地区精准选址面临的困境，提出了一种量化选址效果的评估办法，将点覆盖以及线覆盖通过离散取样统一到了一套数学计算模型中，并通过案例进行了验证。该方法具有低成本、简单实用的特点，能够有效地指导偏远地区5G基站精准选址建设。

5G精准选址；偏远地区5G基站规划；选址评估办法

1引言

根据我国《国家信息化发展战略纲要》，2020年之前将实现5G商用。北京时间2018年6月14日，3GPP全会批准了第五代移动通信技术标准（5GNR）独立组网功能冻结，至此5G已经完成第一阶段全功能标准化工作。全球运营商、设备厂商、终端厂商均进入了产业全面冲刺新阶段。5G总体愿景是信息随心至，万物触手及。而要实现这一愿景，无所不在的5G无线网络是重要保障。

2017年11月15日，工信部官网发布《关于第五代移动通信系统使用3300MHz—3600MHz和4800MHz—5000MHz频段相关事宜的通知》，明确了3300MHz—3400MHz（原则上限室内使用）、3400MHz—3600MHz和4800MHz—5000MHz频段作为5G系统的工作频段，我国成为国际上率先发布5G系统在中频段内频率使用规划的国家。该频率使用规划能够兼顾系统覆盖和大容量的基本需求，是我国5G系统先期部署的主要频段。而根据目前全球各运营商的5G频率计划情况，24.25GHz—27.5GHz和40.5GHz—43.5GHz是最有希望获得全球协同的毫米波频段。根据电磁波传播特性，频率越高，在传播过程中衰减越快，这意味着5G基站的覆盖半径将越小。据初步评估，为了实现和4G相同的覆盖效果，5G的基站数量将要达到4G基站数量的2～3倍。在偏远地区，如农村、山区、旅游景区等地方，过去大基站广覆盖的覆盖模式将不再适用。在5G时代，如何实现5G基站的精准选址将是偏远地区5G无线网络建设成败的关键。

2偏远地区5G基站重规划的迫切需求

不同频段的电磁波在偏远地区的传播特性存在非常大的差异。根据“惠更斯-菲涅尔”原理，假设电磁波从A点自由传播至P點，A点和P点之间的距离为d，λ为电磁波波长，则存在一个以A点和P点为焦点的椭球体，该椭球体的截面最大半径F如式（1）所示，该椭球体称为第一菲涅尔椭球。

F=（dλ）1/2/2（1）

第一菲涅尔椭球是A点至P点的电磁波传播的主要通道。如图1所示，虽然障碍物Z1没有阻挡AP之间的几何射线，但是由于已经进入了第一菲涅尔椭球，所以Z1将对P点的接收场强形成影响，AP两点之间不能视为自由空间传播；另外，虽然Z2已经阻挡到了AP之间的几何射线，但是由于第一菲涅尔椭球没有完全被阻挡，因此P点仍然可以收到A传播过来的信号，这就是所谓的电磁波绕射。

从式（1）可以看到，不同频段系统的第一菲涅尔椭球最大截面半径不同。表1是以AP距离为500m的标准计算出来不同频段系统的第一菲涅尔椭球最大截面半径。

表1不同频段系统第一菲涅尔椭球最大截面半径

序号系统代表频段最大半径/m

12G/3G800MHz6.85

24G1800MHz4.56

3中频段5G3.5GHz3.27

4高频段5G28GHz1.16

从表1可见，频段越高，第一菲涅尔椭球最大截面半径越小，第一菲涅尔椭球越细长。在图1的A点、P点、障碍物Z2相对位置不变的前提下，频段越高，障碍物的相对遮挡面积就越大，P点接收到的场强就越小。A点和P点之间越接近于直线传播。这意味着，在偏远地区，对于2G、3G、4G可以实现电磁波绕射进行目标覆盖的基站站址，对于高频段5G系统已经不再适用。5G面临着偏远地区大规模站址重新规划的迫切需求。

3偏远地区5G基站精准选址面临的困境

由于5G系统频率高、传输损耗大的特点，5G基站的精准选址具有非常重要的意义同时也面临着一些困境，主要有以下几点：

（1）偏远地区存在地广人稀、道路弯曲的特点，覆盖目标分散。而5G频段高，覆盖距离短，精准定位待覆盖目标是一个重要的前提。此外偏远地区地形地貌复杂、阻挡多，而5G系统在传输的时候接近于直线传播，这意味着在针对待覆盖目标精准布设5G基站时，需要考虑非常复杂的环境因素。

（2）在以往的基站选址中，更多是依靠选址工程师实地勘察，依据经验在现场针对覆盖目标选取若干个备选站址，之后在电子地图上结合现网进行整体判断，最终确定选址位置。这种选址流程，更多依靠选址工程师的主观经验，不同的人可能有不同的理解，无法保证选址位置最优。

（3）目前对选址缺乏一套行之有效、简便且低成本的评估方法。在选址评估中，一种办法是进行模拟测试，在拟选址位置架设模拟天线进行