基于复杂环境的城市5G移动网络优化设计.pdf

2 0 2 4年2期 1 2 0 2 4年第4 6卷第2期基于复杂环境的城市5 G移动网络优化设计曾 进作者简介:曾进(1 9 9 3-),硕士,工程师,研究方向为电子技术。(中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京2 1 0 0 0 7)摘 要 随着科学技术的快速发展,信息化技术被全面普及到日常生活中,人们对移动通信提出了更高的要求,这促使了移动通信由传统网络向5 G网络发展,以全面增强移动网络的通信能力,给人们带来便捷的上网体验。但在应用无线网络的过程中,其存在各种问题,如受到5 G超高频段组网限制,降低了其穿透能力和绕射能力,加上小基站大规模布局难度较高,楼宇建筑结构过于复杂,导致室内常出现深度覆盖不足甚至无覆盖的问题。基于此,文中以复杂城市环境为主要研究对象,概述了5 G移动网络技术,分析了5 G移动网络的应用现状,规范了城市复杂环境下5 G移动网络的优化设计思路,并提出了合理的优化措施,构建了健全的网络评估模型,以充分发挥5 G移动网络的作用。关键词:5 G;网络优化;覆盖增强;上行载波聚合;干扰控制中图分类号 T N 9 2 9.5U r b a n5 G M o b i l eN e t w o r kO p t i m i z a t i o nD e s i g nB a s e do nC o m p l e xE n v i r o n m e n tZ E N GJ i n(2 8 t hR e s e a r c hI n s t i t u t eo fC h i n aE l e c t r o n i c sT e c h n o l o g yG r o u pC o r p o r a t i o n,N a n j i n g2 1 0 0 0 7,C h i n a)A b s t r a c t W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y,i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nf u l l yp o p u l a r i z e d i n t od a i l y l i f e,a n dp e o p l eh a v ep u t f o r w a r dh i g h e r r e q u i r e m e n t s f o rm o b i l ec o mm u n i c a t i o n,w h i c hh a sp r o m o t e dt h ed e v e l o p-m e n to fm o b i l ec o mm u n i c a t i o nf r o mt r a d i t i o n a l n e t w o r k s t o5 Gn e t w o r k s,i no r d e r t oc o m p r e h e n s i v e l ye n h a n c e t h ec o m-m u n i c a t i o na b i l i t yo fm o b i l en e t w o r k sa n db r i n gp e o p l eac o n v e n i e n t I n t e r n e te x p e r i e n c e.H o w e v e r,i nt h ep r o c e s so fa p-p l y i n gw i r e l e s sn e t w o r k s,t h e r ea r ev a r i o u sp r o b l e m s,s u c ha sb e i n gr e s t r i c t e db y5 Gu l t r a-h i g hf r e q u e n c yb a n dn e t w o r-k i n g,w h i c hr e d u c e s i t sp e n e t r a t i o na b i l i t ya n dd i f f r a c t i o na b i l i t y,a n d t h ed i f f i c u l t yo f l a r g e-s c a l e l a y o u t o f s m a l l b a s e s t a-t i o n s.T h eb u i l d i n gs t r u c t u r e i s t o o c o m p l e x,r e s u l t i n g i n t h ep r o b l e mo f i n s u f f i c i e n t o r e v e nn o c o v e r a g e i n d o o r s.B a s e do nt h i s,t h i sp a p e r t a k e s t h ec o m p l e xu r b a ne n v i r o n m e n ta st h em a i nr e s e a r c ho b j e c t,e x p o u n d st h eo v e r v i e wo f5 G m o b i l en e t w o r kt e c h n o l o g y,a n a l y z e s t h ea p p l i c a t i o ns t a t u so f 5 Gm o b i l en e t w o r k s,s t a n d a r d i z e s t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n i d e a so f5 G m o b i l en e t w o r k s i nc o m p l e xu r b a ne n v i r o n m e n t s,a n dp r o p o s e s r e a s o n a b l eo p t i m i z a t i o nm e a s u r e s.As o u n dn e t w o r ke-v a l u a t i o nm o d e l i sc o n s t r u c t e dt og i v e f u l l p l a yt ot h er o l eo f 5 Gm o b i l en e t w o r k s.K e y w o r d s 5 G,N e t w o r ko p t i m i z a t i o n,C o v e r a g ee n h a n c e m e n t,U p s t r e a mc a r r i e ra g g r e g a t i o n,I n t e r f e r e n c ec o n t r o l0 引言智能天线技术的快速发展,推动了我国5 G移动网络的发展进程,使其被广泛应用到各行业。各高科技产业通过利用5 G移动网络技术,开发出关于5 G的产品和生态链,进一步提高了移动用户的数据共享和采集能力。但从目前5 G移动网络的应用情况来看,城市无线环境过于复杂,会受到各种因素的影响,存在能否在小范围内承载上亿用户、如何穿透建筑物实现深度覆盖等问题。为有效解决上述问题,实现5 G移动网络的无缝覆盖和连续覆盖,需利用有效措施解决5 G发展中存在的问题,从而实时分析该场景中的5 G网络信号强度,发现其中的弱覆盖点,增强用户数据业务的连续性和可靠性。1 5 G移动网络技术概述近年来,5 G移动网络技术已经成为全球科技行业的热点话题,作为新一代移动通信标准,其可以提供更快的数据传输速度、更低的延迟和更高的容量,将彻底改变移动网络的使用方式,对各行业有着深远的影响。相比4 G网络,5 G的理论峰值下载速度可以达到每秒1 0 G B以上,使人们能快速下载大型文件,观看高清视频,进行实时互动,更快地加载网页,更顺畅地进行视频会议,享受到更好的游戏体验,有效提升在线体验。同时,5 G可以显著降低网络延迟。延迟指从发送请求到接收到响应所需的时间,5 G网络的延迟可能只有1 m s,几乎实现了实时反应,这给自动驾驶、智能工业制造等需要2 2 0 2 4年2期及时响应的应用提供了便利。例如,在医疗行业中,5 G网络可以支持远程手术、医疗数据传输和监控,支持医生在远离手术现场的情况下进行高精度手术。另外,通过使用天线和频谱资源,5 G网络能支持很多设备连接,从而满足物联网等大规模设备连接的需求。这意味着人们能连接更多的智能家居设备、智能城市基础设施、无人机、机器人等,推动各行业的数字化转型,提升生产效率和服务质量。2 城市复杂环境下的5 G移动网络应用现状近年来,随着物联网和人工智能的发展,数字化城市构建成为全球经济发展的重要趋势。在快速发展的城市中,人们对高速移动网络服务的需求逐年增加,为满足人们的上网需求,并推动数字化城市的发展,需要积极应用5 G技术,其网络结构如图1所示。5 G技术具有超高速、低延迟、大容量等特点,这些特性使得其在复杂环境中仍具有广泛的应用前景。(1)超高速特性。能提供更快的下载和上传速度,不仅可以满足用户对高清视频、在线游戏等高带宽应用的需求,也可以支持智能交通、智慧医疗等各行业的创新应用。(2)低延迟特性。可以实时响应移动应用,如自动驾驶汽车需要快速传输数据以保证安全性。(3)大容量特性。支持大规模连接,为物联网设备提供更好的连接和通信能力。图1 5 G核心网络结构目前,全球各地都在积极推进5 G技术的应用和发展。我国作为全球最大的移动通信市场,在5 G产业链中占据着重要的地位。我国三大电信运营商启动了5 G网络的建设,预计到2 0 2 5年将会拥有2.6亿5 G用户。此外,我国政府也在积极推动5 G技术在智慧城市建设、工业互联网等领域中的应用。全球范围内的城市也在不断推进5 G网络的应用。例如,美国的一些城市已经开始了5 G网络的试点工作,并计划实现全国性的5 G覆盖;日本也在计划实现5 G网络的商用化。这些努力都是为了提供更好的移动通信服务,推动数字化城市的发展。然而,由于城市环境的复杂性,部署5 G网络也面临着一些挑战。5 G网络需要大量的基站来提供网络覆盖,但在城市中寻找合适的基站位置并进行设备部署较为困难。同时,城市中存在大量物体,会对信号传输造成阻碍,需要采用更先进的技术手段来提高信号覆盖和穿透能力。3 城市复杂环境下的5 G移动网络优化设计思路3.1 网络优化设计目标在优化5 G移动网络设计工作时,需结合城市规划,通过提高无线网络的覆盖率和信号质量,提高5 G移动网络的应用效果。城市中由于高楼大厦、密集人口、障碍物等因素的存在,会干扰无线信号的传播,这要求工作人员需要不断优化5 G基站布局和天线设计工作,确保信号能覆盖到每个角落,并保持良好的质量。而移动网络容量需求也是重要的设计目标,城市中有大量的移动用户和设备同时连接到网络,传输大量的数据,这要求5 G移动网络需要有足够的带宽和容量,以支持多用户同时传输数据。因此,需要在频谱管理和网络架构上进行优化,以提供更高的容量和更低的网络延迟。同时,在复杂的城市环境下,网络易受到各种干扰的影响,需要增强网络的稳定性。为保证网络的稳定运行,需要采取一系列措施,如备份网络、自动故障修复、智能网管系统等。此外,安全性和隐私性也是设计5 G移动网络的重要目标,这是因为城市中有大量个人和敏感信息通过移动网络传输,需要保护用户信息的隐私性和网络的安全性。5 G移动网络需要提供更强的安全和隐私保护机制,如加密通信、身份认证、用户权限管理等1。3.2 网络优化设计方向对比传统的移动网络,5 G移动网络具有多样化特征,其更具多元化和立体化。因此,在网络优化设计过程中,需结合上述特征,通过分层次分析的方法,将原本分散的网络布局转变为系统化布局。同时,在该布局中,需设置功能点位、核心点位等,明确分散到城市各角落,扩大城市网络的覆盖范围,积极引进各种先进技术,按照环境、类别进行合理优化,提高网络应用的稳定性。另外,5 G移动网络能对接入网络设备进行分析,掌握其配型网络,以满足各种业务要求,自动分辨网络容量资源的情况,有效提高多任务并行时的网络应用效果,提高5 G移动网络的传输速度,进而提升网络质量2。3.3 网络优化设计方式随着城市人口的不断增长,城市环境变得愈发复杂,建移动信息2 0 2 4年2期 3 筑物、道路、交通和人口密集使得城市成为一个复杂的网络环境,对5 G移动网络提出了巨大的挑战,但也提供了各种发展机遇。城市复杂环境下的5 G移动网络优化是确保城市居民获得高质量网络服务的关键。以下是几种常见的优化方式。(1)部署移动基站。在城市环境中,建筑物的高度和密集度会对5 G信号覆盖产生较强的影响。因此,在选择基站位置时,需综合考虑建筑物和地形对信号传输的影响。同时,应根据城市流量分布合理安排基站的数量和位置,保证用户能获得稳定的网络连接3。(2)频谱管理。频谱是5 G移动网络中的关键资源。在城市环境中,频谱资源往往非常有限且被多个运营商共享。因此,合理进行频谱分配和管理尤为重要。针对不同区域和时段的需求,可以采用动态频谱共享、频段聚合、频谱虚拟化等技术来有效利用频谱资源。(3)网络容量增强。城市环境下的网络容量需求巨大,为满足用户对高速数据传输的需求,应采用多天线技术(M I MO)和波束成形技术来提高网络容量。同时,通过小区分化和基站间的协同,可以优化网络资源分配,提高系统吞吐量和用户体验。(4)空中接入点部署。为提供更广的覆盖范围和更大的网络容量,需在城市环境中部署空中接入点(A e r i a lA c-c e s sP o i n t s)。这些接入点可以安装在建筑物、公共设施上,通过和移动基站的协同工作,提供高质量的网络连接服务,以有效避免地面的物理障碍物对信号传输的干扰,扩大覆盖范围、提高服务质量4。(5)数据分析和智能决策。城市复杂环境下的网络优化需要依靠大数据分析和智能决策。通过收集和分析网络数据、用户行为数据和城市参数数据,可以深入理解网络性能和用户需求,并做出相应的决策来优化网络资源分配、调整网络拓扑结构。总之,城市复杂环境下的5 G移动网络优化是一个复杂的课题,通过合理的基站部署、频谱管理、网络容量增强、空中接入点部署以及数据分析和智能决策,可以提高网络性能和用户体验,为城市居民和企业提供高质量的通信服务,促进城市的数字化发展,推动经济的持续增长5。4 城市复杂环境下的5 G移动网络的优化方案4.1 建立健全的网络评估模型对比传统网络,5 G移动网络具有明显优势,这也是5 G移动网络承载大规模用户数据的基础6。为了控制城市内部复杂环境对5 G移动网络传输质量的影响,在优化设计网络时,需要构建健全的网络评估模型(见图2),以5 G移动网络为核心,综合分析网络传输中存在的各种问题,并通过单基站性能评估、规划法等方式,检验网络优化效果。图2 5 G网络评估模型同时,在现代城市复杂环境下,5 G网络需要接收海量的用户信息、连接更多的设备、设置大量的基站。因此,为保证5 G移动网络信号的质量,还需要以动态评估的方式来分析基站传递的信号,引导工作人员及时发现5 G网络信号存在的问题,结合大数据库资源,对比相关信息数据,为后期优化工作提供帮助。4.2 语音话务负载均衡优化近年来,我国城市化建设进程不断深入,城市居民快速增加,城市人口过于密集,信息数量过于庞大,5 G移动网络基站易出现超载问题,导致很多用户很难体会到良好的5 G网络体验,如在语音通话中时常遇到卡断、掉线等问题。因此,工作人员需要优化既有的5 G网络基站,提前评估网络基站的运行状态,分析基站网络资源容量是否存在超载问题,并检测信号传输能否满足现代城市人群使用要求,是否需要进行扩容和升级。同时,在分析完成后,需要应用语音话务负载均衡技术,合理优化不同基站的资源容量,重新规划基站通信任务量,适当降低基站的承载量,解决基站超载问题,有效预测未来基站的话务承载量,增强5 G移动网络通信的稳定性,从而达到预期的优化效果7。4.3 移动信号干扰控制优化5 G移动网络的传输速度和网络资源容量较高,但其抗干扰性能和穿透性较差,尤其在复杂的城市环境中,会受到较多因素的影响。工作人员可以利用网络评估模型,明确网络干扰因素,如恶劣天气、电磁设备、干扰信号等。特别是在多功能写字楼、大型商超等场所中,5 G移动网络易受到外界因素的干扰,出现信号中断的问题。工作人员需全面推广干扰控制技术,将抗干扰装置安装在网络基站覆盖范围内,减少信号干扰和电磁干扰。另外,需在网络信号较弱的地区设置屏蔽器装置,增强基站的发射功能,降低覆盖范围内的不利因素,增强5 G网络信号的稳定性,提高网络传输效率,从而提高优化效果,满足人们的日常需求8-1 0。(下转第1 5页)移动信息2 0 2 4年2期 1 5 (4)推理过程。实时采取小区参数、性能等数据,结合现有规则确定网络性能问题。向已训练的优化模型中推送现网数据和问题,通过模型预测问题发生的原因,并提出具有针对性的优化建议。(5)闭环优化。根据提出的调整意见,进行决策和执行。此时需先调节参数,再进行物理调节。同时,应结合实际的调节结果,通过专家判断,对其进行进一步的改进、修改和更新。3.2.4 M I MO波束管理M I MO是5 G网络标准配置的一项核心技术,被广泛应用于5 G网络中,可显著提高网络传输速率,扩大网络覆盖范围,减少干扰,提高频谱利用率。在5 G环境下,大规模M I MO波束配置的基本原则是,基于R F I D的数据库,结合数据映射,利用人工智能算法进行建模,通过对历史数据的学习,生成波束管理的规律,以自动化地管理和跟踪波束,判断场景的室内外情况,精准定位基站。在大规模M I MO系统中,存在数以千计的可供选择的方案,且需进行海量的数据推理和运算,而将人工智能技术应用于大规模M I MO系统,可通过训练、推理、执行、迭代等多个环节,快速锁定最佳方案,并实现最优配置。在此基础上,结合人工智能技术,对多天线环境下的用户分布进行细致的情景解析,并综合情景特点,结合大规模M I MO的波束管理策略,完成多天线环境下的控制与广播的波束赋形,实现最大范围的网络容量优化与干扰最小化的目标。以艺术馆场景为例,艺术馆是一种固定场馆类的场景,其用户分布特点是:在一定时段内,用户数量及分布规律会出现一种固定状态。根据这一特点,技术人员可以通过调整播音权的大小来获得最佳的覆盖结果。以此为依据,实时采集现场数据,如网管数据、用户MR信息、话务统计数据等。之后,利用对应的A I算法,细分这一固定类场景,将其分成体育比赛、演唱会、晚会等细分场景。在此基础上,基于特性参数,利用波束优化原理,获得最优权重,进而提高系统的信道品质和信噪比,以优化用户感知,实现对系统的进一步优化。最终,以权值组合、K P I和用户分布为基础,构建相关数据库,反复优化已有的策略模式,实现对同一情景下的权值快速匹配。4 结语在5 G网络发展过程中,需要加快智能化转型的速度,在5 G网络优化过程中发挥出人工智能技术的优势,合理节省网络运维成本,保障5 G网络运行的稳定性,从而为人们提供优质的网络服务。参考文献1黄宗伟.基于人工智能的5 G无线网络通信速率优化系统设计J.电子设计工程,2 0 2 2,3 0(2 2):1 6 5-1 6 8,1 7 3.2王 溪 朦.基 于 人 工 智 能 的5 G无 线 网 络 智 能 规 划 和 优 化J.中国新通信,2 0 2 2,2 4(1 8):2 8-3 0.3李奇.人工智能的5 G无线网络智能规划和优化J.网络安全技术与应用,2 0 2 2(6):7 5-7 7.4余灿玲,陆安现.基于人工智能的5 G无线网络智能规划和优化J.信息记录材料,2 0 2 2,2 3(1):2 3 0-2 3 2.5王浩,赵伦.人工智能在5 G无线网络优化中的设计与实现J.武汉工程职业技术学院学报,2 0 2 1,3 3(4):2 1-2 4,4 3.6杨 燚.人 工 智 能 视 角 下 的5 G无 线 网 络 智 能 规 划 和 优 化J.现代工业经济和信息化,2 0 2 1,1 1(4):1 0 3-1 0 4.7李丽智,刘志堃,林亮.基于人工智能的5 G无线网络智能规划和优化J.电子技术与软件工程,2 0 2 1(2):2 6-2 7.(上接第3页)5 结语近年来,随着城市化进程的加快,人们对5 G移动网络的需求也越来越高,但城市环境的复杂性却给5 G网络的优化设计带来了很大的挑战。城市区域移动设备密度较高,容易导致网络拥塞问题,工作人员需采用智能调度算法来优化资源分配,实现负载均衡。另外,运营商可以部署更多的微基站来增加网络容量,满足用户的需求。通过合理应用网络架构、智能调度算法、多天线技术、干扰抵抗机制等,可以提高网络的覆盖范围、容量和性能,满足不同用户对高速、高质量通信的需求。未来,随着科技的不断发展,人们还可以在城市环境下建立更加可靠的5 G移动网络。参考文献1张威炜.面向城市重点场景的5 G移动通信网络规划与优化D.保定:河北大学,2 0 2 1.2王琦.对面向城市复杂环境的5 G移动网络优化设计技术的几点探讨J.数字通信世界,2 0 2 1(7):1 0 0-1 0 1.3江水莲.面向城市复杂环境的5 G移动通信网络优化应用研究J.通讯世界,2 0 2 1,2 8(2):1 3 8-1 3 9.4陈天宇,周玉科,张晓芳,等.基于改进G 2 S F C A的城市公园绿地可达性评价及其选址优化研究 以苏州工业园区为例J.测绘与空间地理信息,2 0 2 3,4 6(1):2 5-2 9.5张朝辉,李靖,韩璐珩.基于数据-地理位置联合驱动的5 G微基站最优分配策略J.计算机学报,2 0 2 2,4 5(5):1 0 8 7-1 0 9 9.6刘路.基 于X G B o o s t优 化 算 法 的5 G潜 在 用 户 识 别 研 究D.南昌:江西财经大学,2 0 2 2.7杨超.基于深度强化学习的物联网多维资源优化研究D.杭州:浙江工业大学,2 0 2 2.8董君宇.面向车联网综合应用的任务调度与切片编排智能优化研究D.北京:北京工业大学,2 0 2 2.9周晨,杨春兰,张剑东.基于5 G网络切片的数据链动态资源分配算法J.指挥信息系统与技术,2 0 2 3,1 4(1):3 0-3 4.1 0张子龙,陈娟,沈晓平.5 G/6 G推动下的数据链系统发展设想J.指挥信息系统与技术,2 0 2 1,1 2(5):9 8-1 0 4.移动信息