实验题目：5G 基站覆盖特征评估与盲区消除

1. 课程简要信息

课程名称：无线通信基础
课程学时：32学时（课内） $+ 1 6$ 学时（课外）
适用专业：通信工程、电子信息工程
学生年级：本科四年级

2. 实验内容与任务（限 500 字，可与“实验过程及要求”合并）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

实验内容：5G采用更高频段，信号传播损耗大，其痛点在于增强基站覆盖能力，考虑到实际复杂传播环境，实际基站覆盖与理论差异显著（图 1）。本实验从最基本电磁波传播原理出发，借助 5G 试验网平台，评估实际 5G 基站覆盖特征和性能盲区，引导学生探索消除盲区的功率控制优化方案。

图1 基站信号覆盖区域实测图

实验包含两个基本任务和两个提高任务，基本任务1是基础型实验，基本任务 2属于综合设计型实验，提高任务 1和2属于研究探索型实验。

基本任务：

(1) 测量点对点信道传输性能：在最佳测试点测量接收功率、峰值吞吐率、空口时延等参数，与香农信道容量定理给出的吞吐率上界对比；
(2) 设计覆盖边界特征和盲区评估方案：配置 5G 基站发送连续波信号，设计合理路线测量接收信号功率和 GPS 位置，分析覆盖边界特征和性能盲区；

提高任务：

(1) 探索功率控制方案消除单基站盲区：合理配置指向不同区域的天线波束功率，增强盲区信号功率以达到给定峰值吞吐率和空口时延指标要求；
(2) 探索联合功率控制方案消除多基站盲区：评估存在相互干扰的邻近多个基站覆盖边界特征和性能盲区，并探索联合功率控制方案进行盲区消除。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

(1) 引导学生通过电磁波空间传播特性理解5G采用高频段载波覆盖的核心问题，并充分调研比较各种基站信号盲区消除方法的优势和不足；
(2) 基于终端测试用例开发培养学生掌握基本无线参数测量方法，学习动态快速定位最佳测试点，并通过峰值吞吐率测量数据处理直观理解香农信道容量定理给出的吞吐率上界；
(3) 在熟悉基站覆盖边界特征评估和盲区搜索过程中充分掌握无线信号传播模型估计的常用方法，为后续功率控制方案设计和探索作铺垫；
(4) 给定峰值吞吐率和空口时延指标要求，引导学生设计创新性的天线波束功率控制方案并实验评估；
(5) 针对多基站干扰问题展开研讨，激发学生创造性，设计干扰场景下功率控制方案并实验评估；
(6) 撰写实验报告，开展答辩交流。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

项目涉及的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

本实验涉及信道容量、无线信道特性以及基站管理等无线通信基础知识。依托校企联合建设实验平台，使学生通过递进化实验，感受、研究并探索在 5G通信系统中多种移动终端、多种高速、宽带数据的个性化业务在无线信道传输对实际信道特性、小区覆盖以及业务性能所造成的复杂影响、以及基站管理与配置的工程实践及方法。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

如学习、运用知识、技术、方法；培养、提升能力、素质。

(1) 通过点对点信道传输性能测量，引导学生掌握无线参数测试基本方法；(2) 鼓励学生提出多样化基站功率控制方案，提升 5G 基站优化工程能力；(3) 通过复杂干扰环境中无线资源分配优化实验研究，培养学生高层次科学研究的素质与能力。

6. 教学设计与引导

如预习要求及检查；课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题的设计等。

实验依托校企合作建设的国内首批 5G 通信系统，通过开展基站覆盖情况评估和盲区消除研究的工程实践，使学生掌握基本无线参数外场测量方法，在引导学生提出多样化基站功率控制方案过程中，提升 5G 基站优化设计工程能力，并在研究复杂干扰环境中无线资源分配优化方案的过程中，培养学生高层次科学研究的素质与能力。在实验中，应在以下一些方面加强对学生的引导：

基本测量方法指导：

(1) 在教师的指导下阅读 5G 新空中接口前沿技术相关标准文档，了解本实验中涉及到的5G定向天线技术原理和功率控制基本方法；
(2) 由于 5G 基站系统已经先行设计搭建完成，学生需要在实验前阅读 5G 试验网平台使用指导书，提前对该试验网平台有较为充足的认识，包括安全使用注意事项、电源系统、核心网设备开放的板口、基站可调节参数等。
(3) 无线参数测量是在移动终端开展，由于涉及峰值吞吐率、空口时延等物理层底层参数获取，因此需指导学生使用 Android 底层用于测量的内核模块开发。
(4) 为了将测试无线数据交付应用层作进一步分析处理，需指导学生学习基于 IPQueue 的内核态和用户态通信机制。

方案设计思路引导：

(5) 设计基站覆盖边界特征评估方案的关键在于确定合适的测量路径，路径选取不合理可能导致大量无意义的测量，因此需要在测量路径规划设计上面对学生进行引导；可采用课堂讨论方式让学生进行方案比较分析。
(6) 刻画基站覆盖特性的统计模型繁多，须引导学生估计用于表征自相似程度的Hurst 参数，进而查找确定合适的统计模型；
(7) 在设计消除盲区的天线波束功率控制方案中，须引导学生自行搜索能够增强盲区信号的天线波束，要求学生自行确定天线波束与盲区的映射关系；

开放问题探索研讨：

(8) 引导学生发现消除盲区功率控制方案的限制条件，探讨不过于影响其他区域的盲区消除方案；
(9) 对于多个基站同频同时覆盖导致的基站之间的相互干扰问题，引导学生研究多个基站覆盖同一区域导致严重干扰和性能盲区的情况；
(10) 针对干扰引起的性能盲区，开展研讨，引导学生集思广益提出功率控制优化方案协调多个基站的相互干扰。
(11) 充分利用答辩、评讲、集中研讨等方式进行交流，促进学生对不同的功率控制方案及其特点的了解。

7. 实验原理及方案

实验基本原理、完成实验任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

实验原理相关知识点框图如图 2 所示。

图 2 相关知识点框图

本实验依托华中科技大学校园建设的 5G试验网开展，该实验平台是由爱立信和中移动于 2019 年 3 月在华中科技大学校园内采用基于 5G 设备非独立组网（NSA）方案实施的基站组网，是国内首批校园内实现覆盖的 5G 网络（如图 3）。旨在针对新一代智能移动通信网络关键技术和系统方案构建一个开放的、可扩展的、可重构的、通用的软、硬件技术验证原型机平台，支持面向新一代智能移动通信网络的无线接口关键技术验证、系统性能评估和概念演示。该网络包含采用 C-RAN 组网的四个基站，每个基站有三扇区的 5G+NSA FDD 设备，包括 6 幅天线（如图 4）。该平台还集成了边缘计算 MEC 等基础设备，可用于在校园内开展5G新空中接口技术覆盖边界特征评估和覆盖盲区检测实验。上述条件可为本实验的顺利实施提供必要的软硬件支撑。

图3 华科 MEC校园网NSA组网拓扑

图4 华科实验室机房及天线设备

5G 基站覆盖边界特性及 Hurst 指数估计：

由于城市化进程的差异性、地形地势多样性、周围建筑物和遮挡物分布非均匀性、城市绿化植被的季节性以及大气和天气环境的变化，使得无线信号在复杂无线环境中传播时经历的衰减是非均匀的，另外5G网络与传统网络显著差异之一在于基站的高密集部署，导致蜂窝覆盖范围和边界是非规则非均匀的，因此实际蜂窝覆盖边界形状并非传统的规则正六边形和规则的多边形。通过对单个蜂窝覆盖边界和形状特征实测分析，发现实际蜂窝覆盖边界形状并非空间小尺度光滑的多边形，而是呈现明显不规则性几何形状，且在角度尺度上呈现统计自相似特性。

广义的自相似是一个非常广泛的概念，泛指某种结构和过程在某种维的多个尺度上表现出的局部和整体相似的特性，其中这种维度可以是时间的，空间的或统计的。自相似具有长程相关性、Hurst 效应（Hurst Effect），可由 Hurst 参数表征。Hurst 参数用于表征自相似程度。长程相关性在时域的体现是，其随机过程的自相关函数不可和，而在频域所表现出的特征是随机过程的功率谱密度在频谱趋近于零时表现出幂指数衰减的特性。如果随机过程 $X$ 是长程相关的，那么其功率谱密度$I _ { \scriptscriptstyle X } ( \omega ) = \sum _ { k } C _ { \scriptscriptstyle X } ( k ) e ^ { i k \omega }$ 在频谱 $\omega \to 0$ 时满足

$$ I _ { x } ( \omega ) \sim \omega ^ { - \alpha } L _ { 2 } ( \omega ) $$

其中， $0 < \alpha < 1$ ，且 $L _ { 2 } ( \omega )$ 是一个关于 $\omega$ 的缓变函数。

根据长程相关性在时域和频域表现出的统计特征，可以得到验证自相似性和估计自相似程度Hurst 指数的方法，即周期图法。

对于自相似随机过程随机序列 $X = \left{ X _ { i } : i = 0 , 1 , 2 , . . . . . . \right}$ ，其部分统计量为：

部分和： $\Upsilon ( n ) = \sum _ { i = 1 } ^ { n } X _ { i }$ 均值： $\mu ( n ) = \frac { 1 } { n } Y ( n )$

定义 ${ \bf R } / { \bf S }$ 统计量（Rescaled Adjusted Range Statistic）为：

$$ \underbrace { R ( n ) } _ { S ( n ) } { \overset { \Delta } { = } } \underbrace { \operatorname* { m a x } ( 0 , W _ { 1 } , \cdots W _ { n } ) - \operatorname* { m i n } ( 0 , W _ { 1 } , \cdots , W _ { n } ) } _ { S ( n ) } $$

其中， $W _ { k } = Y ( k ) - k \mu ( n ) , k = 1 , 2 , \cdots n ~ .$ 。

若R/S的统计量满足：

$$ \mathbb { E } { [ { \frac { R ( n ) } { S ( n ) } } ] } \sim c n ^ { H } , n \infty $$

其中， $c$ 为有限正常数， $H$ 即描述自相似特征的 Hurst 指数。当 $0 . 5 < H < 1$ 时，该随机过程 $X = \left{ X _ { i } : i = 0 , 1 , 2 , \ldots \right}$ 存在 Hurst 效应，且是自相似的错误!未找到引用源。。根据Hurst 效应，可以得到检验随机过程是否存在自相似性、以及衡量自相似程度的 R/S分析法。由于数据采集和分析存在系统误差偏差，大部分自相似过程是渐进自相似的，因此在本实验对5G基站覆盖边界的分析中，也是考虑渐进自相似的特性。当随机过程具有统计自相似性，那么其自相似程度可完全由 Hurst 指数表征。统计自相似过程在频域和时域表现出功率谱密度幂指数衰减，Hurst 效应和慢衰减方差等特性，分别可采用周期图法和R/S分析法验证并估计其自相似程度。

基于峰值吞吐率测量的信道容量分析：

无线信道容量是指发送节点和接收节点之间互信息量的最大值。具体而言，信道容量是指在一定带宽和信噪比下，借助某种编码方案实现无差错传输时可以达到的最大速率，它是传输速率的上界，实际应用中的传输速率一定不能大于信道容量。根据香农信道容量定理，在非理想信道条件下信道容量满足香农公式，其表达式为

$$ C = W \mathrm { l o g } _ { 2 } ( 1 + S / N ) $$

其中，W 为数字信道的带宽，S为接收信号功率， $_ \mathrm { N }$ 为噪声功率。

若基站发射功率固定，接收信号功率 S由信道衰落决定，无线电磁波根据接收信号场强变化区间大小可以分为大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落是描述发射机和接收机长距离（通常为数百米或数千米）或长时间范围上的信号场强的变化。小尺度衰落描述的是小尺度区间（数个或数十个波长）或短时间（秒级）内的信号场强的快速变化情况。路径损耗是影响大尺度衰落的关键因素，是指基站和移动终端间的传播环境中引入的损耗量。路径损耗具有幂定律的传播特征，即信号电平与距离的幂成反比例，传播路径越长，路径损耗就越大。平均路径损耗是指在一段距离内路径损耗的均值，通常可以用对数距离路径损耗模型来表示。而峰值吞吐量是指实际系统在单位时间内成功传输的最大信息比特数，本实验通过测量通信链路的峰值吞吐率来验证信道容量与传播距离等参数间的幂律关系，系统结构图如图 6。

图5 空口参数测量系统结构图

5G 空口时延测量与分析：

与 4G 网络相比，5G 最显著的特点之一是超低时延，为测试 5G 超低时延特性，本实验拟开展 5G 空口时延（Round Trip Time, RTT）的测量。作为工程应用中最常见的时延衡量指标，双向时延指的是数据包从发送端到达接收端、加上接收端发信息给发送端的总时间。我们可以只在信息发送端或接收端的其中一方就可以测量得到双向时延（利用ping 等工具）。无线网络的时延包含空中接口时延（手机和基站之间，不包括核心网，互联网等节点）和核心网传输时延。

无线网络空中接口时延是标准化组织重点关注的研究对象，空口时延由多个处理模块产生，如图 7。当前，4G LTE 网络双向时延接近 20ms 左右，而 5G 网络的空口时延甚至可达 1ms，其适用的范围是 URLLC（Ultra Reliable and Low LatencyCommunication, URLLC）超可靠低时延通信，此处的时延是针对用户面时延，即手机发送数据的时间延迟，区别于控制面时延（手机注册网络或者状态转换经过的信令流程所花费的时间），本实验仅测量用户面时延，控制面时延不做讨论。

图 6 产生空口时延的基站模块

双向时延包含上行时延（从手机到基站）和下行时延（从基站到手机）两部分。对于上行时延，当手机有数据包需要发送到基站侧，须向基站侧发起无线资源请求的申请（Scheduling Request, SR），通知基站有数据要发送。基站接收到请求后，需要一定时间解码用户发送的调度请求，然后准备给用户调度的资源，准备好后，给用户发送信息(Grant)，告知用户在某个时间某个频率上发送数据。当用户接收到了调度信息之后，需要一定时间解码调度信息，并将数据发送给基站。基站收到用户发送的信息后需要一定时间解码数据信息，从而完成数据的传送，整个过程的时间即为上行时延。而对于下行时延，当基站有数据包需要发送到移动终端时，需要一定时间来解码用户发送的调度请求，然后准备给用户调度的资源，准备好了之后，给用户发送信息，通知用户在某个时间某个频率上接收数据。用户接收到调度信息后，需要一定时间解码调度信息并接收解码数据信息，从而完成数据的传输，整个过程的时间即为下行时延。总体的双向时延是上行时延和下行时延两者之和。

8. 教学实施进程

简要介绍实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中，教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

本实验为《无线通信基础》课程的综合性实验，涉及《数字通信》等先修课程。实验教学的实施进程包括预习自学、课堂讲授、实验测量，结果验收及答辩等环节。

实验室提供5G校园试验网基础平台，会提供大量该平台的线上与线下学习资料。教师团队在讲解基本电磁波传播特性、无线参数测量方法等部分的理论教学内容外，会要求学生课外广泛调研基站功率控制方案相关的资料，并在实验室进行现场操作演示相关参数的测量方法。

学生在教师的指导下搜索性能盲区对应的定向天线波束，设计基站功率控制方案，在设计阶段教师对于基本的设计方法进行讲解，引导学生进行多种功率控制方案的比较，注重要求学生掌握指定区域全覆盖的功率控制方案设计技巧和设计规范。设计完成后，由教师进行检查并及时纠正学生在设计中存在的不足。

对于多基站下探索盲区消除方法，鼓励学生广泛调研各种可行思路，组织学生以项目演讲、答辩、自评互评的形式开展交流，了解多基站下为消除性能盲区所提出的不同功率控制方案的优缺点，对优秀方案集中点评。

具体的课程安排如下表：

（计划 32 学时 $^ +$ 课外开放16 学时）

图7 实际参数测量过程和测量应用示例
(a)实测接收信号功率三维图

(b)实测接收信号等功率线二维图

图8 实测蜂窝接收信号功率三维图与接收信号等功率线二维图
图 9 学生实验与答辩展示

9. 实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等）

实验报告以电子报告形式提交，需按照实验报告模板撰写，包含以下内容：

(1) 学生姓名、学号
(2) 实验题目
(3) 目的要求
(4) 实验原理（写出原理依据的容量公式名称、表达式、各物理量的名称等，画出实验设计流程图。）
(5) 实验内容（要体现测试路径规划设计思路，功率控制方案难点分析）
(6) 实验数据记录（详实记录测量数据对应的条件）
(7) 数据处理分析（研究提出的方案用于盲区消除的有效性）
(8) 实验结果总结（写出实验结论，对实验中存在的问题、后续想法进行讨论）
(0)参老立站

图 10 课程实验报告范例

10.考核要求与方法（限 300 字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

实验考核分三个阶段，基本无线参数测量准确、覆盖评估方案设计合理为合格，提出有效的单基站盲区消除功率控制方案为良好，提出有效的多基站盲区消除功率控制方案为优秀。

基本测量和覆盖评估：（占比 $60 %$ ）

(1) 考核节点：基本任务 1 和 2 结束后进行考核；(2) 考核标准：测量过程是否规范，关键指标测量是否准确；所设计的测试路径规划合理，能否有效用于覆盖特性和盲区评估；

单基站盲区消除探索：（占比 $20 %$ ）

(1) 考核节点：提高任务 1结束后进行考核；(2) 考核标准：提出的功率控制方案能有效消除单基站的性能盲区

多基站盲区消除探索：（占比 $20 %$ ）

(1) 考核节点：提高任务 2结束后进行考核；(2) 考核标准：多基站覆盖特征和盲区评估方案是否合理；提出的功率控制方案能否有效消除多基站性能盲区；考核实验报告规范性、答辩表现。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

本实验的特色在于以下三个方面：

(1) 面向国家新基建战略需求：本实验依托校企联合建设国内首批 5G通信实验平台，培养学生在无线通信领域的实验实践能力，满足学生毕业后面向国家发展的就业需求；

(2) 以学生为中心设计实验过程：通过无线信道测量、基站实际覆盖分析、以及基站覆盖性能优化等实验项目，分层次、逐步提升学生实验能力，学生自己动手实地测量无线传输数据，进行终端业务性能分析，将抽象无形的电磁波传播特性和业务性能有形的展现出来，以实际问题激发学生发现、分析并思考解决问题；

(3) 以开放性课题驱动学生创新研究能力培养：通过开放性课题研究，鼓励学生探索多样性解决方案，激发学生的研究创新能力和工程能力。

参考书籍

[1] David Tse，Pramod Viswanath 主编，《无线通信基础》，人民邮电出版社；2007.7
[2] John G.Proakis，Masoud Salehi 主编，《数字通信》第 5 版，电子工业出版社，2012.1
[3] 葛晓虎，赖槿峰，张武雄编著，《5G 绿色移动通信网络》，电子工业出版社，2017.1
[4] 杨旸，时光，王浩文编著，《5G 仿真与评估方法》，电子工业出版社，2017.7

参赛信息表