5G無線網(wǎng)規(guī)劃及組網(wǎng)策略

文/張志鈺 趙政

1 5G發(fā)展進程

1.1 5G標準進程

5G標準分為兩個階段，R15版本主要聚焦eMBB（含WTTx）,R16版本滿足5G所有場景（eMBB/uRLLC/mMTC）；2018年6月14日，R15版本標準已經(jīng)凍結(jié)，奠定了商用基礎(chǔ)。

新增Late Drop階段，將Opt4和Opt7架構(gòu)推遲納入R15協(xié)議，NSA架構(gòu)下可連NEW Core；R16協(xié)議版本中，LPWA物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將基于NB/eMTC演進，不新增新空口；5G的語音標準基于IMS，協(xié)議不定義5G通過CSFB回落2/3G。

5G與4G不同，全球采用統(tǒng)一標準，Polar碼、F-OFDM波形、上下行解耦、短時延接入、以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等基礎(chǔ)創(chuàng)新技術(shù)已被3GPP采納。

1.2 5G頻譜進展

5G首波市場已啟動3.5G頻段發(fā)放，2.6G主要在美國和中國，C-Band+大帶寬已成為5G部署的主流選擇，提供5G的普遍容量和覆蓋，目前標準最大支持100MHz/載波；毫米波受限于產(chǎn)業(yè)成熟度，整體規(guī)模商用節(jié)奏將晚于C-Band，目前標準最大支持400MHz/載波。

國內(nèi)頻譜分配中國移動2.6G 160M,電信聯(lián)通3.5G各100M，廣電4.9G 50M；2.6G頻段低，覆蓋更好，帶寬大，連續(xù)160M靈活部署，但產(chǎn)業(yè)鏈不成熟，3.5G頻段高，覆蓋差，但全球產(chǎn)業(yè)鏈成熟，4.9G外部干擾風(fēng)險小，容易協(xié)調(diào)，基于業(yè)務(wù)按需部署，更靈活。

圖1：5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選項

1.3 5G終端情況

根據(jù)調(diào)查，自16年起新增終端全部支持B38/41，根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)統(tǒng)計，手機銷量排行榜前26的手機終端中僅iPhone 5S不支持B38，及15年以前少量低端機不支持2.6G D3頻段，現(xiàn)網(wǎng)占比預(yù)計不足5%，對移動2.6G 160M連續(xù)覆蓋基本無影響。

目前市面上已發(fā)布支持2.6G NR的主流5G芯片有華為的麒麟980+巴龍5000，高通驍龍855+X55,華為的基帶同時支持NSA/SA雙模組網(wǎng)。

2 5G關(guān)鍵技術(shù)

與4G相比，5G的峰值速率從1Gbps提高到20Gbps，提升20倍；用戶體驗速率從10Mbps增強到100Mbps，提高10倍；頻譜效率為4G的3倍，移動性從350km/h提升到500km/h，時延從10ms降低到1ms，連接密度每平方公里連接數(shù)從10萬提升到100萬，提升了10倍，網(wǎng)絡(luò)能量效率提升100倍，流量密度從0.1Mbps/m2提升到10Mbps/m2。

2.1 大規(guī)模天線（Massive MIMO）

大規(guī)模天線Pre 5G的核心技術(shù)，基站側(cè)安裝大規(guī)模天線陣列，利用多根天線形成的空間自由度及有效的多經(jīng)分量，提升系統(tǒng)頻譜利用效率。大規(guī)模天線技術(shù)的應(yīng)用場景包括宏覆蓋、高層覆蓋、熱點覆蓋和無線回傳。大規(guī)模MIMO通過提升天線的數(shù)量使得頻譜效率提高進而成倍的提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，大規(guī)模MIMO具有低時延、干擾程度低、功率效率高以及系統(tǒng)性能優(yōu)異等優(yōu)點。

大規(guī)模天線將導(dǎo)致基站的價格上升，建站成本增高，同時流量增加帶來RRU和BBU之前的前傳壓力增加，方案上將前傳變成后傳短期較難實現(xiàn)，將導(dǎo)致光纖的需求增加。

2.2 同時同頻全雙工

最近幾年，同時同頻全雙工技術(shù)吸引了業(yè)界的注意力。利用該技術(shù)，在相同的頻譜上，通信的收發(fā)雙方同時發(fā)射和接收信號，與傳統(tǒng)的TDD和FDD雙工方式相比，從理論上可使空口頻譜效率提高1倍。

全雙工技術(shù)能夠突破FDD和TDD方式的頻譜資源使用限制，使得頻譜資源的使用更加靈活。然而，全雙工技術(shù)需要具備極高的干擾消除能力，這對干擾消除技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)，同時還存在相鄰小區(qū)同頻干擾問題。在多天線及組網(wǎng)場景下，全雙工技術(shù)的應(yīng)用難度更大。

2.3 D2D

傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式是以基站為中心實現(xiàn)小區(qū)覆蓋，而基站及中繼站無法移動，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在靈活度上有一定的限制。隨著無線多媒體業(yè)務(wù)不斷增多，傳統(tǒng)的以基站為中心的業(yè)務(wù)提供方式已無法滿足海量用戶在不同環(huán)境下的業(yè)務(wù)需求。

D2D技術(shù)無需借助基站的幫助就能夠?qū)崿F(xiàn)通信終端之間的直接通信，拓展網(wǎng)絡(luò)連接和接入方式。由于短距離直接通信，信道質(zhì)量高，D2D能夠?qū)崿F(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率、較低的時延和較低的功耗；通過廣泛分布的終端，能夠改善覆蓋，實現(xiàn)頻譜資源的高效利用；支持更靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和連接方法，提升鏈路靈活性和網(wǎng)絡(luò)可靠性。

目前，D2D采用廣播、組播和單播技術(shù)方案，未來將發(fā)展其增強技術(shù)，包括基于D2D的中繼技術(shù)、多天線技術(shù)和聯(lián)合編碼技術(shù)等。

2.4 密集網(wǎng)絡(luò)

在未來的5G通信中，無線通信網(wǎng)絡(luò)正朝著網(wǎng)絡(luò)多元化、寬帶化、綜合化、智能化的方向演進。隨著各種智能終端的普及，數(shù)據(jù)流量將出現(xiàn)井噴式的增長。未來數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將主要分布在室內(nèi)和熱點地區(qū)，這使得超密集網(wǎng)絡(luò)成為實現(xiàn)未來5G的1000倍流量需求的主要手段之一。

超密集網(wǎng)絡(luò)能夠改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋，大幅度提升系統(tǒng)容量，并且對業(yè)務(wù)進行分流，具有更靈活的網(wǎng)絡(luò)部署和更高效的頻率復(fù)用。未來，面向高頻段大帶寬，將采用更加密集的網(wǎng)絡(luò)方案，部署小小區(qū)/扇區(qū)將高達100個以上。

3 5G組網(wǎng)方案分析

2017年12月完成5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選項3（NSA），支持eMBB NSA，信息錨點在LTE，數(shù)據(jù)分流點在NR，LTE需要支持NSA，LTE不需要擴容，支持LTE/NR雙連接；2018年6月完成5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選項2（SA），支持eMBB SA，信息錨點在NR，需要連續(xù)覆蓋，保證業(yè)務(wù)連續(xù)，LTE需要支持NSA，不支持LTE/NR雙連接，架構(gòu)支持5G全業(yè)務(wù)；2018年12月完成5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選項7（NSA），支持eMBB Late Dorp，信息錨點在eLTE，支持LTE/NR雙連接，LTE需改造支持eLTE，架構(gòu)支持5G全業(yè)務(wù)；預(yù)計2019年12月完成5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選項4（SA），支持eMBB+uRLLC+mMTC，信息錨點在NR，支持LTE/NR雙連接，LTE需改造支持eLTE，架構(gòu)支持5G全業(yè)務(wù)。如圖1所示。

3.1 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選項3（NSA）

接入網(wǎng)進行重構(gòu)核心網(wǎng)側(cè)沿用4G網(wǎng)絡(luò)EPC，接入網(wǎng)側(cè)LTEeNB扮演了與核心網(wǎng)控制面連接錨點的角色，所有控制信令都是通過LTEeNB下發(fā)，而用戶面數(shù)據(jù)通過LTEeNB進行承載分離；參考了3GPPR12的LTE雙連接構(gòu)架，UE在連接態(tài)下可同時使用LTE eNB和gNB的無線資源(其中eNB為主站，gNB為從站)；gNB處理能力受限于LTE eNB的處理瓶頸，eMBB業(yè)務(wù)速率受限于LTE eNB側(cè)傳輸帶寬，不支持5G新增場景mMTC、uRLLC；優(yōu)勢在于利舊4G網(wǎng)絡(luò)，利于快速部署，且成本相對低廉。

3.2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選項2（SA）

整個網(wǎng)絡(luò)進行重構(gòu)5G系統(tǒng)獨立組網(wǎng)，gNB通過新空口NG-U連接到NGC。無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)都是全新構(gòu)建的，而未利用或兼容現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)；缺點是未能有效利用現(xiàn)網(wǎng)資源，部署成本較高；優(yōu)點在于同時引入NGC和NR可全面支持5G的多元化業(yè)務(wù)；同時，由于減少了4G和5G之間的接口，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。

3.3 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選項7（NSA）

相當于選項3系列的升級版本，核心網(wǎng)側(cè)重構(gòu)為NGC，接入網(wǎng)側(cè)仍有效利用現(xiàn)網(wǎng)4G資源，考慮到LTE eNB處理能力遭遇瓶頸，將其升級為eLTE eNB，并以eLTE eNB作為錨點，承載gNB的業(yè)務(wù)；eLTE eNB為主站，gNB為從站；需針對原有4G LTE eNB進行升級改造，系統(tǒng)互操作復(fù)雜度高；綜合了4G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)資源成熟及5G網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)越的優(yōu)勢，前期投入相對獨立組網(wǎng)要小。

3.4 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選項4（SA）

相當于選型7系列的變體，兩者不同之處為控制面連接錨點的功能改由gNB承擔(dān)；eLTE eNB為從站，gNB為主站；對5G全覆蓋的程度要求較高，否則無法有效利用4G資源；最大化4G和5G聯(lián)合組網(wǎng)的優(yōu)勢，在4G退網(wǎng)前，發(fā)揮余熱。

3.5 NSA/SA對比分析

SA優(yōu)勢在于一步到位，無二次改造成本，易拓展垂直行業(yè)，5G與4G無線網(wǎng)可異廠商；NSA優(yōu)勢在于對核心網(wǎng)及傳輸網(wǎng)新建/改造難度低，對5G連續(xù)覆蓋要求壓力小，在5G未連續(xù)覆蓋時性能略優(yōu)， 但對4G無線網(wǎng)改造多，國際運營商多選擇NSA，電信聯(lián)通選擇SA，移動規(guī)模試驗選擇NSA，正式商用選擇SA。

4 5G無線網(wǎng)規(guī)劃方案

中國移動5G使用2.6G 160M頻譜，移動現(xiàn)網(wǎng)D頻段的60M加上電信聯(lián)通各自50M構(gòu)成，電信TDD 2.6G站點建設(shè)規(guī)模較小，而且已經(jīng)在逐步退頻，聯(lián)通未建設(shè)2.6G站點。由于2.6G比電信聯(lián)通的3.5G頻段較低，室內(nèi)覆蓋提升6dB，小區(qū)覆蓋半徑提升30+%，2.6G一張網(wǎng)建設(shè)，可兼顧4G容量和5G覆蓋需求，快速搭建5G網(wǎng)絡(luò)。2.6GHz覆蓋優(yōu)亍3.5GHz，上行無需考慮增強方案，降低了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度；低價值區(qū)域現(xiàn)網(wǎng)存量室分場景可考慮直接合路方式接入現(xiàn)有DAS系統(tǒng)，降低成本；4G/5G可共模使用大規(guī)模天線設(shè)備，降低組網(wǎng)成本；最終可獲得連續(xù)的160M 5G頻譜資源，降低組網(wǎng)難度。

通過測試對比分析2.6G 64TR比3.5G 64TR上下行覆蓋能力均提升1.5倍；2.6GHz 64TR PUSCH可達到FDD 1.8GHz覆蓋距離的 87%；以復(fù)用D頻段站間距300m-350m來看，2.6GHz 64TR 考慮淺層覆蓋，上行邊緣速率基本可達到1Mbps的水平，遠高亍3.5GHz的178Kbps水平。

CU/DU分離的前提是CU和核心網(wǎng)完成云化，因此建設(shè)初期必然是CU/DU合設(shè)；當CU集中部署時導(dǎo)致部署復(fù)雜度增加，相比4G，新增需部署的網(wǎng)元設(shè)備，CU集中后對可靠性要求很高，對機房要求高，也需考慮CU容災(zāi)方案，對URLLC業(yè)務(wù)，需同時部署下沉到無線機房的CU；其次是管理復(fù)雜度增加，CU與DU之間對接參數(shù)配置、數(shù)據(jù)一致性、版本兼容性等，都將增加管理復(fù)雜度，特別是CU/DU 異廠商部署時，不同CU型態(tài)會導(dǎo)致不同的CU軟件版本，可能同時存在部署不同位置但服務(wù)同一個DU的CU設(shè)備（和DU合設(shè)及分離） 管理，還會信令時延增加，CU與DU之間的RRC信令時延，如將增加附著/接入時延。

5G語音技術(shù)方案，標準定義明確5G VoNR和4G VoLTE都基于IMS；NSA下直接利用VoLTE，SA下回落到VoLTE，語音體驗無差別；NSA下VoLTE：MOS 4.1，接入時延～2s，SA回落VoLTE：MOS 4.1，接入時延2～3s。

5 5G建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)

5G部署主要面臨前傳資源、動力配套、天面等三個方面的挑戰(zhàn)。由于5G的高流量帶來RRU和BBU之前的前傳壓力增加，方案上將前傳變成后傳短期較難實現(xiàn)，將導(dǎo)致光纖的需求增加；由于5G設(shè)備功耗高于4G設(shè)備，對動力配套的要求較高，現(xiàn)網(wǎng)資源多數(shù)已不滿足多家運營商新增5G設(shè)備，需要提前對動力配套進行改造；現(xiàn)網(wǎng)資源天面縣城以上已基本占用，無空余天面資源，需要對天面采用合路天線進行整合，或利用社會桿塔進行部署5G網(wǎng)絡(luò)。