面向5G演進(jìn)的4G容量問題探討

□ 文 劉江挺

一、前言

5G網(wǎng)絡(luò)相比當(dāng)前的4G網(wǎng)絡(luò)具有更高的傳輸速率，更快的響應(yīng)速度和更大連接能力的特點(diǎn)，在國家戰(zhàn)略層面，5G是實(shí)現(xiàn)“中國制造2025”與“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國戰(zhàn)略”的必要組成部分。預(yù)測到2030年，5G可以帶動總產(chǎn)出達(dá)到6.3萬億元，就業(yè)人數(shù)達(dá)到800萬個，未來5G將賦能各行各業(yè)應(yīng)用，給人們生活帶來便利，移動通信網(wǎng)絡(luò)向5G演進(jìn)的進(jìn)程也隨之加快。

在5G商用進(jìn)展方面，3GPP組織在2018年9月凍結(jié)了可商用的R15版本，包括以NSA（Non-Stand Alone)的組網(wǎng)架構(gòu)，主要支持eMBB（enhanced Mobile Broadband)業(yè)務(wù)，后續(xù)的R16版本將繼續(xù)進(jìn)行e M B B性能增強(qiáng)和uRLLC（Ultra Reliable Low Latency Communications)場景的標(biāo)準(zhǔn)化，預(yù)計(jì)在2020年完成。

近期，國內(nèi)三大運(yùn)營商都已進(jìn)入了5G網(wǎng)絡(luò)的工程建設(shè)階段，結(jié)合5G標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展情況，中國移動在當(dāng)前的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，在某省以NSA組網(wǎng)架構(gòu)，基于4/5G共模設(shè)備，并選擇4G FDD1800M+TDD F頻段雙錨點(diǎn)方式組網(wǎng)建設(shè)，建成后可以為個人用戶提供極致的高速業(yè)務(wù)體驗(yàn)，后期隨著5G標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，網(wǎng)絡(luò)將面向SA的目標(biāo)組網(wǎng)架構(gòu)平滑演進(jìn)，提供低時延高可靠通信及海量的機(jī)器類通信，切實(shí)服務(wù)各行各業(yè)。

二、5G建設(shè)中的4G容量問題

2.1 2.6GHz頻段使用情況

在5G頻率分配上，國內(nèi)5G備選頻段有兩個，其中6GHz以上的24GHz-86GHz均為備選頻段，目前主要聚焦在45GHz以下頻段，包括24.25-27.5GHz、27.5-29.5GHz等，而6GHz以下頻段以2.6GHz、3.5GHz頻段為核心頻段。在2018年年底，工信部正式發(fā)布了三大運(yùn)營商的5G頻率使用許可，聯(lián)通和電信獲得了國際主流的3.5GHz頻段，中國移動獲得2600MHz和4900MHz頻段，其中2.6GHz包括2575-2635MHz頻段為重耕現(xiàn)有的TD-LTE（4G）頻段；2515-2555MHz為新增頻譜，并收回電信（2635-2655MHz）和聯(lián)通（2555～2575MHz）已分配的頻段，使得中國移動在Band41具備2515MHz-2675MHz共計(jì)160MHz帶寬頻譜。頻率分配如圖1所示，同時為了規(guī)范統(tǒng)一2.6GHz頻點(diǎn)的說法，以20M帶寬進(jìn)行D1～D8的劃分。

圖1 5G 2.6GHz頻率分配圖及頻點(diǎn)劃分

在面向5G演進(jìn)中，結(jié)合當(dāng)前4G D頻段在2.6GHz上已占用了60M帶寬，5G NR（New Radio）頻率在使用方案上主要有兩種，一種為保持4G當(dāng)前使用2575-2635MHz頻段不變，5G NR使用2.6GHz兩端的頻率資源，形成“三明治”的頻率使用方案。如圖2所示。

5G NR“三明治”頻率使用方案

圖2 5G NR頻率方案一

另一種為對現(xiàn)網(wǎng)4G D頻段前40M進(jìn)行移頻，5G NR使用連續(xù)的100M頻率資源。如圖3所示。

圖3 5G NR頻率方案二

5G NR連續(xù)使用100M方案

兩種5G NR的頻率使用方案相比，5G NR若采用頻率分段的方案，由于終端芯片普遍不會支持上行CA功能，將會導(dǎo)致上行峰值速率較低，嚴(yán)重影響業(yè)務(wù)體驗(yàn)。為了保證5G較優(yōu)的業(yè)務(wù)感知，基本都采用5G NR連續(xù)的頻率方案，但這樣對于4G網(wǎng)絡(luò)，就將面臨移頻后因可用頻譜資源不足帶來的容量方面問題。

2.2 設(shè)備及終端不支持對4G容量的影響

在4G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備方面，經(jīng)現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備調(diào)查，4GD頻段設(shè)備的RRU基本僅支持60M頻譜帶寬，因此在移頻后，原設(shè)備僅能開啟D3的頻點(diǎn)，這對于已開啟2個及以上D頻段的4G小區(qū)的容量就會造成了一定影響。另一方面，即使新增網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持移頻后的60M帶寬，在終端支持方面，仍然也存在一定比例終端不支持移頻后的頻段，通過獲取現(xiàn)網(wǎng)終端情況如圖4所示。

圖4 現(xiàn)網(wǎng)終端支持2.6GHz頻段的比例

可以看出現(xiàn)網(wǎng)終端在移頻后，將有7%左右的終端將受到較大影響，主要是2015年以前的終端，典型的終端為IPHONE 5S。由于現(xiàn)網(wǎng)開滿三載波的4G小區(qū)也比例較低，現(xiàn)網(wǎng)統(tǒng)計(jì)比例不到10%，也就是移頻后需要開啟D8頻點(diǎn)小區(qū)的比例較低，對于現(xiàn)階段來說影響較小，但隨著流量快速增長，終端不支持D8頻點(diǎn)仍會在一定程度上對容量造成影響。

2.3 5G網(wǎng)絡(luò)暫無法分流對4G容量的影響

在5G業(yè)務(wù)分流方面，是否可以通過建成的5G網(wǎng)絡(luò)對移頻后的4G的容量進(jìn)行承接呢？通過進(jìn)一步分析，首先，受5G標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)鏈成熟度影響，當(dāng)前建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)在覆蓋范圍和規(guī)模上相對較小，主要集中在城市的核心區(qū)域和重要場所，初期作為5G的業(yè)務(wù)展示，網(wǎng)絡(luò)還不具備承接4G容量的條件。其次，隨著5G建設(shè)進(jìn)度加快，5G覆蓋將逐步完善，網(wǎng)絡(luò)具備條件后，就依賴于5G終端普及率。結(jié)合4G終端的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，4G商用終端普及率達(dá)到10%時，平均歷時13個月，在5G終端方面，根據(jù)Gartner2018Q2預(yù)測，全球5G終端出貨量在2021年前，絕對量和5G占4/5G手機(jī)比例都較小，直到2023年，5G終端才會超過出4/5G手機(jī)出貨量的50%，如圖5所示。

圖5 5G手機(jī)出貨預(yù)測

圖6 中國4/5G用戶預(yù)測

因此在5G終端規(guī)模普及之前，業(yè)務(wù)量仍主要承載在4G網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)一步結(jié)合GSMA預(yù)測的國內(nèi)4/5G網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)分析，如圖6所示。

可以看出，在2020年，4G用戶數(shù)將趨于飽和，并持續(xù)到2021年第一季度，4G用戶數(shù)才將出現(xiàn)拐點(diǎn)，5G用戶數(shù)逐步提升，屆時，5G網(wǎng)絡(luò)開始顯著分流4G業(yè)務(wù)量。

也就是說距2021年5G能有效分流還有約兩年時間，同時由于“提速降費(fèi)”政策的進(jìn)一步落實(shí)及市場策略導(dǎo)向，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長仍將保持較快的增長水平。以某省為例，當(dāng)前DOU不到10GB，不限量套餐滲透率不到30%，在未來2年內(nèi)，雖然缺乏顛覆性的業(yè)務(wù)需求刺激，用戶DOU增長受限，但不限量套餐用戶數(shù)將快速發(fā)展，因此總體容量需求上還將增長6～7倍。經(jīng)推算，到2021年，該省高負(fù)荷待擴(kuò)容小區(qū)比例將達(dá)到30%，需投入的擴(kuò)容載頻資源將達(dá)到9.5萬塊（等效20M帶寬），擴(kuò)容投資預(yù)計(jì)需要15億元，不斷增長的容量需求和投資的矛盾越來越突出。

2.4 4G容量問題小結(jié)

綜上所述，5G建網(wǎng)采用100M連續(xù)帶寬，可以保證5G業(yè)務(wù)極致體驗(yàn)，但需要對4G原D頻段進(jìn)行移頻，由于受制于現(xiàn)網(wǎng)4G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和手機(jī)終端的對移頻后頻段的支持，4G網(wǎng)絡(luò)容量勢必受到影響，且5G終端無法快速普及，預(yù)計(jì)5G能實(shí)現(xiàn)有效分流還需要兩年的時間，這期間4G流量仍保持快速增長，若繼續(xù)投資4G容量建設(shè)，5G開始分流后，這部分投資將徹底浪費(fèi)。如何保障現(xiàn)網(wǎng)4G網(wǎng)絡(luò)容量，確保用戶感知，并化解投資風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)降本增效，本文將進(jìn)行相關(guān)解決措施的探討。

三、4G容量問題解決措施探討

3.1 低成本的容量保障措施

在4G容量保障中，為達(dá)到降本增效的目的，就要求在擴(kuò)容中基于性價比高，工程部署簡便的原則，大體可以分為4個步驟：

◆ 首先是竭盡優(yōu)化手段，攤薄容量厚度，4G網(wǎng)絡(luò)在城區(qū)基本已建成了2層以上的網(wǎng)絡(luò)，熱點(diǎn)區(qū)域達(dá)到了4層，通過統(tǒng)計(jì)現(xiàn)網(wǎng)多層網(wǎng)小區(qū)的利用率情況，發(fā)現(xiàn)同覆蓋的小區(qū)之間負(fù)荷仍存在不均衡的問題，因此可通過負(fù)荷均衡手段，將業(yè)務(wù)合理分?jǐn)偟蕉鄬泳W(wǎng)上，緩解因不均衡造成的4G高負(fù)荷小區(qū)；

◆ 其次是靈活調(diào)度，盤活現(xiàn)有資源，由于網(wǎng)絡(luò)具有明顯的忙閑差異性，如在學(xué)校、工廠、居民區(qū)、商業(yè)區(qū)等場景，業(yè)務(wù)量的潮汐現(xiàn)象很明顯，因此在硬件設(shè)備支持的情況下，通過部署載波調(diào)度，可以靈活調(diào)度載波能力，可在資源不增加的情況下解決容量問題。在5G建設(shè)中，由于設(shè)備均為4/5G共模設(shè)備，因此可以將部分替換下4GD頻段設(shè)備重新利用到鄉(xiāng)鎮(zhèn)，農(nóng)村等場景的熱點(diǎn)區(qū)域上，充分利用好存量資源；

◆ 再次，持續(xù)挖潛頻率資源，包括A頻段15M的重耕，F(xiàn)2載波10M的全面開啟，GSM1800M全面清頻后用于4G FDD等這類低投入保容量的方式；

◆ 最后，在新增資源投入上，建議以1800M擴(kuò)容為主，一方面1800M具有上行容量優(yōu)勢，另一方面作為5GNSA組網(wǎng)下錨點(diǎn)，同時在頻率資源窮盡的場景下，以4/5G共模設(shè)備開啟3D-MIMO，同步儲備5G能力，實(shí)現(xiàn)保護(hù)投資。

3.2 基于頻率共享的容量保障措施

但針對現(xiàn)網(wǎng)存在較多超高流量密度區(qū)域，4G容量問題可能仍無法得到有效解決，因此就可以考慮引入頻率共享技術(shù)進(jìn)行解決，該技術(shù)提出以不區(qū)分網(wǎng)絡(luò)制式，按需調(diào)度資源，實(shí)現(xiàn)頻譜“云化”的思路，解決頻率資源受限的容量問題，包括4G與2G和4G與5G的頻譜共享。

◆ 4G與2G的頻率共享

傳統(tǒng)通過重耕2G頻段用于4G時，以10M帶寬為例，一般為4G使用中間5M，2G使用兩頭的2.4M，并各留1個0.2M頻點(diǎn)作為保護(hù)帶寬，共4.8M，4G和2G使用的頻率沒有重疊。而在頻率共享技術(shù)下，可以將4G和2G使用的頻率部分重疊，使得4G的帶寬擴(kuò)大到10M，2G同樣可以共享使用10M帶寬中的4.4M帶寬。如圖7所示。

圖7 2/4G頻率共享

在GSM系統(tǒng)忙時，其中2/4G共享頻譜將用于GSM系統(tǒng)，確保存量2G用戶的感知，在GSM閑時將用于4G系統(tǒng)，因此4G就可以獲得一個錯峰收益，分擔(dān)容量問題。該技術(shù)具體實(shí)現(xiàn)過程為：GSM終端上報(bào)MR測量報(bào)告，BSC基于2/4G干擾鄰區(qū)關(guān)系、共享頻點(diǎn)的用戶占用狀況，判斷4G基站使用共享頻譜是否干擾GSM用戶，如果干擾可控，就向4G發(fā)送頻率復(fù)用指令，eNodeB根據(jù)接收到的復(fù)用指令，計(jì)算出4G在共享頻譜上的可用時頻資源，并進(jìn)行合理的分配和調(diào)度，從而獲得共享增益，過程如圖8所示。

圖8 2/4G頻率共享原理圖

◆ 4G與5G的頻率共享

由于4G和5G都是采用OFDMA技術(shù)，二者最小資源塊在時域與頻域上可對齊，因此LTE和NR在載波帶寬內(nèi)可完全重疊，同理實(shí)現(xiàn)頻譜共享，如圖9所示：

圖9 4/5G頻率共享

但在5G商用初期，由于5G輕載，因此還可以通過動態(tài)的頻率調(diào)整，解決移頻后的4G容量問題。相比4/5G同頻共享，動態(tài)的頻率調(diào)整實(shí)現(xiàn)上更容易。應(yīng)用場景可包括：一兼顧4G和5G的體驗(yàn)的場景，5GNR靈活分配使用前80M，4G就可保持當(dāng)前D2～D3的40M不移頻；二4G容量壓力不大的場景，NR就可以開啟100M，滿足高速的5G業(yè)務(wù)的體驗(yàn)，而4G可使用移頻后的60M。4/5G頻率動態(tài)分配如圖10所示：

圖10 4/5G頻率動態(tài)分配

需要注意的是，由于5G網(wǎng)絡(luò)的建成是逐步推進(jìn)的過程，現(xiàn)網(wǎng)必然存在部分5G站點(diǎn)在開啟100M后，與周邊4G D頻段站點(diǎn)在D1-D2頻點(diǎn)上的同頻干擾。

3.3 基于終端的細(xì)化容量保障措施

4G移頻后，由于現(xiàn)網(wǎng)終端支持的程度不同，因此可以考慮通過針對終端能力進(jìn)行終端駐留策略的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)量的均攤?，F(xiàn)網(wǎng)各頻段的駐留策略一般為：2.3GHz＞2.6GHz＞(1.9GH z=1.8GHz)＞900MHz，若對于2015年之前的終端，由于僅支持2570～2620MHz頻端，無法占用D3頻點(diǎn)，就需通過駐留策略優(yōu)先將這類終端調(diào)整至TDD F頻段或FDD1800小區(qū)上，而對于支持D頻段全帶寬的終端，就可調(diào)整為優(yōu)先駐留D8頻點(diǎn)。當(dāng)然由于4G網(wǎng)絡(luò)還將根據(jù)載波的負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時的業(yè)務(wù)量均衡，并且在用戶數(shù)達(dá)到承載極限時，4G網(wǎng)絡(luò)容量仍受限于可用的頻率資源，因此基于終端的調(diào)整效果有限。

四、現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)應(yīng)用效果

現(xiàn)網(wǎng)中，當(dāng)前已切實(shí)推進(jìn)實(shí)施低成本的容量保障措施，其效果已得到前期工程驗(yàn)證，這里不再贅述。本文將重點(diǎn)針對基于頻率共享的容量保障措施在現(xiàn)網(wǎng)的應(yīng)用效果進(jìn)行介紹。

4.1 2/4G頻率共享試點(diǎn)效果

◆ 試點(diǎn)區(qū)域情況

試點(diǎn)選擇了某市城區(qū)中的高校區(qū)域，該區(qū)域4G小區(qū)的業(yè)務(wù)負(fù)荷較高，容量問題較為突出。試點(diǎn)區(qū)域內(nèi)共有2/4G共模無線站點(diǎn)9個，站點(diǎn)采用國內(nèi)主流設(shè)備廠家的GSM/NB-IoT/FDD共模設(shè)備，具備三種網(wǎng)絡(luò)制式同時工作的能力，從而能實(shí)現(xiàn)低成本建網(wǎng)，節(jié)能提效，多網(wǎng)協(xié)同運(yùn)營。頻段使用的是Band8，上下行對稱頻段，下行頻段范圍為934MHz～954MHz，站點(diǎn)的平均站間距為525m。為隔離外圍區(qū)域?qū)υ圏c(diǎn)區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)的射頻干擾，根據(jù)2G GSM900小區(qū)的經(jīng)驗(yàn)覆蓋半徑值，測試中按1.5km設(shè)置了隔離保護(hù)區(qū)，確定隔離區(qū)內(nèi)有13個2/4G共模站點(diǎn)。試點(diǎn)區(qū)域如圖11所示。

圖11 2/4G頻率共享試點(diǎn)區(qū)域圖

◆ 該區(qū)域內(nèi)2/4G的業(yè)務(wù)量情況

統(tǒng)計(jì)2/4G某一周業(yè)務(wù)量，發(fā)現(xiàn)在每日的時間段9:00～12:00和17:00～20:00都屬于GSM900M小區(qū)的話務(wù)高峰時段，同時段4G FDD-LTE小區(qū)的流量相對較低；21:00 GSM話務(wù)量開始下降，F(xiàn)DD-LTE流量相對上升，4G FDD-LTE最忙時出現(xiàn)在晚上22:00～23:00；因此2G GSM小區(qū)和FDD-LTE小區(qū)的業(yè)務(wù)特征存在錯峰的特點(diǎn)，這將有利于頻譜資源按需分配。2/4G小區(qū)業(yè)務(wù)量對比情況如圖12所示。

◆ 試點(diǎn)頻率設(shè)置方案：本次試點(diǎn)在BAND8 FDD/GSM 900M頻段上進(jìn)行驗(yàn)證。

GSM：預(yù)留21個BCCH頻點(diǎn)（13～33）、46個TCH頻點(diǎn)（10 20～1023+0～12+34～41+42～52+81～90）部署GSM網(wǎng)絡(luò)，其中（42～52+81～90）為共享頻點(diǎn)。

4G FDD：4G小區(qū)設(shè)置10M帶寬，其中共享帶寬占4.4M。

NB：占用GSM 92、93、94號頻點(diǎn)，91號頻點(diǎn)做隔離用。

隔離區(qū)：TCH不用共享頻點(diǎn)，隔離試點(diǎn)區(qū)域與大網(wǎng)間的同頻干擾。

圖12 2/4G小區(qū)業(yè)務(wù)量對比圖

頻段分配示意如圖13所示。

圖13 900M頻段上2/4G頻率共享

◆ 網(wǎng)絡(luò)部署準(zhǔn)備條件

表1 2/4G頻率共享?xiàng)l件

如表1所示，其中GSM站點(diǎn)增加時鐘同步，主要是為了在干擾判決中要求LTE不干擾本小區(qū)的GSM業(yè)務(wù)，同時還要考慮鄰區(qū)的GSM業(yè)務(wù)，因此只有GSM網(wǎng)絡(luò)同步時才能聯(lián)合GSM鄰區(qū)影響進(jìn)行干擾估計(jì)。2/4G BBU互聯(lián)是為了實(shí)現(xiàn)2/4G之前信息的傳遞，包括GSM BSC與LTE eNB之間進(jìn)行信息交互，GSM和LTE需要有固定的時鐘關(guān)系而傳遞的時鐘互鎖信息，從而實(shí)現(xiàn)GL動態(tài)頻譜共享和GL干擾協(xié)調(diào)控制，整體上網(wǎng)絡(luò)改造并不太復(fù)雜，無需額外的硬件資源投資。

◆ 試點(diǎn)效果

總體上，2/4G網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)基礎(chǔ)保持穩(wěn)定，4G獲得了錯峰增益明顯。相關(guān)指標(biāo)如表2所示。

開啟頻率共享后，4G FDD小區(qū)日均流量平均增長了36.49%，而同區(qū)域TDD小區(qū)的無線利用率也有所下降，起到了負(fù)荷分擔(dān)的作用。試點(diǎn)應(yīng)用效果如圖14所示。

4.2 4/5G頻率動態(tài)分配

在4/5G頻率共享應(yīng)用中，當(dāng)前主要是160M頻譜的靈活分配，暫未實(shí)施頻率復(fù)用?，F(xiàn)網(wǎng)中主要考慮5G開啟100M后，可能存在與周邊未移頻的4G站點(diǎn)在D1D2上的同頻干擾。從理論上來講，5G對4G的干擾基本可以忽略，這是因?yàn)樵趶V播信道上，5GNR最大支持8個窄波束進(jìn)行輪詢發(fā)送，使得干擾隨機(jī)化，同時導(dǎo)頻信道上，5G NR也不再發(fā)送類似在4G中發(fā)送的CRS信號。如圖15所示。

表2 共享開啟前后的2/4G網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)

圖14 試點(diǎn)應(yīng)用效果

圖15 4/5G同頻干擾示意圖

另一方面，有設(shè)備廠家的仿真結(jié)果也表明，4G對5G的下行平均速率的影響在10%左右，并隨著5G業(yè)務(wù)負(fù)荷的提升，4G對5G的影響相比5G系統(tǒng)內(nèi)自干擾影響變得更小，因此基于不同的4G業(yè)務(wù)負(fù)荷，可以靈活配置5G帶寬80～100M，即滿足初期5G業(yè)務(wù)演示需要，又同時保障4G容量需求。

五、結(jié)束語

隨著5G進(jìn)程及產(chǎn)業(yè)鏈不斷成熟，預(yù)計(jì)不久5G網(wǎng)絡(luò)將協(xié)同4G網(wǎng)絡(luò)成為重要的無線側(cè)業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)前若為保障4G容量繼續(xù)高強(qiáng)度的投資，勢必會導(dǎo)致投資效益差的問題，基于此本文探討總結(jié)了低成本的容量保障措施，其中頻率共享技術(shù)從投入產(chǎn)出來看是較好的一個解決手段。■