基于5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急通信超密集組網(wǎng)技術(shù)

王樹(shù)森 劉凱旋

（廣州杰賽科技股份有限公司 廣東省廣州市 510310）

進(jìn)入新時(shí)代，隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，為滿(mǎn)足用戶(hù)的更好的體驗(yàn)需求，需要提高5G 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率，一般情況是提升頻譜的利用率，除此之外，利用超密集組網(wǎng)提升空間擴(kuò)大系統(tǒng)容量已經(jīng)成為主要的技術(shù)，超密集組網(wǎng)（Ultra Dense Network）簡(jiǎn)稱(chēng)UDN，通過(guò)密集化的部署，在熱點(diǎn)區(qū)域最大程度的提升系統(tǒng)的容量，將滿(mǎn)足未來(lái)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量需求的主要技術(shù)手段。基于5G 網(wǎng)絡(luò)對(duì)超密集組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐有重要的意義。

1 超密集組網(wǎng)相關(guān)概述

由于未來(lái)的通信業(yè)務(wù)將飛速發(fā)展，各大運(yùn)營(yíng)需要解決特別在一些特定區(qū)域的流量問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題在5G 網(wǎng)絡(luò)中更加突出。依靠相關(guān)的低頻頻譜資源不能很好的滿(mǎn)足用戶(hù)在移動(dòng)數(shù)據(jù)及流量方面的需求，因此，增加一定范圍內(nèi)的微基站的數(shù)量是有效解決地區(qū)和用戶(hù)對(duì)高速數(shù)據(jù)流量需求的方法。5G 在4G 的基礎(chǔ)上，采用更寬的帶寬來(lái)提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，但提升?shù)據(jù)傳輸速率，體現(xiàn)不出5G 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用價(jià)值，也不能最大程度滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等用戶(hù)或物業(yè)應(yīng)用需求。例如在一些公共場(chǎng)所、特定的終端、應(yīng)用、群體需要的是速率更加塊，時(shí)延較低、接入容量更加龐大的網(wǎng)絡(luò)作為支撐[1]。5G 網(wǎng)絡(luò)采用的是大空間復(fù)用技術(shù)以及超密集組網(wǎng)協(xié)同模式，可最大程度擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容量。采用縮短小小區(qū)的半徑距離，超密集組網(wǎng)的部署，不僅可以有效提升頻譜的速率，還能解決各種網(wǎng)絡(luò)覆蓋的問(wèn)題。UDN 主要是指無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)中包括的許多小小區(qū)即有限低功率覆蓋站點(diǎn)，例如皮站、微站，微微站、基站等近距離的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。都是5G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)規(guī)模部署接入點(diǎn)，就能最大程度減少網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)接入距離，從而有效提高用戶(hù)區(qū)域的接入量，該技術(shù)最大限度滿(mǎn)足5G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)低時(shí)延、大容量、高效運(yùn)輸需求的核心技術(shù)?，F(xiàn)階段，超密集組網(wǎng)技術(shù)還處于應(yīng)用實(shí)踐的初期，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化的架構(gòu)還不夠成熟。在大容量、熱點(diǎn)、密集的情況下，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境日益復(fù)雜同時(shí)干擾也在不斷增加。雖然基站的超密集組網(wǎng)在一定意義上可以提升系統(tǒng)的頻譜速率和加大相關(guān)資源的利用率，但也會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題，如增加對(duì)無(wú)線系統(tǒng)的干擾，加劇移動(dòng)負(fù)荷、增加網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的成本和能耗等都是需要后期重點(diǎn)處理解決的問(wèn)題。

2 超密集組網(wǎng)整體的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 異構(gòu)蜂窩網(wǎng)部署

5G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)超密集組網(wǎng)的部署，改變了傳統(tǒng)的單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，推動(dòng)了多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的快速出現(xiàn)。在5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，超密集的微基站（即SBS）是極其重要的，隨著大量部署超密集的微站，使得小基站承擔(dān)的流量所占的比重將大幅的增加。超密集組網(wǎng)中包括提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋的宏基站（即MBS），也有特定提供高數(shù)據(jù)大流量業(yè)務(wù)的低功率的節(jié)點(diǎn)，例如微基站、皮基站等。這些基站節(jié)點(diǎn)尺寸較小、功率較低、能夠靈活的部署，不僅能利用運(yùn)營(yíng)商開(kāi)展部署和設(shè)計(jì)，同時(shí)用戶(hù)也能根據(jù)其需求進(jìn)行自主部署。但由于超密集組網(wǎng)基站在部署中，采用光纖回傳，這種方式不太靈活，而且消耗的成本太高，而有線和無(wú)線回傳的有機(jī)結(jié)合使得UDN 部署使得更加的快捷方便，同時(shí)減少成本的消耗。以異構(gòu)蜂窩網(wǎng)的宏微協(xié)同模式，在不適合安置光纖的環(huán)境中，以無(wú)線回傳代替原來(lái)成本高的光纖，微小基站已解決在大型商場(chǎng)及超市、較大的綜合城市、戶(hù)外集會(huì)的場(chǎng)所、會(huì)展、劇院、體育場(chǎng)館、高校等已投入使用，但還要不斷的深度覆蓋、高速率、大容量的熱點(diǎn)區(qū)域。隨著不斷的發(fā)展、無(wú)線回傳還將不斷的發(fā)展演變，以全新的形式出現(xiàn)如IAB（集成5G NR 無(wú)線回傳和接入，它是3GPP R16 的工作項(xiàng)目。面臨即將進(jìn)入微站密集毫米波的時(shí)代，許多城市中的監(jiān)控桿、路燈桿等都將使用基站或掛上天線，這使得每個(gè)超密集組網(wǎng)微站都應(yīng)用光纖回傳是不太現(xiàn)實(shí)的，IAB 通過(guò)利用多波束，將集成無(wú)線接入和回傳，使得每個(gè)微站都將通過(guò)以無(wú)線自回傳的形式，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、靈活、低消耗的基站部署。

2.2 宏微協(xié)同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架部署

基于5G超密集網(wǎng)絡(luò)覆蓋的應(yīng)用（主要是大型的體育場(chǎng)館、會(huì)展、集會(huì)娛樂(lè)活動(dòng)場(chǎng)所等），有針對(duì)性提出數(shù)據(jù)承載與控制分離的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。通過(guò)控制信令和覆蓋的范圍分離后，就能讓覆蓋數(shù)據(jù)隨著業(yè)務(wù)應(yīng)用負(fù)載的實(shí)際情況的改變而發(fā)生變化。宏基站和微基站的任務(wù)內(nèi)容是不一樣的，一般情況微基站主要是傳輸一些高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而宏基站主要確保覆蓋網(wǎng)絡(luò)范圍以及傳輸?shù)退俾实臄?shù)據(jù)業(yè)務(wù)。因此，每個(gè)用戶(hù)設(shè)備即（UE）都會(huì)連接宏基站，根據(jù)用戶(hù)業(yè)務(wù)的類(lèi)型選擇最佳的承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的基站。例如用戶(hù)設(shè)備在對(duì)高清視頻的瀏覽以及應(yīng)用全景制作和全景營(yíng)銷(xiāo)時(shí)，在下載的過(guò)程中需要的速率高，就會(huì)根據(jù)情況接入宏基站和微基站，信令承載在宏基站上，確保連接可靠；數(shù)據(jù)承載微基站上，確保用戶(hù)應(yīng)用時(shí)傳輸?shù)乃俾?。而用?hù)設(shè)備僅僅只需要瀏覽網(wǎng)站或進(jìn)行語(yǔ)音等較低速率的業(yè)務(wù)，僅需連接宏基站，信令和數(shù)據(jù)的承載都在宏基站上；在一些微基站覆蓋不到的區(qū)域，用戶(hù)設(shè)備就只可以連接宏基站進(jìn)行一些相關(guān)的業(yè)務(wù)。基于5G 超密集組網(wǎng)的架構(gòu)，用戶(hù)設(shè)備會(huì)根據(jù)需要進(jìn)行的業(yè)務(wù)類(lèi)型選擇最佳的接入方式，靈活的對(duì)整個(gè)小基站進(jìn)行部署。宏基站作為微基站間的接入控制器，主要對(duì)無(wú)線資源與一定范圍內(nèi)移動(dòng)的管理等。宏微協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能有效確保移動(dòng)性能和提高無(wú)線資源的利用率，具有一定的優(yōu)勢(shì)。由于微基站處于宏基站的范圍下，用戶(hù)設(shè)備連接保持和宏基連接，微基站只能提供用戶(hù)方面的連接。宏基站作為控制，可以對(duì)無(wú)線資源合理配置及優(yōu)化，進(jìn)行微基站之間的干擾協(xié)調(diào)管理、控制微基站的操作等，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容量和提升無(wú)線資源的利用率，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能[2]。

2.3 微微小區(qū)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署

宏微組網(wǎng)架構(gòu)模式，需要在系統(tǒng)終端方面以雙連接作為支撐才能達(dá)到控制和承載分離的目的。而基于5G 超密集網(wǎng)絡(luò)微微組網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景（主要包括地下的停車(chē)場(chǎng)、商場(chǎng)、地鐵以及巨大的人防工程等許多場(chǎng)所），因?yàn)槲⑽⑿^(qū)在建設(shè)中由于條件的限制，實(shí)際的宏基站難以覆蓋支持。但是在建設(shè)中還是采用“宏覆蓋”的理念部署和建立虛擬小區(qū)，最終實(shí)現(xiàn)控制和承載分離，在微微組網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，虛擬小區(qū)的目的是負(fù)責(zé)控制信令方面的運(yùn)輸，同時(shí)需要管理相關(guān)資源合理配置以及內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)的性能；而微基站主要負(fù)責(zé)用戶(hù)方面運(yùn)輸數(shù)據(jù)。虛擬宏小區(qū)首先需要微基站分享部分的資源，如信道和載波等。發(fā)出相關(guān)廣播的信息、尋找信息、進(jìn)而隨機(jī)響應(yīng)等，簇內(nèi)微基站利用相同的信息資源對(duì)控制方面進(jìn)行承載傳輸，實(shí)現(xiàn)虛擬小區(qū)建設(shè)的效果。與此同時(shí)，各微基站在剩下資源基礎(chǔ)上對(duì)用戶(hù)方面進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，進(jìn)而達(dá)到容量與覆蓋分離的目的。

3 超密集組網(wǎng)部署技術(shù)

3.1 干擾的管理

為了全面滿(mǎn)足用戶(hù)高清視頻、智能機(jī)器人、無(wú)人機(jī)以及人工智能等的應(yīng)用需求，高密度、速率、容量大是5G 網(wǎng)絡(luò)最為重要的能力體現(xiàn)，小區(qū)密集化和微型化是超密集組網(wǎng)的特點(diǎn)，能夠最大程度上提高頻譜的效率以及接入系統(tǒng)的容量，實(shí)現(xiàn)為用戶(hù)提供大容量和高速的上網(wǎng)體驗(yàn)。但由于密集化的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)致使小區(qū)間的干擾更加嚴(yán)重，出現(xiàn)同頻、共享頻譜、不同覆蓋區(qū)域等干擾，近鄰節(jié)點(diǎn)運(yùn)輸使得損耗沒(méi)有太大的差異，存在多個(gè)與干擾源強(qiáng)度相同的信息，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能有一定的惡化作用，致使現(xiàn)階段協(xié)調(diào)的算法不能很的解決問(wèn)題。利用多種協(xié)調(diào)干擾技術(shù)能對(duì)網(wǎng)絡(luò)干擾的情況加以?xún)?yōu)化，如利用多點(diǎn)協(xié)同，可以讓超密集組網(wǎng)干擾受限的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈透蓴_的系統(tǒng)。除了這項(xiàng)技術(shù)以外，頻率協(xié)調(diào)技術(shù)也能有效的改善干擾，頻率協(xié)調(diào)技術(shù)主要是載波內(nèi)的協(xié)調(diào)（例如ICIC）以及載波間的協(xié)調(diào)（例如異頻分簇）。載波內(nèi)協(xié)調(diào)技術(shù)主要的目的是解決同頻應(yīng)用場(chǎng)景出現(xiàn)干擾的問(wèn)題，利用基站向最近距離的基站發(fā)送一些負(fù)荷的信息來(lái)對(duì)最近距離的基站進(jìn)行干擾信息的互交，異頻分簇就能使用圖劃分簇相關(guān)的頻譜協(xié)調(diào)的方法[3]。

3.2 無(wú)線回傳

超密集組網(wǎng)的特征是大容量和密集化。傳統(tǒng)有線回傳的方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足用戶(hù)的業(yè)務(wù)需求，因此，回傳的方式需要改變，通過(guò)接入相同頻譜的無(wú)線回傳顯得極其重要。此外，為了傳輸資源不受到限制，有效的方法是混合分層回傳，對(duì)兩種回傳的方式進(jìn)行結(jié)合，在密集的住宅、大型活動(dòng)集會(huì)等場(chǎng)景應(yīng)用。在進(jìn)行部署過(guò)程中，微基站需要和回傳基站之間構(gòu)建回傳線路，這種回傳方式最大的優(yōu)勢(shì)就是對(duì)微站進(jìn)行分階段的部署，當(dāng)用戶(hù)的數(shù)據(jù)流量需求量較大時(shí)，在此基礎(chǔ)上就可以進(jìn)行二級(jí)或者二級(jí)以上小基站的部署，擴(kuò)大系統(tǒng)的容量。同時(shí)考慮到有線和無(wú)線回傳都存在一定時(shí)延和容量的差異，在對(duì)承載業(yè)務(wù)均衡的分配和分流上需要進(jìn)行資源合理分配的優(yōu)化。業(yè)務(wù)均衡，把高速、負(fù)載的用戶(hù)設(shè)備接入有線回傳基站，同時(shí)把將低速、負(fù)載的用戶(hù)設(shè)備接入無(wú)線回傳微站。業(yè)務(wù)分流，可以在終端支持的前提下用戶(hù)對(duì)相關(guān)的站點(diǎn)進(jìn)行連接，對(duì)時(shí)延和速率有一定要求的業(yè)務(wù)在一級(jí)回傳層進(jìn)行傳輸，其他要求不高的業(yè)務(wù)可在其他回傳層進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

從超密集組網(wǎng)的形式看來(lái)，微站發(fā)展和應(yīng)用的方向是即插即用，光纖有線回傳制約了小微站大量的部署。在新時(shí)代資源共享的背景下，基站部署將更加的靈活，回傳方式也隨之變化，在一些密集的住宅、辦公樓、寫(xiě)字樓等，同時(shí)在大型的會(huì)所、戶(hù)外娛樂(lè)場(chǎng)所以及學(xué)校等場(chǎng)景對(duì)無(wú)線回傳都有一定的需求?；?G 網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線回傳針對(duì)不同的設(shè)計(jì)角度，超密集組網(wǎng)對(duì)微站站址選擇的要求比較高，在對(duì)傳輸資源要求方面有所體現(xiàn)，超密集組網(wǎng)微站即插即用也對(duì)靈活部署無(wú)線回傳的方式有一定的要求。

4 基于5G超密集組網(wǎng)性能評(píng)估

4.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量

影響高流量、高熱點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)性能最主要的因素用戶(hù)設(shè)備連接和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量，為了讓超密集組網(wǎng)結(jié)構(gòu)覆蓋及容量性能更好，通過(guò)3GPP（第三代技術(shù)）HetNet（異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)）配置4b 模型，模擬在不同數(shù)量微基站部署以及容量變化的情況，配置100Mbit/s 的寬帶，5G NR 幀結(jié)構(gòu)以2.5ms 單周期的方式，在下行占比在一定的范圍內(nèi)，微基站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量能有效提升，在部署的網(wǎng)絡(luò)微站數(shù)量少，增加微站數(shù)量能快速擴(kuò)大整個(gè)系統(tǒng)的容量；但微站的增長(zhǎng)數(shù)量多，容量隨著微站數(shù)量的增長(zhǎng)使得容量擴(kuò)張趨勢(shì)有所緩慢，最終可能不變，主要的原因是基站的距離較近使得干擾更加嚴(yán)重，因干擾帶來(lái)的負(fù)增益在一定程度上就已經(jīng)抵消頻譜提升的效率。

4.2 密集應(yīng)用場(chǎng)景性能

許多室內(nèi)的場(chǎng)景應(yīng)用需要滿(mǎn)足高速的高流量需求，參考相關(guān)的需求報(bào)告，室內(nèi)場(chǎng)景應(yīng)用的流量密度KPI 是10Gbit/s/km2，用戶(hù)設(shè)備感知的速率是100Mbit/s 為測(cè)驗(yàn)在室內(nèi)環(huán)境下部署的超密集網(wǎng)絡(luò)基站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能，在一定面積的區(qū)域內(nèi)，有針對(duì)性的對(duì)不同微站仿真，由于微站的超密集部署，使得網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容量在不斷的增加，有效提升系統(tǒng)的容量。即使在寬帶支持100Mbit/s 的情況下，以2.5m/s 單周期的方式，下行占比也保持一定范圍，能夠滿(mǎn)足室內(nèi)數(shù)據(jù)流應(yīng)用需求。但隨著基站密集化部署，使得干擾增加，變得嚴(yán)重，同時(shí)小區(qū)頻譜效率也在不斷的降低；由于超密集化小站的覆蓋，提高處于邊緣的頻譜效率，但增加的效益還是在系統(tǒng)容量的增益范圍下，但在后期的應(yīng)用中還可以不斷對(duì)系統(tǒng)干擾進(jìn)行優(yōu)化，采用干擾管理和相關(guān)的抑制技術(shù)來(lái)提升速率。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于5G 網(wǎng)絡(luò)，其中最關(guān)鍵的就是超密集組網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)及部署。但現(xiàn)階段5G 超密集組網(wǎng)技術(shù)還處于初期應(yīng)用試驗(yàn)期，其中超密集、大容量的微小基站相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品技術(shù)還不夠完善，大范圍、連片區(qū)域混合組網(wǎng)的覆蓋目前還沒(méi)有成功的案例。超密集組網(wǎng)的部署解決了基站干擾、以及回傳的問(wèn)題，對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量和靈活部署具有重要意義。同時(shí)，超密集、大量的微基站的部署需要充分的考慮到能耗、維護(hù)及維修的等在運(yùn)行中的成本，對(duì)低能耗和智能化的運(yùn)行維修等新型技術(shù)的研究將推動(dòng)超密集組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。