面向5G的智能網(wǎng)絡(luò)編排方案

詹 勇 顧 軍 唐 雪

中興通訊股份有限公司 深圳 518055

引言

截止2021年Q1，全球約有97.2億移動用戶，其中5G用戶占比3.07%[1]。海量的存量用戶和指數(shù)增長的5G接入需求，迫使運(yùn)營商不得不尋求更多的頻譜資源。但是，頻譜資源極度稀缺且昂貴。以美國為例，2021年初美國C頻段280MHz頻譜資源拍出了超過810億美元的天價[2]。

為了幫助運(yùn)營商部署5G服務(wù)，同時減少購買頻譜資源的開銷，各個國際標(biāo)準(zhǔn)組織都在大力推動頻譜共享[3]技術(shù)的成熟和商用，包括ETSI[4]、3GPP[5-6]和ITU[7]。利用頻譜共享技術(shù)，運(yùn)營商一方面可以對已購入頻譜資源進(jìn)行“重耕”，在已部署老制式無線接入服務(wù)的頻譜資源上同時開通5G服務(wù)；另一方面也可以在新購入頻譜資源上同時部署5G和其它老制式無線接入服務(wù)，在5G需求不足時將頻譜資源利用率[8]最大化。此外，為了滿足5G用戶的尖峰速率需求[9-10]，動態(tài)頻譜共享(Dynamic Spectrum Sharing，DSS)技術(shù)支持在slot粒度隨共享頻譜上不同制式用戶負(fù)荷的實(shí)時變化動態(tài)調(diào)整頻譜資源分配方式[11]。

在DSS基礎(chǔ)上，本文提出智能網(wǎng)絡(luò)編排(Intelligent Network Orchestration，INO)方案。利用INO可以顯著提升5G用戶體驗(yàn)，原因有兩個：1)INO可以消除因?yàn)镈SS引入的速率匹配，提升5G用戶可用無線資源數(shù)；2)INO可以削弱因?yàn)镈SS引入的異制式小區(qū)間干擾，提升5G用戶信道質(zhì)量。此外，INO還可以幫助運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)一次部署，多態(tài)共存，全網(wǎng)自主演進(jìn)到5G。

1 頻譜共享技術(shù)的缺陷

雖然頻譜共享滿足了運(yùn)營商在單一頻譜資源上部署多種制式無線接入服務(wù)的核心需求，但仍因?yàn)槠涔逃械囊恍┤毕菔蛊浜茈y大規(guī)模推廣商用。下文就頻譜共享的三個核心痛點(diǎn)問題進(jìn)行逐一說明。

1.1 不支持平滑演進(jìn)

按照歷史經(jīng)驗(yàn)，新制式用戶占比會逐年上升，直至完全取代老制式。參見圖1，GSA對2026年Q4各制式用戶占比進(jìn)行了預(yù)測：5G用戶占比將從2021年Q1的3.07%快速上漲到40.8%[1]。此外，考慮到頻譜共享下文所述的資源浪費(fèi)和異制式干擾問題，運(yùn)營商期待在5G發(fā)展中后期將所有頻譜共享小區(qū)轉(zhuǎn)換為純5G小區(qū)。在當(dāng)前頻譜共享解決方案下，為達(dá)到上述目的，運(yùn)營商需要定期分區(qū)域核查其網(wǎng)絡(luò)中頻譜共享小區(qū)各制式用戶/流量占比，當(dāng)某個區(qū)域5G用戶/流量占比穩(wěn)定到一定水平后，即可將該區(qū)域所有頻譜共享小區(qū)手動切換為純5G小區(qū)。上述運(yùn)維流程涉及大量網(wǎng)規(guī)專家投入，且存在反復(fù)調(diào)整的風(fēng)險。同時考慮到運(yùn)營商如果按照頻譜共享站點(diǎn)網(wǎng)規(guī)網(wǎng)建，則在切換到純5G站點(diǎn)后可能需要重新網(wǎng)規(guī)和網(wǎng)絡(luò)布局調(diào)整。

圖1 移動通信市場不同制式用戶2026Q4占比預(yù)測

1.2 資源浪費(fèi)

以目前最常見的LTE/5G DSS場景為例，為了避開LTE常發(fā)的CRS信號，5G側(cè)需要在共享頻譜上一直使能RE級速率匹配。圖2給出了一個簡單示例，相比圖2(b)純5G場景，圖2(a)LTE/5G頻譜共享場景PDSCH每RB可用RE個數(shù)少27.8%。注意，圖2假設(shè)LTE配置了4 port CRS。此外，圖2所示LTE/5G頻譜共享場景下，5G PDCCH最多只能配置單符號，極大限制了PDCCH可用RB個數(shù)，在多用戶場景下可能造成調(diào)度能力/CCE不足的問題。

圖2 移PDSCH可用RE對比

1.3 異制式干擾

同樣以LTE/5G DSS連片組網(wǎng)場景為例，一個DSS 5G小區(qū)通過RE級速率匹配消除了本區(qū)DSS LTE小區(qū)的CRS干擾。但是，該DSS 5G小區(qū)還存在其它同頻DSS LTE鄰區(qū)，這些DSS LTE鄰區(qū)CRS所在的RE位置通常和該DSS 5G小區(qū)PDSCH相撞，從而會造成嚴(yán)重的干擾(如圖3所示)。因?yàn)橄噜廌SS LTE CRS只干擾了DSS 5G小區(qū)的PDSCH，而非DMRS，因此5G終端無法直接感知/檢測到該干擾，因此會造成5G終端下行性能的顯著下降。此外，在5G建網(wǎng)初期，相比LTE，5G負(fù)荷通常較輕，因此DSS 5G小區(qū)的PDSCH通常還會受到相鄰DSS LTE小區(qū)PDSCH干擾。

圖3 DSS 5G小區(qū)受到相鄰DSS LTE CRS信號干擾

2 智能網(wǎng)絡(luò)編排方案

為了克服上文描述的頻譜共享的缺陷，本文提出了INO。下文將分別介紹INO的方案流程以及各關(guān)鍵組件。

2.1 INO方案流程

INO解決方案包含了流量/負(fù)荷預(yù)測、流量/用戶導(dǎo)引、干擾協(xié)調(diào)、動態(tài)小區(qū)關(guān)閉/打開四個關(guān)鍵組件。以LTE/5G DSS場景為例，其流程參見圖4。首先，結(jié)合基站畫像，利用大數(shù)據(jù)訓(xùn)練流量預(yù)測模型，從而獲得精準(zhǔn)的流量預(yù)測能力。接下來，基于流量預(yù)測結(jié)果和實(shí)時負(fù)荷信息，分布式?jīng)Q策DSS LTE小區(qū)關(guān)閉/喚醒。當(dāng)判斷LTE負(fù)荷較輕且可以嘗試關(guān)閉DSS LTE以提升5G用戶體驗(yàn)時，利用流量導(dǎo)引將DSS LTE用戶切換到鄰小區(qū)(圖中統(tǒng)一標(biāo)記為Base LTE)，所有用戶導(dǎo)引完成后再關(guān)閉DSS LTE小區(qū)，從而保障DSS LTE用戶體驗(yàn)。關(guān)閉DSS LTE小區(qū)后，對其基礎(chǔ)覆蓋小區(qū)負(fù)荷和用戶體驗(yàn)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，在其負(fù)荷高且顯著影響了用戶體驗(yàn)時及時喚醒DSS LTE小區(qū)進(jìn)行負(fù)荷分擔(dān)。整個流程中，利用干擾協(xié)調(diào)，最小化因相鄰?fù)lDSS LTE小區(qū)對DSS 5G干擾造成的性能影響。

圖4 LTE/5G DSS場景INO流程示例

2.2 流量預(yù)測

在進(jìn)行負(fù)荷/流量預(yù)測之前，需要為可能會關(guān)閉的小區(qū)確定基礎(chǔ)覆蓋小區(qū)集合。所謂基礎(chǔ)覆蓋小區(qū)集合，即在關(guān)閉指定小區(qū)后，用來承接即將關(guān)閉小區(qū)當(dāng)前連接用戶以及在未來關(guān)閉時段內(nèi)可能會接入用戶的小區(qū)集合。該小區(qū)集合可包含一個或者多個和指定要關(guān)閉小區(qū)同制式或者異制式的、同頻或者異頻的鄰區(qū)。該小區(qū)集合可以通過網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)專家經(jīng)驗(yàn)人工給出，也可以結(jié)合其它自動化手段獲取。舉個例子，可以在小區(qū)使能周期同頻和異頻MR測量上報，從匯總的測量上報結(jié)果結(jié)合人工配置的頻點(diǎn)優(yōu)先級確定在關(guān)閉對應(yīng)小區(qū)后能讓所有采樣用戶仍可享受移動無線接入服務(wù)的鄰區(qū)最小集。

為所有可能關(guān)閉的小區(qū)都確定了基礎(chǔ)覆蓋小區(qū)后，在共享頻譜上所有制式的DSS小區(qū)和對應(yīng)所有基礎(chǔ)覆蓋小區(qū)都使能基站畫像，收集較長時段(比如8周)小區(qū)負(fù)荷信息(比如上行PRB利用率、下行PRB利用率和RRC連接用戶數(shù))。之后利用預(yù)測方法構(gòu)建流量預(yù)測模型[12]。常見的流量預(yù)測模型包括時間序列法(比如ARIMAX[13])、回歸方法[14]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(比如LSTM[15]、PROPHET[16])等。流量預(yù)測組件利用訓(xùn)練好的模型結(jié)合歷史負(fù)荷信息可以輸出精準(zhǔn)的流量預(yù)測結(jié)果。

2.3 流量導(dǎo)引

結(jié)合DSS小區(qū)和其基礎(chǔ)覆蓋小區(qū)集合的流量預(yù)測結(jié)果及其實(shí)時負(fù)荷，如果判斷將DSS小區(qū)用戶遷移到任一基礎(chǔ)覆蓋小區(qū)后不會引起遷移用戶或基礎(chǔ)覆蓋小區(qū)用戶體驗(yàn)下降，則可以將DSS小區(qū)負(fù)荷遷移到對應(yīng)基礎(chǔ)覆蓋小區(qū)。這樣做有2個潛在收益。

1)降低對相鄰DSS小區(qū)的干擾。比如LTE/5G DSS場景，通過降低DSS LTE負(fù)荷，減少對相鄰DSS 5G用戶的干擾，從而提升5G用戶體驗(yàn)。

2)增大關(guān)閉DSS小區(qū)的概率。仍以LTE/5G DSS場景為例，通過將DSS LTE用戶遷移到基礎(chǔ)覆蓋小區(qū)，可以增大關(guān)閉DSS LTE小區(qū)的概率。在關(guān)閉DSS LTE小區(qū)后，INO可以將DSS 5G無縫切換為純5G小區(qū)，從而進(jìn)一步提升5G用戶體驗(yàn)。

2.4 干擾協(xié)調(diào)

除了上文提到的通過用戶導(dǎo)引減少鄰區(qū)對DSS小區(qū)業(yè)務(wù)信道的干擾外，INO在5G側(cè)還具備另外2種干擾協(xié)調(diào)手段：速率匹配自適應(yīng)和帶寬自適應(yīng)。

1)速率匹配自適應(yīng)是UE級slot級的動態(tài)協(xié)調(diào)LTE CRS干擾的手段。在DSS 5G狀態(tài)，通過自適應(yīng)開關(guān)符號級速率匹配，根據(jù)每個用戶受到鄰區(qū)CRS干擾的強(qiáng)度動態(tài)調(diào)整對應(yīng)用戶是否使能符號級速率匹配。而在關(guān)閉DSS LTE進(jìn)入純5G狀態(tài)后，則通過自適應(yīng)速率匹配，根據(jù)每個用戶受到鄰區(qū)CRS干擾的強(qiáng)度動態(tài)調(diào)整對應(yīng)用戶是否使能RE級速率匹配，以及是否在使能RE級速率匹配后疊加符號級速率匹配。

2)帶寬自適應(yīng)則是UE級slot級的動態(tài)協(xié)調(diào)固定頻段穩(wěn)定高干擾的手段。根據(jù)每個用戶在CSI IM上測量不同RB的干擾情況，調(diào)度時規(guī)避穩(wěn)定高干擾的RB。

2.5 動態(tài)開關(guān)小區(qū)

INO方案最核心的技術(shù)點(diǎn)在于無縫地動態(tài)開關(guān)小區(qū)。結(jié)合流量預(yù)測，如果判斷將任一DSS小區(qū)關(guān)閉后不會引起用戶體驗(yàn)下降，則可以利用用戶導(dǎo)引，將該DSS小區(qū)用戶全部切換到其基礎(chǔ)覆蓋小區(qū)，之后關(guān)閉該DSS小區(qū)。關(guān)閉任一DSS小區(qū)后，需要對其基礎(chǔ)覆蓋小區(qū)集合中所有小區(qū)實(shí)時負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)控，如果發(fā)現(xiàn)任一基礎(chǔ)覆蓋小區(qū)負(fù)荷穩(wěn)定在較高水平且導(dǎo)致用戶體驗(yàn)顯著下降，則喚醒關(guān)閉的DSS小區(qū)。圖5提供了LTE/5G DSS場景下通過動態(tài)開關(guān)DSS LTE小區(qū)所呈現(xiàn)的可以無縫切換的2種小區(qū)狀態(tài)示例。需要注意的是，圖5中假設(shè)LTE配置了4端口CRS，因此LTE/5G DSS狀態(tài)下5G PDCCH僅能配置1符號。此外，LTE/5G DSS狀態(tài)下，DSS LTE和DSS 5G所占用的RB個數(shù)/帶寬可以隨著兩者負(fù)荷的變化Slot級動態(tài)調(diào)整，圖5中僅展示了一種場景(10M LTE和10M 5G)。圖5中純5G狀態(tài)下，5G獨(dú)占20M帶寬，且其PDCCH可根據(jù)需要配置/調(diào)整成1符號、2符號或3符號。

圖5 LTE/5G DSS場景DSS LTE開關(guān)狀態(tài)示例

3 智能網(wǎng)絡(luò)編排優(yōu)勢

INO是在DSS基礎(chǔ)上的增強(qiáng)，相比DSS，它具備很多優(yōu)勢，下文將逐一說明，并結(jié)合商用站點(diǎn)實(shí)測結(jié)果進(jìn)一步論證INO為5G用戶帶來的體驗(yàn)提升。

3.1 一次部署，多態(tài)共存，自主演進(jìn)

利用INO，可以基于對現(xiàn)網(wǎng)各小區(qū)負(fù)荷承載能力的評估，以及對實(shí)際負(fù)荷和預(yù)測負(fù)荷的判斷，結(jié)合流量導(dǎo)引，自動開關(guān)小區(qū)。因此，對于采用INO解決方案的網(wǎng)絡(luò)，在建網(wǎng)時可以按照運(yùn)營商對網(wǎng)絡(luò)最終狀態(tài)的判斷/期望進(jìn)行網(wǎng)規(guī)網(wǎng)建，部署完成后基于網(wǎng)絡(luò)中各制式負(fù)荷情況小區(qū)級自動進(jìn)行狀態(tài)切換，最終自主演進(jìn)到運(yùn)營商期許的最終狀態(tài)。

圖6提供了一個示例，其中圖中每個格子代表一個基站，該基站采用2.1G頻點(diǎn)，淡灰色格子代表該基站的小區(qū)處于LTE/5G DSS狀態(tài)，淡青色格子則代表該基站的小區(qū)處于5G狀態(tài)，格子上數(shù)字代表時間，比如2021.07.21 12:00代表2021年7月21日12點(diǎn)整。圖6所示網(wǎng)絡(luò)按照5G進(jìn)行網(wǎng)規(guī)網(wǎng)建，采用INO解決方案。

1)5G建網(wǎng)初期，LTE負(fù)荷重，5G負(fù)荷輕。如圖6左上圖所示，白天大部分小區(qū)無法關(guān)閉DSS LTE，因此處于LTE/5G DSS狀態(tài)。圖6右上圖則展示了當(dāng)晚上LTE負(fù)荷減輕后，將LTE用戶導(dǎo)引到700M頻點(diǎn)，之后關(guān)閉DSS LTE小區(qū)同時將2.1G基站轉(zhuǎn)換為純5G基站。此后，還可以通過將所有LTE用戶集中到700M頻點(diǎn)，5G用戶集中到2.1G頻點(diǎn)，之后再關(guān)閉其它LTE和5G頻點(diǎn)小區(qū)，從而在網(wǎng)絡(luò)低負(fù)荷時達(dá)到節(jié)能減排的效果。

2)5G建網(wǎng)中后期，LTE負(fù)荷減輕，5G負(fù)荷變重。如圖6下面2張圖所示，全天任何時段全網(wǎng)絕大部分小區(qū)都自主演進(jìn)到純5G狀態(tài)，達(dá)成運(yùn)營商建網(wǎng)最終目的。

圖6 LTE/5G DSS場景一網(wǎng)多態(tài)演進(jìn)示例

3.2 消除資源浪費(fèi)

LTE/5G頻譜共享/DSS場景下，利用INO，當(dāng)LTE負(fù)荷較重時，系統(tǒng)保持在LTE/5G DSS狀態(tài)；在LTE負(fù)荷較低時，將小區(qū)從LTE/5G DSS狀態(tài)無縫切換到純5G狀態(tài)。如前文圖2所示，切換至純5G狀態(tài)后可以消除27.8%的資源浪費(fèi)。此外，如圖5所示，切換到純5G狀態(tài)后，可以根據(jù)調(diào)度需求自由選擇PDCCH 1～3符號，解決可能出現(xiàn)的調(diào)度/CCE受限的問題。

3.3 削減異制式干擾

LTE/5G頻譜共享/DSS場景下，利用INO，一方面可以通過流量/用戶導(dǎo)引，減少鄰區(qū)DSS LTE PDSCH對DSS 5G的干擾，另一方面5G側(cè)也可以通過速率匹配自適應(yīng)/帶寬自適應(yīng)來躲避鄰區(qū)高CRS/PDSCH干擾。此外，通過動態(tài)小區(qū)開關(guān)，在整體網(wǎng)絡(luò)LTE負(fù)荷較輕的場景下，通過連片關(guān)閉DSS LTE，可以顯著削減LTE的CRS和PDSCH干擾，如圖6所示。

3.4 商用環(huán)境驗(yàn)證結(jié)果

2021年6月和國內(nèi)某運(yùn)營商合作在大連商用站點(diǎn)進(jìn)行了INO性能驗(yàn)證。共篩選了5個相鄰站點(diǎn)進(jìn)行測試，每個站點(diǎn)包含了3個DSS小區(qū)組。每個DSS小區(qū)組包含一個2.1GHz頻點(diǎn)的DSS LTE小區(qū)和一個2.1GHz頻點(diǎn)的DSS 5G小區(qū)，每個DSS小區(qū)組共享20M帶寬資源。拉網(wǎng)測試采用中興天機(jī)Axon 11終端進(jìn)行下行FTP業(yè)務(wù)，拉網(wǎng)速度20km/h左右。

白天測試時，由于大部分小區(qū)LTE業(yè)務(wù)較重，因此15個DSS LTE小區(qū)僅有3個在使能INO功能后被關(guān)斷。這種情況下，相比關(guān)閉INO功能，INO功能打開帶來測試終端下行流量增益約為23.53%。在深夜測試時，由于整網(wǎng)LTE負(fù)荷都較輕，使能INO后15個DSS LTE小區(qū)都被關(guān)斷，使得對應(yīng)15個DSS 5G小區(qū)都進(jìn)入了純5G狀態(tài)。這種場景下相比關(guān)閉INO功能，打開INO功能可以帶來測試終端132.16%的下行流量增益。巨大的流量增益一方面來自于不做RE級速率匹配后的資源增益，更主要的則來自于完全消除相鄰DSS LTE CRS干擾的信道質(zhì)量提升。

4 總結(jié)與展望

本文在DSS基礎(chǔ)上提出了INO。利用INO，運(yùn)營商可以做到一次部署，多態(tài)共存，自主演進(jìn)；也可以消除資源浪費(fèi)，削減異制式干擾，從而顯著提升5G用戶體驗(yàn)。接下來，我們會專注于流量/用戶導(dǎo)引的優(yōu)化，做到業(yè)務(wù)感知的用戶體驗(yàn)保障。此外，也會深入研究終端側(cè)接收機(jī)干擾消除手段，如CRS IM[17]，從接收側(cè)進(jìn)一步降低干擾對用戶體驗(yàn)的影響。