5G高低頻組網(wǎng)協(xié)同機(jī)制與策略

李福昌/LI Fuchang，王偉/WANG Wei

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院，中國(guó) 北京 100048）

從2019年6月6日中國(guó)5G牌照正式發(fā)放至今，中國(guó)5G商用已滿3年。中國(guó)堅(jiān)持適度超前的原則，積極穩(wěn)妥地推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，持續(xù)提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋的深度和廣度。截至目前，中國(guó)累計(jì)建成并開(kāi)通5G基站161.5萬(wàn)個(gè)，已建成全球規(guī)模最大的5G網(wǎng)絡(luò)。5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國(guó)所有地市、縣城城區(qū)和87%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)。5G移動(dòng)電話用戶總數(shù)超4.13億。中國(guó)的5G建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入了初步成熟期，并向著后成熟期或完善期逐步演進(jìn)。3.5 GHz和2.6 GHz是中國(guó)5G的首發(fā)和主力頻段，承擔(dān)著覆蓋中國(guó)鄉(xiāng)鎮(zhèn)以上區(qū)域的職責(zé)，是5G流量的主要承載者。隨著5G建設(shè)的不斷深化，用戶對(duì)5G服務(wù)泛在性的需求也越來(lái)越強(qiáng)烈。運(yùn)營(yíng)商在積極籌建一個(gè)5G低頻打底網(wǎng)，為用戶提供5G泛在性接入。國(guó)家也在積極推動(dòng)能夠提供大容量、高速率的毫米波頻段的規(guī)劃和使用，組織開(kāi)展毫米波設(shè)備性能測(cè)試，為5G毫米波技術(shù)的商用做好準(zhǔn)備。屆時(shí)，中國(guó)的5G網(wǎng)絡(luò)將建設(shè)成為低、中、中高、高“四頻同堂”的成熟網(wǎng)絡(luò)。如何協(xié)同好這四大頻段，揚(yáng)長(zhǎng)避短，各取所長(zhǎng)，是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 頻段覆蓋特性和設(shè)備能力對(duì)比

電磁波傳播具有一些固有的特征。根據(jù)“光速=頻率×波長(zhǎng)”的原理，頻率越高，其波長(zhǎng)越短，而波長(zhǎng)越短的電磁波更容易被阻擋，那么就越接近直線傳播；頻率越低，其波長(zhǎng)越長(zhǎng)，它的繞射能力就會(huì)越強(qiáng)，那么傳播得會(huì)越遠(yuǎn)。第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）為了更好地評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能，統(tǒng)一了0.5～100 GHz的傳播模型，定義了城區(qū)場(chǎng)景、郊區(qū)、街區(qū)和室內(nèi)場(chǎng)景的傳播模型。根據(jù)傳播模型公式，一方面，空間損耗與頻率成對(duì)數(shù)關(guān)系，頻率越高則空間損耗越大，同時(shí)信號(hào)隨著距離增加衰減得也越快；另一方面，頻段越高，可供分配的帶寬也越大，提供的峰值速率也會(huì)越大。表1是不同頻段對(duì)應(yīng)的峰值速率與覆蓋距離。

▼表1 各典型頻段對(duì)應(yīng)的峰值速率與覆蓋距離

無(wú)線基站設(shè)備的射頻模塊和天線設(shè)計(jì)也會(huì)依據(jù)頻段高低和帶寬大小有所區(qū)別。由于半波振子的間距大，低頻設(shè)備在滿足一定增益要求的前提下，天線尺寸一般較大，相應(yīng)的通道數(shù)會(huì)相對(duì)較少。而高頻設(shè)備由于波長(zhǎng)小，半波振子的間距小，尺寸相應(yīng)較小，可以容納更多的通道數(shù)。表2是不同頻段典型設(shè)備類型對(duì)應(yīng)的設(shè)備硬件性能參數(shù)。

▼表2 各頻段典型設(shè)備硬件性能參數(shù)

2 高低頻協(xié)同組網(wǎng)與頻段定位

根據(jù)頻段覆蓋特性和不同頻段的設(shè)備空口能力，我們需要建設(shè)高低頻多層網(wǎng)絡(luò)，以滿足多場(chǎng)景多業(yè)務(wù)的覆蓋需求。理想的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫菍⒌皖l網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成一個(gè)連續(xù)覆蓋的底層網(wǎng)絡(luò)。它可以作為一個(gè)“探針”，在實(shí)現(xiàn)用戶泛在連接需求的同時(shí)，探知用戶服務(wù)需求、位置需求和體驗(yàn)需求，再利用中頻、中高頻和高頻來(lái)按需滿足用戶需求。中高頻是為5G新分配的頻段，也是運(yùn)營(yíng)商建設(shè)5G新空口（NR）的主力頻段，覆蓋中國(guó)鄉(xiāng)鎮(zhèn)以上區(qū)域：高頻是待規(guī)劃和分配的毫米波頻段，未來(lái)主要用于分擔(dān)5G容量和高流量區(qū)域的容量吸收；中頻段是4G基礎(chǔ)容量層，未來(lái)將按照業(yè)務(wù)發(fā)展情況適時(shí)進(jìn)行重耕，并用于5G。圖1為高低頻協(xié)同組網(wǎng)理想拓?fù)鋱D。

圖1 高低頻協(xié)同組網(wǎng)理想拓?fù)鋱D

根據(jù)以上頻段定位，利用公共頻點(diǎn)優(yōu)先級(jí)和專用頻點(diǎn)優(yōu)先級(jí)可以實(shí)現(xiàn)用戶在Idle狀態(tài)和Inactive狀態(tài)的高低頻選擇。我們可將主力覆蓋頻段設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)。對(duì)于在業(yè)務(wù)連接態(tài)的用戶，可以基于服務(wù)小區(qū)和鄰小區(qū)的接收信號(hào)強(qiáng)度或質(zhì)量來(lái)進(jìn)行用戶遷移。當(dāng)用戶所在服務(wù)小區(qū)的信號(hào)變?nèi)趸蛸|(zhì)量變差而相鄰小區(qū)的信號(hào)變強(qiáng)或質(zhì)量變好時(shí)，該用戶將被遷移至信號(hào)強(qiáng)度高或信道質(zhì)量好的鄰小區(qū)，以保證其獲得最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。除此之外，也可以利用載波聚合功能來(lái)提升用戶的速率體驗(yàn)和覆蓋體驗(yàn)。載波聚合的主輔小區(qū)間可以更靈活地做負(fù)載均衡，以充分利用各載波的空閑資源，實(shí)現(xiàn)資源利用率最大化。當(dāng)開(kāi)啟負(fù)載均衡時(shí)，終端無(wú)須在小區(qū)間做切換，只需做多載波調(diào)度或跨載波調(diào)度，即可減少由切換帶來(lái)的信令開(kāi)銷，避免用戶體驗(yàn)下降。當(dāng)載波聚合功能用在頻段間隔比較大的兩個(gè)頻段時(shí)，其價(jià)值更多體現(xiàn)在高低頻協(xié)同上，既可以利用高頻段的大帶寬為用戶提供高速率，又可以利用作為主載波的低頻段的較強(qiáng)傳播特性以擴(kuò)大用戶覆蓋范圍。

3 高低頻協(xié)同機(jī)制與編排策略

傳統(tǒng)的基于覆蓋的單一協(xié)同機(jī)制給用戶帶來(lái)了諸多問(wèn)題，如用戶選擇了信號(hào)好的頻段但體驗(yàn)卻變差了，小包業(yè)務(wù)在等待切換過(guò)程反而導(dǎo)致時(shí)延增大等。協(xié)同機(jī)制要利用好高低頻多層網(wǎng)絡(luò)中各層網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，在滿足不同用戶、不同業(yè)務(wù)的不同需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)效能的最優(yōu)。協(xié)同機(jī)制的總體原則為用戶體驗(yàn)最優(yōu)、網(wǎng)絡(luò)效能最高。協(xié)同機(jī)制既要滿足用戶的體驗(yàn)，也要考慮網(wǎng)絡(luò)的耗能。

3.1 基于終端能力和業(yè)務(wù)特征的分層策略

基于終端和業(yè)務(wù)的協(xié)同策略，我們可以基于頻段的定位和不同用戶屬性（如VIP用戶、固定無(wú)線接入用戶）或不同業(yè)務(wù)屬性（如語(yǔ)音業(yè)務(wù)、面向企業(yè)業(yè)務(wù)）來(lái)實(shí)現(xiàn)分層配置策略。一些面向企業(yè)的業(yè)務(wù)，其數(shù)據(jù)包小、持續(xù)時(shí)間短，可能剛切換小區(qū)或還未切換，業(yè)務(wù)就已經(jīng)結(jié)束了。另外，小區(qū)切換過(guò)程中帶來(lái)的用戶面中斷時(shí)延，反而不利于用戶體驗(yàn)，因此對(duì)這些業(yè)務(wù)觸發(fā)小區(qū)切換的意義不大。本文提出了按照用戶屬性和業(yè)務(wù)屬性來(lái)制定不同的用戶接入和移動(dòng)性的策略。

（1）基于用戶屬性的分層策略

根據(jù)運(yùn)營(yíng)商需要的頻率選擇優(yōu)先級(jí)（RFSP），為VIP用戶遷移一個(gè)專用載頻，以實(shí)現(xiàn)基于RFSP的專用頻點(diǎn)優(yōu)先級(jí)和切換參數(shù)配置。

（2）基于終端能力的分層策略

根據(jù)終端上報(bào)的能力，包括終端支持的頻段、收發(fā)天線數(shù)、上下行流數(shù)等參數(shù)，配置專用頻點(diǎn)優(yōu)先級(jí)和移動(dòng)性參數(shù)，以保證用戶在移動(dòng)過(guò)程中體驗(yàn)不下降。

（3）基于切片類型的分層策略

基于單個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息（S-NSSAI）類型配置專用頻點(diǎn)優(yōu)先級(jí)和切換參數(shù)，將業(yè)務(wù)精準(zhǔn)定位到規(guī)劃的目標(biāo)頻段。

（4）基于業(yè)務(wù)類型的分層策略

基于5G服務(wù)質(zhì)量標(biāo)識(shí)（5QI）的精細(xì)化切換參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的精準(zhǔn)分層策略，如可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的分層策略配置。

（5）基于業(yè)務(wù)量的分層策略

基于上行用戶設(shè)備（UE）緩存狀態(tài)報(bào)告（BSR）和下行分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（PDCP）緩存狀態(tài)來(lái)識(shí)別大包業(yè)務(wù)，將大包業(yè)務(wù)遷移到中高頻或高頻大帶寬的頻點(diǎn)，提升用戶體驗(yàn)。

（6）基于移動(dòng)速度的分層策略

基于頻偏測(cè)量或者一定時(shí)間內(nèi)的小區(qū)切換次數(shù)來(lái)識(shí)別高/低速用戶，將低速用戶從專網(wǎng)遷出，實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)專用，提升高鐵用戶感知。

3.2 基于業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)能力的用戶體驗(yàn)保持和提升策略

在明確終端能力和業(yè)務(wù)特性之后，我們還需要判斷網(wǎng)絡(luò)能力，才能實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)匹配。關(guān)于網(wǎng)絡(luò)能力，我們不僅要考慮頻段空口能力，還要考慮網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷可以由無(wú)線資源控制（RRC）連接用戶數(shù)以及PRB利用率來(lái)表征。我們也可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷情況，制定協(xié)同機(jī)制。例如，對(duì)于低負(fù)荷狀態(tài)，如果兩個(gè)載波的負(fù)荷都比較低，應(yīng)把用戶集中到一個(gè)頻層，這有利于5G基站設(shè)備的節(jié)能；對(duì)于中負(fù)荷狀態(tài)，將兩個(gè)載波的負(fù)荷維持在均衡狀態(tài)，可以避免因單載波負(fù)荷過(guò)高而造成的用戶體驗(yàn)下降，提升整體的資源利用率。但要想在用戶體驗(yàn)不下降的前提下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)效能最優(yōu)，不僅需要綜合考慮業(yè)務(wù)特性和網(wǎng)絡(luò)能力，還需要根據(jù)無(wú)線環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)能力來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)同一位置下不同頻點(diǎn)和小區(qū)的用戶體驗(yàn)?；就ㄟ^(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，并結(jié)合人工智能對(duì)目標(biāo)頻網(wǎng)和小區(qū)進(jìn)行體驗(yàn)預(yù)測(cè)，將用戶快速遷移到最優(yōu)的目標(biāo)頻網(wǎng)和小區(qū)。該策略涉及用戶在源小區(qū)的觸發(fā)機(jī)制和目標(biāo)小區(qū)的體驗(yàn)預(yù)測(cè)兩個(gè)關(guān)鍵機(jī)制。

（1）用戶體驗(yàn)的表征

下行用戶體驗(yàn)可以通過(guò)下行速率、下行阻塞狀態(tài)和下行信道質(zhì)量等參數(shù)表征。

用戶下行阻塞狀態(tài)有兩個(gè)指標(biāo)：待發(fā)送數(shù)據(jù)量的清緩存時(shí)長(zhǎng)和待發(fā)送數(shù)據(jù)的首包等待時(shí)長(zhǎng)。待發(fā)送數(shù)據(jù)量的清緩存時(shí)長(zhǎng)如公式（2）所示：

待發(fā)送數(shù)據(jù)的首包等待時(shí)長(zhǎng)是指RLC和PDCP各自緩存隊(duì)列中第一包數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)刻與當(dāng)前時(shí)刻的間隔。

下行信道質(zhì)量可以通過(guò)終端下行頻譜效率、信干噪比（SINR）和參考信號(hào)接收質(zhì)量（RSRQ）來(lái)衡量。

上行用戶體驗(yàn)可以通過(guò)上行速率、上行阻塞狀態(tài)和上行信道能力等參數(shù)表征。

用戶上行阻塞狀態(tài)可以用發(fā)送數(shù)據(jù)量的緩存時(shí)長(zhǎng)來(lái)表示，即上行待發(fā)送數(shù)據(jù)量與調(diào)度數(shù)據(jù)量的比值。

相對(duì)于下行信道能力的評(píng)估，上行信道能力的評(píng)估要復(fù)雜得多。原因在于每個(gè)物理資源塊（PRB）的功率都相同，終端上行發(fā)射功率可以分配在1個(gè)或多個(gè)PRB上，這意味著每個(gè)資源塊（RB）的功率可以不同。終端可以通過(guò)調(diào)度更少的PRB來(lái)提高每個(gè)RB的SINR，那么上行的最佳速率就是選擇最合適的調(diào)用RB數(shù)對(duì)應(yīng)的上行速率。上行信道能力可以通過(guò)公式（4）來(lái)表示：

其中，為調(diào)用RB數(shù)，為信道帶寬對(duì)應(yīng)的最大RB數(shù)，頻譜效率是調(diào)用RB數(shù)為時(shí)的信噪比所對(duì)應(yīng)的頻譜效率。

（2）基于用戶體驗(yàn)的頻網(wǎng)選擇觸發(fā)機(jī)制

下行判決是指基站通過(guò)對(duì)終端“下行速率+下行阻塞狀態(tài)+下行信道質(zhì)量”的聯(lián)合判決，來(lái)評(píng)估用戶下行體驗(yàn)。當(dāng)終端下行速率低、下行數(shù)傳調(diào)度發(fā)生阻塞、下行信道質(zhì)量變差時(shí)，用戶下行體驗(yàn)就已變差，這時(shí)需要觸發(fā)用戶頻網(wǎng)選擇機(jī)制。

上行判決是指基站通過(guò)對(duì)終端“上行阻塞狀態(tài)+上行信道能力”的聯(lián)合判決，來(lái)評(píng)估用戶的上行體驗(yàn)。當(dāng)終端上行數(shù)傳調(diào)度發(fā)生阻塞且上行信道質(zhì)量變差時(shí)，該用戶上行體驗(yàn)變差，這時(shí)需要觸發(fā)用戶頻網(wǎng)選擇機(jī)制。

（3）基于體驗(yàn)預(yù)測(cè)的頻網(wǎng)選擇

傳統(tǒng)目標(biāo)小區(qū)的選擇主要依賴于終端對(duì)目標(biāo)頻點(diǎn)或小區(qū)信號(hào)的測(cè)量，因此無(wú)法準(zhǔn)確判斷目標(biāo)小區(qū)的負(fù)荷狀態(tài)和空口能力。這樣可能會(huì)出現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度已經(jīng)滿足切換門(mén)限但目標(biāo)小區(qū)的空口能力差或網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重的情況，用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)反而會(huì)變差。因此，目標(biāo)小區(qū)的用戶體驗(yàn)要結(jié)合目標(biāo)小區(qū)的空口能力、負(fù)荷信息以及信道狀態(tài)來(lái)做綜合判斷。

其中，小區(qū)頻譜效率為小區(qū)頻譜效率的平均值，小區(qū)等效帶寬是根據(jù)小區(qū)總帶寬、子載波間隔、下行時(shí)隙配比等因素歸一化的結(jié)果，小區(qū)RRC用戶數(shù)是處于連接態(tài)的各類用戶數(shù)的總和。

目標(biāo)小區(qū)負(fù)荷信息則包括：小區(qū)RRC用戶數(shù)、小區(qū)上行PRB利用率、小區(qū)下行PRB利用率等。

目標(biāo)小區(qū)信道質(zhì)量信息包括上下行信號(hào)強(qiáng)度和信噪比等。目標(biāo)小區(qū)信道質(zhì)量信息可以利用無(wú)線指紋柵格知識(shí)庫(kù)來(lái)獲得，它是基站對(duì)于其覆蓋范圍內(nèi)無(wú)線環(huán)境的一種記憶，不再以經(jīng)緯度作為位置特征，而是以終端上報(bào)的服務(wù)小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度和相鄰信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)作為位置特征，從而獲取和預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)位置信息下的信道質(zhì)量信息。相比于位置信息，信號(hào)信息更直接反映了信道質(zhì)量。我們利用人工智能，結(jié)合用戶數(shù)據(jù)緩存狀態(tài)、目標(biāo)小區(qū)的信道質(zhì)量、空口能力及負(fù)荷信息來(lái)預(yù)測(cè)用戶在多層網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，然后基于用戶體驗(yàn)不下降的原則來(lái)進(jìn)行頻網(wǎng)選擇和用戶遷移。

4 結(jié)束語(yǔ)

高低頻多層組網(wǎng)是未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的趨勢(shì)。面對(duì)日益豐富的終端業(yè)務(wù)和用戶的差異化需求，傳統(tǒng)的依靠頻點(diǎn)優(yōu)先級(jí)和信號(hào)強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行頻網(wǎng)選擇的方案無(wú)法發(fā)揮高低頻多層組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。只有綜合考慮空口能力、終端能力、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、業(yè)務(wù)需求等多方面因素，并利用智能化手段預(yù)測(cè)多層目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的用戶體驗(yàn)預(yù)期，才能實(shí)現(xiàn)用戶與網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)匹配。