5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )建設難點(diǎn)及應對策略論文
摘要：從第一代模擬通信發(fā)展到現在第四代超高速數據通信，整個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )架構經(jīng)過(guò)四次迭代已經(jīng)演變的非常復雜，5G網(wǎng)絡(luò )將進(jìn)一步引入海量小微基站形成多層異構復雜網(wǎng)絡(luò )。超密集的組網(wǎng)方式將帶來(lái)很多系統性問(wèn)題，因此從組網(wǎng)角度出發(fā)，探討了5G網(wǎng)絡(luò )建設面臨的挑戰，并提宏微小區雙連接等解決方案，為后續研究發(fā)展提供參考。
關(guān)鍵詞：5G；網(wǎng)絡(luò )結構；超密集；宏小區；微小區；小區雙連接
1、概述
通信技術(shù)的發(fā)展給人類(lèi)生活帶來(lái)翻天覆地變化，技術(shù)的進(jìn)步不斷激發(fā)人類(lèi)對移動(dòng)通信潛在需求,如何應對人類(lèi)日益增長(cháng)的業(yè)務(wù)需求是未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )研究的重要命題。中國移動(dòng)經(jīng)過(guò)前面四代網(wǎng)絡(luò )建設后已初步形成GSM、TD-LTE雙網(wǎng)并行，TDS-SCDMA逐步退出格局，2G網(wǎng)絡(luò )主要承載語(yǔ)音，4G網(wǎng)絡(luò )主要承載數據業(yè)務(wù)。由于4G頻段衰減比2G，4G建設期間為滿(mǎn)足覆蓋需求新增大量物理站址，并高熱點(diǎn)區域建設大量的街道微站及小區微站，另外近年來(lái)移動(dòng)一直在推動(dòng)CRAN建設，新增站點(diǎn)以集中拉遠為主，但大部分還只是硬件集中。17年又進(jìn)行了全網(wǎng)大規模替換升級，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò )具備物聯(lián)網(wǎng)功能。大量4G小微基站以及CRAN的建設為5G做好了資源儲備[1-2]。2015年6月國際電信聯(lián)盟（ITU）確定了5G的時(shí)間表、名稱(chēng)和愿景。在ITU的愿景中，5G將明確支持增強移動(dòng)寬帶（eMBB）、海量低功耗連接（mMTC）和低時(shí)延高可靠連接（uMTC）3個(gè)應用場(chǎng)景；另外5G關(guān)鍵能力方面需要具備比4G更高的性能，支持0.1～1Gbps的用戶(hù)體驗速率，每平方公里一百萬(wàn)的連接數密度，毫秒級的端到端時(shí)延，每平方公里數十Tbps的流量密度，每小時(shí)500Km以上的移動(dòng)性和數十Gbps的峰值速率[3-5]。
2、5G網(wǎng)絡(luò )概述
2.15G網(wǎng)絡(luò )總體架構
5G網(wǎng)絡(luò )技術(shù)架構白皮書(shū)中[6]提出新型5G網(wǎng)絡(luò )架構，包含接入、轉發(fā)、控制三個(gè)功能平面，見(jiàn)圖1所示。接入云包含各類(lèi)基站及無(wú)線(xiàn)接入設備，是一個(gè)滿(mǎn)足多場(chǎng)景的以用戶(hù)為中心的多層異構網(wǎng)絡(luò )，宏基站與微基站相結合，統一容納空口多種接入技術(shù)，同時(shí)核心網(wǎng)部分功能下沉，將業(yè)務(wù)存儲與計算能力等功能下移至網(wǎng)絡(luò )邊緣，以支持高流量、低時(shí)延等業(yè)務(wù)需求�？刂圃曝撠熂锌刂乒δ�，以實(shí)現接入云與轉發(fā)云資源的全局調度。轉發(fā)云實(shí)現邊緣內容緩存及業(yè)務(wù)流加速等功能，包含用戶(hù)面下沉的分布式網(wǎng)關(guān)。
2.25G頻譜規劃為滿(mǎn)足
5G三大應用場(chǎng)景需求，5G頻率需全頻段需求，高頻段用于滿(mǎn)足熱點(diǎn)區域極高用戶(hù)體驗及系統容量需求，中低頻段5G聯(lián)合組網(wǎng)，以實(shí)現連續覆蓋[7-8]。對于5G中低頻2015年無(wú)線(xiàn)電通信全會(huì )批準“IMT-2020”作為5G正式名稱(chēng)，這意味著(zhù)現有標注給IMT使用的頻率均可作為5G頻率使用，對于5G高頻，2019年世界無(wú)線(xiàn)電通信大會(huì )將研究從4.25-86GHz頻段范圍選擇可用頻率[9]。根據工信部2017年11月15發(fā)布的工信部無(wú)[2017]276號文《工業(yè)和信息化部關(guān)于第五代移動(dòng)通信系統使用3300-3600MHz和4800-5000MHz頻段相關(guān)事宜的通知》，明確中國將3300-3600MHz和4800-5000MHz頻段作為5G系統的工作頻段，其中，3300-3400MHz頻段原則上限室內使用。另外2017年6月8日工信部公開(kāi)征集在毫米波頻段規劃第五代國際移動(dòng)通信系統（5G）使用頻率的意見(jiàn)，考慮將24.75-27.5GHz、37-42.5GHz或其他毫米波頻段5G系統頻率規劃。因此3.5GHz將成為我國開(kāi)展5G連續組網(wǎng)重要頻段。
3、5G網(wǎng)絡(luò )建設面臨挑戰
3.1上行覆蓋受限
根據工信部公布的中國5G頻段使用規定，3400-3600MHz和4800-5000MHz可以作為室外頻段使用，未來(lái)5G連續覆蓋盡可能采用較低頻段，以降低建網(wǎng)成本，因此3400-3600MHz將是5G實(shí)現連續覆蓋首選頻段。3.5GHz頻段衰減比2.6GHz大4dB5G下行可以通過(guò)多天線(xiàn)以及增加發(fā)射功率來(lái)達到4G同等覆蓋水平，但是上行方面手機終端的天線(xiàn)數量和發(fā)射功率均受到較大限制，因此上行覆蓋要達到4G同等水平需要增加物理站址，縮小小區半徑，目前密集市區4G站間距高達300米以?xún)�，要進(jìn)一步增加物理站址難度很大。
3.2資源協(xié)調復雜度高為滿(mǎn)足
5G系統容量顯著(zhù)提升，未來(lái)將建設大量小微基站，站點(diǎn)間間距可能會(huì )達到10米，甚至更小，各種無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的各類(lèi)低功率節點(diǎn)的站點(diǎn)密度將會(huì )達到現有站點(diǎn)密度的10倍以上[10]，形成多層次超密集無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )。超密集組網(wǎng)在提升系統容量同時(shí)引入許多新的問(wèn)題，例如用戶(hù)移動(dòng)性管理，海量部署小微基站會(huì )使大量低速移動(dòng)用戶(hù)也面臨頻繁切換問(wèn)題；另外大規模節點(diǎn)間資源協(xié)同以及干擾協(xié)調等問(wèn)題，相比4G網(wǎng)絡(luò )，處理復雜度指數級上升，如何解決這些問(wèn)題是實(shí)現5G網(wǎng)絡(luò )重點(diǎn)研究方向。
3.3低頻資源受限
根據我國公布的5G頻率使用規定，中低頻段3.5GHz只有200MHz，假設三家運營(yíng)商均等分配，每家可使用得5G頻率不超過(guò)70MHz。5G白皮書(shū)中指出，5G連接密度要達到100萬(wàn)用戶(hù)/每平方公里，是4G系統10倍，如何沒(méi)有充足的頻譜資源很難達到用戶(hù)連接密度數要求。而且4G與5G將會(huì )在很長(cháng)一段時(shí)間內同時(shí)在網(wǎng)，所以也不能占用4G頻率資源。因此在有限頻譜資源前提下如何實(shí)現5G系統三大應用場(chǎng)景六項關(guān)鍵性能是一項很重要命題。
4、解決方案
4.1上下行解耦
前文所述3.5GHz作為5G室外使用頻率，終端由于發(fā)射功率以及天線(xiàn)數目等原因限制，無(wú)法達到下行同等覆蓋。顯然3.5GHz作為上行覆蓋頻率不是最佳選擇，可考慮使用1.8GHz或者2.5GHz已有頻段，1.8GHz較3.5GHz可獲得大約10dB左右增益，接近下行覆蓋水平，作為首選。
4.2引入宏小區微小區雙連接
5G蜂窩網(wǎng)絡(luò )結果相比4G更加復雜，大量小微基站建設使得原有小區劃分方式不再適用。5G蜂窩網(wǎng)將是一張多層異構網(wǎng)絡(luò )，覆蓋層主要由宏基站組成，小微基站負責容量層�？梢钥紤]引入宏小區、微小區雙連接，在頂層建立宏小區作為覆蓋小區，覆蓋小區內部再建立微小區作為容量小區，并且允許終端可以同時(shí)駐留在覆蓋小區和容量小區上。覆蓋小區主要負責用戶(hù)控制面數據、移動(dòng)性管理、高時(shí)延要求類(lèi)業(yè)務(wù)以及小微基站間資源管理；容量小區主要負責用戶(hù)數據面需求，承載高速率、低時(shí)延要求等業(yè)務(wù)。用戶(hù)在宏小區內部移動(dòng)時(shí)只涉及小區內數據面遷移，不涉及小區切換，可以有效減少由于頻繁切換導致用戶(hù)體驗下降。
4.3低頻資源重耕
隨著(zhù)5G的到來(lái)，國內各大運營(yíng)商都在逐步考慮2、3G網(wǎng)絡(luò )退網(wǎng)。中國移動(dòng)2G900M頻段上下行各有25M頻率、1800M頻段上下行各有15M頻率，TDS的A頻段有15M頻率。根據中國移動(dòng)未來(lái)規劃，至2019年底900M可翻頻5-15M，1800M可全部翻頻，3G網(wǎng)絡(luò )將全部退網(wǎng)。2、3G退網(wǎng)后，原2、3G占有的優(yōu)質(zhì)低頻資源對5G來(lái)說(shuō)非常珍貴，通過(guò)對這部分低頻資源重耕，能有效緩解5G低頻資源需求缺口。
5、結論
本文從5G三大愿景出發(fā)，簡(jiǎn)述5G網(wǎng)絡(luò )總體架構以及國內外頻譜規劃現狀，并重點(diǎn)分析了5G組網(wǎng)將面臨的三大挑戰，提出通過(guò)上下行解耦、宏微小區雙連接以及低頻資源重耕應對上行系統受限、資源管理復雜以及頻譜資源短缺等問(wèn)題。未來(lái)5G商用前面臨的挑戰遠不止這些，本文只淺顯給出部分建議，后續將進(jìn)一步研究宏微小區規劃原則。
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