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5G+4G无线网络协同及组网关键技术探讨

Labs 导读

本文从分析5G4G无线网络协同建设的背景和必要性出发,指出5G+4G开展协同建设天然具备的频率、设备和站址等优势。在此基础上剖析了5G+4G无线网络覆盖协同和容量协同的关键技术,并提出了协同组网方案,基于这种方案,既能应对当前4G网络容量挑战,又能构筑5G领先竞争优势的无线网络演进基础架构,同时实现降本增效地打造5G精品网络的目标。

作者:孟繁丽、程日涛、尧文彬、杨丽、王申

1 5G+4G协同建设的有利条件

5G网络建设是我国网络强国的国家战略,5G网络是实现产业创新升级的关键基础设施,具有重要的意义。经过多年积累,我国运营商已拥有全球最多的无线基站站址。同时,与1G/2G/3G/4G无线网络技术升级不同的是,运营商由4G升级至5G网络具有先天的巨大优势,除了丰富的站址资源可以共享外,还包括以下共享能力。

(1)频率共享:5G网络分配了多个频段的使用许可,其中2.6GHz频段由5G与4G共享2515~2675MHz共160MHz频谱资源,这不仅使得运营商拥有较低无线链路损耗从而节约建网投入的优势,还可在此基础上充分利用已有4G 2.6GHz频段运营经验管理5G网络,同时还可充分发挥产业链带动能力,最大化地实现设备能力和终端能力共模。

(2)设备共享:基于频谱资源带宽共享,发展5G+4G共硬件设备,实现基带具备不同制式转换的能力(也称转模),建设5G网络的同时能够将富裕网络能力兼顾4G业务需求,最大化地实现设备利用效率。

(3)业务能力:4G网络整体容量仍在增长,局部区域频谱资源不足日益凸显,用户业务感知保障压力不断增长。5G eMBB与4G eMBB同为移动数据业务,可与4G网络实现业务协同分担,同时5G网络能够提供至少十倍于4G的峰值速率、毫秒级的传输时延和千亿级的连接能力,因此,二者在网络能力协同共享的同时,更能满足融合业务和差异化业务长期合力发展的现实需求。

4G方兴未艾,5G已经到来,5G+4G必将在网络和业务支撑能力方面长期共存。本文将从无线网络组网规划技术层面,探索5G+4G无线网协同发展的关键技术,既能充分发掘4G网络现有优势,又能发挥5G技术和网络的全新能力,以二者协同的最大合力实现降本增效的网络建设和运营,同时有利于网络演进发展。

2 5G+4G网络覆盖协同建设的关键技术分析

无线网络覆盖的主要目标是聚焦建网价值区域,尽可能地以最合理的网络结构、最优的设备选型和最佳的投资性价比实现网络的覆盖目标。在用户需求与技术演进同时发展的情况下,无线蜂窝网络逐渐向一种新型的组网架构演进,在保持现有室外蜂窝网络结构相对稳定的情况下,在5G+4G协同发展初期,有如下方面的关键内容。

2.1 5G+4G站址资源共享技术

2.1.1 充分利用已有5G+4G站址共享

在共用的2.6GHz频段上,5G网络覆盖与业务能力优于4G制式,因此4G和5G具备共享站址的能力,在组网规划技术方面可充分利用已有基站站点机房配套,开展快速、低成本建网。

在这种基础上,不同于以往的全网标准化指标建网目标,5G网络建设可基于“1:1”共享站址实现弹性指标建网。这种建网思路立足于4G原址升级5G情况下,网络覆盖及业务指标将优于4G,同时考虑到不同的场景时,4G制式宏站站间距存在差异,因此5G目标网规划的宏站站间距可立足实际,以存量全量物理站址为基础,以不同的规划指标(如可分别设定挑战指标、基准指标和最低指标等方式)为目标,筛选理想结构站点,对不同的区域适配性价比最优方案,确保投资效益。

2.1.2 天面共享

公众移动通信网络经过多年的发展和技术迭代更新,存在2G/3G/4G天线点位多和空间受限等问题。5G AAU因其技术特性需单独占用1副天面,因此需对4G/5G天馈系统协同考虑进行整合收编,天馈整合最佳目标为单小区2~3副天面,即FDD、TDD、5G各1副天面或4G、5G各1副天面。以有效匹配、适度超前为原则,精准开展配套建设,通过设计合理的天馈改造方案实现已有资源与未来发展需求的整合,可以精准建设,降低租金和建设成本。

2.2  5G+4G设备共享技术

2.2.1 设备能力的共享

与2G向3G、3G向4G网络制式演进不同的是,5G网络基于已有成熟的4G网络相同的频谱资源,这就可以充分发挥4G D频段成熟产业链的优势,在已有设备基础上,实现5G+4G基站共硬件,从而最大化地实现5G新技术前移。

为充分发挥5G设备的能力,同时兼顾到4G网络需要,对5G新设备提出以下几方面的能力要求。支持160MHz全频谱带宽的能力、支持SA/NSA共模的能力、支持5G+4G共模/转模的能力和支持功率动态共享能力。目前国内外厂家均已完成设备研发,可实现规模供货。

在这种情况下,5G新建基站均可按照“共站、共框、共板、共天线”方式实现资源共享,避免独立建设造成浪费,从而充分发挥单比特建设成本和运营成本优势。

2.2.2 设备建设的协同

当5G+4G共址建设时,可以采用5G基站反向开通4G功能的共模方式建设,以同时满足两网的业务需求。在设备安排上,原有4G D频段窄带设备(60MHz)RRU支持频段与5G设备重合,可考虑拆迁至外围区域以继续发挥其容量能力,避免设备浪费,迁移到需求区域的新选址补盲或者已有站址补充容量需求。对带宽富裕的物理扇区,可同步考虑F频段拆除,此时可利旧整套4G基带和射频设备,投资节约做到最大化。对于天面资源竞争激烈的平台,窄带RRU拆除后,抱杆资源有被占用的风险,需尽量规避。

若不拆除4G D频段设备,需考虑其设备频率与NR协同的要求,由于这部分设备只支持60MHz带宽且与5G初期规划频段部分重合(重合部分为40MHz带宽),同时4G设备移频能力较差,势必造成生命周期较短。另外,还需考虑到这种情况下,非共模设备较难实现频段内联合传输和资源共享等技术手段,4G网络性能将受到一定程度的影响。

根据以上分析,我们在开展建设的时候,通常采用拆除老旧D频段设备,同时通过5G反向开通4G功能的方式弥补4G网络覆盖与容量的需求。

2.3   5G+4G频率共享技术

5G商用初期,网络承载业务较少,此时,通过功率共享技术实现制式间160MHz频谱资源的分配与调整,兼顾5G+4G双制式网络的容量需求,提升频谱资源利用率。随着5G网络用户和业务逐渐发展,最终形成单制式100MHz+60MHz目标方案。

2.3.1 静态的频率分配及共享技术

在5G建设初期,开展4G D频段清频的同时,还需考虑5G和4G频率资源共享分配方案。可以按照面向当下,优先满足业务需求的原则,根据不同的业务场景按需分配带宽,采用不同的频率使用策略。

(1)场景1:4G极热点、5G业务初始阶段的场景。此时,4G业务需求高,在频率分配上优先满足,可考虑4G多留1个频点(4*20MHz),5G仅开启80MHz带宽。

(2)场景2:5G体验优先业务演示区域等5G重点场景。考虑优先满足5G需求,使用2515~2615MHz频率自下而上连续开通100MHz,4G业务尽可能地通过FDD1800MHz、A频段重耕的方式吸收业务量,减少对4G D频段带宽需求的频率使用策略。

2.3.2 动态频率分配技术

考虑到5G和4G网络长期共存协同发展的需求,除了以上静态的频率分配与共享机制,还需推动产业界实现5G设备2.6GHz频率5G+4G完全动态共享技术的成熟与应用,提升资源调动灵活性,降低网络维护成本。

5G+4G动态频谱共享技术可灵活适配小区业务需求,实现在同一块载波上同时支持两种业务的随机调度,从而更加充分地提升设备利用率及160MHz带宽频率资源使用效率。载波动态共享实现机制如下。

通常情况下,5G载波配置4个UE的工作带宽(BWP),终端视能力配置1个或者4个BWP,当UE从BWP0接入后,视网络初始配置接入到对应的BWP。当5G载波与4G同覆盖时,5G+4G动态频谱共享技术使得5G载波可实现对支持多个BWP的动态调整,从而实现载波根据需求在休眠与激活两种状态之间变化,这个过程即频谱“重分配”过程。5G+4G动态频谱共享技术可根据触发“重分配”的判决条件,实现分钟以上级别的频谱动态调配。

2.4   5G+4G功率共享

2.4.1 功率协同配置影响分析

当前5G基站设备可达到240W标称功率(远期需求320W),考虑D频段为5G分配100MHz带宽、4G分配20MHz带宽时,5G可满足200W满功率配置。如果4G需要更多的载波配置,则将出现功率受限的情况,此时,需考虑5G+4G功率分配以最大化网络性能。

首先分析不同功率配置对容量影响:当4G新增开通2~3个D频段载波(且通过5G反向开通4G后具备3D-MIMO能力)、同时每载波按照2W/Hz的功率谱密度进行满功率配置,此时,5G剩余配置160W功率,5G网络将由于功率的降低带来约10%的容量损失,而同时4G网络由于功率充足,可获得高于低功率配置时42%的容量提升。不同的功率配置对容量的损失比例计算结果见表1。

表1 不同功率配置对4G和5G网络容量的影响

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接着分析不同功率配置对覆盖影响。如图1所示,从试验网测试数据结果可以看到,同等站距条件下,即使将5G功率降为120W,下行覆盖性能依然优于功率满配时3.5GHz的5G制式能力。

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图1 不同功率配置对5G网络覆盖的影响

2.4.2 分场景功率协同配置方案

由以上分析可以看到,5G功率降低造成的性能损失较小,但能带来明显的4G性能增益。同时考虑到5G初期阶段,4G网络的覆盖和容量需求仍是重中之重。因此,在240W发射功率的设备条件下,应按照面向当下,优先满足业务需求的原则,不同带宽时5G+4G功率分配建议如图2所示。

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图2 不同带宽时,5G+4G功率协同配置建议

(1)场景1:考虑到在5G初期阶段4G网络的覆盖和容量仍是重中之重,应优先满足4G的频率和功率需求,建议优先为4G分配2W/MHz功率资源,再将剩余的功率资源分配给5G网络。

(2)场景2:在具有演示意义的场景或其它重要区域,为提供接近理论速率的业务体验,应为5G配置2515~2615MHz共100MHz带宽资源,并按照2W/MHz的功率谱密度分配5G功率。同时,可在D3频点反向开通4G 3D-MIMO吸收存量4G容量。

3 5G+4G网络容量协同建设

3.1 环境的变化导致4G业务发展存在不确定性

5G强国战略将促使行业及产业链发生深刻变化,同时,管控新政的实施也导致4G未来业务发展存在不确定性。

首先,5G强国战略及可能出现的新业务,将刺激移动总流量增长,预期将同时带动4G业务同步发展。

其次,5G终端快速发展,将推动5G消费产业,从而促进5G网络形成对4G的有效分流。一是5G终端形态发展迅速,种类丰富。二是5G终端价格不高于4G。2020年第2季度起,厂商逐步推出中低端5G手机,预计2020年底手机价格降至1000~2000元。

再次,政策因素带来竞争环境变化。从长期考虑,会对4G网络流量增长起到一定的抑制作用。2019年9月1日全面停售流量畅享套餐。10月起,主管部门对3大运营商新增管控要求,有望改善竞争环境,进一步提质增效。

在4G业务经历了移动业务需求发展推动和不限量套餐等带来的流量爆发高峰之后,目前出现了以上诸多因素将深刻影响到4G业务发展,给其带来不确定性,4G业务发展的拐点处于临界阶段,过于谨慎或者过于豪放的扩容策略都将带来损失。在这个时期,为确保用户感知同时不产生投资浪费,对4G网络的扩容需更加精确化规划,充分利用新增的5G资源提供给存量4G使用,来实现降本增效。

3.2  5G反向开通4G功能是5G+4G容量协同的重要技术手段

在这种情况下,充分利用设备共模/转模能力,通过在5G基站反向开通4G功能是5G+4G容量协同的重要技术手段。

3.2.1 5G反向开通4G功能的工程实现方式

利用5G宏基站设备反向开通4G功能时,均需为4G功能再购买一套BBU基带板硬件及硬件许可、AAU通过馈入方式共用5G设备、RRU软件许可利旧原4G基站清频退出的软件许可。

3.2.2 5G反向开通4G功能的载波带宽等效容量能力

根据试验网测试数据,针对不同的5G基站通道能力,实现反向开通后,20MHz载波带宽吞吐能力可等效于4G载波倍数,见表2。

表2不同通道类型5G基站反向开通4G的网络性能对比

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3.3  5G+4G协同保障4G网络容量规划方法

根据以上业务发展和5G+4G协同实现方式分析,精确规划4G网络扩容需与5G网络建设节奏紧密结合,因此,4G扩容策略分为以下场景考虑。

(1)场景1:在5G规划区域,利用5G反向开通4G功能弥补4G D频段清频带来的4G性能损失,兼顾部分容量增长需求。

(2)场景2:在非5G规划区域,充分利旧5G规划区拆除的软硬件资源,通过设备利旧实现增容和容量分担。

3.3.1 通过5G反向开通4G功能弥补4G D频段清频带来的4G性能损失

D频段在4G网络发挥重要的作用,以D频段加F频段站址形成良好的综合覆盖,尤其D频段站址更加丰富,需充分考虑清频后,对连续覆盖基础底层网的影响。

5G初期工程建设将集中在城市密集区域,而这些区域正是4G D频段站点集中的区域,D频段载波占比和容量吸收比例都更高。在5G网络建设同时,充分发挥5G+4G协同作用,利用5G反向开通4G功能的技术特性来补充D频段清频后4G网络的容量和覆盖需求。

3.3.2 小区级4G容量保障的路径选择策略分析

4G网络经过多期建设,其站型组成非常复杂。以室外小区的所属天面为统计粒度,覆盖一片物理区域的4G物理扇区包含多个逻辑小区种类,如单D扇区(1D/2D/3D小区)、F/D扇区(1F1D/1F2D等)、单F扇区、D/F/FDD混合扇区等。另外,4G网络扩容可用的频段资源有6种:TD-L制式的F频段、A频段、D频段,5G反向开通4G功能的D频段,FDD制式1800MHz及900MHz频段,考虑到工程实施时,还将涉及到新增硬件和软件扩容等具体实现方式,可以选择的扩容手段更多。这种已有站型结构和可选实施方式均存在物理上的构成复杂度,也必然带来不同扇区扩容时,在选择扩容制式和使用频段方面的复杂性。

由于5G反向开通4G功能仍需一部分新增投资,此处,以投资效益最大化的方式举例,在考虑4G扩容策略时,优先考虑网内其他小区FDD 1800MHz/F/A载波能力调度,不能满足需求时,再考虑以5G反向开通4G功能补充。每物理扇区的扩容策略如图3所示。

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图3 投资效益最大化场景的4G扇区容量保障扩充策略

当考虑不同的建设策略时,如以4G网络性能最优化为目标或以工程实施难度最简化为目标时,存在不同的路径选择。由此也可以看到,5G+4G容量协同方案的复杂度带来规划方案编制难度成倍提高,如果将以上协同需求和算法通过工具化的方式,实现小区级容量协同自动选择,将极大地降低规划难度,灵活完成多种策略选择和对比。

4 结束语

我国从国家战略层面提出通过5G助推制造强国,网络强国建设, 5G网络建设需求成为当下全面构筑经济社会数字化转型的关键基础设施。如果在工程规划时可以充分贯彻和深入思考5G+4G协同发展理念,整合5G和4G网络在技术标准和工程建设的协同优势,既能保持对大量已有4G用户的服务品质,又能提升5G网络建设的质量。

参考文献

[1] 3GPP.Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100GHz[S].2019.

[2] 程日涛,张海涛,王乐.5G无线网部署策略[J] .电信科学,2018(1).

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