5G無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難點及應(yīng)對策略論文
摘要：從第一代模擬通信發(fā)展到現(xiàn)在第四代超高速數(shù)據(jù)通信，整個移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)經(jīng)過四次迭代已經(jīng)演變的非常復(fù)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(gòu)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。超密集的組網(wǎng)方式將帶來很多系統(tǒng)性問題，因此從組網(wǎng)角度出發(fā)，探討了5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)，并提宏微小區(qū)雙連接等解決方案，為后續(xù)研究發(fā)展提供參考。
關(guān)鍵詞：5G；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；超密集；宏小區(qū)；微小區(qū)；小區(qū)雙連接
1、概述
通信技術(shù)的發(fā)展給人類生活帶來翻天覆地變化，技術(shù)的進(jìn)步不斷激發(fā)人類對移動通信潛在需求,如何應(yīng)對人類日益增長的業(yè)務(wù)需求是未來移動通信網(wǎng)絡(luò)研究的重要命題。中國移動經(jīng)過前面四代網(wǎng)絡(luò)建設(shè)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)主要承載語音，4G網(wǎng)絡(luò)主要承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。由于4G頻段衰減比2G，4G建設(shè)期間為滿足覆蓋需求新增大量物理站址，并高熱點區(qū)域建設(shè)大量的街道微站及小區(qū)微站，另外近年來移動一直在推動CRAN建設(shè)，新增站點以集中拉遠(yuǎn)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(guī)模替換升級，使得整個網(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(shè)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的時間表、名稱和愿景。在ITU的愿景中，5G將明確支持增強移動寬帶（eMBB）、海量低功耗連接（mMTC）和低時延高可靠連接（uMTC）3個應(yīng)用場景；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的用戶體驗速率，每平方公里一百萬的連接數(shù)密度，毫秒級的端到端時延，每平方公里數(shù)十Tbps的流量密度，每小時500Km以上的移動性和數(shù)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(gòu)
5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)白皮書中[6]提出新型5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包含接入、轉(zhuǎn)發(fā)、控制三個功能平面，見圖1所示。接入云包含各類基站及無線接入設(shè)備，是一個滿足多場景的以用戶為中心的多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，宏基站與微基站相結(jié)合，統(tǒng)一容納空口多種接入技術(shù)，同時核心網(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、低時延等業(yè)務(wù)需求。控制云負(fù)責(zé)集中控制功能，以實現(xiàn)接入云與轉(zhuǎn)發(fā)云資源的全局調(diào)度。轉(zhuǎn)發(fā)云實現(xiàn)邊緣內(nèi)容緩存及業(yè)務(wù)流加速等功能，包含用戶面下沉的分布式網(wǎng)關(guān)。
2.25G頻譜規(guī)劃為滿足
5G三大應(yīng)用場景需求，5G頻率需全頻段需求，高頻段用于滿足熱點區(qū)域極高用戶體驗及系統(tǒng)容量需求，中低頻段5G聯(lián)合組網(wǎng)，以實現(xiàn)連續(xù)覆蓋[7-8]。對于5G中低頻2015年無線電通信全會批準(zhǔn)“IMT-2020”作為5G正式名稱，這意味著現(xiàn)有標(biāo)注給IMT使用的頻率均可作為5G頻率使用，對于5G高頻，2019年世界無線電通信大會將研究從4.25-86GHz頻段范圍選擇可用頻率[9]。根據(jù)工信部2017年11月15發(fā)布的工信部無[2017]276號文《工業(yè)和信息化部關(guān)于第五代移動通信系統(tǒng)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(tǒng)的工作頻段，其中，3300-3400MHz頻段原則上限室內(nèi)使用。另外2017年6月8日工信部公開征集在毫米波頻段規(guī)劃第五代國際移動通信系統(tǒng)（5G）使用頻率的意見，考慮將24.75-27.5GHz、37-42.5GHz或其他毫米波頻段5G系統(tǒng)頻率規(guī)劃。因此3.5GHz將成為我國開展5G連續(xù)組網(wǎng)重要頻段。
3、5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)面臨挑戰(zhàn)
3.1上行覆蓋受限
根據(jù)工信部公布的中國5G頻段使用規(guī)定，3400-3600MHz和4800-5000MHz可以作為室外頻段使用，未來5G連續(xù)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實現(xiàn)連續(xù)覆蓋首選頻段。3.5GHz頻段衰減比2.6GHz大4dB5G下行可以通過多天線以及增加發(fā)射功率來達(dá)到4G同等覆蓋水平，但是上行方面手機終端的天線數(shù)量和發(fā)射功率均受到較大限制，因此上行覆蓋要達(dá)到4G同等水平需要增加物理站址，縮小小區(qū)半徑，目前密集市區(qū)4G站間距高達(dá)300米以內(nèi)，要進(jìn)一步增加物理站址難度很大。
3.2資源協(xié)調(diào)復(fù)雜度高為滿足
5G系統(tǒng)容量顯著提升，未來將建設(shè)大量小微基站，站點間間距可能會達(dá)到10米，甚至更小，各種無線傳輸技術(shù)的各類低功率節(jié)點的站點密度將會達(dá)到現(xiàn)有站點密度的10倍以上[10]，形成多層次超密集無線接入網(wǎng)絡(luò)。超密集組網(wǎng)在提升系統(tǒng)容量同時引入許多新的問題，例如用戶移動性管理，海量部署小微基站會使大量低速移動用戶也面臨頻繁切換問題；另外大規(guī)模節(jié)點間資源協(xié)同以及干擾協(xié)調(diào)等問題，相比4G網(wǎng)絡(luò)，處理復(fù)雜度指數(shù)級上升，如何解決這些問題是實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)重點研究方向。
3.3低頻資源受限
根據(jù)我國公布的5G頻率使用規(guī)定，中低頻段3.5GHz只有200MHz，假設(shè)三家運營商均等分配，每家可使用得5G頻率不超過70MHz。5G白皮書中指出，5G連接密度要達(dá)到100萬用戶/每平方公里，是4G系統(tǒng)10倍，如何沒有充足的頻譜資源很難達(dá)到用戶連接密度數(shù)要求。而且4G與5G將會在很長一段時間內(nèi)同時在網(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現(xiàn)5G系統(tǒng)三大應(yīng)用場景六項關(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)射功率以及天線數(shù)目等原因限制，無法達(dá)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(qū)微小區(qū)雙連接
5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)果相比4G更加復(fù)雜，大量小微基站建設(shè)使得原有小區(qū)劃分方式不再適用。5G蜂窩網(wǎng)將是一張多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，覆蓋層主要由宏基站組成，小微基站負(fù)責(zé)容量層�？梢钥紤]引入宏小區(qū)、微小區(qū)雙連接，在頂層建立宏小區(qū)作為覆蓋小區(qū)，覆蓋小區(qū)內(nèi)部再建立微小區(qū)作為容量小區(qū)，并且允許終端可以同時駐留在覆蓋小區(qū)和容量小區(qū)上。覆蓋小區(qū)主要負(fù)責(zé)用戶控制面數(shù)據(jù)、移動性管理、高時延要求類業(yè)務(wù)以及小微基站間資源管理；容量小區(qū)主要負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)面需求，承載高速率、低時延要求等業(yè)務(wù)。用戶在宏小區(qū)內(nèi)部移動時只涉及小區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)面遷移，不涉及小區(qū)切換，可以有效減少由于頻繁切換導(dǎo)致用戶體驗下降。
4.3低頻資源重耕
隨著5G的到來，國內(nèi)各大運營商都在逐步考慮2、3G網(wǎng)絡(luò)退網(wǎng)。中國移動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(jù)中國移動未來規(guī)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來說非常珍貴，通過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(jié)論
本文從5G三大愿景出發(fā)，簡述5G網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)以及國內(nèi)外頻譜規(guī)劃現(xiàn)狀，并重點分析了5G組網(wǎng)將面臨的三大挑戰(zhàn)，提出通過上下行解耦、宏微小區(qū)雙連接以及低頻資源重耕應(yīng)對上行系統(tǒng)受限、資源管理復(fù)雜以及頻譜資源短缺等問題。未來5G商用前面臨的挑戰(zhàn)遠(yuǎn)不止這些，本文只淺顯給出部分建議，后續(xù)將進(jìn)一步研究宏微小區(qū)規(guī)劃原則。
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