5G技術在4G網(wǎng)絡中的應用探討

肖 智

（湖南省郵電規(guī)劃設計院有限公司，湖南 長沙 410126）

0 引 言

4G網(wǎng)絡的普及與應用為移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展打開了大門，伴隨著消費電子產(chǎn)品的進步與發(fā)展，移動通信技術正時刻改變著人們的生活，同時也刺激著移動通信需求的進一步發(fā)展。隨著高清視頻、IoT（物聯(lián)網(wǎng)）等主流業(yè)務的不斷推出，移動數(shù)據(jù)業(yè)務承載需求將突飛猛進，運營商需要不斷提升系統(tǒng)速率和容量以滿足業(yè)務增長需求。

據(jù)ITU預測，2020年將實現(xiàn)5G的大規(guī)模商用，但就目前網(wǎng)絡發(fā)展的狀況來看，距離5G真正形成實際網(wǎng)絡能力還有一段時間，因此在5G到來及大規(guī)模部署前夕，將5G技術應用到現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡中，以增強4G網(wǎng)絡的能力和性能，滿足高速數(shù)據(jù)業(yè)務增長的需求，將5G技術效用最大化，是目前運營商網(wǎng)絡建設的主要方向。

1 技術原理和性能分析

目前已知的5G關鍵技術中，4×4多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO），256正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）高階調(diào)制，移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）等5G技術可應用于4G網(wǎng)絡中，增強現(xiàn)有網(wǎng)絡移動數(shù)據(jù)業(yè)務承載能力，提升現(xiàn)有4G網(wǎng)絡的用戶體驗和網(wǎng)絡經(jīng)營能力，保護LTE網(wǎng)絡投資，并實現(xiàn)業(yè)務向5G平滑演進。本文針對4×4 MIMO，256 QAM高階調(diào)制、MEC等關鍵技術的原理和性能價值進行了分析，探討了這三項關鍵技術在4G網(wǎng)絡中的應用場景，并提出了相應的解決方案和部署策略，為運營商在5G商用前夕提升4G網(wǎng)絡能力和性能提供參考。

1.1 4×4 MIMO技術

MIMO技術是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線進行傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。4×4 MIMO技術采取4發(fā)射天線和4接收天線，要求基站設備具備4T4R能力，手機支持四天線接收。4×4 MIMO技術可充分發(fā)揮空間復用與分集技術的優(yōu)勢，提高無線頻譜資源利用效率，同時還可提高CEU（位于小區(qū)邊緣的用戶）的移動寬帶使用體驗。

4×4 MIMO技術對網(wǎng)絡覆蓋、網(wǎng)絡容量、峰值速率和用戶的使用速率都有較大提升，其應用價值主要體現(xiàn)在以下三個方面：

（1）有效提升下行覆蓋，提升邊緣用戶體驗速率和下行容量。在單站場景下，因為每根天線的發(fā)射功率相同，4天線的發(fā)射功率相比2天線將增加3 dB功率增益，相同速率條件下，覆蓋距離更遠，有利于深度覆蓋。同時在覆蓋邊緣區(qū)域，4×4 MIMO相比現(xiàn)有的2×2 MIMO具有分集增益，可提升邊緣用戶體驗速率和下行容量。

（2）提升用戶峰值體驗。以中國電信1 800 MHz頻段測試為例，在15 MHz帶寬，TM4傳輸模式場景下，選取近點、中點和遠點定點測試用戶的下行峰值速率。測試結果表明，4×4 MIMO相比2×2 MIMO在近點的增益為90%～100%，中點的增益為100%～150%，在遠點能達到150%～300%的增益。

（3）對存量2R終端同樣貢獻巨大。基于1 800 MHz的宏小區(qū)室內(nèi)吞吐率測試顯示，即使在4R終端低滲透的場景下，基站側采取4T4R后，平均吞吐率也能獲得10%～20%的增益，其變化曲線如圖1所示。

圖1 4R終端滲透率與吞吐率增益變化曲線圖

結合測試數(shù)據(jù)并分析，發(fā)現(xiàn)采用4×4 MIMO后，下行覆蓋、下行容量、下行邊緣速率和用戶的峰值速率等方面的性能明顯提升。在2R終端模式下，4T4R相比2T4R性能提升約20%～45%；4R終端模式下，4T4R相比2T4R性能提升約40%～65%。性能對比如圖2所示。

圖2 4T4R相比2T4R的性能提升

1.2 256 QAM高階調(diào)制技術

QAM是一種矢量調(diào)制，先將輸入比特映射到一個復平面上，形成復數(shù)調(diào)制符號，然后將符號的I，Q分量（對應復平面的實部和虛部，即水平和垂直方向）采用幅度調(diào)制，分別對應調(diào)制在相互正交的兩個載波上。QAM是聯(lián)合調(diào)制幅度、相位的技術，同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特，常見的QAM形式如16 QAM，每個符號可承載4 bit信息、64 QAM每個符號可承載6 bit信息。

為進一步提高系統(tǒng)容量及頻譜效率，在相同帶寬下提升傳輸速率，LTE-A和第五代（5G）移動通信系統(tǒng)中引入了更高階的256 QAM調(diào)制方案，對于滿足256 QAM 條件的用戶，其下行業(yè)務信道中每符號攜帶8 bit 數(shù)據(jù)，相比64 QAM每符號攜帶6 bit 數(shù)據(jù)，理論上頻譜效率提升約33%。

UE在無線環(huán)境（CQI）質(zhì)量非常好的情況下才會采取256 QAM高階調(diào)制方式，并且網(wǎng)絡質(zhì)量越高調(diào)制增益也越大。選取中國電信LTE 1 800M頻段進行測試驗證，其中，RSRP值為－77 dbm，SINR值為30，并且功能開啟前后測試地點一致。經(jīng)測試，256 QAM功能開啟后下載峰值速率提升了38.12 Mb/s，提升幅度為36.02%；均值速率提升了35.70 Mb/s，提升幅度為39.93%。峰值速率以及提升幅度接近理論值，詳見表1。

表1 256 QAM對比64 QAM峰值速率和均值速率測試結果

1.3 MEC技術

移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）通過在無線接入側部署通用服務器，可近距離為無線用戶提供IT和云計算能力。MEC服務器主要包括三層邏輯實體，分別為基于NFV的硬件資源和虛擬化架構的平臺基礎層、承載業(yè)務對外接口適配的功能組件層和基于網(wǎng)絡功能虛擬化VM應用架構的應用層。

MEC使得傳統(tǒng)無線接入網(wǎng)具備了業(yè)務本地化和近距離部署的條件，從而具有提供高帶寬、低時延的傳輸能力，同時業(yè)務面下沉形成本地化部署，可以有效降低對網(wǎng)絡回傳帶寬的要求和網(wǎng)絡負荷。

MEC技術將基站與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務進行深度融合，促進了移動運營商、設備廠商、應用程序開發(fā)商和內(nèi)容提供商的緊密合作。無線網(wǎng)絡側加入計算、存儲、處理等功能，構建開放式平臺以植入應用，并通過無線API開放無線網(wǎng)絡與業(yè)務服務器之間的信息交互，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡與業(yè)務的融合；業(yè)務側可為消費者、企業(yè)和垂直行業(yè)提供大量創(chuàng)新應用和差異化服務，如實時視頻、虛擬專網(wǎng)、增強現(xiàn)實、移動監(jiān)控、商場導航等，提升現(xiàn)有4G網(wǎng)絡的利用效率并使其增值。

2 解決方案和部署策略

2.1 4×4 MIMO技術

4×4 MIMO的基站相比LTE基站最大的不同是基站發(fā)射端由2T變成4T，對于現(xiàn)網(wǎng)2T4R的站點升級到4T4R站點，需新增一個2T2R/2T4R RRU或整體替換4T4R RRU完成部署，如圖3所示。在2T4R基礎上建設4T4R網(wǎng)絡，需要增加主設備投資，但運維成本基本保持恒定，整體成本增加較少，卻顯著提升了整個小區(qū)的下行吞吐量和用戶體驗速率，對于部分下行業(yè)務受限的高流量價值區(qū)域而言，是實現(xiàn)高投資收益比的解決方案。

圖3 2T4R基站升級為4T4R基站示意圖

相比于基站側，4×4 MIMO對終端的影響更大，終端不但需要考慮成本問題，還需要更多地考慮設計和空間問題。目前包括三星、華為在內(nèi)的一些終端廠商均有商用終端支持4×4 MIMO，但都只限于旗艦機型，預計今年還會有多款終端可支持 4×4 MIMO。

影響終端支持4×4 MIMO的主要因素是射頻與天線，天線尺寸受波長影響，頻率越低需要天線尺寸越大，因此受終端空間的限制，終端很難支持低頻段的4×4 MIMO。

綜上，以中國電信為例，建議在高價值高流量區(qū)域，優(yōu)先考慮在LTE 1 800M頻段部署4×4 MIMO，應對流量壓力，搶占運營商競爭優(yōu)勢高地；對于LTE 800M低頻覆蓋區(qū)域，頻段帶寬小，低頻終端很難支持，暫無需部署。

2.2 256 QAM高階調(diào)制技術

目前主流的基站主設備均具備擴展性，無需調(diào)整硬件，通過軟件升級和數(shù)據(jù)配置即可完成256 QAM的部署，網(wǎng)絡部署成本較低。但256 QAM高階調(diào)制技術對于下行網(wǎng)絡質(zhì)量SINR 要求非常高，測試表明只有當下行SINR 大于25 dB 時才對提升下行用戶速率效果較為明顯，因此在引入時需要綜合考慮小區(qū)SINR值、基站站間距和業(yè)務密度等因素。對于基站間距較小，同時SINR指標較差的基站不建議開啟該功能。而對于平均SINR高于15 dB的小區(qū)，若流量負荷較大且載波擴容能力受限時可考慮開啟該功能。

總體來說，在室外環(huán)境下，下行256 QAM高階調(diào)制技術對LTE系統(tǒng)的整體吞吐量提升有限，同時考慮到目前具備256 QAM能力的終端滲透率依然較低，建議運營商優(yōu)先在高階值密集城區(qū)、重點場景（如機場、高鐵站、三甲醫(yī)院、高校）等室分系統(tǒng)或宏基站近點高SINR區(qū)域應用，提升用戶感知，但暫不建議全網(wǎng)大面積開啟該功能。

2.3 MEC技術

在4G網(wǎng)絡的實際業(yè)務拓展過程中，為滿足企業(yè)級用戶與垂直行業(yè)的應用需求，4G網(wǎng)絡需要進行一些針對位置和特定環(huán)境的業(yè)務部署優(yōu)化，以提升網(wǎng)絡的效率和用戶體驗，即需要引入MEC技術。目前MEC的主要應用范圍為本地內(nèi)容緩存、基于無線感知的業(yè)務優(yōu)化處理、本地內(nèi)容轉發(fā)、網(wǎng)絡能力開放等，主要應用在時延敏感、實時性要求高、大數(shù)據(jù)量等場景，比如V2V，AR，企業(yè)，MCDN，室內(nèi)，IoT等。

基于現(xiàn)有4G EPC 核心網(wǎng)絡架構部署MEC方案，比較常見和簡單易實現(xiàn)的部署方式是將MEC服務器部署在RAN側。通過在RAN側引入智能計算能力，可解決部分運營商和網(wǎng)絡業(yè)務提供商的難題，業(yè)務體驗更有保障，同時無線資源的管理更加智能和優(yōu)化，不同等級的服務都可以實現(xiàn)。針對不同的應用場景，RNC部署又可分為兩種方式：第一種是MEC服務器部署在多個eNodeB匯聚節(jié)點之后，如應用于智慧校園、園區(qū)、大型企業(yè)等，提供差異化的本地服務和創(chuàng)新應用；第二種是MEC服務器部署在單個eNodeB之后，如圖4所示，主要針對熱點區(qū)域，如大型購物中心、重點室內(nèi)場景如機場、體育場館等。

采取RAN側部署方式的優(yōu)勢在于更靠近用戶側，便于監(jiān)聽、解析S1接口的信令來獲取基站側無線相關信息，分析用戶位置并提供本地化個性服務，同時還可降低帶寬消耗和業(yè)務訪問時延，提升業(yè)務體驗，減輕核心網(wǎng)負擔，但計費和合法監(jiān)聽等事關安全的問題需要進一步規(guī)范。

圖4 MEC服務器部署方案示意圖

3 結 語

布局5G技術4G化，能夠有效提升運營商現(xiàn)有4G網(wǎng)絡的技術能力、服務效率和性能指標，尤其是在特定應用場景，對網(wǎng)絡覆蓋、用戶容量、用戶峰值速率和創(chuàng)新業(yè)務等方面具有重要意義。通過對4×4 MIMO，256 QAM高階調(diào)制，MEC三項技術的技術原理和性能價值的分析，探討4G/5G通用技術的應用場景、部署策略，承載高價值區(qū)域的數(shù)據(jù)業(yè)務增長需求，將5G技術效用最大化，為后續(xù)運營商網(wǎng)絡建設和性能提升指明了方向。

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