5G技術延續4G網絡生命研究

甘志浩 福建省郵電規劃設計院有限公司

1. 引言

通信技術快速發展，我國從通信技術跟跑者提升為4G領域并跑者，并制定了領跑5G時代的遠大目標。國內5G網絡的前期部署投資，三家運營商預計耗費1.2萬億元。巨大的投資風險，成為我國遲緩部署網絡的重要原因。

截止2018年6月，我國4G用戶數已達11.1億多。4G流量高速增長，用戶感知及扇區容量受到極大考驗。相比4G，5G單位面積數據容量提升1000倍，單用戶數據速率提升10~100倍。5G技術的發展，為4G網絡突破容量瓶頸帶來希望。

2. 技術選用要求

通過項目可行性和時效性分析，對5G技術選用提出了以下要求：

（1）傳輸網絡結構及傳輸設備性能不做改變。對熱點區域接入單站點帶寬僅進行擴容提升。

（2）4G商用頻段不做改變。充分利用好國家頒布的現有4G商用頻段，對熱點基站設備性能、軟件、天面進行改造升級。

（3）現有4G宏基站布局結構不做改變。熱點區域使用密集蜂窩，宏微協同方式建設。

（4）替換熱點區域4G基站設備。采用支持Massive MIMO、高階調制、大頻段處理能力、C-RAN等技術的新型4G基站設備。

本文深入研究5G技術嫁接4G網絡，通過Massive MIMO案例驗證該技術對4G網絡能力的提升。

3. 技術嫁接條件及性能價值分析

3.1 大頻段通信技術

原理：利用運營商多個或8個4G載波聚合使用。

條件：熱點區域部分基站設備整體替換為寬頻高性能設備。

性能價值分析：充分利用運營商頻譜資源，構建4G網絡的“大帶寬”能力，實現媲美5G的極致速率體驗，提前孵化如8K視頻、云游戲、Cloud VR等5G時代的MBB業務。

3.2 大規模天線技術(Massive MIMO)

原理：陣子數是影響Massive MIMO性能的關鍵點，采用大量收發信機及天線陣列，陣子數量遠超4G網絡8陣子，波束賦形與空間復用相結合，提升區域頻譜效率。

條件：替換天線及RRU設備。

性能價值分析：在不需要增加基站密度和頻率資源條件下，頻譜效率比普通宏基站增加3~5倍。可利用Massive MIMO水平和垂直波束賦形特性增加網絡覆蓋的靈活性。由于波束集中在很窄范圍，可大幅降低干擾。波速賦性帶來覆蓋增益，可大幅降低單陣子發射功率。由于干擾得到很好的控制，大幅提升了單用戶速率和區域數據業務容量。

3.3 高階調制

原理：基站向用戶傳遞的1個符號中有8~10bit的數據，較4G現行64QAM信號多傳2~4bit，頻譜效率提升大于33%。

條件：現有基站設備軟件升級。

性能價值分析：高階調制對于網絡下行SINR要求極高。測試結果顯示，256QAM下行SINR達到25db時才對下行速率提升有明顯效果。室外環境下，該技術可與Massive MIMO聯合使用，在控制信號間干擾的前提下提升用戶速率。

3.4 密集蜂窩網絡技術

原理：通過劃小蜂窩結構，在單位面積內布局更多的基站及小區。

條件：物業條件允許，增加微基站、皮站、新型室分建設，需要光纜接入及傳輸設備投資。需要控制密集蜂窩間的干擾，確保小區增加后無線環境不惡化。用戶低速移動或不移動。

性能價值分析：體育場館、高校等流量極高密度的區域有較大價值。

3.5 C-RAN接入網架構

原理：控制與承載分離思路下，BBU集中放置。同一BBU接入負荷較高的宏站RRU和低業務小基站或室分RRU，便于負荷分擔。

使用環境：物業條件較苛刻，基站運營環境不穩定。區域業務不均衡，潮汐效益較嚴重。

性能價值分析：BBU集中放置可增強小區間協同，提升區域網絡質量及容量。C-RAN與密集蜂窩技術聯合使用，增加區域蜂窩數量，同時降低配套投入。

3.6 高頻段通信

由于高頻段通信特指6GHZ以上頻段進行通信，非4G商用頻段，不具備4G網絡嫁接條件。

4. Massive MIMO網絡技術應用案例

4.1 案例方案

西南某理工大學分校，建成后學生將超過8000人，屬于學校大話務熱點。學校周邊4G站點3個，覆蓋學校區域高負荷小區15個，本次研究針對宿舍集裝箱-LHHQ基站2號物理小區下的4個高負荷邏輯小區。該物理小區覆蓋學校食堂及學生宿舍，下行PRB利用率高于90%，忙時流量超過6G，最大用戶數超過200，屬于高負荷嚴重區域。

此物理小區已全量使用該運營商所有室外4G頻段，該區域已不具備4G容量擴容空間。結合現場物業情況，最終采用支持Massive MIMO技術的新型設備1套。建設前后，各小區忙時流量對比情況如下：

4.2 案例結果

該區域Massive MIMO小區建設后，區域高負荷狀況得到緩解。晚忙時Massive MIMO小區分擔了65%的業務，原高負荷小區上行PRB利用率下降12%，下行PRB利用率下降7%，區域最大用戶數增加257個，區域晚忙時流量增加2.5GB。同時，用戶感知明顯提升。室外SINR從平均15.81dB提升至27.5dB，室內SINR從平均8.7dB提升至18.1dB，室內外用戶速率平均提升90%以上。

5. 結束語

結合國家5G戰略發展規劃，5G先進技術嫁接4G網絡，延續4G網絡生命成為必然。通過投資收益分析有選擇的進行5G技術嫁接，需要我們繼續深入研究。