5G技術(shù)延續(xù)4G網(wǎng)絡(luò)生命研究

甘志浩 福建省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司

1. 引言

通信技術(shù)快速發(fā)展，我國從通信技術(shù)跟跑者提升為4G領(lǐng)域并跑者，并制定了領(lǐng)跑5G時代的遠(yuǎn)大目標(biāo)。國內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)的前期部署投資，三家運(yùn)營商預(yù)計耗費(fèi)1.2萬億元。巨大的投資風(fēng)險，成為我國遲緩部署網(wǎng)絡(luò)的重要原因。

截止2018年6月，我國4G用戶數(shù)已達(dá)11.1億多。4G流量高速增長，用戶感知及扇區(qū)容量受到極大考驗。相比4G，5G單位面積數(shù)據(jù)容量提升1000倍，單用戶數(shù)據(jù)速率提升10~100倍。5G技術(shù)的發(fā)展，為4G網(wǎng)絡(luò)突破容量瓶頸帶來希望。

2. 技術(shù)選用要求

通過項目可行性和時效性分析，對5G技術(shù)選用提出了以下要求：

（1）傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及傳輸設(shè)備性能不做改變。對熱點(diǎn)區(qū)域接入單站點(diǎn)帶寬僅進(jìn)行擴(kuò)容提升。

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

（3）現(xiàn)有4G宏基站布局結(jié)構(gòu)不做改變。熱點(diǎn)區(qū)域使用密集蜂窩，宏微協(xié)同方式建設(shè)。

（4）替換熱點(diǎn)區(qū)域4G基站設(shè)備。采用支持Massive MIMO、高階調(diào)制、大頻段處理能力、C-RAN等技術(shù)的新型4G基站設(shè)備。

本文深入研究5G技術(shù)嫁接4G網(wǎng)絡(luò)，通過Massive MIMO案例驗證該技術(shù)對4G網(wǎng)絡(luò)能力的提升。

3. 技術(shù)嫁接條件及性能價值分析

3.1 大頻段通信技術(shù)

原理：利用運(yùn)營商多個或8個4G載波聚合使用。

條件：熱點(diǎn)區(qū)域部分基站設(shè)備整體替換為寬頻高性能設(shè)備。

性能價值分析：充分利用運(yùn)營商頻譜資源，構(gòu)建4G網(wǎng)絡(luò)的“大帶寬”能力，實現(xiàn)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(yè)務(wù)。

3.2 大規(guī)模天線技術(shù)(Massive MIMO)

原理：陣子數(shù)是影響Massive MIMO性能的關(guān)鍵點(diǎn)，采用大量收發(fā)信機(jī)及天線陣列，陣子數(shù)量遠(yuǎn)超4G網(wǎng)絡(luò)8陣子，波束賦形與空間復(fù)用相結(jié)合，提升區(qū)域頻譜效率。

條件：替換天線及RRU設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(fā)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(qū)域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)容量。

3.3 高階調(diào)制

原理：基站向用戶傳遞的1個符號中有8~10bit的數(shù)據(jù)，較4G現(xiàn)行64QAM信號多傳2~4bit，頻譜效率提升大于33%。

條件：現(xiàn)有基站設(shè)備軟件升級。

性能價值分析：高階調(diào)制對于網(wǎng)絡(luò)下行SINR要求極高。測試結(jié)果顯示，256QAM下行SINR達(dá)到25db時才對下行速率提升有明顯效果。室外環(huán)境下，該技術(shù)可與Massive MIMO聯(lián)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)

原理：通過劃小蜂窩結(jié)構(gòu)，在單位面積內(nèi)布局更多的基站及小區(qū)。

條件：物業(yè)條件允許，增加微基站、皮站、新型室分建設(shè)，需要光纜接入及傳輸設(shè)備投資。需要控制密集蜂窩間的干擾，確保小區(qū)增加后無線環(huán)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(qū)域有較大價值。

3.5 C-RAN接入網(wǎng)架構(gòu)

原理：控制與承載分離思路下，BBU集中放置。同一BBU接入負(fù)荷較高的宏站RRU和低業(yè)務(wù)小基站或室分RRU，便于負(fù)荷分擔(dān)。

使用環(huán)境：物業(yè)條件較苛刻，基站運(yùn)營環(huán)境不穩(wěn)定。區(qū)域業(yè)務(wù)不均衡，潮汐效益較嚴(yán)重。

性能價值分析：BBU集中放置可增強(qiáng)小區(qū)間協(xié)同，提升區(qū)域網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量及容量。C-RAN與密集蜂窩技術(shù)聯(lián)合使用，增加區(qū)域蜂窩數(shù)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(jìn)行通信，非4G商用頻段，不具備4G網(wǎng)絡(luò)嫁接條件。

4. Massive MIMO網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用案例

4.1 案例方案

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

此物理小區(qū)已全量使用該運(yùn)營商所有室外4G頻段，該區(qū)域已不具備4G容量擴(kuò)容空間。結(jié)合現(xiàn)場物業(yè)情況，最終采用支持Massive MIMO技術(shù)的新型設(shè)備1套。建設(shè)前后，各小區(qū)忙時流量對比情況如下：

4.2 案例結(jié)果

該區(qū)域Massive MIMO小區(qū)建設(shè)后，區(qū)域高負(fù)荷狀況得到緩解。晚忙時Massive MIMO小區(qū)分擔(dān)了65%的業(yè)務(wù)，原高負(fù)荷小區(qū)上行PRB利用率下降12%，下行PRB利用率下降7%，區(qū)域最大用戶數(shù)增加257個，區(qū)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(nèi)SINR從平均8.7dB提升至18.1dB，室內(nèi)外用戶速率平均提升90%以上。

5. 結(jié)束語

結(jié)合國家5G戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，5G先進(jìn)技術(shù)嫁接4G網(wǎng)絡(luò)，延續(xù)4G網(wǎng)絡(luò)生命成為必然。通過投資收益分析有選擇的進(jìn)行5G技術(shù)嫁接，需要我們繼續(xù)深入研究。