5G 與LTE 無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計差異性分析*

龔戈勇

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210009）

0 引 言

隨著5G 系統(tǒng)的正式商用化，其無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)開始步入快車道。在進行大規(guī)模無線基站建設(shè)的同時，各個運營商也面臨著成本增長快于收入增長的壓力。工程設(shè)計作為降低工程造價的龍頭，通過提升5G 系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的質(zhì)量，將有助于改善5G 工程項目的建設(shè)進度和成本。

1 5G 和LTE 系統(tǒng)差異性分析

1.1 5G 和LTE 系統(tǒng)技術(shù)對比

相比LTE 系統(tǒng)，5G 系統(tǒng)采用了眾多的創(chuàng)新的技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計，具有極高的速率 (eMBB)、極大的容量(mMTC)和極低的延時(URLLC)，對應(yīng)各場景業(yè)務(wù)特征、覆蓋場景、用戶行為等相較于LTE 系統(tǒng)發(fā)生了很大的變化，具有更高容量、更強的業(yè)務(wù)能力。為了提高無線側(cè)的傳輸能力，5G 系統(tǒng)定義了靈活的物理層資源配置，引入了大規(guī)模MIMO、毫米波、上下行解耦、LTE-NR 雙鏈接等技術(shù)，同時深入優(yōu)化了LTE 系統(tǒng)中的載波聚合技術(shù)，使5G 系統(tǒng)具有更好的彈性和效率[1-2]。二者之間的技術(shù)對比如表1 所示。

表1 5G 和LTE 系統(tǒng)技術(shù)差異

1.2 5G 和LTE 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋差異

當(dāng)前LTE 系統(tǒng)的工作頻段均處于低頻段，而5G 網(wǎng)絡(luò)主要采用3.5GHz 及以上的高頻段進行組網(wǎng)。高頻段電磁波能夠提升傳輸速率，但信號傳播特性差，傳輸損耗大，穿透能力弱。隨著傳輸距離的增加傳輸速率會比LTE 系統(tǒng)下降的更快。為此，運營商需要建設(shè)的基站密度將會大大增加，從而保證良好的信號傳輸效果。

在進行5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計時，由于傳統(tǒng)的Okumura-Hata、COST231-Hata 模型適用頻段均小于2 GHz，而5G 系統(tǒng)主要頻段在3.5 GHz 以上，現(xiàn)有傳播模型模板不能直接應(yīng)用于5G 高頻段，3 GPP TR36.873定義了3D傳播模型（支持頻率范圍為0.5～6GHz[3]）。此外，5G 的鏈路預(yù)算與LTE 系統(tǒng)也有較多的不同：

（1）天線增益：5G 系統(tǒng)的AAU 單元采用大規(guī)模MIMO 天線陣列，陣列關(guān)聯(lián)多個TRX，單個TRX 對應(yīng)多個物理天線；LTE 系統(tǒng)中單個物理天線僅關(guān)聯(lián)單個TRX，鏈路預(yù)算中的天線增益僅為單個TRX 代表的天線增益。

（2）饋線部分：5G 系統(tǒng) AAU 單元形態(tài)無外接天線饋線損耗； LTE 系統(tǒng)采用RRU+天線的形態(tài)，天線外接存在饋線損耗。

（3）人體損耗：5G 系統(tǒng)更高的頻率，導(dǎo)致更高的人體損耗和穿透損耗。

（4）干擾余量：5G系統(tǒng)大規(guī)模MIMO波束天線，采用“3D”波束賦形，帶有干擾規(guī)避效果，干擾較小。

覆蓋區(qū)域可按無線傳播環(huán)境進行劃分成若干不同的地形地貌，選取合適的參數(shù)和模型進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和仿真可以得出5G 基站不同場景下的站間距一般如下：密集市區(qū)200 ～250 米，一般市區(qū)250 ～350 米，郊區(qū)350 ～550 米；而LTE 系統(tǒng)的站間距一般為：密集市區(qū)300 ～500 米，一般市區(qū)500 ～800 米，郊區(qū)>800 米。

1.3 無線設(shè)備部署差異性

5G 系統(tǒng)架構(gòu)相比LTE 系統(tǒng)的一個重要變化就是接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的分離變得非常模糊，組網(wǎng)場景需求的多樣性，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將進一步扁平化。在接入網(wǎng)一側(cè)，由LTE 系統(tǒng)的BBU+RRU 兩級結(jié)構(gòu)演進到CU 單元、DU 單元和RRU/AAU 三級結(jié)構(gòu)。此外核心網(wǎng)的一部分應(yīng)用功能，則以MEC 邊緣云的方式，靠近用戶的基站一側(cè)，以達到縮短時延的效果。根據(jù)應(yīng)用場景的不同，5G 網(wǎng)絡(luò)中的CU 和DU 單元可靈活設(shè)置。C- RAN 邏輯架構(gòu)下的分布式基站，可以采用三種部署方式：支持集中式部署C-RAN，支持分布式部署D-RAN，支持集中式與分布式混合，從而獲得集中式部署的協(xié)同增益，支持不同場景（如圖1 所示）。

大規(guī)模天線是5G 關(guān)鍵的頻譜效率與覆蓋提升手段，有源天線單元AAU 單元將RRU 功能與無源天線集成，實現(xiàn)了對饋線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化處理。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程匯總，常規(guī)的5G 站點主要采用“CU 和DU 合設(shè)+AAU”的設(shè)備方案：基站端采用BBU+AAU 單元的建設(shè)模式，BBU 單元安裝在基站機房內(nèi)，AAU 單元安裝在天面。采用AAU 單元的5G 站點與LTE 站點天饋組成對比如圖2 所示。

此外，為了滿足5G 站點高流量的傳輸需求，AAU 中眾多的天線單元都參與工作，導(dǎo)致基站總功耗比LTE 有較大提升。通過參考各設(shè)備廠家的5G設(shè)備參數(shù)，當(dāng)前5G 系統(tǒng)BBU 單元的功耗是LTE 系統(tǒng)的2.5 倍；AAU 單元功耗比LTE RRU 單元增加了2 ～3 倍，重量增加1 倍。

圖1 5G 系統(tǒng)靈活的網(wǎng)絡(luò)部署

圖2 5G 與LTE 系統(tǒng)天饋部分對比

2 無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計差異性分析

5G 系統(tǒng)密集小區(qū)建設(shè)、大規(guī)模天線技術(shù)的應(yīng)用給網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和基站設(shè)計帶來非常大的壓力，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工程方案相比LTE 系統(tǒng)靈活性較差，天面共享難度大，建設(shè)難度高。需要在站點設(shè)計過程中結(jié)合每個站點的實際情況因地制宜，最大程度地整合現(xiàn)有資源，降低建設(shè)成本。

2.1 室外站

在5G網(wǎng)絡(luò)部署初期主要進行室外站點的建設(shè)，由于5G 系統(tǒng)AAU 單元和BBU 設(shè)備較大的功耗，5G 室外站的機房和天饋部分設(shè)計不能簡單利用現(xiàn)有LTE 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法。

（1）機房部分

5G 系統(tǒng)機房部分主要是新增BBU 設(shè)備，考慮到共址的現(xiàn)網(wǎng)基站一般都已布置有GSM900、DCS1800、NB-loT、LTE-D 頻/LTE-F 頻多個系統(tǒng)、多家運營商，在新增5G 系統(tǒng)無線設(shè)備時需要根據(jù)機房內(nèi)的實際情況整合空間資源、新增或改造交直流電源系統(tǒng)及傳輸設(shè)備等。

①機房空間

5G 系統(tǒng)BBU 設(shè)備與LTE 系統(tǒng)BBU 設(shè)備體積和重量相當(dāng)，高度在2U 左右，重量少于20KG，可以采用標準的19 英寸機柜安裝、掛墻安裝、室外一體化機柜安裝。對于空間充足的機房，增加5G BBU 無困難；對于空間狹小的機房和一體化機柜的站點，可考慮將多系統(tǒng)的BBU 單元進行整合，如LTE-D 頻和F 頻整合成一個BBU，GSM、NB 和LTE-FDD 整合在一個BBU 內(nèi)，但需要做好現(xiàn)有系統(tǒng)割接時的風(fēng)險管控。

②電源需求

5G 系統(tǒng)無線設(shè)備可利用機房現(xiàn)有-48V 直流電源系統(tǒng)進行供電，按1 個BBU+3 個AAU 單元進行標準配置的5G 系統(tǒng)功耗約5kW，是LTE 系統(tǒng)的2-3倍。大多數(shù)的現(xiàn)有基站市電及直流系統(tǒng)容量本身就已經(jīng)非常緊缺，一般很難直接滿足新增5G 設(shè)備功耗需求，因此在進行5G 站點設(shè)計時需重點復(fù)核整流機柜容量、整流模塊、空開端子、電纜線徑、外電容量等。新增5G 設(shè)備電源需求如下：

整流機柜新增設(shè)備電流容量=5 000W/48V=104.17 A

空開端子容量和線纜截面需求[4]：

當(dāng)BBU+AAU 單元通過接入對應(yīng)的主設(shè)備配套電源模板DCDU 單元在接入直流電源機柜時，DCDU 單元對空開端子的容量需求=1.25(安全系數(shù))*設(shè)備功率/48V = 1.25*5000/48 =130 A，對應(yīng)的主線芯截面>35 mm2；當(dāng)BBU+AAU 單元分別單獨直接接入時，空開端子的容量需求為63 A，對應(yīng)的主線芯截面>16 mm2。

③傳輸需求

當(dāng)前LTE 系統(tǒng)站點的傳輸接入環(huán)帶寬都在1 Gbps 及以上，部分站點具備了10 Gbps 及以上的帶寬。在進行LTE 系統(tǒng)設(shè)計時，一般機房內(nèi)現(xiàn)有的傳輸PTN 設(shè)備只要有足夠的端口，就能滿足新增的LTE 系統(tǒng)的傳輸需求。但5G 系統(tǒng)的大帶寬、低時延、高精度同步的業(yè)務(wù)需求對其傳輸接入承載網(wǎng)提出了比LTE 系統(tǒng)更高的傳輸要求。

以一個常規(guī)的3 小區(qū)5G 基站為例，在假定1 個小區(qū)達到峰值另2 個小匙達到均值的情況下對接入環(huán)帶寬單站峰值為7.9 Gbps + 0.9 Gbps*2=9.7 Gbps，即對于傳輸接入網(wǎng)，5G 單基站的峰值需求達到了9.7 Gbps，是LTE 基站單站峰值需求的10 ～20 倍。

基于單站峰值計算，在進行5G 站點設(shè)計時建議回傳接口采用10G 以上光模塊（當(dāng)前LTE 系統(tǒng)主要采用1GE 光接口），考慮到傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的周期性，因此在進行5G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時需提前進行對應(yīng)站點的傳輸網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和建設(shè)，盡量采用一張全新的傳輸網(wǎng)絡(luò)來承載新的5G 業(yè)務(wù)。

（2）室外天饋部分

天饋部分建設(shè)是確保5G 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的關(guān)鍵，天饋設(shè)計必須通過精細的天面勘測，設(shè)計出最優(yōu)的天線位置和合理的方向角和下傾角，杜絕掛高過低，覆蓋效果較差等問題的出現(xiàn)。5G 因采用大規(guī)模天線技術(shù)，其水平和垂直維的覆蓋能力均優(yōu)于LTE 系統(tǒng)。

考慮到5G 系統(tǒng)中AAU 單元重量和尺寸較常規(guī)天線重且大，在進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時需仔細核實桿體承重及安裝空間：

①在基站天面桿塔有空余抱桿時且滿足承重和風(fēng)阻要求下，新增的AAU 單元可直接安裝于空余抱桿上。

②當(dāng)基站桿塔無多余抱桿或現(xiàn)有空余抱桿無法滿足承重及風(fēng)荷時，此時需要對桿塔進行改造或者直接新增抱桿。例如：無空余抱桿時考慮微調(diào)原有RRU 角度或位置，為AAU 單元的安裝騰出空間；也可以改造原有桿體，新增部分抱桿或?qū)F(xiàn)有的美化外罩規(guī)格增大；當(dāng)天面無法完成改造時，需提出創(chuàng)新解決方案。

2.2 室分系統(tǒng)

傳統(tǒng)DAS 室分系統(tǒng)無源器件不支持5G 主流頻段（3.5G 及以上），且采用3.5G 及以上頻段時傳統(tǒng)DAS 系統(tǒng)饋線有更大的路損，為了覆蓋和原有系統(tǒng)相當(dāng)，需要增加更多天線點。因此DAS 不建議作為5G 室內(nèi)覆蓋的建設(shè)方案，5G 室分優(yōu)先考慮采用數(shù)字有源分布式系統(tǒng)[5]。

數(shù)字有源分布式系統(tǒng)在LTE 時代就開始建設(shè)，支持4T4R，系統(tǒng)施工難度小，部署簡便，設(shè)計難度大大降低，但初期單站成本較高。新型數(shù)字有源分布式系統(tǒng)可很好解決5G 室分建網(wǎng)問題，5G 系統(tǒng)可基于現(xiàn)有LTE 室分系統(tǒng)進行擴容，將LTE PRRU級聯(lián)到新增的5G PRRU，實現(xiàn)LTE/5G 共點部署。在5G 室分系統(tǒng)建設(shè)時可根據(jù)共址現(xiàn)網(wǎng)站點的情況進行設(shè)計：

（1）方案1：現(xiàn)網(wǎng)站點已安裝有傳統(tǒng)DAS 室分，可在此基礎(chǔ)上疊加一套獨立的5G 數(shù)字有源分布式系統(tǒng)（如圖3 左圖）；

（2）方案2：現(xiàn)網(wǎng)站點已有LTE 數(shù)字有源分布式室分系統(tǒng)，可將現(xiàn)有LTE 數(shù)字有源分布式室分系統(tǒng)中的PRRU 設(shè)備更換支撐LTE/5G 雙模PRRU設(shè)備（如圖3 右圖）；

圖3 5G 室分建設(shè)方案

（3）方案3：對于純新建場景，可直接建設(shè)支持LTE/5G 雙模的數(shù)字有源分布式室分系統(tǒng)。

3 結(jié) 語

LTE 無線網(wǎng)絡(luò)已建設(shè)多年，現(xiàn)有的無線設(shè)計人員都具有非常豐富的LTE 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計經(jīng)驗，本文通過分析5G 與LTE 系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計差異性，從而在無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中充分發(fā)揮設(shè)計工作的引領(lǐng)作用，實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)的快速建設(shè)。