5G移動通信網絡建設中關鍵技術及影響分析

鐘俊賢，田 安

（廣東省電信規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引 言

隨著我國移動通信技術的迅速發展，人們對通信需求越來越大，信息通信在維持整個社會的正常運轉中發揮著重要的作用。當前，移動通信技術不僅能夠滿足人們溝通的需求，而且還能夠體現在人與物的溝通。隨著通信技術的不斷完善，5G通信技術迎來了新的挑戰，未來5G的發展成為業界研究的熱點。本文以5G通信技術為出發點，就5G通信關鍵技術進行探討。

1 5G網絡概述

1.1 5G產業進展

隨著5G第一版標準在2017年底完成，推出NSA架構5G宏站，SA架構標準已于2018年6月完成，2018年底推出SA宏站，2020下半年5G開始逐步投入商用。

1.2 5G基站產品的架構

對于RAN架構來說，其結構發生較大的變化，從4G的BBU結構將演進到CU和DU結構等。在天線設計時采用了MIMO技術，與射頻模塊相結合，實現了一體化建設目標。

CU對無線協議棧功能進行處理，且能夠為核心網功能提供支持，包括應用業務的部署，如下沉部署和邊緣部署。DU通過對物理層和無線協議棧等功能的處理，從而滿足uRLLC業務的需求。

中國移動結合性能和成本的考慮，給出的5G網絡建設建議是5G NR SA建網一步到位。早期采用CU/DU合一方案，同時進行CU云化集中的探索。

根據《中國電信5G技術白皮書》，中國電信5G組網優先選擇獨立組網SA方案。在5G發展初期，其設計方案主要采用CU/DU合設方案，此方案具有建設周期短、部署成本低以及運維難度低等優點。結合實際部署場景和需求，首先提升熱點高容量地區系統容量和覆蓋，而中遠期按需升級支持URLLC和mMTC業務場景，適時引入CU/DU分離架構。

中國聯通在世界移動大會期間明確5G網絡將以獨立組網（Stand Alone，SA）為目標架構。前期進行eMBB聚焦，后續引入uRLLC和mMTC兩種技術。由于當前電信設備虛擬化程度低，CU/DU分離技術不成熟，因此也會先采用CU/DU合設方案[1]。5G基站典型部署方式如圖1所示。

圖1 5G基站典型部署方式

1.3 運營商部署計劃

三大運營商5G部署計劃在時間線上相對比較一致，都是在2019年預商用，2020年正式商用。上海作為國家中心城市，超大城市，由于5G基礎較為完善，因此將成為三大運營商的重點布局城市，5G關鍵技術的“戰略要塞”。

1.4 頻率分配方案

截止目前，5G頻率分配方案是以第四代移動通信為基礎，采用4.9 GHz頻率中的100 MHz。中國電信和中國聯通各分得3.4～3.6 GHz頻率中的100 MHz頻段，其中電信為3.4～3.5 GHz，聯通為3.5 ～ 3.6 GHz。

從產業的支撐情況來看，目前3.5 GHz的成熟度最好，2.6 GHz因時間窗口太窄，存在設備成熟期太短和短時間內協調出連續頻率難度大的問題，但是從長遠發展的角度來看，2.6 GHz頻段低，覆蓋優于電聯3.5 GHz，大幅降低建站投資，并且連續160 MHz頻譜帶寬，可靈活組合使用，4/5G同時建設一網兩用，演進能力強。

2 5G網絡關鍵技術

5G有大量的技術革新與演進，其關鍵技術主要包括大規模天線陣列技術、超密集組網技術、全頻譜接入技術、智能網絡技術以及接入網云化幾種。

2.1 大規模天線陣列技術

大規模天線陣列技術具有推動頻譜效率提升的作用，其對天線及射頻模塊需求不斷增加，且通過在多天線基礎上增加天線數，能夠為多個空間數據流提供支持，促進傳輸用戶數目不斷增加，進而提升多系統的頻譜效率，滿足5G系統速率需求。另外，通過5G中大規模天線陣列技術，可以有效解決天線陣列設計、信道測量與反饋以及實現低成本等問題[2]。

過去，在4G系統中廣泛使用大規模天線技術，但在5G系統中將會面臨著多方面的性能挑戰，包括系統容量和傳輸速率等。在MIMO技術演進過程中，增加天線數目仍是一個重要方向。對于概率學而言，如果基站側天線數超過用戶天線數，那么基站與用戶的信道形成正交，進而消除用戶間干擾。另外，要提升用戶的信噪比，應采用巨大的陣列增益，在同一時頻資源上通過空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA）技術的應用為多個用戶服務。此技術是通過大規模天線陣列中的加權系數所產生的波束來為信號方向性增益[3-5]。

大規模天線陣列技術主要應用場景如圖2所示。

圖2 大規模天線陣列技術應用場景

通過大規模天線陣列技術不僅能夠提升網絡能力，而且大幅提升了天線的重量和迎風面積。此外在后期的塔桅設計中需要重點考慮5G天線承載的要求。

2.2 超密集組網

隨著我國移動業務的迅速發展，在網絡架構中仍存在用戶體驗問題。在體驗中因缺乏頻譜資源，只能依靠提升頻譜效率來滿足數據增長的要求。然而，在基站部署時可以利用超密集組網來增加其密度，以大幅度地提升頻率復用效率，且在超密集小區部署成本和頻率干擾方面，能夠大大提升此區域中的容量，不僅能夠帶來可觀的容量，而且在部署過程中能夠有效解決站址的獲取和成本問題[6]。

通過應用超密集組網不僅可以滿足站址建設方面的需求，而且利用5G網絡技術中分層異構網架設功能實現了網絡結構的預判，大幅度地提升了微站建設規模。因此，在今后通信技術建設過程中，可以實現微站資源的儲備目標。

2.3 全頻譜接入

通過全頻譜接入技術的應用不僅可以有效提高頻譜利用率，而且能夠確保頻譜利用率不變，甚至可以翻倍提升數據傳輸速率。同時，利用不同的移動通信頻譜等資源，能夠有效提升系統容量及數據傳輸速率。

目前，對于5G的輔助頻段來說，低于6 GHz的頻段信道傳播性較好且較擁擠，而高于6 GHz低于100 GHz高頻段的空閑頻譜資源更加豐富，故成為了輔助頻段的首選。30～100 GHz頻率之間屬于毫米波的范疇，這就需要使用到毫米波技術。

5G將是一個高頻和低頻混用的技術體系，低頻作為核心頻段，用于無縫覆蓋，解決廣域覆蓋問題，高頻由于受到傳播特性的限制，因此適用于局部增容，可滿足超高數據的傳輸要求。

由于目前5G具體使用頻段未定，因此先將2.6 GHz和3.5 GHz頻段定義為5G低頻段，用于高層網廣覆蓋建設，6～100 GHz作為5G高頻段用于低層網局部增容。同時后期運營商可能會對低頻段網絡進行翻頻建設。

2.4 智能網絡技術

隨著5G微站的大規模引入，站址的規模將會呈現倍增，相應的網絡優化難度也將大幅提升。智能網絡技術的引入能夠很好地解決該問題[7]。

自組織網絡（Self-Organizing Network，SON）作為智能網絡核心技術，可改善網絡性能，降低網絡運維成本，其功能包括兩種，一種是自優化，另一種是自配置。其中，自配置主要是指微站引入網絡時，可利用自動安裝過程來獲得可運行配置（包括參數、頻點等參數配置），以實現設備即插即用。而自優化主要是指在微站運行時，可結合網絡狀態實現參數自動調整和網絡性能的優化，如實現小區間干擾協調。

對于4G網絡中SON技術，由于受到技術成熟度不夠及微站數量不足的影響，其應用范圍較小。而對于5G網絡，可利用SON技術的自優化功能從無線網絡向網絡終端擴展，從網絡覆蓋擴展到終端的用戶業務感知，實現業務覆蓋的優化。

通過引入SON網絡，實現網絡初配和后期優化。根據網絡拓撲結構要求，拋棄了前期的嚴格，實現按需建設的目標。但是，對于未來網絡的規劃和建設仍存著在許多不確定性。

2.5 接入網云化

接入網云化早在3G和4G建設中提出并得以BBU集中嘗試，但難以實現云化。而5G網格中C-RAN真正實現以下3個階段。

一是BBU堆疊，在基站內可實現多個BBU互聯，其互聯架構具有高容量和低延遲的特點，RRU利用互聯架構與基帶池BBU進行交換。此方式是利用BBU進行集成，實現容災備份，提高設備利用率，降低設備的能耗。二是BBU池，在基站中引入無線電技術，BBU基帶池平臺實現多標準化，且能夠利用BBU間的數據交互和調度信息來實現多點協作，避免受到無線干擾，提高系統的容量。三是無線接入云C-RAN，基于統一的BBU基帶池平臺，可利用云架構系統軟件形成一種實時云架構基帶池，為不同接入的RRU基帶提供資源處理，且能夠通過光傳輸網絡將多個云架構基帶池進行連接與協作，保證系統負載的平衡性。

5G的超密集組網對于接入網云化提出了更高的要求，通過C-RAN的架設可真正實現更為靈活組網、4/5G高效雙連以及網絡的彈性擴展。

接入網云化可以使得網絡建設越來越靈活，包括可以實現上下行解耦、站點與終端解耦以及CU/DU解耦等。與此同時，對于C-RAN機房而言，在地理布局時，其建設要求不斷提升[8-10]。

3 結 論

本文著重分析了5G通信技術的特點，并通過研究發展5G通信中的關鍵技術，在5G通信中引入大量高新技術，大大提升了我國通信技術水平，提升了通信網絡的傳輸速率，為用戶提供更多的體驗，但仍存在許多不完善的地方。隨著未來5G通信網絡的不斷發展，研究人員還面臨著較大的挑戰，需要不斷加強后續工作，以促進5G通信網絡的各個領域得到更多推廣與應用。