4G、5G無線網絡協同建設探討

蔣子云

（湖南省郵電規劃設計院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

隨著5G規模化商用，4G/5G網絡協同建設、融合發展將成為未來一段時間內無線網絡建設重要工作，國內各大運營商也將4G/5G深入融合作為基礎網絡部署的重要策略。5G網絡建設時需著重分析對現有4G網絡的影響，包括在站址資源、頻率、覆蓋以及容量分流等方面上的影響，真正做到為用戶提供一個質量高、感知好以及高效智能化的無線通信網絡。

1 4G/5G協同建設思路

1.1 頻率資源協同

2019年6月5G商用牌照的發放，中國三大通信運營商分別獲得了各自5G頻段。其中，中國電信獲得3 400～3 500 MHz共100 MHz帶寬，中國聯通獲得3 500～3 600 MHz共100 MHz帶寬，中國移動獲得2 515～2 675 MHz和4 800～4 900 MHz共260 MHz帶寬。由于中國電信和中國聯通5G網絡頻段均為高頻，信號穿透力和繞射力等方面與低頻段相比較差，在城區連續覆蓋和樓宇淺層深度覆蓋上存在一定的不足，尋找可以使用的低頻段，做好4G/5G頻率資源共享與協同建設將是一個有效的解決思路。

隨著中國聯通和中國電信在5G網絡全面共建共享，中國電信和中國聯通認識到可共享現有2.1 GHz頻段用于5G網絡建設這一契機。原中國電信在2.1 GHz頻段上擁有20 MHz帶寬用于4G網絡（2 110～2 130 MHz），中國聯通在2.1 GHz頻段上擁有25 MHz帶寬用于3G和4G網絡（2 130～2 145 MHz，2 145～2 155 MHz），中國聯通和中國電信兩家在2.1 GHz頻段共擁有45 MHz帶寬，剔除兩端保護帶，共享頻段最少可擁有40 MHz帶寬用于5G網絡建設[1]。2.1 GHz頻段資源使用情況如圖1所示。

圖1 2.1 GHz頻段資源使用情況

對于重耕后的2.1 GHz頻段，中國聯通和中國電信當前在此頻段上的4G網絡仍會存在，因此做好該頻段的4G/5G頻率資源共享及協同就顯得尤為重要。當前較成熟技術是動態頻譜資源共享（Dynamic Spectrum Sharing，DSS），即允許4G LTE和5G NR共享相同的頻譜，并將時頻資源動態分配給4G和5G用戶[2]。動態頻譜資源共享原理如圖2所示。

圖2 動態頻譜資源共享原理示意圖

做好動態頻譜資源共享，最基本的思想是在4G LTE子幀中調度5G用戶，同時確保用于同步和下行鏈路測量的參考信號不會發生沖突，不會對LTE用戶產生任何影響。4G LTE的所有信道的時頻資源是固定分配的，參考信號在連續的時頻資源中占用特定的位置。5G NR定義了各種物理資源，物理層設計靈活可擴展。可根據不同的頻段分配為數據信道和同步信道提供不同的子載波間隔，參考信號、數據信道以及控制信道都具有極高的靈活性，允許進行動態配置。因此，利用5G物理層的動態靈活性去適配靜態的4G LTE，可避免兩種技術之間發生沖突[1]。

通過動態頻譜共享某區域120個2.1 GHz NR站點，開啟前后測試對比，結果如表1所示，在信號電平值、下行速率及誤碼率等性能上基本穩定。

表1 2.1 GHz NR站點開啟DSS前后性能測試對比表

1.2 覆蓋效果協同

當前5G網絡主流的3.5 GHz頻段由于頻率高，空間傳播衰耗大，相比于低頻在覆蓋上有較明顯的不足，主要表現為上行覆蓋受限。通過上行鏈路測算結果對比可以發現，3.5 GHz頻段上行能力相比1.8 GHz頻段上行能力差12 dB，相比2.1 GHz頻段上行能力差7.7 dB，相比2.6 GHz頻段上行能力差4.2 dB。4G/5G主要頻段上行覆蓋能力對比如表2所示。

表2 4G/5G主要頻段上行覆蓋能力對比表

為彌補5G網絡高頻段在覆蓋上的不足，在網絡規劃建設時需充分考慮4G和5G網絡的協同，做到深度融合，才能保證用戶良好感知，主要有以下思路。

一是在滿足網絡結構前提下，盡量與現有4G網絡站點做到1:1共站點建設，做好4G、5G網絡TA/TAL和切換參數等協同優化，以使兩者做到互補，完好融合[3-8]。覆蓋區域內，用戶優先接入5G網絡，4G網絡做好區域邊界、底層及淺層的深度補充覆蓋等。

當前國內各運營商5G網絡均采用與4G網絡站點1:1共站點建設方式，中國電信和中國聯通采用與1.8 GHz頻段的4G網絡站點進行共址建設，中國移動采用2.6 GHz頻段共模方式建設。做好4G和5G網絡協同，尤其在非獨立組網（Non-Stand Alone，NSA）中為用戶保持良好感知提供保障。

二是5G網絡主流高頻（3.5 GHz頻段）充分做好與2.1 GHz頻段的協同。3.5 GHz頻段作為主要業務承載頻段做好覆蓋區域內有效覆蓋，2.1 GHz NR清頻后作為3.5 GHz頻段有力補充。中國電信和中國聯通全面共建共享，其中一個最重要的戰略協同就是共享2.1 GHz頻段，通過對現有2.1 GHz清頻和重耕后，用作5G網絡的廣覆蓋和底層覆蓋建設。同時使用一些上行增強技術推進解決5G網絡高頻上行覆蓋不足問題[6]。主要方式是通過高頻和低頻互補、時域和頻域聚合，充分發揮3.5 GHz大帶寬能力和低頻段穿透能力強的特點，既提升了上行帶寬，又提升了上行覆蓋，同時縮短網絡時延[1]。

三是2.1 GHz和2.6 GHz頻段通過動態頻譜資源共享在各自頻段上實現4G和5G網絡深度融合，根據服務的用戶或業務類型可動態配置資源和選擇網絡，從而滿足不同級別的場景業務需求。

1.3 站址資源協同

站址資源的協同需在充分評估網絡質量的基礎上協同站址資源的建設，包括配套資源協同、天面資源整合以及設備共享及利舊等。

1.3.1 站址配套資源協同

站點配套資源協同最主要包括動力配套、光纖資源以及設備安裝空間等方面的協同[9,10]。在5G站點建設時需準確測算5G設備功耗對動力配套需求，及時做到對現有動力配套系統的擴容或替換，以滿足4G/5G網絡的正常有效運行。當前各運營商建設的5G網絡基本采用C-RAN建設方式，即基帶處理單元（Building Base band Unite，BBU）集中安裝機房內，有源天線處理單元（Active Antenna Unit，AAU）通過拉遠的方式安裝在基站側，即需無線網絡信號覆蓋區域。以3扇區站點（1個站點3臺AAU）為例，目前一個5G站點典型功耗在2 200 W左右，是現網一個4G站點的1.5倍左右，因此規模化5G網絡建設將對現網動力資源是較大沖擊，需做好的動力資源預留，做到協同建設。

光纖資源是5G建設時最重要的基礎資源之一，隨著城市規劃、軌道交通的建設以及市政道路的硬化等，現有光纜資源破壞較嚴重，同時新建光纜資源難度也越來越大，因此需充分做好光纜資源的協同，合理規劃纖芯資源的使用。一是新建站址，4G/5G網絡同時新建站址需協同考慮光纜資源的建設，即每個系統按需求6芯光纖計算。二是已有4G系統的站點將重點協同資源利舊，并綜合使用一些新技術和新設備板件等盤活現有光纜資源，確保4G/5G網絡協同建設，如使用無源波分利舊原有1芯光纜開啟5G網絡，或將原4G設備光模塊替換為單芯雙向光模塊騰出纖芯用于5G網絡建設等。

1.3.2 設備共享及利舊

5G規模化建設以來，設備安裝空間資源越發緊張，包括機房側安裝空間及基站側安裝空間。機房側做到4G和5G共設備框安裝BBU以避免各系統都增加BBU設備框，緩解設備安裝空間緊張局面，達到區域內4G/5G協同建設。在基站側需根據不同運營商站點實際情況來進行4G和5G協同建設，如2.1 GHz頻段翻頻至40M帶寬，4G/5G共享RRU，開啟動態頻譜資源共享功能以實現4G/5G協同建設，2.6 GHz頻段通過4G/5G共模AAU以實現4G/5G協同建設。

1.3.3 天面資源整合

天面資源為無線通信網絡建設中最基礎的資源之一，隨著5G規模化建設，天面資源也變得越發復雜及緊張。在同一天面上原本可能同時存在2G/3G/4G網絡天饋線系統，已無空間單獨安裝5G網絡天饋系統，給5G網絡建設帶來極大困難，因此做好天面資源整合是實現4G/5G網絡協同建設的有效保障[2]。

原有2G/3G/4G網絡天饋系統未整合的情況下，將原單小區2G/3G/4G天線整合到一面天線上，騰出天面資源用于安裝5G AAU[5]。2G/3G/4G天饋系統整合預留空間用于5G安裝示意如圖3所示。

圖3 2G/3G/4G天饋系統整合預留空間用于5G安裝示意圖

原2G/3G/4G天饋系統已整合到一面天線情況下，新增5G AAU可使用A+P全頻段天線合路2G/3G/4G天線和5G AAU做到4G/5G協同建設。A+P天線示意如圖4所示，A+P天線用于天面整合方案如圖5所示。

圖4 A+P天線示意圖

圖5 A+P天線用于天面整合方案圖

2 結 論

4G和5G網絡將長期共存，因此在當前無線網絡的建設中，兩者的協同已成為重要且必須完成好的課題。本文首先闡述了4G和5G網絡協同建設在頻率資源上的必要性及可實現的技術手段，其次從覆蓋的角度上分析了4G和5G網絡協同建設的思路及方法，最后列舉了在實際的工程建設中4G和5G網絡協同建設所涉及的站址資源協同具體方面，包括站址配套資源、設備共享、利舊及天面整合等。4G和5G網絡協同為社會各級別及場景業務發展提供保障，也推進5G網絡建設及商用化進程。當然隨著5G網絡建設的深入，4G和5G網絡協同建設可能會遇到難以預見的困難，因此需充分分析協同的思路及策略，在技術上做出評估和保障，旨在建設一個質量高、感知好以及高效智能化的無線通信網絡。