5G專網無線能力提升技術研究

張 勍，秦小飛，馮 毅，丁雨明（中國聯通智網創新中心，北京 100048）

0 引言

在數字化轉型浪潮下，垂直行業各類新型業務的開展對傳統企業專網的網絡性能、可靠性、靈活性等方面都提出了新的挑戰。相比于傳統企業專網，5G專網支持豐富的企業定制化網絡行業屬性，包括高帶寬、低延遲、海量接入、獨享網絡資源、安全性等，能夠很好地滿足企業專網的需求，助力企業轉型升級，全面推動行業深層次數字化變革。因此，5G專網市場發展迅速，各行業客戶需求不斷涌現。然而，5G 專網雖然能夠為用戶提供一種不需要使用線纜即可完成數據傳輸的通道，從而滿足終端的移動性和網絡靈活部署的需求等，但是無線化的數據傳輸，也直接引入了與固定有線網絡不同的傳輸問題，包括傳輸性能的不確定性以及設備高能耗等。

1 5G專網無線能力提升業務需求

在5G 專網業務服務場景中，用戶對5G 專網的業務需求分為3 種類型：其一，通過5G 專網替代傳統固定有線網絡，從而實現更靈活便捷的網絡部署，或降低因使用固定網絡造成的較高的生產維護成本，這種場景中，客戶往往希望5G專網具有與固定網絡可比的高速率低時延能力，并能夠支持一定的數據隔離；其二，用5G 專網替代現有的窄帶專網、4G 專網或Wi-Fi專網，從而獲得更優質的數據傳輸性能。該場景中，客戶往往希望5G 專網具有較高的數據傳輸帶寬和更可靠的數據傳輸性能保障；其三，基于數字化轉型需求，希望基于5G 專網大帶寬、低時延的特性支撐新的信息化、智能化業務。可見，3 種類型都對數據傳輸最本質的要素——速率、時延、可靠性保障有著比5G 大眾網絡更高的要求。

此外，由于移動網絡技術復雜度的提升，5G 基站使用了更多的有源器件和大規模天線技術，同時，由于5G 網絡頻點較高，因此需要進一步增加5G 基站的發射功率來保障網絡覆蓋范圍，這使得5G基站的能耗相比4G 時代大幅提升。而與5G 大眾用戶不同，部分購買5G專網的企業客戶還需要承擔網絡設備的運維，然而5G基站的高能耗問題直接提升了5G專網的運維成本，因此，5G 專網服務往往還需要為企業客戶提供行之有效的5G無線基站節能方案。

因此，需要從傳輸帶寬、傳輸時延、可靠性保障及節能方案出發提升5G專網無線能力，為企業客戶提供更優質的服務。

2 5G專網無線傳輸帶寬提升技術及應用

在傳輸帶寬需求上，5G 專網用戶與大眾用戶的一個突出差異點是上行和下行帶寬需求的不同。對于移動互聯網業務需求，大眾用戶往往對下行帶寬有較高需求，因此，在設計5G 大眾網絡幀結構［1-2］時往往配置較少的上行時隙和較多的下行時隙。而5G 專網用戶的業務需求多是視頻監控、機器視覺等，且部分業務對上行帶寬要求極高，單個終端的上行速率需求高達幾十兆，甚至數百兆。當多個終端并發開展大帶寬上行業務時，5G 大眾網絡的技術方案則難以支持，這就需要5G專網采用大上行帶寬方案，將更多的時隙資源分配給上行，從而提升上行容量和峰值速率。

具體地，當前業界主要采用2.5 ms雙周期幀結構，2 種時隙結構為7∶3 時隙配比和8∶2 時隙配比，特殊子幀配比為10∶2∶2。為了支持更大上行時隙配比，可以采用2.5 ms 單周期幀結構，時隙配比為2∶3，即“DSUUU”模式，特殊子幀配比也為10∶2∶2。時隙配比圖樣如圖1所示。

圖1 時隙配比圖樣

基于上下行符號數進行理論估算，2∶3 時隙配比的上行容量是7∶3 時隙配比的1.9 倍、8∶2 時隙配比的2.7倍。根據現網測試，采用數字化室分基站，配置3.5 GHz 頻點、200 MHz 帶寬、2∶3 時隙配比、4T4R 天線，終端采用2T4R，單個終端的上行峰值速率可達700 Mbit∕s以上，上行容量可達1.2 Gbit∕s以上。2∶3時隙配比技術雖然可直接增加上行傳輸帶寬，但在應用中也需要格外注意與周邊7∶3 時隙配比或8∶2 時隙配比基站的干擾問題，一般應限制2∶3 時隙配比基站在有限的地理上與其他時隙配比基站隔離的區域覆蓋，與其他時隙配比基站設置隔離帶，并嚴格控制不同時隙配比覆蓋最外圈基站的發射功率。

另一方面，智能工廠、智能礦井、智慧倉儲等對5G專網的需求都主要發生在室內，室內場景中，由于需要考慮室內基站的體積、發射功率及設備供電安裝問題，室內數字化基站往往不會配置為如室外基站的64TR、32TR 等，為了提供較高的上下行帶寬保障，傳統方案是通過對室內小區進行分裂的方式擴容［3-4］。但當小區分裂到一定數量后，若沒有室內建筑結構提供物理隔離支撐，在空曠的地理空間上，分裂的小區之間將產生嚴重的同頻干擾［5］，不僅無法達到容量提升的目的，還將直接影響小區交疊覆蓋區域終端的數據傳輸速率及時延，如圖2中左圖所示。這種場景下，可以在多個數字化室分的射頻單元之間使用分布式Massive MIMO 技術，即將工作在相同頻段上的射頻單元所覆蓋的N個連續覆蓋的4T4R 小區合并為一個4NT4NR 的小區，通過消除小區邊界降低小區間干擾，并基于多天線能力，提升不同射頻單元覆蓋交疊區域終端的上下行吞吐量及整體系統容量，如圖2 中右圖所示。

圖2 室內小區干擾及分布式MIMO示意圖

基于現網測試，采用數字化室分基站，配置3.5 GHz 頻點、100 MHz 帶寬、4T4R 天線，單個小區峰值速率可到4.7 Gbit∕s以上。由于參與分布式MIMO的每個射頻單元與終端之間傳輸的數據均為獨立通道，也即每個射頻單元均需消耗對應于一個小區的基帶處理資源，因此，該技術方案在應用中，需要特別注意射頻單元前傳帶寬及基帶板卡的配置，是否能夠滿足應用需求。

3 5G專網無線傳輸時延提升技術及應用

隨著人工智能技術的發展，機器人及機器視覺被越來越多的應用，基于5G 專網實現機器人、無人機等的遠程控制，以及通過5G 專網傳遞機器視覺監測結果，并基于此執行控制性操作也被逐漸推廣。這類場景對5G 專網的數據傳輸時延和時延穩定性提出了較高的要求，如電力配網的差動保護甚至提出了15 ms端到端時延的超高要求，因此需要在5G大眾網絡組網方案的基礎上，進一步尋求降低傳輸時延的技術方案。

數據傳輸時延由2 部分構成，一部分是數據在傳輸過程中的固有時延，這部分時延固定，難以縮減；另一部分則是實現資源調度過程中的調度及等待時延［6］，這部分時延可以通過預調度及免調度［7-10］等技術減少。

具體地，如果終端有上行數據傳輸需求，需要先在PUCCH信道上發送調度請求，基站向終端上行授權后，終端根據基站上行授權指示的位置發送上行數據。由于調度請求只能根據配置周期性發送，因此，基于3GPP 協議調度請求最大發送周期可達80 ms，即當終端有上行數據發送需求時，最長需要等待80 ms才能發送調度請求，進而實現數據傳輸。通過使用預調度技術，即一旦基站給終端發送下行數據之后，考慮到終端有相應回復就會有上行數傳需求，基站在一段時間內對終端進行主動授權，不需要等待終端發送調度請求，實現終端資源的預先分配，從而減少了信令交互時間。采用免調度技術，對于終端在固定時間內將多次發送數據的場景，基站只給終端發送1 次調度授權，后續時間內則不需要再發送調度請求，終端在激活上行資源時可采用在RRC 資源分配時直接激活或通過下發DCI指令激活2種方案。

基于現網測試情況，使用預調度技術，在不同數據包長度情況下，平均時延可達8～10 ms，最大時延不超過22 ms。由于上行預調度技術和免調度技術，是通過預先分配上行資源實現的，因此不可避免地會造成上行網絡資源的空占問題，在上行傳輸帶寬要求極高或上行無線資源較為緊張的場景，需謹慎使用。

4 5G專網無線可靠性保障技術及應用

固定有線傳輸方案天然具有較高的可靠性和成熟的數據隔離、傳輸性能保障方案。相應地，行業客戶對5G 專網也提出了可靠性保障需求。具體有2 種類型的需求，一種是客戶希望降低5G 專網擁有成本，多個客戶可以共享5G專網的無線資源，但仍需要保障不同客戶數據傳輸的服務質量或無線傳輸通道相對隔離；另一種是客戶希望自身不同業務之間能夠實現傳輸隔離，并且部分業務需要有較高的可靠性保障。

根據無線資源共享程度和方式的不同，可以分為基于QoS、基于RB 資源預留［11-13］和基于頻率預留3 種數據隔離和可靠性保障方案。基于QoS 的保障方案，是在資源有限的情況下，通過為不同客戶或不同業務配置不同的業務調度權重、接納門限、隊列管理門限等，以“按需定制”的方式提供差異化服務保障，例如，高優先級的業務能夠被基站優先調度，從而優先搶占無線資源，獲得更可靠的速率保障，并且享受更低的調度時延；基于RB 資源預留的保障方案，有靜態預留和動態共享及混合共享等多種模式，一種典型的方案是將一個小區的無線資源劃分為3 份，一份供一般用戶或業務共享使用，一份供RB 預留用戶或業務專享使用，一份由RB 預留業務和一般業務共享使用，其中RB預留用戶專享使用的資源，又可以按需分為多個切片、每個切片使用固定且獨立的RB 資源塊組，允許多個切片共用同一個小區的RB 資源，從而使得使用預留RB 資源的用戶或業務之間的數據邏輯傳輸通道隔離，且能夠享受可靠的傳輸資源保障，同時，RB預留業務與一般業務也能通過共享方式提高資源利用率；基于頻率預留的保障方案，是通過將頻率資源切分為不同載波的方式，不同用戶或業務使用獨立的載波和小區，從而實現最大化的邏輯資源隔離和傳輸保障。

當前，上述方案已經逐步應用于各類5G專網業務中。在應用過程中，采用基于QoS的保障方案，需注意當無線資源利用率十分空閑和十分緊張時，都難以體現保障效果；采用基于RB 資源預留的保障方案，需要控制好業務獨享的RB 資源在總無線資源中的占比，占比過高將直接降低整個小區的系統容量，占比過低也將難以形成足夠的傳輸保障效果；采用基于頻率預留的保障方案，需要通過多種技術結合保障指定終端接入指定頻率的載波，以避免數據隔離失效。

5 5G專網無線基站節能技術及應用

當前，部分5G專網業務場景中，需要專門為5G專網客戶提供獨享的5G 基站實現業務服務。這種場景下，5G 基站是部署在專網客戶所屬的獨立地理區域的，基站的電費也需要由客戶分攤。5G 基站的高能耗問題尤為突出，因此利用5G 專網業務特點和節能技術，適當降低5G 基站能耗，能夠為專網客戶帶來直接的經濟價值。

具體的節能技術包括符號關斷、通道關斷、載波關斷、深度休眠等［14-15］。總體而言，在網絡業務負荷較低、用戶數較少的情況下，對部分不需使用的基站資源進行關斷，從而達到降低能耗的目的。在基站設備中，射頻單元的功率放大器能耗最大，在沒有信號輸出時，功放也會產生靜態能耗，符號關斷是在小區部分符號或子幀沒有數據承載時，動態關閉對應符號或子幀周期內的功放。通道關斷是指在小區業務量較低的時段，基站關閉射頻單元的部分通道，即降低基站收發通道數。載波關斷是指通過識別和定義基礎覆蓋用載波和容量增強用載波，在業務量較低的時段關閉容量增強用載波，以降低能耗。深度休眠是指在無業務時段，或有覆蓋用載波支撐的情況下，將射頻單元深度休眠，從而最大程度降低能耗。

部分專網業務的業務量潮汐特征較大眾網絡業務更為突出，部分專網在部署初期業務量較低，都可以更充分地利用節能技術降低5G 基站的能耗。具體地，現網中，使用符號關斷可獲得5%～10%的節能增益，使用通道關斷技術可獲得10%～15%的節能增益，使用載波關斷或深度休眠技術可獲得40%～60%的節能增益。

6 結束語

本文從5G專網需求的高速發展和5G專網無線網絡能力存在的問題出發，分析了5G專網無線能力提升的業務需求，針對4 類能力提升需求，提出了使用2∶3時隙配比技術和室內分布式MIMO 技術實現傳輸帶寬能力提升，使用預調度、免調度技術實現傳輸時延能力提升，使用QoS、RB 預留和頻率預留技術實現傳輸可靠性保障能力提升，以及使用資源關斷和休眠技術實現節能，并詳細分析了各類能力提升業務場景、技術方案、應用性能和應用方案。