5G高低頻組網協同機制與策略

李福昌/LI Fuchang，王偉/WANG Wei

（中國聯合網絡通信有限公司研究院，中國 北京 100048）

從2019年6月6日中國5G牌照正式發放至今，中國5G商用已滿3年。中國堅持適度超前的原則，積極穩妥地推進5G網絡建設，持續提升網絡覆蓋的深度和廣度。截至目前，中國累計建成并開通5G基站161.5萬個，已建成全球規模最大的5G網絡。5G網絡覆蓋全國所有地市、縣城城區和87%的鄉鎮鎮區。5G移動電話用戶總數超4.13億。中國的5G建設已經進入了初步成熟期，并向著后成熟期或完善期逐步演進。3.5 GHz和2.6 GHz是中國5G的首發和主力頻段，承擔著覆蓋中國鄉鎮以上區域的職責，是5G流量的主要承載者。隨著5G建設的不斷深化，用戶對5G服務泛在性的需求也越來越強烈。運營商在積極籌建一個5G低頻打底網，為用戶提供5G泛在性接入。國家也在積極推動能夠提供大容量、高速率的毫米波頻段的規劃和使用，組織開展毫米波設備性能測試，為5G毫米波技術的商用做好準備。屆時，中國的5G網絡將建設成為低、中、中高、高“四頻同堂”的成熟網絡。如何協同好這四大頻段，揚長避短，各取所長，是未來網絡建設和運營的重點和難點。

1 頻段覆蓋特性和設備能力對比

電磁波傳播具有一些固有的特征。根據“光速=頻率×波長”的原理，頻率越高，其波長越短，而波長越短的電磁波更容易被阻擋，那么就越接近直線傳播；頻率越低，其波長越長，它的繞射能力就會越強，那么傳播得會越遠。第3代合作伙伴計劃（3GPP）為了更好地評估系統設計的性能，統一了0.5～100 GHz的傳播模型，定義了城區場景、郊區、街區和室內場景的傳播模型。根據傳播模型公式，一方面，空間損耗與頻率成對數關系，頻率越高則空間損耗越大，同時信號隨著距離增加衰減得也越快；另一方面，頻段越高，可供分配的帶寬也越大，提供的峰值速率也會越大。表1是不同頻段對應的峰值速率與覆蓋距離。

▼表1 各典型頻段對應的峰值速率與覆蓋距離

無線基站設備的射頻模塊和天線設計也會依據頻段高低和帶寬大小有所區別。由于半波振子的間距大，低頻設備在滿足一定增益要求的前提下，天線尺寸一般較大，相應的通道數會相對較少。而高頻設備由于波長小，半波振子的間距小，尺寸相應較小，可以容納更多的通道數。表2是不同頻段典型設備類型對應的設備硬件性能參數。

▼表2 各頻段典型設備硬件性能參數

2 高低頻協同組網與頻段定位

根據頻段覆蓋特性和不同頻段的設備空口能力，我們需要建設高低頻多層網絡，以滿足多場景多業務的覆蓋需求。理想的網絡拓撲是將低頻網絡建設成一個連續覆蓋的底層網絡。它可以作為一個“探針”，在實現用戶泛在連接需求的同時，探知用戶服務需求、位置需求和體驗需求，再利用中頻、中高頻和高頻來按需滿足用戶需求。中高頻是為5G新分配的頻段，也是運營商建設5G新空口（NR）的主力頻段，覆蓋中國鄉鎮以上區域：高頻是待規劃和分配的毫米波頻段，未來主要用于分擔5G容量和高流量區域的容量吸收；中頻段是4G基礎容量層，未來將按照業務發展情況適時進行重耕，并用于5G。圖1為高低頻協同組網理想拓撲圖。

圖1 高低頻協同組網理想拓撲圖

根據以上頻段定位，利用公共頻點優先級和專用頻點優先級可以實現用戶在Idle狀態和Inactive狀態的高低頻選擇。我們可將主力覆蓋頻段設置為最高優先級。對于在業務連接態的用戶，可以基于服務小區和鄰小區的接收信號強度或質量來進行用戶遷移。當用戶所在服務小區的信號變弱或質量變差而相鄰小區的信號變強或質量變好時，該用戶將被遷移至信號強度高或信道質量好的鄰小區，以保證其獲得最優網絡服務。除此之外，也可以利用載波聚合功能來提升用戶的速率體驗和覆蓋體驗。載波聚合的主輔小區間可以更靈活地做負載均衡，以充分利用各載波的空閑資源，實現資源利用率最大化。當開啟負載均衡時，終端無須在小區間做切換，只需做多載波調度或跨載波調度，即可減少由切換帶來的信令開銷，避免用戶體驗下降。當載波聚合功能用在頻段間隔比較大的兩個頻段時，其價值更多體現在高低頻協同上，既可以利用高頻段的大帶寬為用戶提供高速率，又可以利用作為主載波的低頻段的較強傳播特性以擴大用戶覆蓋范圍。

3 高低頻協同機制與編排策略

傳統的基于覆蓋的單一協同機制給用戶帶來了諸多問題，如用戶選擇了信號好的頻段但體驗卻變差了，小包業務在等待切換過程反而導致時延增大等。協同機制要利用好高低頻多層網絡中各層網絡的優勢，在滿足不同用戶、不同業務的不同需求的同時，實現網絡效能的最優。協同機制的總體原則為用戶體驗最優、網絡效能最高。協同機制既要滿足用戶的體驗，也要考慮網絡的耗能。

3.1 基于終端能力和業務特征的分層策略

基于終端和業務的協同策略，我們可以基于頻段的定位和不同用戶屬性（如VIP用戶、固定無線接入用戶）或不同業務屬性（如語音業務、面向企業業務）來實現分層配置策略。一些面向企業的業務，其數據包小、持續時間短，可能剛切換小區或還未切換，業務就已經結束了。另外，小區切換過程中帶來的用戶面中斷時延，反而不利于用戶體驗，因此對這些業務觸發小區切換的意義不大。本文提出了按照用戶屬性和業務屬性來制定不同的用戶接入和移動性的策略。

（1）基于用戶屬性的分層策略

根據運營商需要的頻率選擇優先級（RFSP），為VIP用戶遷移一個專用載頻，以實現基于RFSP的專用頻點優先級和切換參數配置。

（2）基于終端能力的分層策略

根據終端上報的能力，包括終端支持的頻段、收發天線數、上下行流數等參數，配置專用頻點優先級和移動性參數，以保證用戶在移動過程中體驗不下降。

（3）基于切片類型的分層策略

基于單個網絡切片選擇輔助信息（S-NSSAI）類型配置專用頻點優先級和切換參數，將業務精準定位到規劃的目標頻段。

（4）基于業務類型的分層策略

基于5G服務質量標識（5QI）的精細化切換參數配置，實現業務的精準分層策略，如可以實現語音與數據業務的分層策略配置。

（5）基于業務量的分層策略

基于上行用戶設備（UE）緩存狀態報告（BSR）和下行分組數據匯聚協議（PDCP）緩存狀態來識別大包業務，將大包業務遷移到中高頻或高頻大帶寬的頻點，提升用戶體驗。

（6）基于移動速度的分層策略

基于頻偏測量或者一定時間內的小區切換次數來識別高/低速用戶，將低速用戶從專網遷出，實現專網專用，提升高鐵用戶感知。

3.2 基于業務需求和網絡能力的用戶體驗保持和提升策略

在明確終端能力和業務特性之后，我們還需要判斷網絡能力，才能實現業務與網絡的精準匹配。關于網絡能力，我們不僅要考慮頻段空口能力，還要考慮網絡負荷狀態。網絡負荷可以由無線資源控制（RRC）連接用戶數以及PRB利用率來表征。我們也可以根據網絡負荷情況，制定協同機制。例如，對于低負荷狀態，如果兩個載波的負荷都比較低，應把用戶集中到一個頻層，這有利于5G基站設備的節能；對于中負荷狀態，將兩個載波的負荷維持在均衡狀態，可以避免因單載波負荷過高而造成的用戶體驗下降，提升整體的資源利用率。但要想在用戶體驗不下降的前提下實現網絡效能最優，不僅需要綜合考慮業務特性和網絡能力，還需要根據無線環境和網絡能力來準確預測同一位置下不同頻點和小區的用戶體驗。基站通過實時監控每個用戶的業務體驗，并結合人工智能對目標頻網和小區進行體驗預測，將用戶快速遷移到最優的目標頻網和小區。該策略涉及用戶在源小區的觸發機制和目標小區的體驗預測兩個關鍵機制。

（1）用戶體驗的表征

下行用戶體驗可以通過下行速率、下行阻塞狀態和下行信道質量等參數表征。

用戶下行阻塞狀態有兩個指標：待發送數據量的清緩存時長和待發送數據的首包等待時長。待發送數據量的清緩存時長如公式（2）所示：

待發送數據的首包等待時長是指RLC和PDCP各自緩存隊列中第一包數據到達時刻與當前時刻的間隔。

下行信道質量可以通過終端下行頻譜效率、信干噪比（SINR）和參考信號接收質量（RSRQ）來衡量。

上行用戶體驗可以通過上行速率、上行阻塞狀態和上行信道能力等參數表征。

用戶上行阻塞狀態可以用發送數據量的緩存時長來表示，即上行待發送數據量與調度數據量的比值。

相對于下行信道能力的評估，上行信道能力的評估要復雜得多。原因在于每個物理資源塊（PRB）的功率都相同，終端上行發射功率可以分配在1個或多個PRB上，這意味著每個資源塊（RB）的功率可以不同。終端可以通過調度更少的PRB來提高每個RB的SINR，那么上行的最佳速率就是選擇最合適的調用RB數對應的上行速率。上行信道能力可以通過公式（4）來表示：

其中，為調用RB數，為信道帶寬對應的最大RB數，頻譜效率是調用RB數為時的信噪比所對應的頻譜效率。

（2）基于用戶體驗的頻網選擇觸發機制

下行判決是指基站通過對終端“下行速率+下行阻塞狀態+下行信道質量”的聯合判決，來評估用戶下行體驗。當終端下行速率低、下行數傳調度發生阻塞、下行信道質量變差時，用戶下行體驗就已變差，這時需要觸發用戶頻網選擇機制。

上行判決是指基站通過對終端“上行阻塞狀態+上行信道能力”的聯合判決，來評估用戶的上行體驗。當終端上行數傳調度發生阻塞且上行信道質量變差時，該用戶上行體驗變差，這時需要觸發用戶頻網選擇機制。

（3）基于體驗預測的頻網選擇

傳統目標小區的選擇主要依賴于終端對目標頻點或小區信號的測量，因此無法準確判斷目標小區的負荷狀態和空口能力。這樣可能會出現信號強度已經滿足切換門限但目標小區的空口能力差或網絡負荷較重的情況，用戶業務體驗反而會變差。因此，目標小區的用戶體驗要結合目標小區的空口能力、負荷信息以及信道狀態來做綜合判斷。

其中，小區頻譜效率為小區頻譜效率的平均值，小區等效帶寬是根據小區總帶寬、子載波間隔、下行時隙配比等因素歸一化的結果，小區RRC用戶數是處于連接態的各類用戶數的總和。

目標小區負荷信息則包括：小區RRC用戶數、小區上行PRB利用率、小區下行PRB利用率等。

目標小區信道質量信息包括上下行信號強度和信噪比等。目標小區信道質量信息可以利用無線指紋柵格知識庫來獲得，它是基站對于其覆蓋范圍內無線環境的一種記憶，不再以經緯度作為位置特征，而是以終端上報的服務小區信號強度和相鄰信號的強度來作為位置特征，從而獲取和預測對應位置信息下的信道質量信息。相比于位置信息，信號信息更直接反映了信道質量。我們利用人工智能，結合用戶數據緩存狀態、目標小區的信道質量、空口能力及負荷信息來預測用戶在多層網絡中的業務體驗，然后基于用戶體驗不下降的原則來進行頻網選擇和用戶遷移。

4 結束語

高低頻多層組網是未來5G網絡建設的趨勢。面對日益豐富的終端業務和用戶的差異化需求，傳統的依靠頻點優先級和信號強度來進行頻網選擇的方案無法發揮高低頻多層組網的優勢。只有綜合考慮空口能力、終端能力、網絡狀態、業務需求等多方面因素，并利用智能化手段預測多層目標網絡的用戶體驗預期，才能實現用戶與網絡的最優匹配。