5G無線網絡建設難點及應對策略論文
摘要：從第一代模擬通信發展到現在第四代超高速數據通信，整個移動通信網絡架構經過四次迭代已經演變的非常復雜，5G網絡將進一步引入海量小微基站形成多層異構復雜網絡。超密集的組網方式將帶來很多系統性問題，因此從組網角度出發，探討了5G網絡建設面臨的挑戰，并提宏微小區雙連接等解決方案，為后續研究發展提供參考。
關鍵詞：5G；網絡結構；超密集；宏小區；微小區；小區雙連接
1、概述
通信技術的發展給人類生活帶來翻天覆地變化，技術的進步不斷激發人類對移動通信潛在需求,如何應對人類日益增長的業務需求是未來移動通信網絡研究的重要命題。中國移動經過前面四代網絡建設后已初步形成GSM、TD-LTE雙網并行，TDS-SCDMA逐步退出格局，2G網絡主要承載語音，4G網絡主要承載數據業務。由于4G頻段衰減比2G，4G建設期間為滿足覆蓋需求新增大量物理站址，并高熱點區域建設大量的街道微站及小區微站，另外近年來移動一直在推動CRAN建設，新增站點以集中拉遠為主，但大部分還只是硬件集中。17年又進行了全網大規模替換升級，使得整個網絡具備物聯網功能。大量4G小微基站以及CRAN的建設為5G做好了資源儲備[1-2]。2015年6月國際電信聯盟（ITU）確定了5G的時間表、名稱和愿景。在ITU的愿景中，5G將明確支持增強移動寬帶（eMBB）、海量低功耗連接（mMTC）和低時延高可靠連接（uMTC）3個應用場景；另外5G關鍵能力方面需要具備比4G更高的性能，支持0.1～1Gbps的用戶體驗速率，每平方公里一百萬的連接數密度，毫秒級的端到端時延，每平方公里數十Tbps的流量密度，每小時500Km以上的移動性和數十Gbps的峰值速率[3-5]。
2、5G網絡概述
2.15G網絡總體架構
5G網絡技術架構白皮書中[6]提出新型5G網絡架構，包含接入、轉發、控制三個功能平面，見圖1所示。接入云包含各類基站及無線接入設備，是一個滿足多場景的以用戶為中心的多層異構網絡，宏基站與微基站相結合，統一容納空口多種接入技術，同時核心網部分功能下沉，將業務存儲與計算能力等功能下移至網絡邊緣，以支持高流量、低時延等業務需求。控制云負責集中控制功能，以實現接入云與轉發云資源的全局調度。轉發云實現邊緣內容緩存及業務流加速等功能，包含用戶面下沉的分布式網關。
2.25G頻譜規劃為滿足
5G三大應用場景需求，5G頻率需全頻段需求，高頻段用于滿足熱點區域極高用戶體驗及系統容量需求，中低頻段5G聯合組網，以實現連續覆蓋[7-8]。對于5G中低頻2015年無線電通信全會批準“IMT-2020”作為5G正式名稱，這意味著現有標注給IMT使用的頻率均可作為5G頻率使用，對于5G高頻，2019年世界無線電通信大會將研究從4.25-86GHz頻段范圍選擇可用頻率[9]。根據工信部2017年11月15發布的工信部無[2017]276號文《工業和信息化部關于第五代移動通信系統使用3300-3600MHz和4800-5000MHz頻段相關事宜的通知》，明確中國將3300-3600MHz和4800-5000MHz頻段作為5G系統的工作頻段，其中，3300-3400MHz頻段原則上限室內使用。另外2017年6月8日工信部公開征集在毫米波頻段規劃第五代國際移動通信系統（5G）使用頻率的意見，考慮將24.75-27.5GHz、37-42.5GHz或其他毫米波頻段5G系統頻率規劃。因此3.5GHz將成為我國開展5G連續組網重要頻段。
3、5G網絡建設面臨挑戰
3.1上行覆蓋受限
根據工信部公布的中國5G頻段使用規定，3400-3600MHz和4800-5000MHz可以作為室外頻段使用，未來5G連續覆蓋盡可能采用較低頻段，以降低建網成本，因此3400-3600MHz將是5G實現連續覆蓋首選頻段。3.5GHz頻段衰減比2.6GHz大4dB5G下行可以通過多天線以及增加發射功率來達到4G同等覆蓋水平，但是上行方面手機終端的天線數量和發射功率均受到較大限制，因此上行覆蓋要達到4G同等水平需要增加物理站址，縮小小區半徑，目前密集市區4G站間距高達300米以內，要進一步增加物理站址難度很大。
3.2資源協調復雜度高為滿足
5G系統容量顯著提升，未來將建設大量小微基站，站點間間距可能會達到10米，甚至更小，各種無線傳輸技術的各類低功率節點的站點密度將會達到現有站點密度的10倍以上[10]，形成多層次超密集無線接入網絡。超密集組網在提升系統容量同時引入許多新的問題，例如用戶移動性管理，海量部署小微基站會使大量低速移動用戶也面臨頻繁切換問題；另外大規模節點間資源協同以及干擾協調等問題，相比4G網絡，處理復雜度指數級上升，如何解決這些問題是實現5G網絡重點研究方向。
3.3低頻資源受限
根據我國公布的5G頻率使用規定，中低頻段3.5GHz只有200MHz，假設三家運營商均等分配，每家可使用得5G頻率不超過70MHz。5G白皮書中指出，5G連接密度要達到100萬用戶/每平方公里，是4G系統10倍，如何沒有充足的頻譜資源很難達到用戶連接密度數要求。而且4G與5G將會在很長一段時間內同時在網，所以也不能占用4G頻率資源。因此在有限頻譜資源前提下如何實現5G系統三大應用場景六項關鍵性能是一項很重要命題。
4、解決方案
4.1上下行解耦
前文所述3.5GHz作為5G室外使用頻率，終端由于發射功率以及天線數目等原因限制，無法達到下行同等覆蓋。顯然3.5GHz作為上行覆蓋頻率不是最佳選擇，可考慮使用1.8GHz或者2.5GHz已有頻段，1.8GHz較3.5GHz可獲得大約10dB左右增益，接近下行覆蓋水平，作為首選。
4.2引入宏小區微小區雙連接
5G蜂窩網絡結果相比4G更加復雜，大量小微基站建設使得原有小區劃分方式不再適用。5G蜂窩網將是一張多層異構網絡，覆蓋層主要由宏基站組成，小微基站負責容量層。可以考慮引入宏小區、微小區雙連接，在頂層建立宏小區作為覆蓋小區，覆蓋小區內部再建立微小區作為容量小區，并且允許終端可以同時駐留在覆蓋小區和容量小區上。覆蓋小區主要負責用戶控制面數據、移動性管理、高時延要求類業務以及小微基站間資源管理；容量小區主要負責用戶數據面需求，承載高速率、低時延要求等業務。用戶在宏小區內部移動時只涉及小區內數據面遷移，不涉及小區切換，可以有效減少由于頻繁切換導致用戶體驗下降。
4.3低頻資源重耕
隨著5G的到來，國內各大運營商都在逐步考慮2、3G網絡退網。中國移動2G900M頻段上下行各有25M頻率、1800M頻段上下行各有15M頻率，TDS的A頻段有15M頻率。根據中國移動未來規劃，至2019年底900M可翻頻5-15M，1800M可全部翻頻，3G網絡將全部退網。2、3G退網后，原2、3G占有的優質低頻資源對5G來說非常珍貴，通過對這部分低頻資源重耕，能有效緩解5G低頻資源需求缺口。
5、結論
本文從5G三大愿景出發，簡述5G網絡總體架構以及國內外頻譜規劃現狀，并重點分析了5G組網將面臨的三大挑戰，提出通過上下行解耦、宏微小區雙連接以及低頻資源重耕應對上行系統受限、資源管理復雜以及頻譜資源短缺等問題。未來5G商用前面臨的挑戰遠不止這些，本文只淺顯給出部分建議，后續將進一步研究宏微小區規劃原則。
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