5G+4G無線網絡協同及組網關鍵技術探討
Labs 導讀
本文從分析5G+4G無線網絡協同建設的背景和必要性出發，指出5G+4G開展協同建設天然具備的頻率、設備和站址等優勢。在此基礎上剖析了5G+4G無線網絡覆蓋協同和容量協同的關鍵技術，并提出了協同組網方案，基于這種方案，既能應對當前4G網絡容量挑戰，又能構筑5G領先競爭優勢的無線網絡演進基礎架構，同時實現降本增效地打造5G精品網絡的目標。
1、5G+4G協同建設的有利條件
5G網絡建設是我國網絡強國的國家戰略，5G網絡是實現產業創新升級的關鍵基礎設施，具有重要的意義。經過多年積累，我國運營商已擁有全球最多的無線基站站址。同時，與1G/2G/3G/4G無線網絡技術升級不同的是，運營商由4G升級至5G網絡具有先天的巨大優勢，除了豐富的站址資源可以共享外，還包括以下共享能力。
- 頻率共享：5G網絡分配了多個頻段的使用許可，其中2.6GHz頻段由5G與4G共享2515~2675MHz共160MHz頻譜資源，這不僅使得運營商擁有較低無線鏈路損耗從而節約建網投入的優勢，還可在此基礎上充分利用已有4G 2.6GHz頻段運營經驗管理5G網絡，同時還可充分發揮產業鏈帶動能力，最大化地實現設備能力和終端能力共模。
- 設備共享：基于頻譜資源帶寬共享，發展5G+4G共硬件設備，實現基帶具備不同制式轉換的能力(也稱轉模)，建設5G網絡的同時能夠將富裕網絡能力兼顧4G業務需求，最大化地實現設備利用效率。
- 業務能力：4G網絡整體容量仍在增長，局部區域頻譜資源不足日益凸顯，用戶業務感知保障壓力不斷增長。5G eMBB與4G eMBB同為移動數據業務，可與4G網絡實現業務協同分擔，同時5G網絡能夠提供至少十倍于4G的峰值速率、毫秒級的傳輸時延和千億級的連接能力，因此，二者在網絡能力協同共享的同時，更能滿足融合業務和差異化業務長期合力發展的現實需求。
4G方興未艾，5G已經到來，5G+4G必將在網絡和業務支撐能力方面長期共存。本文將從無線網絡組網規劃技術層面，探索5G+4G無線網協同發展的關鍵技術，既能充分發掘4G網絡現有優勢，又能發揮5G技術和網絡的全新能力，以二者協同的最大合力實現降本增效的網絡建設和運營，同時有利于網絡演進發展。
2、5G+4G網絡覆蓋協同建設的關鍵技術分析
無線網絡覆蓋的主要目標是聚焦建網價值區域，盡可能地以最合理的網絡結構、最優的設備選型和最佳的投資性價比實現網絡的覆蓋目標。在用戶需求與技術演進同時發展的情況下，無線蜂窩網絡逐漸向一種新型的組網架構演進，在保持現有室外蜂窩網絡結構相對穩定的情況下，在5G+4G協同發展初期，有如下方面的關鍵內容。
2.1 5G+4G站址資源共享技術
2.1.1 充分利用已有5G+4G站址共享
在共用的2.6GHz頻段上，5G網絡覆蓋與業務能力優于4G制式，因此4G和5G具備共享站址的能力，在組網規劃技術方面可充分利用已有基站站點機房配套，開展快速、低成本建網。
在這種基礎上，不同于以往的全網標準化指標建網目標，5G網絡建設可基于“1：1”共享站址實現彈性指標建網。這種建網思路立足于4G原址升級5G情況下，網絡覆蓋及業務指標將優于4G，同時考慮到不同的場景時，4G制式宏站站間距存在差異，因此5G目標網規劃的宏站站間距可立足實際，以存量全量物理站址為基礎，以不同的規劃指標(如可分別設定挑戰指標、基準指標和最低指標等方式)為目標，篩選理想結構站點,對不同的區域適配性價比最優方案，確保投資效益。
2.1.2 天面共享
公眾移動通信網絡經過多年的發展和技術迭代更新，存在2G/3G/4G天線點位多和空間受限等問題。5G AAU因其技術特性需單獨占用1副天面，因此需對4G/5G天饋系統協同考慮進行整合收編，天饋整合最佳目標為單小區2~3副天面，即FDD、TDD、5G各1副天面或4G、5G各1副天面。以有效匹配、適度超前為原則，精準開展配套建設，通過設計合理的天饋改造方案實現已有資源與未來發展需求的整合，可以精準建設，降低租金和建設成本。
2.2 5G+4G設備共享技術
2.2.1 設備能力的共享
與2G向3G、3G向4G網絡制式演進不同的是，5G網絡基于已有成熟的4G網絡相同的頻譜資源，這就可以充分發揮4G D頻段成熟產業鏈的優勢，在已有設備基礎上，實現5G+4G基站共硬件，從而最大化地實現5G新技術前移。
為充分發揮5G設備的能力，同時兼顧到4G網絡需要，對5G新設備提出以下幾方面的能力要求。支持160MHz全頻譜帶寬的能力、支持SA/NSA共模的能力、支持5G+4G共模/轉模的能力和支持功率動態共享能力。目前國內外廠家均已完成設備研發，可實現規模供貨。
在這種情況下，5G新建基站均可按照“共站、共框、共板、共天線”方式實現資源共享，避免獨立建設造成浪費，從而充分發揮單比特建設成本和運營成本優勢。
2.2.2 設備建設的協同
當5G+4G共址建設時，可以采用5G基站反向開通4G功能的共模方式建設,以同時滿足兩網的業務需求。在設備安排上，原有4G D頻段窄帶設備(60MHz)RRU支持頻段與5G設備重合，可考慮拆遷至外圍區域以繼續發揮其容量能力，避免設備浪費，遷移到需求區域的新選址補盲或者已有站址補充容量需求。對帶寬富裕的物理扇區，可同步考慮F頻段拆除，此時可利舊整套4G基帶和射頻設備，投資節約做到最大化。對于天面資源競爭激烈的平臺，窄帶RRU拆除后，抱桿資源有被占用的風險，需盡量規避。
若不拆除4G D頻段設備，需考慮其設備頻率與NR協同的要求，由于這部分設備只支持60MHz帶寬且與5G初期規劃頻段部分重合(重合部分為40MHz帶寬)，同時4G設備移頻能力較差，勢必造成生命周期較短。另外，還需考慮到這種情況下，非共模設備較難實現頻段內聯合傳輸和資源共享等技術手段，4G網絡性能將受到一定程度的影響。
根據以上分析，我們在開展建設的時候，通常采用拆除老舊D頻段設備，同時通過5G反向開通4G功能的方式彌補4G網絡覆蓋與容量的需求。
2.3 5G+4G頻率共享技術
5G商用初期，網絡承載業務較少，此時，通過功率共享技術實現制式間160MHz頻譜資源的分配與調整，兼顧5G+4G雙制式網絡的容量需求，提升頻譜資源利用率。隨著5G網絡用戶和業務逐漸發展，最終形成單制式100MHz+60MHz目標方案。
2.3.1 靜態的頻率分配及共享技術
在5G建設初期，開展4G D頻段清頻的同時，還需考慮5G和4G頻率資源共享分配方案。可以按照面向當下，優先滿足業務需求的原則，根據不同的業務場景按需分配帶寬，采用不同的頻率使用策略。
- 場景1：4G極熱點、5G業務初始階段的場景。此時，4G業務需求高，在頻率分配上優先滿足，可考慮4G多留1個頻點(4*20MHz)，5G僅開啟80MHz帶寬。
- 場景2：5G體驗優先業務演示區域等5G重點場景。考慮優先滿足5G需求，使用2515~2615MHz頻率自下而上連續開通100MHz，4G業務盡可能地通過FDD1800MHz、A頻段重耕的方式吸收業務量，減少對4G D頻段帶寬需求的頻率使用策略。
2.3.2 動態頻率分配技術
考慮到5G和4G網絡長期共存協同發展的需求，除了以上靜態的頻率分配與共享機制，還需推動產業界實現5G設備2.6GHz頻率5G+4G完全動態共享技術的成熟與應用，提升資源調動靈活性，降低網絡維護成本。
5G+4G動態頻譜共享技術可靈活適配小區業務需求，實現在同一塊載波上同時支持兩種業務的隨機調度，從而更加充分地提升設備利用率及160MHz帶寬頻率資源使用效率。載波動態共享實現機制如下。
通常情況下，5G載波配置4個UE的工作帶寬(BWP)，終端視能力配置1個或者4個BWP，當UE從BWP0接入后，視網絡初始配置接入到對應的BWP。當5G載波與4G同覆蓋時，5G+4G動態頻譜共享技術使得5G載波可實現對支持多個BWP的動態調整，從而實現載波根據需求在休眠與激活兩種狀態之間變化，這個過程即頻譜“重分配”過程。5G+4G動態頻譜共享技術可根據觸發“重分配”的判決條件，實現分鐘以上級別的頻譜動態調配。
2.4 5G+4G功率共享
2.4.1 功率協同配置影響分析
當前5G基站設備可達到240W標稱功率(遠期需求320W)，考慮D頻段為5G分配100MHz帶寬、4G分配20MHz帶寬時，5G可滿足200W滿功率配置。如果4G需要更多的載波配置，則將出現功率受限的情況，此時，需考慮5G+4G功率分配以最大化網絡性能。
首先分析不同功率配置對容量影響：當4G新增開通2~3個D頻段載波(且通過5G反向開通4G后具備3D-MIMO能力)、同時每載波按照2W/Hz的功率譜密度進行滿功率配置，此時，5G剩余配置160W功率，5G網絡將由于功率的降低帶來約10%的容量損失，而同時4G網絡由于功率充足，可獲得高于低功率配置時42%的容量提升。不同的功率配置對容量的損失比例計算結果見表1。
表1 不同功率配置對4G和5G網絡容量的影響
接著分析不同功率配置對覆蓋影響。如圖1所示，從試驗網測試數據結果可以看到，同等站距條件下，即使將5G功率降為120W，下行覆蓋性能依然優于功率滿配時3.5GHz的5G制式能力。
2.4.2 分場景功率協同配置方案
由以上分析可以看到，5G功率降低造成的性能損失較小，但能帶來明顯的4G性能增益。同時考慮到5G初期階段，4G網絡的覆蓋和容量需求仍是重中之重。因此，在240W發射功率的設備條件下，應按照面向當下，優先滿足業務需求的原則，不同帶寬時5G+4G功率分配建議如圖2所示。
- 場景1：考慮到在5G初期階段4G網絡的覆蓋和容量仍是重中之重，應優先滿足4G的頻率和功率需求，建議優先為4G分配2W/MHz功率資源，再將剩余的功率資源分配給5G網絡。
- 場景2：在具有演示意義的場景或其它重要區域，為提供接近理論速率的業務體驗，應為5G配置2515~2615MHz共100MHz帶寬資源，并按照2W/MHz的功率譜密度分配5G功率。同時，可在D3頻點反向開通4G 3D-MIMO吸收存量4G容量。
3、5G+4G網絡容量協同建設
3.1 環境的變化導致4G業務發展存在不確定性
5G強國戰略將促使行業及產業鏈發生深刻變化，同時，管控新政的實施也導致4G未來業務發展存在不確定性。
首先，5G強國戰略及可能出現的新業務，將刺激移動總流量增長，預期將同時帶動4G業務同步發展。
其次，5G終端快速發展，將推動5G消費產業，從而促進5G網絡形成對4G的有效分流。一是5G終端形態發展迅速，種類豐富。二是5G終端價格不高于4G。2020年第2季度起，廠商逐步推出中低端5G手機，預計2020年底手機價格降至1000~2000元。
再次，政策因素帶來競爭環境變化。從長期考慮，會對4G網絡流量增長起到一定的抑制作用。2019年9月1日全面停售流量暢享套餐。10月起，主管部門對3大運營商新增管控要求，有望改善競爭環境，進一步提質增效。
在4G業務經歷了移動業務需求發展推動和不限量套餐等帶來的流量爆發高峰之后，目前出現了以上諸多因素將深刻影響到4G業務發展，給其帶來不確定性，4G業務發展的拐點處于臨界階段，過于謹慎或者過于豪放的擴容策略都將帶來損失。在這個時期，為確保用戶感知同時不產生投資浪費，對4G網絡的擴容需更加精確化規劃，充分利用新增的5G資源提供給存量4G使用，來實現降本增效。
3.2 5G反向開通4G功能是5G+4G容量協同的重要技術手段
在這種情況下，充分利用設備共模/轉模能力，通過在5G基站反向開通4G功能是5G+4G容量協同的重要技術手段。
3.2.1 5G反向開通4G功能的工程實現方式
利用5G宏基站設備反向開通4G功能時，均需為4G功能再購買一套BBU基帶板硬件及硬件許可、AAU通過饋入方式共用5G設備、RRU軟件許可利舊原4G基站清頻退出的軟件許可。
3.2.2 5G反向開通4G功能的載波帶寬等效容量能力
根據試驗網測試數據，針對不同的5G基站通道能力，實現反向開通后，20MHz載波帶寬吞吐能力可等效于4G載波倍數，見表2。
表2不同通道類型5G基站反向開通4G的網絡性能對比
3.3 5G+4G協同保障4G網絡容量規劃方法
根據以上業務發展和5G+4G協同實現方式分析，精確規劃4G網絡擴容需與5G網絡建設節奏緊密結合，因此，4G擴容策略分為以下場景考慮。
- 場景1：在5G規劃區域，利用5G反向開通4G功能彌補4G D頻段清頻帶來的4G性能損失，兼顧部分容量增長需求。
- 場景2：在非5G規劃區域，充分利舊5G規劃區拆除的軟硬件資源，通過設備利舊實現增容和容量分擔。
3.3.1 通過5G反向開通4G功能彌補4G D頻段清頻帶來的4G性能損失
D頻段在4G網絡發揮重要的作用，以D頻段加F頻段站址形成良好的綜合覆蓋，尤其D頻段站址更加豐富，需充分考慮清頻后，對連續覆蓋基礎底層網的影響。
5G初期工程建設將集中在城市密集區域，而這些區域正是4G D頻段站點集中的區域，D頻段載波占比和容量吸收比例都更高。在5G網絡建設同時，充分發揮5G+4G協同作用，利用5G反向開通4G功能的技術特性來補充D頻段清頻后4G網絡的容量和覆蓋需求。
3.3.2 小區級4G容量保障的路徑選擇策略分析
4G網絡經過多期建設，其站型組成非常復雜。以室外小區的所屬天面為統計粒度，覆蓋一片物理區域的4G物理扇區包含多個邏輯小區種類，如單D扇區(1D/2D/3D小區)、F/D扇區(1F1D/1F2D等)、單F扇區、D/F/FDD混合扇區等。另外，4G網絡擴容可用的頻段資源有6種：TD-L制式的F頻段、A頻段、D頻段，5G反向開通4G功能的D頻段，FDD制式1800MHz及900MHz頻段，考慮到工程實施時，還將涉及到新增硬件和軟件擴容等具體實現方式，可以選擇的擴容手段更多。這種已有站型結構和可選實施方式均存在物理上的構成復雜度，也必然帶來不同扇區擴容時，在選擇擴容制式和使用頻段方面的復雜性。
由于5G反向開通4G功能仍需一部分新增投資，此處，以投資效益最大化的方式舉例，在考慮4G擴容策略時，優先考慮網內其他小區FDD 1800MHz/F/A載波能力調度，不能滿足需求時，再考慮以5G反向開通4G功能補充。每物理扇區的擴容策略如圖3所示。
當考慮不同的建設策略時，如以4G網絡性能最優化為目標或以工程實施難度最簡化為目標時，存在不同的路徑選擇。由此也可以看到，5G+4G容量協同方案的復雜度帶來規劃方案編制難度成倍提高，如果將以上協同需求和算法通過工具化的方式，實現小區級容量協同自動選擇，將極大地降低規劃難度，靈活完成多種策略選擇和對比。
4、結束語
我國從國家戰略層面提出通過5G助推制造強國，網絡強國建設， 5G網絡建設需求成為當下全面構筑經濟社會數字化轉型的關鍵基礎設施。如果在工程規劃時可以充分貫徹和深入思考5G+4G協同發展理念，整合5G和4G網絡在技術標準和工程建設的協同優勢，既能保持對大量已有4G用戶的服務品質，又能提升5G網絡建設的質量。
【本文為51CTO專欄作者“移動Labs”原創稿件，轉載請聯系原作者】
