5G技術在4G網絡中的應用探討

肖 智

（湖南省郵電規劃設計院有限公司，湖南 長沙 410126）

0 引 言

4G網絡的普及與應用為移動互聯網的發展打開了大門，伴隨著消費電子產品的進步與發展，移動通信技術正時刻改變著人們的生活，同時也刺激著移動通信需求的進一步發展。隨著高清視頻、IoT（物聯網）等主流業務的不斷推出，移動數據業務承載需求將突飛猛進，運營商需要不斷提升系統速率和容量以滿足業務增長需求。

據ITU預測，2020年將實現5G的大規模商用，但就目前網絡發展的狀況來看，距離5G真正形成實際網絡能力還有一段時間，因此在5G到來及大規模部署前夕，將5G技術應用到現有的4G網絡中，以增強4G網絡的能力和性能，滿足高速數據業務增長的需求，將5G技術效用最大化，是目前運營商網絡建設的主要方向。

1 技術原理和性能分析

目前已知的5G關鍵技術中，4×4多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO），256正交振幅調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）高階調制，移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）等5G技術可應用于4G網絡中，增強現有網絡移動數據業務承載能力，提升現有4G網絡的用戶體驗和網絡經營能力，保護LTE網絡投資，并實現業務向5G平滑演進。本文針對4×4 MIMO，256 QAM高階調制、MEC等關鍵技術的原理和性能價值進行了分析，探討了這三項關鍵技術在4G網絡中的應用場景，并提出了相應的解決方案和部署策略，為運營商在5G商用前夕提升4G網絡能力和性能提供參考。

1.1 4×4 MIMO技術

MIMO技術是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，使信號通過發射端與接收端的多個天線進行傳送和接收，從而改善通信質量。4×4 MIMO技術采取4發射天線和4接收天線，要求基站設備具備4T4R能力，手機支持四天線接收。4×4 MIMO技術可充分發揮空間復用與分集技術的優勢，提高無線頻譜資源利用效率，同時還可提高CEU（位于小區邊緣的用戶）的移動寬帶使用體驗。

4×4 MIMO技術對網絡覆蓋、網絡容量、峰值速率和用戶的使用速率都有較大提升，其應用價值主要體現在以下三個方面：

（1）有效提升下行覆蓋，提升邊緣用戶體驗速率和下行容量。在單站場景下，因為每根天線的發射功率相同，4天線的發射功率相比2天線將增加3 dB功率增益，相同速率條件下，覆蓋距離更遠，有利于深度覆蓋。同時在覆蓋邊緣區域，4×4 MIMO相比現有的2×2 MIMO具有分集增益，可提升邊緣用戶體驗速率和下行容量。

（2）提升用戶峰值體驗。以中國電信1 800 MHz頻段測試為例，在15 MHz帶寬，TM4傳輸模式場景下，選取近點、中點和遠點定點測試用戶的下行峰值速率。測試結果表明，4×4 MIMO相比2×2 MIMO在近點的增益為90%～100%，中點的增益為100%～150%，在遠點能達到150%～300%的增益。

（3）對存量2R終端同樣貢獻巨大。基于1 800 MHz的宏小區室內吞吐率測試顯示，即使在4R終端低滲透的場景下，基站側采取4T4R后，平均吞吐率也能獲得10%～20%的增益，其變化曲線如圖1所示。

圖1 4R終端滲透率與吞吐率增益變化曲線圖

結合測試數據并分析，發現采用4×4 MIMO后，下行覆蓋、下行容量、下行邊緣速率和用戶的峰值速率等方面的性能明顯提升。在2R終端模式下，4T4R相比2T4R性能提升約20%～45%；4R終端模式下，4T4R相比2T4R性能提升約40%～65%。性能對比如圖2所示。

圖2 4T4R相比2T4R的性能提升

1.2 256 QAM高階調制技術

QAM是一種矢量調制，先將輸入比特映射到一個復平面上，形成復數調制符號，然后將符號的I，Q分量（對應復平面的實部和虛部，即水平和垂直方向）采用幅度調制，分別對應調制在相互正交的兩個載波上。QAM是聯合調制幅度、相位的技術，同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特，常見的QAM形式如16 QAM，每個符號可承載4 bit信息、64 QAM每個符號可承載6 bit信息。

為進一步提高系統容量及頻譜效率，在相同帶寬下提升傳輸速率，LTE-A和第五代（5G）移動通信系統中引入了更高階的256 QAM調制方案，對于滿足256 QAM 條件的用戶，其下行業務信道中每符號攜帶8 bit 數據，相比64 QAM每符號攜帶6 bit 數據，理論上頻譜效率提升約33%。

UE在無線環境（CQI）質量非常好的情況下才會采取256 QAM高階調制方式，并且網絡質量越高調制增益也越大。選取中國電信LTE 1 800M頻段進行測試驗證，其中，RSRP值為－77 dbm，SINR值為30，并且功能開啟前后測試地點一致。經測試，256 QAM功能開啟后下載峰值速率提升了38.12 Mb/s，提升幅度為36.02%；均值速率提升了35.70 Mb/s，提升幅度為39.93%。峰值速率以及提升幅度接近理論值，詳見表1。

表1 256 QAM對比64 QAM峰值速率和均值速率測試結果

1.3 MEC技術

移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）通過在無線接入側部署通用服務器，可近距離為無線用戶提供IT和云計算能力。MEC服務器主要包括三層邏輯實體，分別為基于NFV的硬件資源和虛擬化架構的平臺基礎層、承載業務對外接口適配的功能組件層和基于網絡功能虛擬化VM應用架構的應用層。

MEC使得傳統無線接入網具備了業務本地化和近距離部署的條件，從而具有提供高帶寬、低時延的傳輸能力，同時業務面下沉形成本地化部署，可以有效降低對網絡回傳帶寬的要求和網絡負荷。

MEC技術將基站與互聯網業務進行深度融合，促進了移動運營商、設備廠商、應用程序開發商和內容提供商的緊密合作。無線網絡側加入計算、存儲、處理等功能，構建開放式平臺以植入應用，并通過無線API開放無線網絡與業務服務器之間的信息交互，實現無線網絡與業務的融合；業務側可為消費者、企業和垂直行業提供大量創新應用和差異化服務，如實時視頻、虛擬專網、增強現實、移動監控、商場導航等，提升現有4G網絡的利用效率并使其增值。

2 解決方案和部署策略

2.1 4×4 MIMO技術

4×4 MIMO的基站相比LTE基站最大的不同是基站發射端由2T變成4T，對于現網2T4R的站點升級到4T4R站點，需新增一個2T2R/2T4R RRU或整體替換4T4R RRU完成部署，如圖3所示。在2T4R基礎上建設4T4R網絡，需要增加主設備投資，但運維成本基本保持恒定，整體成本增加較少，卻顯著提升了整個小區的下行吞吐量和用戶體驗速率，對于部分下行業務受限的高流量價值區域而言，是實現高投資收益比的解決方案。

圖3 2T4R基站升級為4T4R基站示意圖

相比于基站側，4×4 MIMO對終端的影響更大，終端不但需要考慮成本問題，還需要更多地考慮設計和空間問題。目前包括三星、華為在內的一些終端廠商均有商用終端支持4×4 MIMO，但都只限于旗艦機型，預計今年還會有多款終端可支持 4×4 MIMO。

影響終端支持4×4 MIMO的主要因素是射頻與天線，天線尺寸受波長影響，頻率越低需要天線尺寸越大，因此受終端空間的限制，終端很難支持低頻段的4×4 MIMO。

綜上，以中國電信為例，建議在高價值高流量區域，優先考慮在LTE 1 800M頻段部署4×4 MIMO，應對流量壓力，搶占運營商競爭優勢高地；對于LTE 800M低頻覆蓋區域，頻段帶寬小，低頻終端很難支持，暫無需部署。

2.2 256 QAM高階調制技術

目前主流的基站主設備均具備擴展性，無需調整硬件，通過軟件升級和數據配置即可完成256 QAM的部署，網絡部署成本較低。但256 QAM高階調制技術對于下行網絡質量SINR 要求非常高，測試表明只有當下行SINR 大于25 dB 時才對提升下行用戶速率效果較為明顯，因此在引入時需要綜合考慮小區SINR值、基站站間距和業務密度等因素。對于基站間距較小，同時SINR指標較差的基站不建議開啟該功能。而對于平均SINR高于15 dB的小區，若流量負荷較大且載波擴容能力受限時可考慮開啟該功能。

總體來說，在室外環境下，下行256 QAM高階調制技術對LTE系統的整體吞吐量提升有限，同時考慮到目前具備256 QAM能力的終端滲透率依然較低，建議運營商優先在高階值密集城區、重點場景（如機場、高鐵站、三甲醫院、高校）等室分系統或宏基站近點高SINR區域應用，提升用戶感知，但暫不建議全網大面積開啟該功能。

2.3 MEC技術

在4G網絡的實際業務拓展過程中，為滿足企業級用戶與垂直行業的應用需求，4G網絡需要進行一些針對位置和特定環境的業務部署優化，以提升網絡的效率和用戶體驗，即需要引入MEC技術。目前MEC的主要應用范圍為本地內容緩存、基于無線感知的業務優化處理、本地內容轉發、網絡能力開放等，主要應用在時延敏感、實時性要求高、大數據量等場景，比如V2V，AR，企業，MCDN，室內，IoT等。

基于現有4G EPC 核心網絡架構部署MEC方案，比較常見和簡單易實現的部署方式是將MEC服務器部署在RAN側。通過在RAN側引入智能計算能力，可解決部分運營商和網絡業務提供商的難題，業務體驗更有保障，同時無線資源的管理更加智能和優化，不同等級的服務都可以實現。針對不同的應用場景，RNC部署又可分為兩種方式：第一種是MEC服務器部署在多個eNodeB匯聚節點之后，如應用于智慧校園、園區、大型企業等，提供差異化的本地服務和創新應用；第二種是MEC服務器部署在單個eNodeB之后，如圖4所示，主要針對熱點區域，如大型購物中心、重點室內場景如機場、體育場館等。

采取RAN側部署方式的優勢在于更靠近用戶側，便于監聽、解析S1接口的信令來獲取基站側無線相關信息，分析用戶位置并提供本地化個性服務，同時還可降低帶寬消耗和業務訪問時延，提升業務體驗，減輕核心網負擔，但計費和合法監聽等事關安全的問題需要進一步規范。

圖4 MEC服務器部署方案示意圖

3 結 語

布局5G技術4G化，能夠有效提升運營商現有4G網絡的技術能力、服務效率和性能指標，尤其是在特定應用場景，對網絡覆蓋、用戶容量、用戶峰值速率和創新業務等方面具有重要意義。通過對4×4 MIMO，256 QAM高階調制，MEC三項技術的技術原理和性能價值的分析，探討4G/5G通用技術的應用場景、部署策略，承載高價值區域的數據業務增長需求，將5G技術效用最大化，為后續運營商網絡建設和性能提升指明了方向。

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