面向商用的5G網絡關鍵問題研究及驗證

劉瑋，董江波，任冶冰

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面向商用的5G網絡關鍵問題研究及驗證

劉瑋，董江波，任冶冰

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

3GPP第一版5G標準已于2018年6月凍結，相關端到端產品也已穩步發展，面向商用的5G網絡規模試驗工作已經啟動，以支撐明確技術路線及引入策略。首先介紹了全球5G產業發展情況，然后從新技術引入策略、建網方案和業務需求3個角度梳理了面向商用的5G關鍵問題，并對NSA/SA架構選擇、MEC部署、頻率、覆蓋與容量、垂直行業業務需求等典型問題進行分析；最后介紹了此次5G規模試驗的基本情況，包括原則與目標、總體規劃與試驗內容。

NSA；SA；傳播損耗；規劃仿真

1 引言

5G三大主要應用場景分別是：連續廣覆蓋及高容量場景（eMBB）、低時延高可靠場景（uRLLC）以及低功耗大連接場景（mMTC）。面向eMBB場景的5G技術框架通過3GPP R15版本制定，該版本已于2018年6月凍結，而面向uRLLC和mMTC場景的技術方案將在3GPP R16版本中制定，除此以外，3GPP R16版本還將制定一些增強技術方案以持續提升eMBB場景的競爭力。

目前，5G系統側主設備廠商主要有華為、中興、諾基亞、大唐和愛立信，終端芯片廠商主要有高通、海思、三星、英特爾。由于5G非獨立組網架構（non-standalone，NSA）標準凍結較獨立組網架構（standalone，SA）早半年，因此，主設備廠商和終端芯片廠商對于NSA和SA兩種組網架構的產品研發計劃也不同步，NSA產品研發計劃較SA產品研發計劃早3~6個月。當前大部分廠商面向NSA組網架構的基站側設備已于2018年第二季度推出，面向SA組網架構的基站側設備也將于2018年第三季度推出，面向NSA和SA組網架構的核心網設備將于2018年第三季度和第四季度推出。各廠商終端芯片廠商產品研發技術差異較大，預計在2018年第四季度推出面向NSA組網架構的終端芯片，在2019年第一季度推出面向SA組網架構的終端芯片。因此，2018年第四季度將基本具備面向NSA組網架構的5G芯片級端到端測試條件，而面向SA組網架構的5G芯片級端到端測試條件要稍晚。

2 5G網絡商用的關鍵問題

5G網絡商用關鍵問題可分為端到端重大方案、無線網、核心網、信令網、傳輸/承載網、終端、計費、網管編排、能力開放以及安全等17大類82項，如5G語音方案、4G與5G互通策略、4G演進與5G關系、5G空口安全等。本文主要論述新技術引入策略、建網方案、業務需求這3方面涉及的關鍵問題。

2.1 新技術引入策略

為了滿足eMBB、uRLLC和mMTC三大場景業務需求，與4G相比，5G端到端發生了新的技術變革，如圖1所示。業務需求不同、產業進展不同、技術靈活多樣，5G網絡商用面臨的第一大問題便是在5G不同的發展階段，各種新技術如何選擇及準確引入。本文將以對5G架構選擇與邊緣計算（MEC）新技術引入兩個關鍵問題的闡述為例。

圖1 5G端到端技術變革

如前文所述，5G提供兩種組網架構：NSA非獨立組網與SA獨立組網。由于NSA組網架構中核心網沿用4G核心網，無法應用網絡切片、控制面/用戶面分離等5G核心網新的技術，因此NSA架構雖然能夠規避5G核心網成熟較晚的時間風險，能夠實現快速部署，但是會帶來僅能滿足初期eMBB大帶寬高容量補充的業務需求；而SA作為全新的5G組網架構，能夠實現5G網絡全部功能，更好地支持5G的新業務與新特性，但是要承擔5G端到端成熟的時間風險。兩種組網架構的選擇要綜合頻譜資源、無線覆蓋能力、端到端成熟時間與業務發展匹配等因素。

? · 選擇方案一：直接部署SA。商用初期即要同時滿足大帶寬和低時延兩種業務需求，且與5G端到端成熟時間相匹配，此外，5G頻段劃分和新技術應用能夠滿足連續組網需求，滿足上述條件則選擇直接部署SA。

? · 選擇方案二：先部署NSA，后續演進至SA。商用初期的業務需求主要是大帶寬業務，5G端到端特別是核心網成熟較晚，5G頻段劃分和新技術應用無法滿足連續組網需求，則選擇先部署NSA，后續演進至SA方案。此時，LTE無線網和EPC核心網均會面臨二次改造。

MEC是指核心網絡和業務能力下沉，通過本地分流和預處理達到降低時延、節省帶寬和提升用戶體驗的目的，屬于典型的時延驅動型分布式架構。MEC部署位置有多種選擇，如圖2所示，地市核心機房、骨干匯聚機房和基站機房，部署成本依次抬升，但是時延依次降低，因此，MEC部署位置的選擇脫離不了業務的應用需求，特別是垂直行業的業務需求。

圖2 MEC多種部署位置

NSA/SA架構、MEC部署的選擇與引入策略除了理論分析以外，均需要通過規模技術試驗進行實踐與驗證，其他新技術也是如此。因此，5G規模試驗設計了大量的測試樣例用于支撐5G新技術引入策略的判斷，是5G規模試驗最為首要的內容之一。

2.2 建網方案

與以往3G、4G類似，建網方案的確定是網絡商用面臨的關鍵問題之一。以無線側為例，建網方案需要考慮頻譜問題、覆蓋問題與容量問題。

頻譜的選擇對網絡建設方案影響巨大，直接影響網絡規模、無線網絡質量、組網方案等。2017年11月9日，工業和信息化部下發了《工業和信息化部關于第五代移動通信系統使用3 300~3 600 MHz和4 800~5 000 MHz頻段相關事宜的通知》（工信部無[2017]276號），確定了6 GHz以下5G可以使用的頻率。由于全球6 GHz以下頻譜聚焦3.5 GHz頻段，4.9 GHz設備成熟度較3.5 GHz晚0.5~1年左右，且與4.9 GHz相比，3.5 GHz電波傳播損耗較低、性能較好。從建網方案角度考慮為了更好地利用好這些頻段資源，需要認真分析不同頻段下網絡性能。

網絡覆蓋問題中，電波傳播特性的研究是核心。3.5 GHz/4.9 GHz將帶來更大的傳播損耗，通過在濟南、陽泉、杭州等多地的測試驗證工作，發現在城區場景，3.5 GHz傳播損耗比D頻段高4~6 dB，4.9 GHz較3.5 GHz傳播損耗高5~6 dB。考慮64T64R天線增益、發射功率、接收機靈敏度的影響，通過仿真可以得出，5G的3.5 GHz覆蓋能力與D頻段相當，這一結論還需要在5G規模試驗中進一步實踐與驗證。5G網絡覆蓋問題中，由于上下行天線通道數差異性較大，由此帶來的上下行覆蓋差異的問題也是重點關注問題之一。如果不考慮任何覆蓋增強技術，通過仿真可以看出，相同覆蓋半徑條件下，3.5 GHz 64通道下行邊緣速率為55 Mbit/s，而上行邊緣速率僅為178 kbit/s。為了解決這個問題，5G主要的引入技術有SUL與CA，兩者的本質均是為小區邊緣用戶提供了使用低頻資源的能力，從而提高邊緣用戶的體驗，但CA條件下下行方向使用低頻資源，但SUL不行。上行業務的感知將會直接影響5G網絡商用的節奏，因此在5G規模試驗中對上行增強方案的驗證將對5G網絡上行業務感知的提升起到重要的促進作用。5G不同頻段的覆蓋性能、上行增強技術帶來的效果也是5G規模試驗的重點測試內容之一。

大帶寬、多天線技術的引入，使得5G與4G相比，容量性能將會有顯著提升。同樣通過理論仿真，可以初步看出5G小區下行/上行平均吞吐量為4G網絡的13倍/20倍，剔除單載波帶寬5倍增益，頻譜效率提升2~4倍；下行4流，上行雙流時，5G單用戶上行峰值速率約為285 Mbit/s，約為4G網絡的19倍，下行峰值速率約為1.5 Gbit/s，約為4G網絡的17倍。16通道以及64通道多天線技術與產品的選擇除了影響網絡性能，對于建網成本與建網難度都有影響，因此選擇與業務場景匹配的方案將更為合理，在5G網絡真正商用之前通過試驗網進行評估能為技術選擇提供科學技術依據。

2.3 業務需求

從上文的闡述中，可以看出，5G網絡面對的業務需求更加豐富多樣。因此，在5G網絡商用之前就要考慮與判斷這張網絡服務的對象是誰，這個對象對網絡的需求具體是什么。經過初步研究與分析，5G網絡在起步階段的主要業務是高清及超高清視頻、AR/VR、云端游戲，屬于eMBB場景范疇；發展階段將會產生工業制造、自動駕駛、遠程醫療和智慧交通等uRLLC場景的業務；后續到達成熟期，則會面臨海量物聯網的大規模應用與連接需求。本文將從中篩選出智能網聯車、遠程控制、AR/VR/高清視頻、智能制造四大垂直行業，其對于網絡的需求具體見表1。

針對不同業務的應用示范，將在12個示范城市完成相關測試驗證工作，測試工作將與5G規模試驗工作同步進行。

3 5G規模試驗

3.1 原則與目標

5G規模試驗的總體目標是通過5G規模試驗，驗證關鍵技術與性能，支撐明確技術路線及引入策略，完成網絡規劃建設方案制定、摸索優化運營經驗，推動端到端產業成熟，力爭實現5G全方位引領，同時為運營商今后5G建設和運營培養儲備人才。

5G規模試驗在杭州、廣州、蘇州、武漢、上海分別選擇華為、中興、愛立信、大唐、諾基亞開展，逐步建成每城市百站規模試驗環境，考慮測試結果的完備性，每城市至少測試兩種品牌終端產品。每城市均劃分無線網、核心網、傳輸網、終端4條測試線并行測試，提高效率。5G規模試驗遵循先內后外的原則，即先開展實驗室測試，具備一定條件后，進行外場規模試驗。

表1 垂直行業對網絡的要求

3.2 總體規劃

5G規模試驗總體規劃分為兩個階段，各有側重。第一階段主要是驗證關鍵功能及性能驗證，用于支撐技術路線決策，推動設備性能穩定，形成初步的端到端組網能力；第二階段面向商用，進行網絡規劃、組網、優化、網管、運營、異廠商互通、網元融合等測試，全面達到商用水平，發展友好用戶。考慮端到端產業進度，5G規模試驗第一階段優先啟動NSA組網架構相關測試，再進行SA組網架構相關測試。

3.3 試驗內容

5G規模試驗內容分為無線網、核心網、傳輸網、終端四大類。目前，無線網和終端測試內容已經明確，分為基本性能對比、NSA專項、多天線關鍵技術、室內外多頻段、CU/DU部署方案、5G覆蓋增強技術、終端測試8項內容。

其中，基本性能主要從覆蓋、吞吐量、時延、可靠性等方面分別對NSA組網架構和SA組網架構條件下的5G網絡性能進行評估，為NSA與SA的路線決策提供支撐；NSA組網架構商用面臨LTE錨點頻段選擇等問題，NSA專項旨在驗證NSA上述多種方案的基本性能，指導未來商用建設方案的選擇，同時驗證LTE與5G共存能力；多天線關鍵技術則是為了測試驗證不同通道天線產品適用的場景、在不同場景下的多天線配置方案及其性能；室內外多頻段則是為了通過不同頻段組網方案的測試驗證，為未來5G頻率選擇提供支撐；CU/DU部署方案的目的在于驗證CU-DU分離與合設的性能差異；5G覆蓋增強技術則是為了驗證SUL、CA等增強技術對于5G覆蓋、容量性能的提升效果、適用的場景及成本代價；終端測試的意義在于優化終端實現，推動終端產品成熟。

4 結束語

本文首先介紹了全球5G產業發展情況，然后從新技術引入策略、建網方案和業務需求3個角度梳理了面向商用的5G關鍵問題，并對NSA/SA架構選擇、MEC部署、頻率、覆蓋與容量、垂直行業業務需求等典型問題進行分析；最后介紹了此次5G規模試驗的基本情況，包括原則與目標、總體規劃與試驗內容。

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[2] 3GPP. Physical channels and modulation (release 15): TS38. 211V15.1.0[S]. 2008.

[3] 倪善金, 趙軍輝. 5G無線通信網絡物理層關鍵技術[J]. 電信科學, 2015, 31(12): 48-53.

NI S J, ZHAO J H. Key technologies in physical layer of 5G wireless communications network[J]. Telecommunications Science, 2015, 31(12): 48-53.

[4] 張建敏, 謝偉良, 楊峰義, 等. 移動邊緣計算技術及其本地分流方案[J]. 電信科學, 2016, 32(7): 132-139.

ZHANG J M, XIE W L,YANG F Y, et al. Mobile edge computing and application in traffic offloading[J]. Telecommunications Science, 2016, 32(7): 132-139.

Research and verification of key issues in 5G network

LIU Wei, DONG Jiangbo, REN Yebing

China Mobile Communications Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China

The first edition of 5G technical specification has been frozen on June 2018, and the end to end products have also been steadily developing. The 5G network scale test has been launched, to clear strategy for introducing technology and new technologies.The development of 5G industry in the world was introduced. And then the key issues of 5G were combed from 3 dimensions. Finally, the basic situation of the 5G scale test was introduced, including the principles and objectives, the overall plan and the test content.

NSA, SA, propagation loss, network planning

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018232

劉瑋（1986?），女，中國移動通信集團設計院有限公司工程師，長期從事移動通信網絡規劃、優化等新技術研究與工具開發工作。

董江波（1978?），女，博士，中國移動通信集團設計院有限公司教授級高級工程師，長期從事移動通信網絡規劃、優化等新技術研究工作。

任冶冰（1987?），男，中國移動通信集團設計院有限公司工程師，長期從事移動通信網絡規劃、優化等新技術研究與相關通信軟件研發工作。

2018?07?22；

2018?08?10