4G、5G無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同建設(shè)探討

蔣子云

（湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

隨著5G規(guī)模化商用，4G/5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同建設(shè)、融合發(fā)展將成為未來一段時間內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)重要工作，國內(nèi)各大運營商也將4G/5G深入融合作為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)部署的重要策略。5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時需著重分析對現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的影響，包括在站址資源、頻率、覆蓋以及容量分流等方面上的影響，真正做到為用戶提供一個質(zhì)量高、感知好以及高效智能化的無線通信網(wǎng)絡(luò)。

1 4G/5G協(xié)同建設(shè)思路

1.1 頻率資源協(xié)同

2019年6月5G商用牌照的發(fā)放，中國三大通信運營商分別獲得了各自5G頻段。其中，中國電信獲得3 400～3 500 MHz共100 MHz帶寬，中國聯(lián)通獲得3 500～3 600 MHz共100 MHz帶寬，中國移動獲得2 515～2 675 MHz和4 800～4 900 MHz共260 MHz帶寬。由于中國電信和中國聯(lián)通5G網(wǎng)絡(luò)頻段均為高頻，信號穿透力和繞射力等方面與低頻段相比較差，在城區(qū)連續(xù)覆蓋和樓宇淺層深度覆蓋上存在一定的不足，尋找可以使用的低頻段，做好4G/5G頻率資源共享與協(xié)同建設(shè)將是一個有效的解決思路。

隨著中國聯(lián)通和中國電信在5G網(wǎng)絡(luò)全面共建共享，中國電信和中國聯(lián)通認識到可共享現(xiàn)有2.1 GHz頻段用于5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)這一契機。原中國電信在2.1 GHz頻段上擁有20 MHz帶寬用于4G網(wǎng)絡(luò)（2 110～2 130 MHz），中國聯(lián)通在2.1 GHz頻段上擁有25 MHz帶寬用于3G和4G網(wǎng)絡(luò)（2 130～2 145 MHz，2 145～2 155 MHz），中國聯(lián)通和中國電信兩家在2.1 GHz頻段共擁有45 MHz帶寬，剔除兩端保護帶，共享頻段最少可擁有40 MHz帶寬用于5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)[1]。2.1 GHz頻段資源使用情況如圖1所示。

圖1 2.1 GHz頻段資源使用情況

對于重耕后的2.1 GHz頻段，中國聯(lián)通和中國電信當(dāng)前在此頻段上的4G網(wǎng)絡(luò)仍會存在，因此做好該頻段的4G/5G頻率資源共享及協(xié)同就顯得尤為重要。當(dāng)前較成熟技術(shù)是動態(tài)頻譜資源共享（Dynamic Spectrum Sharing，DSS），即允許4G LTE和5G NR共享相同的頻譜，并將時頻資源動態(tài)分配給4G和5G用戶[2]。動態(tài)頻譜資源共享原理如圖2所示。

圖2 動態(tài)頻譜資源共享原理示意圖

做好動態(tài)頻譜資源共享，最基本的思想是在4G LTE子幀中調(diào)度5G用戶，同時確保用于同步和下行鏈路測量的參考信號不會發(fā)生沖突，不會對LTE用戶產(chǎn)生任何影響。4G LTE的所有信道的時頻資源是固定分配的，參考信號在連續(xù)的時頻資源中占用特定的位置。5G NR定義了各種物理資源，物理層設(shè)計靈活可擴展。可根據(jù)不同的頻段分配為數(shù)據(jù)信道和同步信道提供不同的子載波間隔，參考信號、數(shù)據(jù)信道以及控制信道都具有極高的靈活性，允許進行動態(tài)配置。因此，利用5G物理層的動態(tài)靈活性去適配靜態(tài)的4G LTE，可避免兩種技術(shù)之間發(fā)生沖突[1]。

通過動態(tài)頻譜共享某區(qū)域120個2.1 GHz NR站點，開啟前后測試對比，結(jié)果如表1所示，在信號電平值、下行速率及誤碼率等性能上基本穩(wěn)定。

表1 2.1 GHz NR站點開啟DSS前后性能測試對比表

1.2 覆蓋效果協(xié)同

當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)主流的3.5 GHz頻段由于頻率高，空間傳播衰耗大，相比于低頻在覆蓋上有較明顯的不足，主要表現(xiàn)為上行覆蓋受限。通過上行鏈路測算結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，3.5 GHz頻段上行能力相比1.8 GHz頻段上行能力差12 dB，相比2.1 GHz頻段上行能力差7.7 dB，相比2.6 GHz頻段上行能力差4.2 dB。4G/5G主要頻段上行覆蓋能力對比如表2所示。

表2 4G/5G主要頻段上行覆蓋能力對比表

為彌補5G網(wǎng)絡(luò)高頻段在覆蓋上的不足，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)時需充分考慮4G和5G網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同，做到深度融合，才能保證用戶良好感知，主要有以下思路。

一是在滿足網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)前提下，盡量與現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)站點做到1:1共站點建設(shè)，做好4G、5G網(wǎng)絡(luò)TA/TAL和切換參數(shù)等協(xié)同優(yōu)化，以使兩者做到互補，完好融合[3-8]。覆蓋區(qū)域內(nèi)，用戶優(yōu)先接入5G網(wǎng)絡(luò)，4G網(wǎng)絡(luò)做好區(qū)域邊界、底層及淺層的深度補充覆蓋等。

當(dāng)前國內(nèi)各運營商5G網(wǎng)絡(luò)均采用與4G網(wǎng)絡(luò)站點1:1共站點建設(shè)方式，中國電信和中國聯(lián)通采用與1.8 GHz頻段的4G網(wǎng)絡(luò)站點進行共址建設(shè)，中國移動采用2.6 GHz頻段共模方式建設(shè)。做好4G和5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，尤其在非獨立組網(wǎng)（Non-Stand Alone，NSA）中為用戶保持良好感知提供保障。

二是5G網(wǎng)絡(luò)主流高頻（3.5 GHz頻段）充分做好與2.1 GHz頻段的協(xié)同。3.5 GHz頻段作為主要業(yè)務(wù)承載頻段做好覆蓋區(qū)域內(nèi)有效覆蓋，2.1 GHz NR清頻后作為3.5 GHz頻段有力補充。中國電信和中國聯(lián)通全面共建共享，其中一個最重要的戰(zhàn)略協(xié)同就是共享2.1 GHz頻段，通過對現(xiàn)有2.1 GHz清頻和重耕后，用作5G網(wǎng)絡(luò)的廣覆蓋和底層覆蓋建設(shè)。同時使用一些上行增強技術(shù)推進解決5G網(wǎng)絡(luò)高頻上行覆蓋不足問題[6]。主要方式是通過高頻和低頻互補、時域和頻域聚合，充分發(fā)揮3.5 GHz大帶寬能力和低頻段穿透能力強的特點，既提升了上行帶寬，又提升了上行覆蓋，同時縮短網(wǎng)絡(luò)時延[1]。

三是2.1 GHz和2.6 GHz頻段通過動態(tài)頻譜資源共享在各自頻段上實現(xiàn)4G和5G網(wǎng)絡(luò)深度融合，根據(jù)服務(wù)的用戶或業(yè)務(wù)類型可動態(tài)配置資源和選擇網(wǎng)絡(luò)，從而滿足不同級別的場景業(yè)務(wù)需求。

1.3 站址資源協(xié)同

站址資源的協(xié)同需在充分評估網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的基礎(chǔ)上協(xié)同站址資源的建設(shè)，包括配套資源協(xié)同、天面資源整合以及設(shè)備共享及利舊等。

1.3.1 站址配套資源協(xié)同

站點配套資源協(xié)同最主要包括動力配套、光纖資源以及設(shè)備安裝空間等方面的協(xié)同[9,10]。在5G站點建設(shè)時需準(zhǔn)確測算5G設(shè)備功耗對動力配套需求，及時做到對現(xiàn)有動力配套系統(tǒng)的擴容或替換，以滿足4G/5G網(wǎng)絡(luò)的正常有效運行。當(dāng)前各運營商建設(shè)的5G網(wǎng)絡(luò)基本采用C-RAN建設(shè)方式，即基帶處理單元（Building Base band Unite，BBU）集中安裝機房內(nèi)，有源天線處理單元（Active Antenna Unit，AAU）通過拉遠的方式安裝在基站側(cè)，即需無線網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋區(qū)域。以3扇區(qū)站點（1個站點3臺AAU）為例，目前一個5G站點典型功耗在2 200 W左右，是現(xiàn)網(wǎng)一個4G站點的1.5倍左右，因此規(guī)模化5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)將對現(xiàn)網(wǎng)動力資源是較大沖擊，需做好的動力資源預(yù)留，做到協(xié)同建設(shè)。

光纖資源是5G建設(shè)時最重要的基礎(chǔ)資源之一，隨著城市規(guī)劃、軌道交通的建設(shè)以及市政道路的硬化等，現(xiàn)有光纜資源破壞較嚴(yán)重，同時新建光纜資源難度也越來越大，因此需充分做好光纜資源的協(xié)同，合理規(guī)劃纖芯資源的使用。一是新建站址，4G/5G網(wǎng)絡(luò)同時新建站址需協(xié)同考慮光纜資源的建設(shè)，即每個系統(tǒng)按需求6芯光纖計算。二是已有4G系統(tǒng)的站點將重點協(xié)同資源利舊，并綜合使用一些新技術(shù)和新設(shè)備板件等盤活現(xiàn)有光纜資源，確保4G/5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同建設(shè)，如使用無源波分利舊原有1芯光纜開啟5G網(wǎng)絡(luò)，或?qū)⒃?G設(shè)備光模塊替換為單芯雙向光模塊騰出纖芯用于5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等。

1.3.2 設(shè)備共享及利舊

5G規(guī)模化建設(shè)以來，設(shè)備安裝空間資源越發(fā)緊張，包括機房側(cè)安裝空間及基站側(cè)安裝空間。機房側(cè)做到4G和5G共設(shè)備框安裝BBU以避免各系統(tǒng)都增加BBU設(shè)備框，緩解設(shè)備安裝空間緊張局面，達到區(qū)域內(nèi)4G/5G協(xié)同建設(shè)。在基站側(cè)需根據(jù)不同運營商站點實際情況來進行4G和5G協(xié)同建設(shè)，如2.1 GHz頻段翻頻至40M帶寬，4G/5G共享RRU，開啟動態(tài)頻譜資源共享功能以實現(xiàn)4G/5G協(xié)同建設(shè)，2.6 GHz頻段通過4G/5G共模AAU以實現(xiàn)4G/5G協(xié)同建設(shè)。

1.3.3 天面資源整合

天面資源為無線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中最基礎(chǔ)的資源之一，隨著5G規(guī)模化建設(shè)，天面資源也變得越發(fā)復(fù)雜及緊張。在同一天面上原本可能同時存在2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)天饋線系統(tǒng)，已無空間單獨安裝5G網(wǎng)絡(luò)天饋系統(tǒng)，給5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)帶來極大困難，因此做好天面資源整合是實現(xiàn)4G/5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同建設(shè)的有效保障[2]。

原有2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)天饋系統(tǒng)未整合的情況下，將原單小區(qū)2G/3G/4G天線整合到一面天線上，騰出天面資源用于安裝5G AAU[5]。2G/3G/4G天饋系統(tǒng)整合預(yù)留空間用于5G安裝示意如圖3所示。

圖3 2G/3G/4G天饋系統(tǒng)整合預(yù)留空間用于5G安裝示意圖

原2G/3G/4G天饋系統(tǒng)已整合到一面天線情況下，新增5G AAU可使用A+P全頻段天線合路2G/3G/4G天線和5G AAU做到4G/5G協(xié)同建設(shè)。A+P天線示意如圖4所示，A+P天線用于天面整合方案如圖5所示。

圖4 A+P天線示意圖

圖5 A+P天線用于天面整合方案圖

2 結(jié) 論

4G和5G網(wǎng)絡(luò)將長期共存，因此在當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中，兩者的協(xié)同已成為重要且必須完成好的課題。本文首先闡述了4G和5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同建設(shè)在頻率資源上的必要性及可實現(xiàn)的技術(shù)手段，其次從覆蓋的角度上分析了4G和5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同建設(shè)的思路及方法，最后列舉了在實際的工程建設(shè)中4G和5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同建設(shè)所涉及的站址資源協(xié)同具體方面，包括站址配套資源、設(shè)備共享、利舊及天面整合等。4G和5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同為社會各級別及場景業(yè)務(wù)發(fā)展提供保障，也推進5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及商用化進程。當(dāng)然隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的深入，4G和5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同建設(shè)可能會遇到難以預(yù)見的困難，因此需充分分析協(xié)同的思路及策略，在技術(shù)上做出評估和保障，旨在建設(shè)一個質(zhì)量高、感知好以及高效智能化的無線通信網(wǎng)絡(luò)。