陳 鋒，許紹松，陳 海，董帝烺（中國(guó)聯(lián)通福建分公司，福建福州 350000）

1 概述

在現(xiàn)代生活的方方面面都與通信息息相關(guān)，通信在現(xiàn)代生活中的地位越來(lái)越重要。而5G 通信作為新一代通信技術(shù)，對(duì)于現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展與現(xiàn)代生活品質(zhì)的提升有著開創(chuàng)性的意義。本文以研究5G及其5G相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際測(cè)試與分析結(jié)果，通過(guò)理論與實(shí)際相結(jié)合，進(jìn)一步挖掘5G 的實(shí)際應(yīng)用，使得5G技術(shù)能夠更好地為客戶服務(wù)，提升客戶體驗(yàn)。

5G移動(dòng)通信作為最新一代的移動(dòng)通信技術(shù)，將提供20 倍于LTE 的小區(qū)容量、10 倍的用戶體驗(yàn)、1/10 的空口時(shí)延，同時(shí)滿足超大帶寬（eMBB），超高可靠性超低時(shí)延（uRLLC）和超大連接（mMTC）業(yè)務(wù)的需求。

當(dāng)前5G R15 版本主要滿足超大帶寬（eMBB）需求，而網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)主要采用NSA 組網(wǎng)模式，因此本研究將針對(duì)當(dāng)前架構(gòu)，通過(guò)梳理該版本下的5G 特性，從無(wú)線覆蓋特性、系統(tǒng)調(diào)度及組網(wǎng)特點(diǎn)各方面，研究提升用戶體驗(yàn)的優(yōu)化方案。

2 5G Massive MIMO特性優(yōu)化研究及應(yīng)用

2.1 Massive MIMO特性簡(jiǎn)述

Massive MIMO 和波束賦形（BF）是5G 的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，5G 將LTE 時(shí)期的MIMO 進(jìn)行了擴(kuò)展和延伸，LTE的MIMO 最多8 天線，到5G 擴(kuò)增為16/32/64/128 天線，所以被稱為“大規(guī)?！盡IMO。Massive MIMO 和波束賦形二者相輔相成，缺一不可。甚至可以說(shuō)大規(guī)模MIMO 就是大量天線的波束，如果把Massive MIMO 比作外在肉體，那波束賦形就是內(nèi)在靈魂。

Massive MIMO 負(fù)責(zé)在發(fā)送端和接收端將越來(lái)越多的天線聚合起來(lái)；波束賦形負(fù)責(zé)將每個(gè)信號(hào)引導(dǎo)到終端接收器的最佳路徑上，提高信號(hào)強(qiáng)度，避免信號(hào)干擾，從而改善通信質(zhì)量。

總體來(lái)說(shuō)Massive MIMO和波束賦形的優(yōu)點(diǎn)如下。

a）更精確的3D 波束賦形，提升終端接收信號(hào)強(qiáng)度。

b）同時(shí)同頻服務(wù)更多用戶（多用戶空分），提高網(wǎng)絡(luò)容量。

c）有效減少小區(qū)間的干擾。

d）更好地覆蓋遠(yuǎn)端和近端的小區(qū)。

5G時(shí)代，Massive MIMO 和波束賦形主要應(yīng)用場(chǎng)景如下。

a）重點(diǎn)區(qū)域多用戶場(chǎng)景∶如演唱會(huì)、聚會(huì)、球場(chǎng)等。

b）高樓覆蓋場(chǎng)景∶三維波束賦形可有效提升水平和垂直覆蓋的能力。

2.2 Massive MIMO特性參數(shù)驗(yàn)證

現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備通過(guò)幅度、相位算法可調(diào)整Massive MIMO 波束的覆蓋寬度，依據(jù)覆蓋情況選定不同水平、垂直波瓣寬度的MIMO 設(shè)置。當(dāng)前版本基站Massive MIMO 波束有1 個(gè)默認(rèn)場(chǎng)景與16 種其他非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，分別提供15°、25°、45°、65°、105°、110°的水平半功率波瓣寬度和6°、12°、25°的垂直半功率波瓣寬度設(shè)置，并對(duì)應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)景，具體情況如表1所示。

5G 建網(wǎng)初期，根據(jù)實(shí)際建設(shè)需求，選擇不同典型場(chǎng)景，挑選相應(yīng)應(yīng)用模式模擬測(cè)試驗(yàn)證，確認(rèn)對(duì)比覆蓋效果，為后期場(chǎng)景差異化覆蓋積累相關(guān)數(shù)據(jù)。

場(chǎng)景一∶小角度水平波瓣角設(shè)置信號(hào)能量更集中，有利于深度覆蓋（見圖1和表2）。

場(chǎng)景二∶同垂直掃描范圍場(chǎng)景下，大水平掃描范圍場(chǎng)景設(shè)置在測(cè)試點(diǎn)有MIMO 信號(hào)增益，有利于廣域覆蓋（見圖2和表3）。

場(chǎng)景三∶對(duì)于高樓場(chǎng)景設(shè)置更寬的垂直波瓣角能有效提升樓宇高層覆蓋（見圖3和表4）。

綜上所述，小角度水平波瓣角Massive MIMO 設(shè)置信號(hào)能量更集中，有利于深度覆蓋，并且不同覆蓋場(chǎng)景采用相應(yīng)的Massive MIMO 波束設(shè)置可以帶來(lái)信號(hào)增益。廣域覆蓋建議用大水平掃描范圍Massive MIMO 波束設(shè)置，高樓場(chǎng)景建議設(shè)置更寬的Massive MIMO垂直波束設(shè)置。

表1 Massive MIMO網(wǎng)管場(chǎng)景設(shè)置及應(yīng)用推薦

圖1 Massive MIMO水平波瓣角特性驗(yàn)證場(chǎng)景

表2 Massive MIMO特性測(cè)試結(jié)果（一）

圖2 Massive MIMO水平波瓣角特性驗(yàn)證場(chǎng)景

表3 Massive MIMO特性測(cè)試結(jié)果（二）

圖3 Massive MIMO實(shí)際特性驗(yàn)證場(chǎng)景

表4 Massive MIMO特性測(cè)試結(jié)果（三）

3 5G時(shí)隙配比優(yōu)化研究及應(yīng)用

3.1 5G時(shí)隙配比簡(jiǎn)述

為了便于實(shí)現(xiàn)LTE 與5G 共同部署模式，5G 的幀結(jié)構(gòu)與LTE 類似，無(wú)線幀和子幀的長(zhǎng)度固定，能夠更好地保證LTE與5G共存，5G幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。相比較于LTE，5G 的時(shí)隙與字符長(zhǎng)度可根據(jù)子載波之間的間隔靈活變化。

圖4 5G幀結(jié)構(gòu)

在LTE 中子載波長(zhǎng)度被定義為15 kHz，5G 中子載波長(zhǎng)度也為15 kHz，但是5G的子載波長(zhǎng)度是靈活可被擴(kuò)展的，比如在5G 中子載波長(zhǎng)度可以為15、30、45、60、120 kHz 也可以是7.5、3.75 kHz 等，相當(dāng)于子載波長(zhǎng)度可以為15 kHz×2m，m∈（-2，-1，……，4，5）。具體如表5所示。

eMBB 場(chǎng)景，按照30 kHz 子載波間隔，各廠家提出了不同的幀結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可支持其中的1種或多種（靜態(tài)配置）。目前設(shè)備僅支持4_1_DDDSU 與8_2_DDDDDDDSUU 2種方式。

表5 5G子載波長(zhǎng)度

a）4_1_DDDSU。每2.5 ms 里面包含3 個(gè)全下行時(shí)隙，1個(gè)全上行時(shí)隙和1個(gè)特殊時(shí)隙。特殊時(shí)隙配比為10∶2∶2（可調(diào)整）。pattern周期為2.5 ms，1個(gè)上行子幀，周期較短，有利于降低時(shí)延（見圖5）。

b）8_2_DDDDDDDSUU。每5 ms 里面包含7 個(gè)全下行時(shí)隙，2個(gè)全上行時(shí)隙和1個(gè)特殊時(shí)隙。特殊時(shí)隙配比為10∶2∶2（可調(diào)整）。pattern 周期為5 ms，上下行轉(zhuǎn)換周期長(zhǎng)，利于下行吞吐量，但上下行轉(zhuǎn)換間隔較長(zhǎng)，對(duì)調(diào)度時(shí)延可能有一定影響（見圖6）。

3.2 5G時(shí)隙配比調(diào)整驗(yàn)證

圖5 時(shí)隙示意圖（一）

圖6 時(shí)隙示意圖（二）

在5G現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行時(shí)隙配比調(diào)整，定點(diǎn)測(cè)試對(duì)比小區(qū)不同時(shí)隙配比情況下的時(shí)延、速率變化情況。現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)子載波間隔為30 kHz，依據(jù)宏站小區(qū)半徑5 km 以上GP 符號(hào)，選擇GP 符號(hào)數(shù)量2、6 進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，測(cè)試3個(gè)不同站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

GP 符號(hào)數(shù)量與小區(qū)半徑如表6 所示，不同時(shí)隙配比時(shí)延速率測(cè)試情況如圖7和圖8所示。

表6 GP符號(hào)數(shù)量與小區(qū)半徑

測(cè)試結(jié)果表明，上下行時(shí)隙配比4∶1與8∶2 2種模式對(duì)比，前者時(shí)延優(yōu)于后者，小包，但下行速率略低（特殊子幀中GP 符號(hào)數(shù)配置相同），符合理論預(yù)期。綜合考量，建網(wǎng)初期為提升用戶感覺(jué)建議采用4_1_DDDSU配置。

4 NSA結(jié)構(gòu)下DC雙連接研究及應(yīng)用

4.1 DC雙連接概述

圖7 不同時(shí)隙配比時(shí)延測(cè)試情況

圖8 不同時(shí)隙配比速率測(cè)試結(jié)果

DC雙連接主要是為了使用戶擁有更高速率，提高頻譜利用率及負(fù)載均衡，通過(guò)微站與宏站現(xiàn)有的非理想回傳（non-ideal backhaul）X2 接口來(lái)實(shí)現(xiàn)載波聚合，使具有雙連接功能的終端能夠同時(shí)連接2 個(gè)基站，提高單用戶的上下行吞吐率。同理，在5G 系統(tǒng)建設(shè)中，5G 站點(diǎn)作為獨(dú)立宏站建設(shè)，也可把5G 作為L(zhǎng)TE 雙連接中微站或宏站角色對(duì)現(xiàn)有的LTE 提供覆蓋與容量負(fù)載分擔(dān)，但是不管是作為獨(dú)立宏站建設(shè)還是作為小站提供覆蓋及容量負(fù)載分擔(dān)，雙連接技術(shù)都是實(shí)現(xiàn)LTE 與5G 連接的關(guān)鍵技術(shù)。3GPP Release-14［3］在實(shí)現(xiàn)LTE 網(wǎng)絡(luò)雙連接技術(shù)的理論基礎(chǔ)上，定義了LTE 和5G 的雙連接模式。利用雙連接技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)前期利用LTE 核心網(wǎng)的快速部署，同時(shí)實(shí)現(xiàn)在5G 建設(shè)后期通過(guò)雙網(wǎng)（5G 與LTE）聯(lián)合組網(wǎng)方式降低因?yàn)楫愊到y(tǒng)切換產(chǎn)生的時(shí)延，并且雙網(wǎng)聯(lián)合組網(wǎng)也可以提高系統(tǒng)的無(wú)線資源利用率，使資源利用最大化。

在5G 基礎(chǔ)建設(shè)前期能夠憑借LTE 核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)快速部署，但是在5G 核心網(wǎng)建成以后5G 系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立組網(wǎng)，5G形成獨(dú)立組網(wǎng)之后雖然可以提供更高的數(shù)據(jù)速率與更好的業(yè)務(wù)質(zhì)量，但是5G還會(huì)有覆蓋不足的地方，這些覆蓋不足的地方就需要利用現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行彌補(bǔ)以提供更好的覆蓋，3GPP Release-14［2］定義了多種可能的LTE/5G雙連接模式（見圖9）。

其中基于現(xiàn)網(wǎng)EPC改造的Option3x模式對(duì)存量站點(diǎn)影響小，又支持靈活的分流方式，是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)首選。

圖9 NSA組網(wǎng)方案

Option3x 結(jié)構(gòu)由主基站LTE eNB 根據(jù)無(wú)線算法決定承載建立為MCG Bearer、SCG Bearer 或Split Bearer（見表7）。分流由gNB 根據(jù)無(wú)線算法動(dòng)態(tài)控制，核心網(wǎng)側(cè)不感知。

在控制面，Option3x 組網(wǎng)時(shí)UE 只有一個(gè)基于MN的RRC 狀態(tài)（并不是LTE 和NR 各一個(gè)），同時(shí)只有一條到核心網(wǎng)的控制面連接。MN 和SN 都有自己的RRC實(shí)體，可以生成要發(fā)送給UE的RRC PDU。

在用戶面，每一種承載（MCG bearer、SCG bearer、split bearer）的PDCP可以位于MN，也可以位于SN。

表7 Option結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)可以為MCG 承載配置E-UTRA PDCP 或者NR 的PDCP；SCG 承載和Split 承載只能使用NR PDCP。MN 和SN 通過(guò)X2 接口連通，MCG bearer 由MN 發(fā)送數(shù)據(jù)給UE，SCG bearer 由SN 發(fā)送數(shù)據(jù)給UE；Split bearer 指的是將LTE 中UE 與eNodeB 之間的Radio Bearer“Split”。在Split bearer 中，NR PDCP 用于LTE和NR，且數(shù)據(jù)流的“Split”是由PDCP完成的。

MN：Master node，在MR-DC 中，控制面與核心網(wǎng)相連的節(jié)點(diǎn)，比如∶EN-DC 中的eNB，NGEN-DC 中的ng-eNB，NE-DC中的gNB。

MCG：Master Cell Group，在MR-DC 中，跟MN 相關(guān)聯(lián)的一組服務(wù)小區(qū)，由SpCell（Pcell）和可能存在的一個(gè)或多個(gè)Scell組成。

SN：Secondary node，在MR-DC 中，沒(méi)有控制面與核心網(wǎng)相連的節(jié)點(diǎn)，但可以給UE 提供額外的輔助無(wú)線資源的無(wú)線接入節(jié)點(diǎn)。比如∶EN-DC 中的en-gNB，NE-DC中的ng-eNB，NGEN-DC中的gNB。

SCG：Secondary Cell Group，在MR-DC 中，跟SN 相關(guān)聯(lián)的一組服務(wù)小區(qū)，由SpCell（PSCell）和可能存在的一個(gè)或多個(gè)Scell組成。

MCG bearer：主站分流模式。

SCG bearer：輔站（NR）分流模式。

Split bearer：動(dòng)態(tài)分流模式。

4.2 DC雙連接設(shè)置與驗(yàn)證

現(xiàn)網(wǎng)當(dāng)前采用主流配置，用戶默認(rèn)承載在NR 側(cè)（LTE 錨點(diǎn)側(cè)設(shè)置NSA DC 默認(rèn)承載模式為SCG_SPLIT_BEARER），gNB 根據(jù)數(shù)據(jù)分流模式設(shè)置決定用戶數(shù)據(jù)走向（當(dāng)設(shè)置SCG bearer 時(shí)數(shù)據(jù)單獨(dú)走SN 側(cè)，設(shè)置Split bearer 時(shí)數(shù)據(jù)同時(shí)在SN/MN 側(cè)傳輸）。具體流程如下：

用戶面數(shù)據(jù)流：EPC →gNBS1-U →gNodeB→gNBX2-U →X2-U →eNodeB。

選擇倉(cāng)山城門海峽西展外側(cè)燈桿進(jìn)行上下行灌包拉測(cè)，對(duì)比數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分別向LTE 分流（Split bearer 模式）與不分流（SCG bearer 模式）時(shí)對(duì)邊緣覆蓋以及用戶體驗(yàn)速率的影響。（以RSRP 值為-100 dBm 作中、遠(yuǎn)點(diǎn)臨界點(diǎn)）。LTE 小區(qū)為10 MHz 帶寬，總功率20 W（RS配置15.2），5G NR 小區(qū)總功率200 W（功率配置值34.9）。

覆蓋對(duì)比：對(duì)比單獨(dú)NR 數(shù)據(jù)傳輸與DC 雙連接的邊緣速率（5 Mbit/s）覆蓋情況，DC 雙連接比單獨(dú)在NR上進(jìn)行速率業(yè)務(wù)的邊緣速率覆蓋距離更遠(yuǎn)。

體驗(yàn)速率對(duì)比如下。

a）上行增益。

（a）RSRP≥100 dBm 時(shí)，DC 分流場(chǎng)景下上行總平均速率38 Mbit/s（其中LTE 平均速率12 Mbit/s，NR 26 Mbit/s），增益46%。

（b）RSRP＜100 dBm 時(shí)，DC 分流場(chǎng)景下上行總平均速率11 Mbit/s（其中LTE 平均速率0.7 Mbit/s，NR 8 Mbit/s），增益9%。

b）下行增益。

（a）RSRP≥100 dBm 時(shí)，DC 分流場(chǎng)景下，下行總平均速率359 Mbit/s（其中LTE 平均速率44 Mbit/s，NR 速率315 Mbit/s），增益為14%。

（b）RSRP＜100 dBm 時(shí)，DC 分流場(chǎng)景下，下行總平均速率215 Mbit/s（其中LTE 平均速率14 Mbit/s，NR 速率201 Mbit/s），增益為7%。

5 結(jié)束語(yǔ)

NSA 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)是目前網(wǎng)絡(luò)中主用的組網(wǎng)模式，本文就是在網(wǎng)絡(luò)部署初期，從組網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵技術(shù)原理出發(fā)，摸索提升用戶體驗(yàn)的方法及手段，通過(guò)DC 雙連接、時(shí)隙配比優(yōu)化以及Massive MIMO 差異性優(yōu)化3個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，總結(jié)有益經(jīng)驗(yàn)，從現(xiàn)階段驗(yàn)證，總結(jié)如下結(jié)論：

a）小角度水平波瓣角Massive MIMO 設(shè)置信號(hào)能量更集中，有利于深度覆蓋場(chǎng)景無(wú)線信號(hào)改善，提升該場(chǎng)景下用戶體驗(yàn)。

b）不同覆蓋場(chǎng)景采用相應(yīng)的Massive MIMO 波束設(shè)置可以帶來(lái)信號(hào)增益。廣域覆蓋建議用大水平掃描范圍Massive MIMO 波束設(shè)置，高樓場(chǎng)景建議設(shè)置更寬的Massive MIMO垂直波束設(shè)置。

c）上下行時(shí)隙配比4∶1 時(shí)延優(yōu)于8∶2 配置，但峰值速率低于后者。結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)需求綜合考量，為提升用戶體驗(yàn)現(xiàn)階段建議采用4_1_DDDSU配置。

d）在NSA 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)下5G 站點(diǎn)配置DC 雙連接的Split bearer（動(dòng)態(tài)分流）模式對(duì)用戶體驗(yàn)有著比較明顯提升作用。