□ 文 劉江挺

一、前言

5G網(wǎng)絡相比當前的4G網(wǎng)絡具有更高的傳輸速率，更快的響應速度和更大連接能力的特點，在國家戰(zhàn)略層面，5G是實現(xiàn)“中國制造2025”與“網(wǎng)絡強國戰(zhàn)略”的必要組成部分。預測到2030年，5G可以帶動總產(chǎn)出達到6.3萬億元，就業(yè)人數(shù)達到800萬個，未來5G將賦能各行各業(yè)應用，給人們生活帶來便利，移動通信網(wǎng)絡向5G演進的進程也隨之加快。

在5G商用進展方面，3GPP組織在2018年9月凍結了可商用的R15版本，包括以NSA（Non-Stand Alone)的組網(wǎng)架構，主要支持eMBB（enhanced Mobile Broadband)業(yè)務，后續(xù)的R16版本將繼續(xù)進行e M B B性能增強和uRLLC（Ultra Reliable Low Latency Communications)場景的標準化，預計在2020年完成。

近期，國內(nèi)三大運營商都已進入了5G網(wǎng)絡的工程建設階段，結合5G標準的進展情況，中國移動在當前的5G網(wǎng)絡建設中，在某省以NSA組網(wǎng)架構，基于4/5G共模設備，并選擇4G FDD1800M+TDD F頻段雙錨點方式組網(wǎng)建設，建成后可以為個人用戶提供極致的高速業(yè)務體驗，后期隨著5G標準及產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，網(wǎng)絡將面向SA的目標組網(wǎng)架構平滑演進，提供低時延高可靠通信及海量的機器類通信，切實服務各行各業(yè)。

二、5G建設中的4G容量問題

2.1 2.6GHz頻段使用情況

在5G頻率分配上，國內(nèi)5G備選頻段有兩個，其中6GHz以上的24GHz-86GHz均為備選頻段，目前主要聚焦在45GHz以下頻段，包括24.25-27.5GHz、27.5-29.5GHz等，而6GHz以下頻段以2.6GHz、3.5GHz頻段為核心頻段。在2018年年底，工信部正式發(fā)布了三大運營商的5G頻率使用許可，聯(lián)通和電信獲得了國際主流的3.5GHz頻段，中國移動獲得2600MHz和4900MHz頻段，其中2.6GHz包括2575-2635MHz頻段為重耕現(xiàn)有的TD-LTE（4G）頻段；2515-2555MHz為新增頻譜，并收回電信（2635-2655MHz）和聯(lián)通（2555～2575MHz）已分配的頻段，使得中國移動在Band41具備2515MHz-2675MHz共計160MHz帶寬頻譜。頻率分配如圖1所示，同時為了規(guī)范統(tǒng)一2.6GHz頻點的說法，以20M帶寬進行D1～D8的劃分。

圖1 5G 2.6GHz頻率分配圖及頻點劃分

在面向5G演進中，結合當前4G D頻段在2.6GHz上已占用了60M帶寬，5G NR（New Radio）頻率在使用方案上主要有兩種，一種為保持4G當前使用2575-2635MHz頻段不變，5G NR使用2.6GHz兩端的頻率資源，形成“三明治”的頻率使用方案。如圖2所示。

5G NR“三明治”頻率使用方案

圖2 5G NR頻率方案一

另一種為對現(xiàn)網(wǎng)4G D頻段前40M進行移頻，5G NR使用連續(xù)的100M頻率資源。如圖3所示。

圖3 5G NR頻率方案二

5G NR連續(xù)使用100M方案

兩種5G NR的頻率使用方案相比，5G NR若采用頻率分段的方案，由于終端芯片普遍不會支持上行CA功能，將會導致上行峰值速率較低，嚴重影響業(yè)務體驗。為了保證5G較優(yōu)的業(yè)務感知，基本都采用5G NR連續(xù)的頻率方案，但這樣對于4G網(wǎng)絡，就將面臨移頻后因可用頻譜資源不足帶來的容量方面問題。

2.2 設備及終端不支持對4G容量的影響

在4G網(wǎng)絡設備方面，經(jīng)現(xiàn)網(wǎng)設備調(diào)查，4GD頻段設備的RRU基本僅支持60M頻譜帶寬，因此在移頻后，原設備僅能開啟D3的頻點，這對于已開啟2個及以上D頻段的4G小區(qū)的容量就會造成了一定影響。另一方面，即使新增網(wǎng)絡設備支持移頻后的60M帶寬，在終端支持方面，仍然也存在一定比例終端不支持移頻后的頻段，通過獲取現(xiàn)網(wǎng)終端情況如圖4所示。

圖4 現(xiàn)網(wǎng)終端支持2.6GHz頻段的比例

可以看出現(xiàn)網(wǎng)終端在移頻后，將有7%左右的終端將受到較大影響，主要是2015年以前的終端，典型的終端為IPHONE 5S。由于現(xiàn)網(wǎng)開滿三載波的4G小區(qū)也比例較低，現(xiàn)網(wǎng)統(tǒng)計比例不到10%，也就是移頻后需要開啟D8頻點小區(qū)的比例較低，對于現(xiàn)階段來說影響較小，但隨著流量快速增長，終端不支持D8頻點仍會在一定程度上對容量造成影響。

2.3 5G網(wǎng)絡暫無法分流對4G容量的影響

在5G業(yè)務分流方面，是否可以通過建成的5G網(wǎng)絡對移頻后的4G的容量進行承接呢？通過進一步分析，首先，受5G標準及產(chǎn)業(yè)鏈成熟度影響，當前建設5G網(wǎng)絡在覆蓋范圍和規(guī)模上相對較小，主要集中在城市的核心區(qū)域和重要場所，初期作為5G的業(yè)務展示，網(wǎng)絡還不具備承接4G容量的條件。其次，隨著5G建設進度加快，5G覆蓋將逐步完善，網(wǎng)絡具備條件后，就依賴于5G終端普及率。結合4G終端的發(fā)展經(jīng)驗，4G商用終端普及率達到10%時，平均歷時13個月，在5G終端方面，根據(jù)Gartner2018Q2預測，全球5G終端出貨量在2021年前，絕對量和5G占4/5G手機比例都較小，直到2023年，5G終端才會超過出4/5G手機出貨量的50%，如圖5所示。

圖5 5G手機出貨預測

圖6 中國4/5G用戶預測

因此在5G終端規(guī)模普及之前，業(yè)務量仍主要承載在4G網(wǎng)絡上，進一步結合GSMA預測的國內(nèi)4/5G網(wǎng)絡用戶數(shù)分析，如圖6所示。

可以看出，在2020年，4G用戶數(shù)將趨于飽和，并持續(xù)到2021年第一季度，4G用戶數(shù)才將出現(xiàn)拐點，5G用戶數(shù)逐步提升，屆時，5G網(wǎng)絡開始顯著分流4G業(yè)務量。

也就是說距2021年5G能有效分流還有約兩年時間，同時由于“提速降費”政策的進一步落實及市場策略導向，數(shù)據(jù)業(yè)務增長仍將保持較快的增長水平。以某省為例，當前DOU不到10GB，不限量套餐滲透率不到30%，在未來2年內(nèi)，雖然缺乏顛覆性的業(yè)務需求刺激，用戶DOU增長受限，但不限量套餐用戶數(shù)將快速發(fā)展，因此總體容量需求上還將增長6～7倍。經(jīng)推算，到2021年，該省高負荷待擴容小區(qū)比例將達到30%，需投入的擴容載頻資源將達到9.5萬塊（等效20M帶寬），擴容投資預計需要15億元，不斷增長的容量需求和投資的矛盾越來越突出。

2.4 4G容量問題小結

綜上所述，5G建網(wǎng)采用100M連續(xù)帶寬，可以保證5G業(yè)務極致體驗，但需要對4G原D頻段進行移頻，由于受制于現(xiàn)網(wǎng)4G網(wǎng)絡設備和手機終端的對移頻后頻段的支持，4G網(wǎng)絡容量勢必受到影響，且5G終端無法快速普及，預計5G能實現(xiàn)有效分流還需要兩年的時間，這期間4G流量仍保持快速增長，若繼續(xù)投資4G容量建設，5G開始分流后，這部分投資將徹底浪費。如何保障現(xiàn)網(wǎng)4G網(wǎng)絡容量，確保用戶感知，并化解投資風險，實現(xiàn)降本增效，本文將進行相關解決措施的探討。

三、4G容量問題解決措施探討

3.1 低成本的容量保障措施

在4G容量保障中，為達到降本增效的目的，就要求在擴容中基于性價比高，工程部署簡便的原則，大體可以分為4個步驟：

◆ 首先是竭盡優(yōu)化手段，攤薄容量厚度，4G網(wǎng)絡在城區(qū)基本已建成了2層以上的網(wǎng)絡，熱點區(qū)域達到了4層，通過統(tǒng)計現(xiàn)網(wǎng)多層網(wǎng)小區(qū)的利用率情況，發(fā)現(xiàn)同覆蓋的小區(qū)之間負荷仍存在不均衡的問題，因此可通過負荷均衡手段，將業(yè)務合理分攤到多層網(wǎng)上，緩解因不均衡造成的4G高負荷小區(qū)；

◆ 其次是靈活調(diào)度，盤活現(xiàn)有資源，由于網(wǎng)絡具有明顯的忙閑差異性，如在學校、工廠、居民區(qū)、商業(yè)區(qū)等場景，業(yè)務量的潮汐現(xiàn)象很明顯，因此在硬件設備支持的情況下，通過部署載波調(diào)度，可以靈活調(diào)度載波能力，可在資源不增加的情況下解決容量問題。在5G建設中，由于設備均為4/5G共模設備，因此可以將部分替換下4GD頻段設備重新利用到鄉(xiāng)鎮(zhèn)，農(nóng)村等場景的熱點區(qū)域上，充分利用好存量資源；

◆ 再次，持續(xù)挖潛頻率資源，包括A頻段15M的重耕，F(xiàn)2載波10M的全面開啟，GSM1800M全面清頻后用于4G FDD等這類低投入保容量的方式；

◆ 最后，在新增資源投入上，建議以1800M擴容為主，一方面1800M具有上行容量優(yōu)勢，另一方面作為5GNSA組網(wǎng)下錨點，同時在頻率資源窮盡的場景下，以4/5G共模設備開啟3D-MIMO，同步儲備5G能力，實現(xiàn)保護投資。

3.2 基于頻率共享的容量保障措施

但針對現(xiàn)網(wǎng)存在較多超高流量密度區(qū)域，4G容量問題可能仍無法得到有效解決，因此就可以考慮引入頻率共享技術進行解決，該技術提出以不區(qū)分網(wǎng)絡制式，按需調(diào)度資源，實現(xiàn)頻譜“云化”的思路，解決頻率資源受限的容量問題，包括4G與2G和4G與5G的頻譜共享。

◆ 4G與2G的頻率共享

傳統(tǒng)通過重耕2G頻段用于4G時，以10M帶寬為例，一般為4G使用中間5M，2G使用兩頭的2.4M，并各留1個0.2M頻點作為保護帶寬，共4.8M，4G和2G使用的頻率沒有重疊。而在頻率共享技術下，可以將4G和2G使用的頻率部分重疊，使得4G的帶寬擴大到10M，2G同樣可以共享使用10M帶寬中的4.4M帶寬。如圖7所示。

圖7 2/4G頻率共享

在GSM系統(tǒng)忙時，其中2/4G共享頻譜將用于GSM系統(tǒng)，確保存量2G用戶的感知，在GSM閑時將用于4G系統(tǒng)，因此4G就可以獲得一個錯峰收益，分擔容量問題。該技術具體實現(xiàn)過程為：GSM終端上報MR測量報告，BSC基于2/4G干擾鄰區(qū)關系、共享頻點的用戶占用狀況，判斷4G基站使用共享頻譜是否干擾GSM用戶，如果干擾可控，就向4G發(fā)送頻率復用指令，eNodeB根據(jù)接收到的復用指令，計算出4G在共享頻譜上的可用時頻資源，并進行合理的分配和調(diào)度，從而獲得共享增益，過程如圖8所示。

圖8 2/4G頻率共享原理圖

◆ 4G與5G的頻率共享

由于4G和5G都是采用OFDMA技術，二者最小資源塊在時域與頻域上可對齊，因此LTE和NR在載波帶寬內(nèi)可完全重疊，同理實現(xiàn)頻譜共享，如圖9所示：

圖9 4/5G頻率共享

但在5G商用初期，由于5G輕載，因此還可以通過動態(tài)的頻率調(diào)整，解決移頻后的4G容量問題。相比4/5G同頻共享，動態(tài)的頻率調(diào)整實現(xiàn)上更容易。應用場景可包括：一兼顧4G和5G的體驗的場景，5GNR靈活分配使用前80M，4G就可保持當前D2～D3的40M不移頻；二4G容量壓力不大的場景，NR就可以開啟100M，滿足高速的5G業(yè)務的體驗，而4G可使用移頻后的60M。4/5G頻率動態(tài)分配如圖10所示：

圖10 4/5G頻率動態(tài)分配

需要注意的是，由于5G網(wǎng)絡的建成是逐步推進的過程，現(xiàn)網(wǎng)必然存在部分5G站點在開啟100M后，與周邊4G D頻段站點在D1-D2頻點上的同頻干擾。

3.3 基于終端的細化容量保障措施

4G移頻后，由于現(xiàn)網(wǎng)終端支持的程度不同，因此可以考慮通過針對終端能力進行終端駐留策略的優(yōu)化，實現(xiàn)業(yè)務量的均攤。現(xiàn)網(wǎng)各頻段的駐留策略一般為：2.3GHz＞2.6GHz＞(1.9GH z=1.8GHz)＞900MHz，若對于2015年之前的終端，由于僅支持2570～2620MHz頻端，無法占用D3頻點，就需通過駐留策略優(yōu)先將這類終端調(diào)整至TDD F頻段或FDD1800小區(qū)上，而對于支持D頻段全帶寬的終端，就可調(diào)整為優(yōu)先駐留D8頻點。當然由于4G網(wǎng)絡還將根據(jù)載波的負荷進行實時的業(yè)務量均衡，并且在用戶數(shù)達到承載極限時，4G網(wǎng)絡容量仍受限于可用的頻率資源，因此基于終端的調(diào)整效果有限。

四、現(xiàn)網(wǎng)試點應用效果

現(xiàn)網(wǎng)中，當前已切實推進實施低成本的容量保障措施，其效果已得到前期工程驗證，這里不再贅述。本文將重點針對基于頻率共享的容量保障措施在現(xiàn)網(wǎng)的應用效果進行介紹。

4.1 2/4G頻率共享試點效果

◆ 試點區(qū)域情況

試點選擇了某市城區(qū)中的高校區(qū)域，該區(qū)域4G小區(qū)的業(yè)務負荷較高，容量問題較為突出。試點區(qū)域內(nèi)共有2/4G共模無線站點9個，站點采用國內(nèi)主流設備廠家的GSM/NB-IoT/FDD共模設備，具備三種網(wǎng)絡制式同時工作的能力，從而能實現(xiàn)低成本建網(wǎng)，節(jié)能提效，多網(wǎng)協(xié)同運營。頻段使用的是Band8，上下行對稱頻段，下行頻段范圍為934MHz～954MHz，站點的平均站間距為525m。為隔離外圍區(qū)域?qū)υ圏c區(qū)域內(nèi)站點的射頻干擾，根據(jù)2G GSM900小區(qū)的經(jīng)驗覆蓋半徑值，測試中按1.5km設置了隔離保護區(qū)，確定隔離區(qū)內(nèi)有13個2/4G共模站點。試點區(qū)域如圖11所示。

圖11 2/4G頻率共享試點區(qū)域圖

◆ 該區(qū)域內(nèi)2/4G的業(yè)務量情況

統(tǒng)計2/4G某一周業(yè)務量，發(fā)現(xiàn)在每日的時間段9:00～12:00和17:00～20:00都屬于GSM900M小區(qū)的話務高峰時段，同時段4G FDD-LTE小區(qū)的流量相對較低；21:00 GSM話務量開始下降，F(xiàn)DD-LTE流量相對上升，4G FDD-LTE最忙時出現(xiàn)在晚上22:00～23:00；因此2G GSM小區(qū)和FDD-LTE小區(qū)的業(yè)務特征存在錯峰的特點，這將有利于頻譜資源按需分配。2/4G小區(qū)業(yè)務量對比情況如圖12所示。

◆ 試點頻率設置方案：本次試點在BAND8 FDD/GSM 900M頻段上進行驗證。

GSM：預留21個BCCH頻點（13～33）、46個TCH頻點（10 20～1023+0～12+34～41+42～52+81～90）部署GSM網(wǎng)絡，其中（42～52+81～90）為共享頻點。

4G FDD：4G小區(qū)設置10M帶寬，其中共享帶寬占4.4M。

NB：占用GSM 92、93、94號頻點，91號頻點做隔離用。

隔離區(qū)：TCH不用共享頻點，隔離試點區(qū)域與大網(wǎng)間的同頻干擾。

圖12 2/4G小區(qū)業(yè)務量對比圖

頻段分配示意如圖13所示。

圖13 900M頻段上2/4G頻率共享

◆ 網(wǎng)絡部署準備條件

表1 2/4G頻率共享條件

如表1所示，其中GSM站點增加時鐘同步，主要是為了在干擾判決中要求LTE不干擾本小區(qū)的GSM業(yè)務，同時還要考慮鄰區(qū)的GSM業(yè)務，因此只有GSM網(wǎng)絡同步時才能聯(lián)合GSM鄰區(qū)影響進行干擾估計。2/4G BBU互聯(lián)是為了實現(xiàn)2/4G之前信息的傳遞，包括GSM BSC與LTE eNB之間進行信息交互，GSM和LTE需要有固定的時鐘關系而傳遞的時鐘互鎖信息，從而實現(xiàn)GL動態(tài)頻譜共享和GL干擾協(xié)調(diào)控制，整體上網(wǎng)絡改造并不太復雜，無需額外的硬件資源投資。

◆ 試點效果

總體上，2/4G網(wǎng)絡指標基礎保持穩(wěn)定，4G獲得了錯峰增益明顯。相關指標如表2所示。

開啟頻率共享后，4G FDD小區(qū)日均流量平均增長了36.49%，而同區(qū)域TDD小區(qū)的無線利用率也有所下降，起到了負荷分擔的作用。試點應用效果如圖14所示。

4.2 4/5G頻率動態(tài)分配

在4/5G頻率共享應用中，當前主要是160M頻譜的靈活分配，暫未實施頻率復用。現(xiàn)網(wǎng)中主要考慮5G開啟100M后，可能存在與周邊未移頻的4G站點在D1D2上的同頻干擾。從理論上來講，5G對4G的干擾基本可以忽略，這是因為在廣播信道上，5GNR最大支持8個窄波束進行輪詢發(fā)送，使得干擾隨機化，同時導頻信道上，5G NR也不再發(fā)送類似在4G中發(fā)送的CRS信號。如圖15所示。

表2 共享開啟前后的2/4G網(wǎng)絡指標

圖14 試點應用效果

圖15 4/5G同頻干擾示意圖

另一方面，有設備廠家的仿真結果也表明，4G對5G的下行平均速率的影響在10%左右，并隨著5G業(yè)務負荷的提升，4G對5G的影響相比5G系統(tǒng)內(nèi)自干擾影響變得更小，因此基于不同的4G業(yè)務負荷，可以靈活配置5G帶寬80～100M，即滿足初期5G業(yè)務演示需要，又同時保障4G容量需求。

五、結束語

隨著5G進程及產(chǎn)業(yè)鏈不斷成熟，預計不久5G網(wǎng)絡將協(xié)同4G網(wǎng)絡成為重要的無線側業(yè)務承載網(wǎng)絡，當前若為保障4G容量繼續(xù)高強度的投資，勢必會導致投資效益差的問題，基于此本文探討總結了低成本的容量保障措施，其中頻率共享技術從投入產(chǎn)出來看是較好的一個解決手段?！?/p>