Labs 導(dǎo)讀
本文從分析5G+4G無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同建設(shè)的背景和必要性出發(fā)，指出5G+4G開展協(xié)同建設(shè)天然具備的頻率、設(shè)備和站址等優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上剖析了5G+4G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋協(xié)同和容量協(xié)同的關(guān)鍵技術(shù)，并提出了協(xié)同組網(wǎng)方案，基于這種方案，既能應(yīng)對當(dāng)前4G網(wǎng)絡(luò)容量挑戰(zhàn)，又能構(gòu)筑5G領(lǐng)先競爭優(yōu)勢的無線網(wǎng)絡(luò)演進基礎(chǔ)架構(gòu)，同時實現(xiàn)降本增效地打造5G精品網(wǎng)絡(luò)的目標。
作者：孟繁麗、程日濤、堯文彬、楊麗、王申
1 5G+4G協(xié)同建設(shè)的有利條件
5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是我國網(wǎng)絡(luò)強國的國家戰(zhàn)略，5G網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新升級的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，具有重要的意義。經(jīng)過多年積累，我國運營商已擁有全球最多的無線基站站址。同時，與1G/2G/3G/4G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)升級不同的是，運營商由4G升級至5G網(wǎng)絡(luò)具有先天的巨大優(yōu)勢，除了豐富的站址資源可以共享外，還包括以下共享能力。
（1）頻率共享：5G網(wǎng)絡(luò)分配了多個頻段的使用許可，其中2.6GHz頻段由5G與4G共享2515~2675MHz共160MHz頻譜資源，這不僅使得運營商擁有較低無線鏈路損耗從而節(jié)約建網(wǎng)投入的優(yōu)勢，還可在此基礎(chǔ)上充分利用已有4G 2.6GHz頻段運營經(jīng)驗管理5G網(wǎng)絡(luò)，同時還可充分發(fā)揮產(chǎn)業(yè)鏈帶動能力，最大化地實現(xiàn)設(shè)備能力和終端能力共模。
（2）設(shè)備共享：基于頻譜資源帶寬共享，發(fā)展5G+4G共硬件設(shè)備，實現(xiàn)基帶具備不同制式轉(zhuǎn)換的能力（也稱轉(zhuǎn)模），建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)的同時能夠?qū)⒏辉＞W(wǎng)絡(luò)能力兼顧4G業(yè)務(wù)需求，最大化地實現(xiàn)設(shè)備利用效率。
（3）業(yè)務(wù)能力：4G網(wǎng)絡(luò)整體容量仍在增長，局部區(qū)域頻譜資源不足日益凸顯，用戶業(yè)務(wù)感知保障壓力不斷增長。5G eMBB與4G eMBB同為移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可與4G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)業(yè)務(wù)協(xié)同分擔(dān)，同時5G網(wǎng)絡(luò)能夠提供至少十倍于4G的峰值速率、毫秒級的傳輸時延和千億級的連接能力，因此，二者在網(wǎng)絡(luò)能力協(xié)同共享的同時，更能滿足融合業(yè)務(wù)和差異化業(yè)務(wù)長期合力發(fā)展的現(xiàn)實需求。
4G方興未艾，5G已經(jīng)到來，5G+4G必將在網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)支撐能力方面長期共存。本文將從無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)層面，探索5G+4G無線網(wǎng)協(xié)同發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，既能充分發(fā)掘4G網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有優(yōu)勢，又能發(fā)揮5G技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的全新能力，以二者協(xié)同的最大合力實現(xiàn)降本增效的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運營，同時有利于網(wǎng)絡(luò)演進發(fā)展。
2 5G+4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋協(xié)同建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)分析
無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的主要目標是聚焦建網(wǎng)價值區(qū)域，盡可能地以最合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、最優(yōu)的設(shè)備選型和最佳的投資性價比實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋目標。在用戶需求與技術(shù)演進同時發(fā)展的情況下，無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)逐漸向一種新型的組網(wǎng)架構(gòu)演進，在保持現(xiàn)有室外蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的情況下，在5G+4G協(xié)同發(fā)展初期，有如下方面的關(guān)鍵內(nèi)容。
2.1 5G+4G站址資源共享技術(shù)
2.1.1 充分利用已有5G+4G站址共享
在共用的2.6GHz頻段上，5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋與業(yè)務(wù)能力優(yōu)于4G制式，因此4G和5G具備共享站址的能力，在組網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)方面可充分利用已有基站站點機房配套，開展快速、低成本建網(wǎng)。
在這種基礎(chǔ)上，不同于以往的全網(wǎng)標準化指標建網(wǎng)目標，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)可基于“1：1”共享站址實現(xiàn)彈性指標建網(wǎng)。這種建網(wǎng)思路立足于4G原址升級5G情況下，網(wǎng)絡(luò)覆蓋及業(yè)務(wù)指標將優(yōu)于4G，同時考慮到不同的場景時，4G制式宏站站間距存在差異，因此5G目標網(wǎng)規(guī)劃的宏站站間距可立足實際，以存量全量物理站址為基礎(chǔ)，以不同的規(guī)劃指標（如可分別設(shè)定挑戰(zhàn)指標、基準指標和最低指標等方式）為目標，篩選理想結(jié)構(gòu)站點,對不同的區(qū)域適配性價比最優(yōu)方案，確保投資效益。
2.1.2 天面共享
公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年的發(fā)展和技術(shù)迭代更新，存在2G/3G/4G天線點位多和空間受限等問題。5G AAU因其技術(shù)特性需單獨占用1副天面，因此需對4G/5G天饋系統(tǒng)協(xié)同考慮進行整合收編，天饋整合最佳目標為單小區(qū)2~3副天面，即FDD、TDD、5G各1副天面或4G、5G各1副天面。以有效匹配、適度超前為原則，精準開展配套建設(shè)，通過設(shè)計合理的天饋改造方案實現(xiàn)已有資源與未來發(fā)展需求的整合，可以精準建設(shè)，降低租金和建設(shè)成本。
2.2 5G+4G設(shè)備共享技術(shù)
2.2.1 設(shè)備能力的共享
與2G向3G、3G向4G網(wǎng)絡(luò)制式演進不同的是，5G網(wǎng)絡(luò)基于已有成熟的4G網(wǎng)絡(luò)相同的頻譜資源，這就可以充分發(fā)揮4G D頻段成熟產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)勢，在已有設(shè)備基礎(chǔ)上，實現(xiàn)5G+4G基站共硬件，從而最大化地實現(xiàn)5G新技術(shù)前移。
為充分發(fā)揮5G設(shè)備的能力，同時兼顧到4G網(wǎng)絡(luò)需要，對5G新設(shè)備提出以下幾方面的能力要求。支持160MHz全頻譜帶寬的能力、支持SA/NSA共模的能力、支持5G+4G共模/轉(zhuǎn)模的能力和支持功率動態(tài)共享能力。目前國內(nèi)外廠家均已完成設(shè)備研發(fā)，可實現(xiàn)規(guī)模供貨。
在這種情況下，5G新建基站均可按照“共站、共框、共板、共天線”方式實現(xiàn)資源共享，避免獨立建設(shè)造成浪費，從而充分發(fā)揮單比特建設(shè)成本和運營成本優(yōu)勢。
2.2.2 設(shè)備建設(shè)的協(xié)同
當(dāng)5G+4G共址建設(shè)時，可以采用5G基站反向開通4G功能的共模方式建設(shè),以同時滿足兩網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求。在設(shè)備安排上，原有4G D頻段窄帶設(shè)備（60MHz）RRU支持頻段與5G設(shè)備重合，可考慮拆遷至外圍區(qū)域以繼續(xù)發(fā)揮其容量能力，避免設(shè)備浪費，遷移到需求區(qū)域的新選址補盲或者已有站址補充容量需求。對帶寬富裕的物理扇區(qū)，可同步考慮F頻段拆除，此時可利舊整套4G基帶和射頻設(shè)備，投資節(jié)約做到最大化。對于天面資源競爭激烈的平臺，窄帶RRU拆除后，抱桿資源有被占用的風(fēng)險，需盡量規(guī)避。
若不拆除4G D頻段設(shè)備，需考慮其設(shè)備頻率與NR協(xié)同的要求，由于這部分設(shè)備只支持60MHz帶寬且與5G初期規(guī)劃頻段部分重合（重合部分為40MHz帶寬），同時4G設(shè)備移頻能力較差，勢必造成生命周期較短。另外，還需考慮到這種情況下，非共模設(shè)備較難實現(xiàn)頻段內(nèi)聯(lián)合傳輸和資源共享等技術(shù)手段，4G網(wǎng)絡(luò)性能將受到一定程度的影響。
根據(jù)以上分析，我們在開展建設(shè)的時候，通常采用拆除老舊D頻段設(shè)備，同時通過5G反向開通4G功能的方式彌補4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋與容量的需求。
2.3 5G+4G頻率共享技術(shù)
5G商用初期，網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)較少，此時，通過功率共享技術(shù)實現(xiàn)制式間160MHz頻譜資源的分配與調(diào)整，兼顧5G+4G雙制式網(wǎng)絡(luò)的容量需求，提升頻譜資源利用率。隨著5G網(wǎng)絡(luò)用戶和業(yè)務(wù)逐漸發(fā)展，最終形成單制式100MHz+60MHz目標方案。
2.3.1 靜態(tài)的頻率分配及共享技術(shù)
在5G建設(shè)初期，開展4G D頻段清頻的同時，還需考慮5G和4G頻率資源共享分配方案�？梢园凑彰嫦虍�(dāng)下，優(yōu)先滿足業(yè)務(wù)需求的原則，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場景按需分配帶寬，采用不同的頻率使用策略。
（1）場景1：4G極熱點、5G業(yè)務(wù)初始階段的場景。此時，4G業(yè)務(wù)需求高，在頻率分配上優(yōu)先滿足，可考慮4G多留1個頻點（4*20MHz），5G僅開啟80MHz帶寬。
（2）場景2：5G體驗優(yōu)先業(yè)務(wù)演示區(qū)域等5G重點場景。考慮優(yōu)先滿足5G需求，使用2515~2615MHz頻率自下而上連續(xù)開通100MHz，4G業(yè)務(wù)盡可能地通過FDD1800MHz、A頻段重耕的方式吸收業(yè)務(wù)量，減少對4G D頻段帶寬需求的頻率使用策略。
2.3.2 動態(tài)頻率分配技術(shù)
考慮到5G和4G網(wǎng)絡(luò)長期共存協(xié)同發(fā)展的需求，除了以上靜態(tài)的頻率分配與共享機制，還需推動產(chǎn)業(yè)界實現(xiàn)5G設(shè)備2.6GHz頻率5G+4G完全動態(tài)共享技術(shù)的成熟與應(yīng)用，提升資源調(diào)動靈活性，降低網(wǎng)絡(luò)維護成本。
5G+4G動態(tài)頻譜共享技術(shù)可靈活適配小區(qū)業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)在同一塊載波上同時支持兩種業(yè)務(wù)的隨機調(diào)度，從而更加充分地提升設(shè)備利用率及160MHz帶寬頻率資源使用效率。載波動態(tài)共享實現(xiàn)機制如下。
通常情況下，5G載波配置4個UE的工作帶寬（BWP），終端視能力配置1個或者4個BWP，當(dāng)UE從BWP0接入后，視網(wǎng)絡(luò)初始配置接入到對應(yīng)的BWP。當(dāng)5G載波與4G同覆蓋時，5G+4G動態(tài)頻譜共享技術(shù)使得5G載波可實現(xiàn)對支持多個BWP的動態(tài)調(diào)整，從而實現(xiàn)載波根據(jù)需求在休眠與激活兩種狀態(tài)之間變化，這個過程即頻譜“重分配”過程。5G+4G動態(tài)頻譜共享技術(shù)可根據(jù)觸發(fā)“重分配”的判決條件，實現(xiàn)分鐘以上級別的頻譜動態(tài)調(diào)配。
2.4 5G+4G功率共享
2.4.1 功率協(xié)同配置影響分析
當(dāng)前5G基站設(shè)備可達到240W標稱功率（遠期需求320W），考慮D頻段為5G分配100MHz帶寬、4G分配20MHz帶寬時，5G可滿足200W滿功率配置。如果4G需要更多的載波配置，則將出現(xiàn)功率受限的情況，此時，需考慮5G+4G功率分配以最大化網(wǎng)絡(luò)性能。
首先分析不同功率配置對容量影響：當(dāng)4G新增開通2~3個D頻段載波（且通過5G反向開通4G后具備3D-MIMO能力）、同時每載波按照2W/Hz的功率譜密度進行滿功率配置，此時，5G剩余配置160W功率，5G網(wǎng)絡(luò)將由于功率的降低帶來約10%的容量損失，而同時4G網(wǎng)絡(luò)由于功率充足，可獲得高于低功率配置時42%的容量提升。不同的功率配置對容量的損失比例計算結(jié)果見表1。
表1 不同功率配置對4G和5G網(wǎng)絡(luò)容量的影響
接著分析不同功率配置對覆蓋影響。如圖1所示，從試驗網(wǎng)測試數(shù)據(jù)結(jié)果可以看到，同等站距條件下，即使將5G功率降為120W，下行覆蓋性能依然優(yōu)于功率滿配時3.5GHz的5G制式能力。
圖1 不同功率配置對5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的影響
2.4.2 分場景功率協(xié)同配置方案
由以上分析可以看到，5G功率降低造成的性能損失較小，但能帶來明顯的4G性能增益。同時考慮到5G初期階段，4G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和容量需求仍是重中之重。因此，在240W發(fā)射功率的設(shè)備條件下，應(yīng)按照面向當(dāng)下，優(yōu)先滿足業(yè)務(wù)需求的原則，不同帶寬時5G+4G功率分配建議如圖2所示。
圖2 不同帶寬時，5G+4G功率協(xié)同配置建議
（1）場景1：考慮到在5G初期階段4G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和容量仍是重中之重，應(yīng)優(yōu)先滿足4G的頻率和功率需求，建議優(yōu)先為4G分配2W/MHz功率資源，再將剩余的功率資源分配給5G網(wǎng)絡(luò)。
（2）場景2：在具有演示意義的場景或其它重要區(qū)域，為提供接近理論速率的業(yè)務(wù)體驗，應(yīng)為5G配置2515~2615MHz共100MHz帶寬資源，并按照2W/MHz的功率譜密度分配5G功率。同時，可在D3頻點反向開通4G 3D-MIMO吸收存量4G容量。
3 5G+4G網(wǎng)絡(luò)容量協(xié)同建設(shè)
3.1 環(huán)境的變化導(dǎo)致4G業(yè)務(wù)發(fā)展存在不確定性
5G強國戰(zhàn)略將促使行業(yè)及產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)生深刻變化，同時，管控新政的實施也導(dǎo)致4G未來業(yè)務(wù)發(fā)展存在不確定性。
首先，5G強國戰(zhàn)略及可能出現(xiàn)的新業(yè)務(wù)，將刺激移動總流量增長，預(yù)期將同時帶動4G業(yè)務(wù)同步發(fā)展。
其次，5G終端快速發(fā)展，將推動5G消費產(chǎn)業(yè)，從而促進5G網(wǎng)絡(luò)形成對4G的有效分流。一是5G終端形態(tài)發(fā)展迅速，種類豐富。二是5G終端價格不高于4G。2020年第2季度起，廠商逐步推出中低端5G手機，預(yù)計2020年底手機價格降至1000~2000元。
再次，政策因素帶來競爭環(huán)境變化。從長期考慮，會對4G網(wǎng)絡(luò)流量增長起到一定的抑制作用。2019年9月1日全面停售流量暢享套餐。10月起，主管部門對3大運營商新增管控要求，有望改善競爭環(huán)境，進一步提質(zhì)增效。
在4G業(yè)務(wù)經(jīng)歷了移動業(yè)務(wù)需求發(fā)展推動和不限量套餐等帶來的流量爆發(fā)高峰之后，目前出現(xiàn)了以上諸多因素將深刻影響到4G業(yè)務(wù)發(fā)展，給其帶來不確定性，4G業(yè)務(wù)發(fā)展的拐點處于臨界階段，過于謹慎或者過于豪放的擴容策略都將帶來損失。在這個時期，為確保用戶感知同時不產(chǎn)生投資浪費，對4G網(wǎng)絡(luò)的擴容需更加精確化規(guī)劃，充分利用新增的5G資源提供給存量4G使用，來實現(xiàn)降本增效。
3.2 5G反向開通4G功能是5G+4G容量協(xié)同的重要技術(shù)手段
在這種情況下，充分利用設(shè)備共模/轉(zhuǎn)模能力，通過在5G基站反向開通4G功能是5G+4G容量協(xié)同的重要技術(shù)手段。
3.2.1 5G反向開通4G功能的工程實現(xiàn)方式
利用5G宏基站設(shè)備反向開通4G功能時，均需為4G功能再購買一套BBU基帶板硬件及硬件許可、AAU通過饋入方式共用5G設(shè)備、RRU軟件許可利舊原4G基站清頻退出的軟件許可。
3.2.2 5G反向開通4G功能的載波帶寬等效容量能力
根據(jù)試驗網(wǎng)測試數(shù)據(jù)，針對不同的5G基站通道能力，實現(xiàn)反向開通后，20MHz載波帶寬吞吐能力可等效于4G載波倍數(shù)，見表2。
表2不同通道類型5G基站反向開通4G的網(wǎng)絡(luò)性能對比
3.3 5G+4G協(xié)同保障4G網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃方法
根據(jù)以上業(yè)務(wù)發(fā)展和5G+4G協(xié)同實現(xiàn)方式分析，精確規(guī)劃4G網(wǎng)絡(luò)擴容需與5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)節(jié)奏緊密結(jié)合，因此，4G擴容策略分為以下場景考慮。
（1）場景1：在5G規(guī)劃區(qū)域，利用5G反向開通4G功能彌補4G D頻段清頻帶來的4G性能損失，兼顧部分容量增長需求。
（2）場景2：在非5G規(guī)劃區(qū)域，充分利舊5G規(guī)劃區(qū)拆除的軟硬件資源，通過設(shè)備利舊實現(xiàn)增容和容量分擔(dān)。
3.3.1 通過5G反向開通4G功能彌補4G D頻段清頻帶來的4G性能損失
D頻段在4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮重要的作用，以D頻段加F頻段站址形成良好的綜合覆蓋，尤其D頻段站址更加豐富，需充分考慮清頻后，對連續(xù)覆蓋基礎(chǔ)底層網(wǎng)的影響。
5G初期工程建設(shè)將集中在城市密集區(qū)域，而這些區(qū)域正是4G D頻段站點集中的區(qū)域，D頻段載波占比和容量吸收比例都更高。在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)同時，充分發(fā)揮5G+4G協(xié)同作用，利用5G反向開通4G功能的技術(shù)特性來補充D頻段清頻后4G網(wǎng)絡(luò)的容量和覆蓋需求。
3.3.2 小區(qū)級4G容量保障的路徑選擇策略分析
4G網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多期建設(shè)，其站型組成非常復(fù)雜。以室外小區(qū)的所屬天面為統(tǒng)計粒度，覆蓋一片物理區(qū)域的4G物理扇區(qū)包含多個邏輯小區(qū)種類，如單D扇區(qū)（1D/2D/3D小區(qū)）、F/D扇區(qū)（1F1D/1F2D等）、單F扇區(qū)、D/F/FDD混合扇區(qū)等。另外，4G網(wǎng)絡(luò)擴容可用的頻段資源有6種：TD-L制式的F頻段、A頻段、D頻段，5G反向開通4G功能的D頻段，F(xiàn)DD制式1800MHz及900MHz頻段，考慮到工程實施時，還將涉及到新增硬件和軟件擴容等具體實現(xiàn)方式，可以選擇的擴容手段更多。這種已有站型結(jié)構(gòu)和可選實施方式均存在物理上的構(gòu)成復(fù)雜度，也必然帶來不同扇區(qū)擴容時，在選擇擴容制式和使用頻段方面的復(fù)雜性。
由于5G反向開通4G功能仍需一部分新增投資，此處，以投資效益最大化的方式舉例，在考慮4G擴容策略時，優(yōu)先考慮網(wǎng)內(nèi)其他小區(qū)FDD 1800MHz/F/A載波能力調(diào)度，不能滿足需求時，再考慮以5G反向開通4G功能補充。每物理扇區(qū)的擴容策略如圖3所示。
圖3 投資效益最大化場景的4G扇區(qū)容量保障擴充策略
當(dāng)考慮不同的建設(shè)策略時，如以4G網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)化為目標或以工程實施難度最簡化為目標時，存在不同的路徑選擇。由此也可以看到，5G+4G容量協(xié)同方案的復(fù)雜度帶來規(guī)劃方案編制難度成倍提高，如果將以上協(xié)同需求和算法通過工具化的方式，實現(xiàn)小區(qū)級容量協(xié)同自動選擇，將極大地降低規(guī)劃難度，靈活完成多種策略選擇和對比。
4 結(jié)束語
我國從國家戰(zhàn)略層面提出通過5G助推制造強國，網(wǎng)絡(luò)強國建設(shè)， 5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求成為當(dāng)下全面構(gòu)筑經(jīng)濟社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。如果在工程規(guī)劃時可以充分貫徹和深入思考5G+4G協(xié)同發(fā)展理念，整合5G和4G網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)標準和工程建設(shè)的協(xié)同優(yōu)勢，既能保持對大量已有4G用戶的服務(wù)品質(zhì)，又能提升5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的質(zhì)量。
參考文獻
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