5G移动通信网络建设方案研究

5G移动通信网络建设方案研究

乃学尚1，2 ,梁以业3 ,梁辉平2 ,郑怀好2

1.山东外事职业大学  山东威海  264504  2. 佛山详电电力设计工程有限公司  广东佛山  528000  3. 华为技术有限公司  广东深圳  518129

摘要

5G技术将带来更广泛的人与物、物与物之间的连接，激发云计算、大数据和人工智能等技术的潜力，开启一个万物互联的新时代。5G利用一系列的关键技术，如大规模天线、超密集组网和新型信道编码等，满足高速率、高可靠性、低时延等应用需求，成为优化经济结构、促进实体经济振兴的重要引擎。5G将进入网络融合化、终端和业务多样化的时代，无线网络将出现GSM/TDD/FDD/NB/pre5G/5G多制式共存、900MHz/1800MHz/F/D/E/A6频段15频点并存的局面。由于业务分层承载，现有的4G和5G相互影响、需要兼顾，网络结构前所未有的复杂，无线优化工作形势严峻。分析了5G无线优化工作面临的困难和挑战，提出了5G无线优化的应对策略。

关键词：5G;SDN/NFV；全频段通信；密集网络技术；eMBB；uRLLC；mMTC；万物互联;无线优化;网络架构;

Research on 5G mobile communication network construction scheme

Nai Xueshang 1,2，Liang YiYe3，Liang Huiping2，zheng Huaihao2

(1. Shandong Vocational University of foreign affairs, Weihai 264504, China

2. Foshan Xiangdian Power Design Engineering Co., Ltd, Guangdong Foshan 528000;

3. Huawei Technologies Co., Ltd., Shenzhen, Guangdong 518129)

Abstract

5G technology will bring a wider range of connections between people and things and between things, unleashing the potential of technologies such as cloud computing, big data and artificial intelligence, and ushering in a new era of connected everything. With a series of key technologies, such as large-scale antennas, ultra-dense networking and new channel coding, 5G can meet the application requirements of high speed, high reliability and low latency, and become an important engine for optimizing the economic structure and promoting the revitalization of the real economy. 5G will enter the era of network convergence, terminal and service persification, wireless network will appear GSM/TDD/FDD/NB/pre5G/5G coexistence, 900MHz/1800MHz/F/D/E/A6 band 15 frequency points coexist. Due to the layered service load, the existing 4G and 5G have mutual influence and need to take into account, and the network structure is unprecedentedly complex, so the wireless optimization work is in a serious situation. This paper analyzes the difficulties and challenges faced by 5G wireless optimization, and puts forward countermeasures for 5G wireless optimization.

Key words:5G; SDN/NFV; All-frequency communication; Dense network technology; eMBB; uRLLC;mMTC;The Internet of everything; Wireless optimization; Network architecture;

引言

对比4G移动通信网络，5G移动通信网络除了峰值速率、频谱效率提升，也表现出时延性低，移动性、连接性、可靠性强的应用优势。5G移动通信时代的超大宽带将带给人们更优质的通信服务体验。而5G移动网络建设的推进重点是对5G移动通信关键技术的研究与掌握，以5G移动通信关键技术的推广带来5G时代的通信新体验。在2019年，全世界的移动网络用户已经突破90亿户，到2020年底，全世界接入到移动通信网络的设备总数将是2019的1000倍。移动通信数据流量的爆发式增长也给全球的网络通信带来严峻的挑战：首先，第四代移动通信网络技术已无法承受网络能耗和比特成本的增加，难以支持千倍流量增长的容量；其次，逐年增长的网络访问需求必然会对频谱有更高的需求，而目前频谱稀缺、可用的频谱呈碎片化且分布跨度大、难以高效利用，制约着我国移动通信发展[1]；最后，目前对用户个性的智能优化方面的能力仍不足，必须解决每个网络的有效管理，提高网络容量、简化互操作性和增强用户体验等问题。为了应对重重困境，满足日益增长的移动通信需求，面向万物互联的第五代移动通信网络应运而生。5G具有增强型移动宽带、超可靠低时延通信和海量机器类通信三大技术特点[2]。5G网络的核心技术场景主要有四个：低时延高可靠性场景、热点高容量场景、连续广域覆盖场景和低功耗大连接场景。5G时代的到来，将移动互联技术扩展到工业领域、医疗系统和物联网等行业。为了适应多种应用场景的需要，5G引入了网络切片、移动边缘计算（MEC）等新概念。为了实现灵活弹性的网络架构，5G网络在技术方面采用了云计算、软件定义网络（SDN）和服务化架构（SBA）等新技术5G网络已正式商用，5G将成为数字社会经济增长的新引擎，是新一轮信息科技革命的主角[3]。但是5G网络建设并非一蹴而就，5G建网初期采用NSA架构，5G与4G紧耦合，带来异厂商互通性难、互操作配置复杂等问题，后续向SA演进还需多次网络大规模调整，同时高密集组网、应用场景多、业务需求差异大带来网络架构的空前复杂，无线网络将出现多制式、多频段、多频点共存的局面。因此开展5G无线网络优化方法的研究，做好4G/5G协同优化，是确保5G网络质量领先的关键。

1 5G移动通信网络建设的概念与技术分析

1.1 什么是5G

5G，即是继2G、3G、4G之后的第五代移动通信技术，与早期的2G、3G和4G移动网络一样，是数字蜂窝网络[4]。但与4G相比，5G网络具有更加高速的传输效率，不仅能够为手机提供服务，同时能够形成多端的有效连接，在医疗和交通等方面都多有应用，能够有效地提高数据的传输效率和数据连接端口，充分的满足物联网时代的应用。5G的性能指标有：

（1）峰值速率需要达到10-20Gbit/s，以满足高清视频、虚拟现实等大数据量传输。

（2）空中接口时延低至1ms，满足自动驾驶、远程医疗等实时应用。

（3）具备百万连接/平方公里的设备连接能力，满足物联网通信。

（4）频谱效率要比LTE提升3倍以上。

（5）连续广域覆盖和高移动性下，用户体验速率达到100Mbit/s。

（6）流量密度达到10Mbps/m2以上。

（7）移动性支持500km/h的高速移动。

1.2 5G移动通信网络建设分析

5G无线优化工作涉及4G退频、锚点优选、4G/5G协同、参数继承、天面规整、室内外同频干扰等一系列问题，因此保障网络稳定、减少对现网影响是5G网络优化工作面临的新任务和新挑战。分层异构网的实现需要依靠大量的互操作参数的设置，这对无线优化工作提出了非常高的要求，涉及精准驻留、不同优先级的重选和切换、业务均衡等多种优化算法。另外终端能力也不相同，终端与网络协同也是无线优化中需要考虑的因素。无线接入网全景演进策略示意如图1所示。

图1 无线接入网全景示意图

5GNR与4GLTE共享2.6GHz的160MHz带宽，开通5GNR100MHz需要LTE现网D频段退频40MHz（D1+D2），D频段需要有序开展[5]，如图2所示。2.6GHz频段是4G现网主要的容量承载及局部打底资源，D1+D2承载了全网30%、城区45%的流量，40MHz退频将对4G现网带来容量压力。同时D频段小微站和D频段3D-MIMO站，在D1、D2退频后仅能使用D3频点，承载能力将受到较大影响。

图2 D频段示意图

D频段退频涉及5G邻区、移动性、负载均衡等多项参数配置调整，大范围调整需要过程和优化沉积，退频及设备替换过程将对5G网络性能带来冲击。部分D频段打底且F频段未形成连续覆盖的城市问题更加突出。考虑现网存在不支持D3频点RRU和终端的情况，这些城市在D频段重耕后面临5G覆盖不连续风险。

2 5G移动通信网络建设的关键技术

2.1 SDN/NFV技术

可扩展技术在5G通信技术中运用是十分广泛的，云计算、云存储服务、三网融合等新信息技术出现，要求移动通信网络能够为它们提供足够带宽与网速，这促进5G移动通信网络的发展，也对5G移动通信网络安全技术提出了更高的要求。SDN/NFV技术能够有效为5G移动通信网络提供安全保护措施，它指用软件定义网络/网络功能虚拟化，在5G移动通信网络中构建新的通信架构，实现网络通信虚拟化与软件化，对于数据分离十分有效，同时也能够促进5G移动通信技术快速发展。SDN/NFV技术是5G移动通信技术的基础，它结合原有通信网络，可以构建出5G移动通信网络基础层、控制层与应用层 ，实现了移动网络通信程序自动调用功能，取代了手动配置，这对5G移动网络的管理具有十分重要作用，它简化5G通信网络管理功能并优化了网络通信系统，利用SDN/NFV技术的转发与分离功能，促使5G通信网络在运行过程中处于受控制状态，通过SDN与NFV技术的相互配合，在5G通信网络中建立虚拟网络架构，可以实现不同移动业务对通信网络的不同要求[6]。

图3 SDN网络架构图

2.2 全频段通信技术

在现有4G移动通信网络及其他移动通信网络中，通信网络的工作频段主要是3GHz，频谱资源远远不能满足移动通信要求，在5G移动通信网络中主要采用高频段或者全频段技术，有效地解决移动通信中频谱资源不足的问题，同时也提升移动通信网络系统容量与网络传输效率。目前，5G移动通信网络频道控制在28GHz—100GHz之间，在未来网络应用中，可以极大扩展网络通信的频段范围，提高网络通信的传输效率，也能保证5G移动通信的网络容量。5G移动通信网络采用全频段通信技术，允许更高密度移动宽带用户运用设备进行超可靠和大规模机器通信，能够促进移动终端向综合化、微型化、多元化的方向发展。在5G移动通信网络中，主要采用高频毫米波天线发射信号，具有增益高、设备小型化、网络带宽大等优点，特别是在现代电子技术快速发展情况下，5G移动通信技术中的高频技术缺陷也在不断被攻克、完善，使得高频段通信技术在5G通信网络中的应用前景更具优势。

图4 4G和5G的频段图

2.3 密集网络技术

5G移动通信网络的网速达到了1Gbp/秒，它的网络流量将是4G移动通信网络的千倍以上，而且5G移动通信网络采用多种无线接入技术，可以有效覆盖到所有通信小区范围，为了提高5G移动通信网络信号的覆盖率，在5G移动通信网络中采用密集网络技术是十分有必要的[7]。密集网络技术在5G移动通信网络的应用主要表现：第一，在移动通信宏基站外布置大量高增益天线来拓展移动通信的室外空间，也能达到增加5G移动通信网络系统容量，同时也可以有效提高5G通信网络系统的灵活性与信息处理的效率；第二，在宏基站外布置密集网络天线，可以促进各个通信网络之间相互协作，还可以提高相邻两个节点之间通信的准确性、灵活性与有效性，能够使相邻节点之间的信噪比增益进行改善，提高网络通信质量。因此，在5G移动网络通信中，采用密集网络技术，使得移动通信网络空间与时间动态变化增强，有效增加网络覆盖面积，提高5G移动通信网络信号质量，发挥移动通信网络优势。

3 5G移动通信网络的应用及架构

3.1 5G 应用场景

为了满足支撑万物互联的基本要求，3GPP定义了5G的三大应用场景：增强移动带宽（enhancedMobileBroadband，eMBB）、超高可靠低延迟通信（UltraReliable&LowLatencyCommunication，uRLLC）、大规模机器类通信（massiveMachineTypeCommunication，mMTC）。其中，eMBB主要用于满足超高清视频直播、VR/AR等场景，为用户提供随时随地体验速率大于100Mbit/s，峰值速率大于10Gbit/s的通信体验[8]。uRLLC主要应用在车联网、智慧工厂、远程医疗等低时延、超高可靠性场景，为用户提供端到端毫秒级网络时延和高可靠性业务服务。mMTC主要应用在物联网领域，要求连接密度超过每平方千米百万个终端设备，支持超低功耗[9]。过3GPP的三大场景定义可以看出，5G实现了人与人、人与物、物与物之间的全方位互联，可对生产设备进行远程实时的控制，推动工业生产的自动化、网络化、智能化，促进工业企业生产模式的变革。5G三大应用场景和网络切片将渗透到工业、教育、医疗、交通、智慧城市等领域，引爆行业应用，5G的三大应用场景及关键性能指标如图5所示。

图5 5G 三大应用场景及关键性能指标

3.2 5G 网络架构

1.从整体上看，5G网络架构仍由无线接入网、承载网（前传网、中传网、回传网）和核心网组成。但是，5G为了满足三大应用场景和网络切片的需求，在网络架构和实现技术上相对4G还是做了很大变动[10] ，如图6所示。

图6 5G网络架构

（1）核心网全面云化，控制面和转发面分离，转发面下沉。5G核心网抛弃了前几代移动通信网核心网专用硬件模式，采用通用服务器+软件，可以方便的使用网络虚拟化（NFV）技术，从而实现核心网侧的网络切片。大大降低端到端业务延时，是支持低时延业务的重要技术手段，同时大大降低承载网流量压力，支撑大带宽业务。

（2）承载网，由于5G将室内基带处理单元分成了集中单元和分布单元（DistributeUnit，DU）因此5G承载网除了前传和回传网外，相对于4G承载网5G承载网多了连接DU和CU的中传部分。为了满足大带宽、低延时、大连接、核心网用户面下沉、边缘计算等需求，承载网中的中、回传网络需要支持更大的传输容量、更灵活的三层到边缘以及网络切片功能。

（3）无线接入网。从架构上讲，5G无线接入网最明显的变化就是将远端射频单元和天线合并为有源天线处理单元（ActiveAntennaUnit，AAU），BBU非实时部分和实时部分分离，分别为CU和DU，其中DU一般采用分布式部署方式， 5G无线接入网采用大规模多天线技术、毫米波技术、基于小区的超密集组网技术等。

2.NSA组网场景，异厂商4G/5G间采用3a接口方案，4G分流5G业务的能力不具备或性能差，上下行速率损失分别约为30%和10%。同厂商/异厂商NSA组网架构如图7所示。

图7 同厂商/异厂商NSA组网架构

5G与现网TDD异厂商，也将对现网带来较大网络结构问题。5G采用160MHzAAU设备，反向开启60MHzLTE具备天然3D-MIMO能力，与TDD异厂商不利于4G/5G协同，同时带来4G容量极大损失。2.6GHzNSA组网5G与4G频段和设备深度耦合，需要更加全面兼顾4G网络性能，需要采用合理高效的处理方法来对5G网络建设进行优化。

4 5G网络建设的优化方法

4.1 5G建网初期的优化思路

工程参数方面，可以继承原有LTE-D频段天线方位角和下倾角，确保覆盖连续性和网络的稳定性；无线参数方面，邻区、测量配置、切换参数、功率控制参数可以考虑继承；NR的初始广播权值，可参考3D-MIMO最优化权值设置；4G网络问题点和热点区域也将是5G重点关注的对象。基于4G/5G协同的5G网络优化工作包括以下几点。y基础优化：包括覆盖优化、干扰优化、容量优化。y多层网联合优化：包括双连接、互操作方面的优化。y算法优化：实现自动计算最优权值，波束对准价值用户分布。yAI智能优化：通过AI开展网络性能优化等。

（a）广场                          （b）楼宇

4.4 5G 移动性优化

移动性优化包括邻区优化和移动性参数优化。由于架构不同，因此NSA/SA应采用不同的移动性优化策略。对于邻区优化，在NSA组网下，需要合理配置NR-NR、LTE-LTE邻区，4G根据锚点关系添加NR邻区，而NR则无需添加4G邻区关系。对于SA组网，则需同时考虑系统内及系统间的邻区配置，系统内邻区添加以最大化为原则，根据重叠区域内实际小区进行邻区添加，如超出范围则根据实际覆盖强度进行排序添加；系统间邻区以重叠覆盖为准则，综合考虑终端的测量能力，合理添加对象频点。对于移动性参数优化，在NSA组网下，空闲态仅需进行4G的重选配置；连接态则重点关注4G锚点的切换成功率并抑制乒乓切换，对于SN添加/删除策略，SN添加门限对标NR最小接收电平，SN变更点与LTE切换点尽量一致。对于SA组网，5G空闲态配置的重选参数尽量满足重选点与切换一致，配置合理的起测门限用于终端节电；连接态则配置合理的移动性测量事件，保障切换成功率。

4.6 5G 工程优化

5G网络已正式投入商用，需要形成一套规范的5G网络工程优化方法，确保建网质量、用户感知和5G网络性能领先，5G工程优化关键节点如图8所示。

图8 5G工程优化关键节点

（1）站点开通及验证包括：站点建设及开通、单站验证、簇优化、分区优化。

（2）基础参数核查包括：LTE参数核查、NR参数核查、互操作参数核查。LTE锚点优化包括：锚点配置及优化、LTE切换优化、互操作参数优化。

（3）NR覆盖优化：场景化波束优化、覆盖及RF优化、覆盖增强功能应用。NR速率提升：参数调优、5G占网时长优化、RANK优化、终端网络适配、性能调优。

5　结语

5G技术在移动通信网络方面的使用在未来越来越普遍。5G网络在将来会服务于人们，应用于教育工作，休闲交通等场所，涵盖了几乎生活中的所有方面。5G要面对新架构、新空口、新频段和新业务以及网络越趋复杂的全新挑战，对5G网络优化工作提出了新要求。一方面5G优化应继承4G已经形成的优化经验和参数配置成果，实现5G的快速建网；另一方面，从规划入手，以终为始，结合5G无线技术的特点总结新思路和新手段，形成5G网络结构、深度覆盖参数和性能、参数等优化方法，大力推进4G/5G网络协同优化，在未来的移动通信中，5G技术作为重点应用，开展相关的研究对我国的技术科技发展，以及国家综合实力影响都有着重要的作用意义。未来的移动通信网络会更加复杂，5G技术的多元化发展能够面向更加广阔的业务类型，与更多的行业领域进行更加深度融合。5G技术的应用实现网络升级和模式创新，在未来人工智能技术也需要不断发展，这项技术在5G技术的支持下更加成熟，通过5G技术的应用让万物互联，提高网络的性能和资源的利用率，为人们提供更加舒适的网络体验。

参考文献

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https://www.3gpp.org/specifications-groups/specifications-groups