5G无线网络建设难点及应对策略论文

摘要：从第一代模拟通信发展到现在第四代超高速数据通信，整个移动通信网络架构经过四次迭代已经演变的非常复杂，5G网络将进一步引入海量小微基站形成多层异构复杂网络。超密集的组网方式将带来很多系统性问题，因此从组网角度出发，探讨了5G网络建设面临的挑战，并提宏微小区双连接等解决方案，为后续研究发展提供参考。

关键词：5G；网络结构；超密集；宏小区；微小区；小区双连接

1、概述

通信技术的发展给人类生活带来翻天覆地变化，技术的进步不断激发人类对移动通信潜在需求,如何应对人类日益增长的业务需求是未来移动通信网络研究的重要命题。中国移动经过前面四代网络建设后已初步形成GSM、TD-LTE双网并行，TDS-SCDMA逐步退出格局，2G网络主要承载语音，4G网络主要承载数据业务。由于4G频段衰减比2G，4G建设期间为满足覆盖需求新增大量物理站址，并高热点区域建设大量的街道微站及小区微站，另外近年来移动一直在推动CRAN建设，新增站点以集中拉远为主，但大部分还只是硬件集中。17年又进行了全网大规模替换升级，使得整个网络具备物联网功能。大量4G小微基站以及CRAN的建设为5G做好了资源储备[1-2]。2015年6月国际电信联盟（ITU）确定了5G的时间表、名称和愿景。在ITU的愿景中，5G将明确支持增强移动宽带（eMBB）、海量低功耗连接（mMTC）和低时延高可靠连接（uMTC）3个应用场景；另外5G关键能力方面需要具备比4G更高的性能，支持0.1～1Gbps的用户体验速率，每平方公里一百万的连接数密度，毫秒级的端到端时延，每平方公里数十Tbps的流量密度，每小时500Km以上的移动性和数十Gbps的峰值速率[3-5]。

2、5G网络概述

2.15G网络总体架构

5G网络技术架构白皮书中[6]提出新型5G网络架构，包含接入、转发、控制三个功能平面，见图1所示。接入云包含各类基站及无线接入设备，是一个满足多场景的.以用户为中心的多层异构网络，宏基站与微基站相结合，统一容纳空口多种接入技术，同时核心网部分功能下沉，将业务存储与计算能力等功能下移至网络边缘，以支持高流量、低时延等业务需求。控制云负责集中控制功能，以实现接入云与转发云资源的全局调度。转发云实现边缘内容缓存及业务流加速等功能，包含用户面下沉的分布式网关。

2.25G频谱规划为满足

5G三大应用场景需求，5G频率需全频段需求，高频段用于满足热点区域极高用户体验及系统容量需求，中低频段5G联合组网，以实现连续覆盖[7-8]。对于5G中低频2015年无线电通信全会批准“IMT-2020”作为5G正式名称，这意味着现有标注给IMT使用的频率均可作为5G频率使用，对于5G高频，2019年世界无线电通信大会将研究从4.25-86GHz频段范围选择可用频率[9]。根据工信部2017年11月15发布的工信部无[2017]276号文《工业和信息化部关于第五代移动通信系统使用3300-3600MHz和4800-5000MHz频段相关事宜的通知》，明确中国将3300-3600MHz和4800-5000MHz频段作为5G系统的工作频段，其中，3300-3400MHz频段原则上限室内使用。另外2017年6月8日工信部公开征集在毫米波频段规划第五代国际移动通信系统（5G）使用频率的意见，考虑将24.75-27.5GHz、37-42.5GHz或其他毫米波频段5G系统频率规划。因此3.5GHz将成为我国开展5G连续组网重要频段。

3、5G网络建设面临挑战

3.1上行覆盖受限

根据工信部公布的中国5G频段使用规定，3400-3600MHz和4800-5000MHz可以作为室外频段使用，未来5G连续覆盖尽可能采用较低频段，以降低建网成本，因此3400-3600MHz将是5G实现连续覆盖首选频段。3.5GHz频段衰减比2.6GHz大4dB5G下行可以通过多天线以及增加发射功率来达到4G同等覆盖水平，但是上行方面手机终端的天线数量和发射功率均受到较大限制，因此上行覆盖要达到4G同等水平需要增加物理站址，缩小小区半径，目前密集市区4G站间距高达300米以内，要进一步增加物理站址难度很大。

3.2资源协调复杂度高为满足

5G系统容量显著提升，未来将建设大量小微基站，站点间间距可能会达到10米，甚至更小，各种无线传输技术的各类低功率节点的站点密度将会达到现有站点密度的10倍以上[10]，形成多层次超密集无线接入网络。超密集组网在提升系统容量同时引入许多新的问题，例如用户移动性管理，海量部署小微基站会使大量低速移动用户也面临频繁切换问题；另外大规模节点间资源协同以及干扰协调等问题，相比4G网络，处理复杂度指数级上升，如何解决这些问题是实现5G网络重点研究方向。

3.3低频资源受限

根据我国公布的5G频率使用规定，中低频段3.5GHz只有200MHz，假设三家运营商均等分配，每家可使用得5G频率不超过70MHz。5G白皮书中指出，5G连接密度要达到100万用户/每平方公里，是4G系统10倍，如何没有充足的频谱资源很难达到用户连接密度数要求。而且4G与5G将会在很长一段时间内同时在网，所以也不能占用4G频率资源。因此在有限频谱资源前提下如何实现5G系统三大应用场景六项关键性能是一项很重要命题。

4、解决方案

4.1上下行解耦

前文所述3.5GHz作为5G室外使用频率，终端由于发射功率以及天线数目等原因限制，无法达到下行同等覆盖。显然3.5GHz作为上行覆盖频率不是最佳选择，可考虑使用1.8GHz或者2.5GHz已有频段，1.8GHz较3.5GHz可获得大约10dB左右增益，接近下行覆盖水平，作为首选。

4.2引入宏小区微小区双连接

5G蜂窝网络结果相比4G更加复杂，大量小微基站建设使得原有小区划分方式不再适用。5G蜂窝网将是一张多层异构网络，覆盖层主要由宏基站组成，小微基站负责容量层。可以考虑引入宏小区、微小区双连接，在顶层建立宏小区作为覆盖小区，覆盖小区内部再建立微小区作为容量小区，并且允许终端可以同时驻留在覆盖小区和容量小区上。覆盖小区主要负责用户控制面数据、移动性管理、高时延要求类业务以及小微基站间资源管理；容量小区主要负责用户数据面需求，承载高速率、低时延要求等业务。用户在宏小区内部移动时只涉及小区内数据面迁移，不涉及小区切换，可以有效减少由于频繁切换导致用户体验下降。

4.3低频资源重耕

随着5G的到来，国内各大运营商都在逐步考虑2、3G网络退网。中国移动2G900M频段上下行各有25M频率、1800M频段上下行各有15M频率，TDS的A频段有15M频率。根据中国移动未来规划，至2019年底900M可翻频5-15M，1800M可全部翻频，3G网络将全部退网。2、3G退网后，原2、3G占有的优质低频资源对5G来说非常珍贵，通过对这部分低频资源重耕，能有效缓解5G低频资源需求缺口。

5、结论

本文从5G三大愿景出发，简述5G网络总体架构以及国内外频谱规划现状，并重点分析了5G组网将面临的三大挑战，提出通过上下行解耦、宏微小区双连接以及低频资源重耕应对上行系统受限、资源管理复杂以及频谱资源短缺等问题。未来5G商用前面临的挑战远不止这些，本文只浅显给出部分建议，后续将进一步研究宏微小区规划原则。