董江波，劉瑋，任冶冰，劉娜（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)分析及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃思考

董江波，劉瑋，任冶冰，劉娜
（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

本文從對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景和能力需求的分析出發(fā)，主要分析了針對(duì)移動(dòng)寬帶應(yīng)用場(chǎng)景下演進(jìn)型空口與新空口的技術(shù)特征，最后給出了對(duì)未來(lái)無(wú)限網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的思考以及指出了未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真研究的重點(diǎn)方向。

eMBB；URLLC；mMTC；以用戶為中心

1 前言

5G作為新一代無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，主要用于滿足2020年以后的移動(dòng)通信需求。在高速發(fā)展的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和不斷增長(zhǎng)的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求共同推動(dòng)下，要求5G具備低成本、低能耗安全可靠的特點(diǎn)，同時(shí)傳輸速率需要進(jìn)一步提升10～100倍。2013年初歐盟啟動(dòng)面向5G研發(fā)項(xiàng)目MRTIS，隨后我國(guó)也在2013年6月和2014年3月分別啟動(dòng)了5G重大項(xiàng)目一期和二期研發(fā)課題。5G發(fā)展愿景、應(yīng)用需求、技術(shù)特點(diǎn)、關(guān)鍵指標(biāo)在最近幾年在世界范圍內(nèi)進(jìn)行了廣泛的探討。

移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP對(duì)5G研究的時(shí)間計(jì)劃，共劃分為3個(gè)階段：2016年Q1-2017年Q1為5G研究階段，將對(duì)5G技術(shù)進(jìn)行充分而深入的研究；2017年Q1-2018年Q2為5G標(biāo)準(zhǔn)制定的第一階段，計(jì)劃于2018年Q2推出第一版5G標(biāo)準(zhǔn)；2018年Q2到2019年底為5G標(biāo)準(zhǔn)制定的第二階段，2019年底完成滿足ITU需求的5G標(biāo)準(zhǔn)完整版本。但從全球來(lái)看，許多運(yùn)營(yíng)商對(duì)于5G的發(fā)展節(jié)奏的預(yù)期要遠(yuǎn)快于3GPP的計(jì)劃。2016年7月11日，美國(guó)第一大移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商Verizon宣布完成其5G無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的制定。這無(wú)疑是全球移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)界的一枚重磅炸彈。

而在商用方面，在3G/4G時(shí)代發(fā)展較快的日本，日本軟銀和其它的Wireless City Planning在9月9日下午召開了新聞發(fā)布會(huì)，宣布面向下一代高速通信標(biāo)準(zhǔn)5G的項(xiàng)目“5G Project”正式啟動(dòng)。并且作為該項(xiàng)目啟動(dòng)的第一階段，軟銀將商用Massive MIMO技術(shù)，來(lái)滿足大容量業(yè)務(wù)需求。同時(shí)，軟銀宣布在9月16日開始，在日本全國(guó)43城市有100個(gè)基站將展開商用服務(wù)。緊接著，9月7日， Verizon無(wú)線公司宣布將從明年開始試用5G網(wǎng)絡(luò)，2017年在美國(guó)部分城市全面商用。

5G網(wǎng)絡(luò)是通往未來(lái)萬(wàn)物互聯(lián)世界的必由之路，其技術(shù)方案與性能也是當(dāng)前全球產(chǎn)業(yè)界研究的焦點(diǎn)。

2 5G應(yīng)用場(chǎng)景和能力要求

ITU劃分5G的三大場(chǎng)景分別是eMBB、mMTC、URLLC，分別是增強(qiáng)移動(dòng)寬帶、海量機(jī)器類通信以及超高可靠低時(shí)延通信。如圖1所示。而在我國(guó)，又進(jìn)一步將移動(dòng)寬帶場(chǎng)景劃分為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中進(jìn)一步細(xì)分為連續(xù)廣域覆蓋場(chǎng)景、熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景；在移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)一步細(xì)分為低時(shí)延高可靠場(chǎng)景和低功耗大連接場(chǎng)景。新空口兩種方向。具體的演進(jìn)路線對(duì)于5G需求的滿足程度如表2所示。

圖1 5G應(yīng)用場(chǎng)景

存在的挑戰(zhàn)是對(duì)于32載波聚合理論上可以滿足峰值速率的喲求，但是低頻段很難獲得640 MHz的大帶寬；NB-IoT基本滿足Massive MTC的需求，如連接數(shù)密度、功耗和成本等。V2V能夠支持到120 km/h的移動(dòng)速度，無(wú)法滿足500 km/h的5G需求。

對(duì)于演進(jìn)型空口，在保證后向兼容性前提下引入新技術(shù)盡力滿足所有5G需求，并且考慮在已有頻譜來(lái)進(jìn)行部署；而對(duì)于新空口優(yōu)先考慮部署在新頻譜，逐步考慮已有頻譜的重耕。而在WRC15后中國(guó)6 GHz以下頻譜情況如表3所示。

因此從以上分析來(lái)看3.5 GHz將是最有可能的5G新增低頻段頻譜。

為了適應(yīng)上述應(yīng)用場(chǎng)景，ITU定義的8大關(guān)鍵能力指標(biāo)要求見表1所示。

載波聚合、大帶寬以及3D-MIMO等技術(shù)的應(yīng)用能夠使得LTE系統(tǒng)通過(guò)空口演進(jìn)來(lái)滿足頻譜效率以及峰值速率的要求。但是在用戶體驗(yàn)速率以及超低試驗(yàn)等方面還需要5G新空口來(lái)進(jìn)一步滿足。因此對(duì)于4G網(wǎng)絡(luò)向5G網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)將分為基于演進(jìn)空口技術(shù)以及基于

3 演進(jìn)型空口特點(diǎn)

本文后續(xù)將主要圍繞低頻段演進(jìn)空口技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)分析與研究。圍繞ITU的8大能力指標(biāo)要求，分析現(xiàn)有技術(shù)與5G需求之間存在的GAP。

在頻譜效率方面，相比LTE指標(biāo)，在考慮引入256QAM、動(dòng)態(tài)TDD、NAICS、on-off等技術(shù)的應(yīng)用，可以獲得2.16倍性能的提升；在室外場(chǎng)景下應(yīng)用3D-MIMO和COMP獲得3.9倍的提升，對(duì)于5G需求中的3倍頻譜效率提升場(chǎng)景可以基本滿足；對(duì)于5倍的頻譜效率提升場(chǎng)景存在挑戰(zhàn)；對(duì)于用戶體驗(yàn)速率和邊緣用戶速率，應(yīng)用200 MHz貸款能夠基本滿足室外100 Mbit/s的邊緣速率；但是對(duì)于室內(nèi)存在挑戰(zhàn)；對(duì)于峰值速率要求，通過(guò)32載頻的載波聚合，可以滿足需求，但是需要640 MHz的大帶寬；對(duì)于超高流量密度，需要采用超密集組網(wǎng)來(lái)滿足指標(biāo)需求；而對(duì)于超低時(shí)延需要考慮短幀設(shè)計(jì)。因此，對(duì)照目前5G性能需求，以及目前在LTE演進(jìn)中的立項(xiàng)分析來(lái)看，解決方案如表4所示。

表1 5G關(guān)鍵能力指標(biāo)要求

表2 演進(jìn)路線對(duì)于5G需求的滿足程度

表3 6 GHz以下頻譜情況

在演進(jìn)型空口中，引入的無(wú)線關(guān)鍵技術(shù)包括3DMIMO技術(shù)的增強(qiáng)、多用戶干擾刪除技術(shù)、縮短TTI等。

4 新型空口特點(diǎn)

為了解決接入網(wǎng)主要面臨業(yè)務(wù)體驗(yàn)不一致，例如小區(qū)中心與邊緣性能差異較大；靜止和移動(dòng)體驗(yàn)差異較大；在超密集以及超高速移動(dòng)場(chǎng)景下體驗(yàn)較差；不能有效滿足多樣的業(yè)務(wù)需求，比如不能很好滿足高可靠、低時(shí)延與功耗、成本等多樣的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求；網(wǎng)絡(luò)部署和運(yùn)維復(fù)雜的現(xiàn)狀，比如在密集、異構(gòu)部署和多網(wǎng)共存導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部署難度大、成本高，針對(duì)業(yè)務(wù)和用戶的個(gè)性化智能優(yōu)化與精細(xì)化管理能力不足。

因此，業(yè)界在5G接入網(wǎng)的設(shè)計(jì)上主要在構(gòu)建以用戶為中心的接入網(wǎng)絡(luò)。

表4 演進(jìn)路線下解決方案

4.1 UE與小區(qū)解耦

在LTE中UE緊綁定于小區(qū)的模式，限制了空口的靈活性，無(wú)法滿足5G用戶體驗(yàn)需求。在5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，UE與小區(qū)解耦，如圖2所示。在CoF中僅關(guān)注于資源；UoF專注于用戶，包括上下文、數(shù)據(jù)和資源；CoF和UoF通過(guò)系統(tǒng)調(diào)度實(shí)時(shí)匹配。小區(qū)級(jí)元素和用戶級(jí)元素靜態(tài)解耦動(dòng)態(tài)匹配。

圖2 UE與小區(qū)解耦

4.2 精細(xì)化的QoS管理

LTE網(wǎng)絡(luò)的QoS機(jī)制更適用于運(yùn)營(yíng)商內(nèi)部應(yīng)用，如IMS，對(duì)于OTT應(yīng)用適配不夠靈活；基于承載的QoS管理機(jī)制粒度較粗，無(wú)法實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流粒度的QoS控制，承載建立信令開銷也較大，較慢無(wú)法跟蹤TCP會(huì)話變化。

在新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)更加粒度的QoS管理，實(shí)現(xiàn)基于承載的Qos管理，基于流的QoS管理。

4.3 業(yè)務(wù)下沉

針對(duì)業(yè)務(wù)面時(shí)延較長(zhǎng)，業(yè)務(wù)側(cè)優(yōu)化調(diào)整與空口波動(dòng)不匹配，業(yè)務(wù)下沉來(lái)提升跨層優(yōu)化的增益，因此在5G網(wǎng)絡(luò)通過(guò)UE輔助eNode B感知UE的業(yè)務(wù)，避免引入深度分組解析功能，降低設(shè)備復(fù)雜度以及DPI帶來(lái)的額外時(shí)延；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化感知UE流媒體的業(yè)務(wù)質(zhì)量，通過(guò)跨層優(yōu)化來(lái)提升用戶感知；研究用戶業(yè)務(wù)智能以及快速處理機(jī)制，通過(guò)基站進(jìn)行分流以及在靠近用戶位置部署緩存。

4.4 輕切換

5G超密集組網(wǎng)和低時(shí)延新業(yè)務(wù)對(duì)無(wú)縫切換提出了要求，基于用戶鏈路對(duì)空口切換敏感度來(lái)對(duì)切換進(jìn)行分類，通過(guò)RRC級(jí)和MAC級(jí)兩級(jí)切換。通過(guò)MAC實(shí)時(shí)調(diào)度實(shí)現(xiàn)空口鏈路的無(wú)縫切換。

5 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃思考

從以上分析可以看出，滿足未來(lái)世界的萬(wàn)物互聯(lián)需要綜合多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)來(lái)滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。而eMBB場(chǎng)景是與當(dāng)前移動(dòng)公共通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景最為貼近的場(chǎng)景。通常3G/4G網(wǎng)絡(luò)是蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的典型，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的重點(diǎn)就是要在保證網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理的條件下滿足覆蓋與網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的需求。

5.1 演進(jìn)型空口

在演進(jìn)型空口技術(shù)路線下，主要通過(guò)3D-MIMO、載波聚合、高階調(diào)制與多用戶干擾消除等技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步提升頻譜效率和峰值速率。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃依然需要在保證網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的條件下提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量水平。同時(shí)3D-MIMO技術(shù)的應(yīng)用，需要進(jìn)一步分析不同小區(qū)的業(yè)務(wù)模型和用戶特征， 根據(jù)小區(qū)特征選擇站點(diǎn)參數(shù)。另外在規(guī)劃仿真工具上需要進(jìn)一步考慮引入具有建筑物特性的地圖信息進(jìn)行輔助分析。同時(shí)在超密集組網(wǎng)場(chǎng)景下，需要增強(qiáng)室內(nèi)場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真的能力。

5.2 新空口

在新空口技術(shù)路線下，為了為用戶提供一致的用戶體驗(yàn)，用戶與小區(qū)解耦。以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)模式對(duì)于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提出了新的挑戰(zhàn)。在UCN模式下，網(wǎng)絡(luò)如何為用戶提供連續(xù)的一致的無(wú)線資源池，還需要緊跟網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及關(guān)鍵技術(shù)的研究步伐提前進(jìn)行預(yù)研與思考。

Research on 5G technique and thinking of wireless network planning

DONG Jiang-bo, LIU Wei, REN Ye-bing, LIU Na
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

The technique character of new air interface and evolving air interface are studied in this paper. And in the end, the key issues in the future wireless network planning are given.

eMBB; URLLC; mMTC; UCN

TN929.5

A

1008-5599（2017）01-0038-04

2016-12-29