張 勍，秦小飛，馮 毅，丁雨明（中國聯(lián)通智網(wǎng)創(chuàng)新中心，北京 100048）

0 引言

在數(shù)字化轉(zhuǎn)型浪潮下，垂直行業(yè)各類新型業(yè)務(wù)的開展對傳統(tǒng)企業(yè)專網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能、可靠性、靈活性等方面都提出了新的挑戰(zhàn)。相比于傳統(tǒng)企業(yè)專網(wǎng)，5G專網(wǎng)支持豐富的企業(yè)定制化網(wǎng)絡(luò)行業(yè)屬性，包括高帶寬、低延遲、海量接入、獨(dú)享網(wǎng)絡(luò)資源、安全性等，能夠很好地滿足企業(yè)專網(wǎng)的需求，助力企業(yè)轉(zhuǎn)型升級，全面推動行業(yè)深層次數(shù)字化變革。因此，5G專網(wǎng)市場發(fā)展迅速，各行業(yè)客戶需求不斷涌現(xiàn)。然而，5G 專網(wǎng)雖然能夠為用戶提供一種不需要使用線纜即可完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃瑥亩鴿M足終端的移動性和網(wǎng)絡(luò)靈活部署的需求等，但是無線化的數(shù)據(jù)傳輸，也直接引入了與固定有線網(wǎng)絡(luò)不同的傳輸問題，包括傳輸性能的不確定性以及設(shè)備高能耗等。

1 5G專網(wǎng)無線能力提升業(yè)務(wù)需求

在5G 專網(wǎng)業(yè)務(wù)服務(wù)場景中，用戶對5G 專網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求分為3 種類型：其一，通過5G 專網(wǎng)替代傳統(tǒng)固定有線網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)更靈活便捷的網(wǎng)絡(luò)部署，或降低因使用固定網(wǎng)絡(luò)造成的較高的生產(chǎn)維護(hù)成本，這種場景中，客戶往往希望5G專網(wǎng)具有與固定網(wǎng)絡(luò)可比的高速率低時延能力，并能夠支持一定的數(shù)據(jù)隔離；其二，用5G 專網(wǎng)替代現(xiàn)有的窄帶專網(wǎng)、4G 專網(wǎng)或Wi-Fi專網(wǎng)，從而獲得更優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)傳輸性能。該場景中，客戶往往希望5G 專網(wǎng)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬和更可靠的數(shù)據(jù)傳輸性能保障；其三，基于數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求，希望基于5G 專網(wǎng)大帶寬、低時延的特性支撐新的信息化、智能化業(yè)務(wù)?？梢?，3 種類型都對數(shù)據(jù)傳輸最本質(zhì)的要素——速率、時延、可靠性保障有著比5G 大眾網(wǎng)絡(luò)更高的要求。

此外，由于移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)復(fù)雜度的提升，5G 基站使用了更多的有源器件和大規(guī)模天線技術(shù)，同時，由于5G 網(wǎng)絡(luò)頻點(diǎn)較高，因此需要進(jìn)一步增加5G 基站的發(fā)射功率來保障網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，這使得5G基站的能耗相比4G 時代大幅提升。而與5G 大眾用戶不同，部分購買5G專網(wǎng)的企業(yè)客戶還需要承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運(yùn)維，然而5G基站的高能耗問題直接提升了5G專網(wǎng)的運(yùn)維成本，因此，5G 專網(wǎng)服務(wù)往往還需要為企業(yè)客戶提供行之有效的5G無線基站節(jié)能方案。

因此，需要從傳輸帶寬、傳輸時延、可靠性保障及節(jié)能方案出發(fā)提升5G專網(wǎng)無線能力，為企業(yè)客戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

2 5G專網(wǎng)無線傳輸帶寬提升技術(shù)及應(yīng)用

在傳輸帶寬需求上，5G 專網(wǎng)用戶與大眾用戶的一個突出差異點(diǎn)是上行和下行帶寬需求的不同。對于移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，大眾用戶往往對下行帶寬有較高需求，因此，在設(shè)計5G 大眾網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)［1-2］時往往配置較少的上行時隙和較多的下行時隙。而5G 專網(wǎng)用戶的業(yè)務(wù)需求多是視頻監(jiān)控、機(jī)器視覺等，且部分業(yè)務(wù)對上行帶寬要求極高，單個終端的上行速率需求高達(dá)幾十兆，甚至數(shù)百兆。當(dāng)多個終端并發(fā)開展大帶寬上行業(yè)務(wù)時，5G 大眾網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)方案則難以支持，這就需要5G專網(wǎng)采用大上行帶寬方案，將更多的時隙資源分配給上行，從而提升上行容量和峰值速率。

具體地，當(dāng)前業(yè)界主要采用2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)，2 種時隙結(jié)構(gòu)為7∶3 時隙配比和8∶2 時隙配比，特殊子幀配比為10∶2∶2。為了支持更大上行時隙配比，可以采用2.5 ms 單周期幀結(jié)構(gòu)，時隙配比為2∶3，即“DSUUU”模式，特殊子幀配比也為10∶2∶2。時隙配比圖樣如圖1所示。

圖1 時隙配比圖樣

基于上下行符號數(shù)進(jìn)行理論估算，2∶3 時隙配比的上行容量是7∶3 時隙配比的1.9 倍、8∶2 時隙配比的2.7倍。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)測試，采用數(shù)字化室分基站，配置3.5 GHz 頻點(diǎn)、200 MHz 帶寬、2∶3 時隙配比、4T4R 天線，終端采用2T4R，單個終端的上行峰值速率可達(dá)700 Mbit∕s以上，上行容量可達(dá)1.2 Gbit∕s以上。2∶3時隙配比技術(shù)雖然可直接增加上行傳輸帶寬，但在應(yīng)用中也需要格外注意與周邊7∶3 時隙配比或8∶2 時隙配比基站的干擾問題，一般應(yīng)限制2∶3 時隙配比基站在有限的地理上與其他時隙配比基站隔離的區(qū)域覆蓋，與其他時隙配比基站設(shè)置隔離帶，并嚴(yán)格控制不同時隙配比覆蓋最外圈基站的發(fā)射功率。

另一方面，智能工廠、智能礦井、智慧倉儲等對5G專網(wǎng)的需求都主要發(fā)生在室內(nèi)，室內(nèi)場景中，由于需要考慮室內(nèi)基站的體積、發(fā)射功率及設(shè)備供電安裝問題，室內(nèi)數(shù)字化基站往往不會配置為如室外基站的64TR、32TR 等，為了提供較高的上下行帶寬保障，傳統(tǒng)方案是通過對室內(nèi)小區(qū)進(jìn)行分裂的方式擴(kuò)容［3-4］。但當(dāng)小區(qū)分裂到一定數(shù)量后，若沒有室內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)提供物理隔離支撐，在空曠的地理空間上，分裂的小區(qū)之間將產(chǎn)生嚴(yán)重的同頻干擾［5］，不僅無法達(dá)到容量提升的目的，還將直接影響小區(qū)交疊覆蓋區(qū)域終端的數(shù)據(jù)傳輸速率及時延，如圖2中左圖所示。這種場景下，可以在多個數(shù)字化室分的射頻單元之間使用分布式Massive MIMO 技術(shù)，即將工作在相同頻段上的射頻單元所覆蓋的N個連續(xù)覆蓋的4T4R 小區(qū)合并為一個4NT4NR 的小區(qū)，通過消除小區(qū)邊界降低小區(qū)間干擾，并基于多天線能力，提升不同射頻單元覆蓋交疊區(qū)域終端的上下行吞吐量及整體系統(tǒng)容量，如圖2 中右圖所示。

圖2 室內(nèi)小區(qū)干擾及分布式MIMO示意圖

基于現(xiàn)網(wǎng)測試，采用數(shù)字化室分基站，配置3.5 GHz 頻點(diǎn)、100 MHz 帶寬、4T4R 天線，單個小區(qū)峰值速率可到4.7 Gbit∕s以上。由于參與分布式MIMO的每個射頻單元與終端之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)均為獨(dú)立通道，也即每個射頻單元均需消耗對應(yīng)于一個小區(qū)的基帶處理資源，因此，該技術(shù)方案在應(yīng)用中，需要特別注意射頻單元前傳帶寬及基帶板卡的配置，是否能夠滿足應(yīng)用需求。

3 5G專網(wǎng)無線傳輸時延提升技術(shù)及應(yīng)用

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人及機(jī)器視覺被越來越多的應(yīng)用，基于5G 專網(wǎng)實現(xiàn)機(jī)器人、無人機(jī)等的遠(yuǎn)程控制，以及通過5G 專網(wǎng)傳遞機(jī)器視覺監(jiān)測結(jié)果，并基于此執(zhí)行控制性操作也被逐漸推廣。這類場景對5G 專網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸時延和時延穩(wěn)定性提出了較高的要求，如電力配網(wǎng)的差動保護(hù)甚至提出了15 ms端到端時延的超高要求，因此需要在5G大眾網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步尋求降低傳輸時延的技術(shù)方案。

數(shù)據(jù)傳輸時延由2 部分構(gòu)成，一部分是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的固有時延，這部分時延固定，難以縮減；另一部分則是實現(xiàn)資源調(diào)度過程中的調(diào)度及等待時延［6］，這部分時延可以通過預(yù)調(diào)度及免調(diào)度［7-10］等技術(shù)減少。

具體地，如果終端有上行數(shù)據(jù)傳輸需求，需要先在PUCCH信道上發(fā)送調(diào)度請求，基站向終端上行授權(quán)后，終端根據(jù)基站上行授權(quán)指示的位置發(fā)送上行數(shù)據(jù)。由于調(diào)度請求只能根據(jù)配置周期性發(fā)送，因此，基于3GPP 協(xié)議調(diào)度請求最大發(fā)送周期可達(dá)80 ms，即當(dāng)終端有上行數(shù)據(jù)發(fā)送需求時，最長需要等待80 ms才能發(fā)送調(diào)度請求，進(jìn)而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。通過使用預(yù)調(diào)度技術(shù)，即一旦基站給終端發(fā)送下行數(shù)據(jù)之后，考慮到終端有相應(yīng)回復(fù)就會有上行數(shù)傳需求，基站在一段時間內(nèi)對終端進(jìn)行主動授權(quán)，不需要等待終端發(fā)送調(diào)度請求，實現(xiàn)終端資源的預(yù)先分配，從而減少了信令交互時間。采用免調(diào)度技術(shù)，對于終端在固定時間內(nèi)將多次發(fā)送數(shù)據(jù)的場景，基站只給終端發(fā)送1 次調(diào)度授權(quán)，后續(xù)時間內(nèi)則不需要再發(fā)送調(diào)度請求，終端在激活上行資源時可采用在RRC 資源分配時直接激活或通過下發(fā)DCI指令激活2種方案。

基于現(xiàn)網(wǎng)測試情況，使用預(yù)調(diào)度技術(shù)，在不同數(shù)據(jù)包長度情況下，平均時延可達(dá)8～10 ms，最大時延不超過22 ms。由于上行預(yù)調(diào)度技術(shù)和免調(diào)度技術(shù)，是通過預(yù)先分配上行資源實現(xiàn)的，因此不可避免地會造成上行網(wǎng)絡(luò)資源的空占問題，在上行傳輸帶寬要求極高或上行無線資源較為緊張的場景，需謹(jǐn)慎使用。

4 5G專網(wǎng)無線可靠性保障技術(shù)及應(yīng)用

固定有線傳輸方案天然具有較高的可靠性和成熟的數(shù)據(jù)隔離、傳輸性能保障方案。相應(yīng)地，行業(yè)客戶對5G 專網(wǎng)也提出了可靠性保障需求。具體有2 種類型的需求，一種是客戶希望降低5G 專網(wǎng)擁有成本，多個客戶可以共享5G專網(wǎng)的無線資源，但仍需要保障不同客戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量或無線傳輸通道相對隔離；另一種是客戶希望自身不同業(yè)務(wù)之間能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸隔離，并且部分業(yè)務(wù)需要有較高的可靠性保障。

根據(jù)無線資源共享程度和方式的不同，可以分為基于QoS、基于RB 資源預(yù)留［11-13］和基于頻率預(yù)留3 種數(shù)據(jù)隔離和可靠性保障方案?；赒oS 的保障方案，是在資源有限的情況下，通過為不同客戶或不同業(yè)務(wù)配置不同的業(yè)務(wù)調(diào)度權(quán)重、接納門限、隊列管理門限等，以“按需定制”的方式提供差異化服務(wù)保障，例如，高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)能夠被基站優(yōu)先調(diào)度，從而優(yōu)先搶占無線資源，獲得更可靠的速率保障，并且享受更低的調(diào)度時延；基于RB 資源預(yù)留的保障方案，有靜態(tài)預(yù)留和動態(tài)共享及混合共享等多種模式，一種典型的方案是將一個小區(qū)的無線資源劃分為3 份，一份供一般用戶或業(yè)務(wù)共享使用，一份供RB 預(yù)留用戶或業(yè)務(wù)專享使用，一份由RB 預(yù)留業(yè)務(wù)和一般業(yè)務(wù)共享使用，其中RB預(yù)留用戶專享使用的資源，又可以按需分為多個切片、每個切片使用固定且獨(dú)立的RB 資源塊組，允許多個切片共用同一個小區(qū)的RB 資源，從而使得使用預(yù)留RB 資源的用戶或業(yè)務(wù)之間的數(shù)據(jù)邏輯傳輸通道隔離，且能夠享受可靠的傳輸資源保障，同時，RB預(yù)留業(yè)務(wù)與一般業(yè)務(wù)也能通過共享方式提高資源利用率；基于頻率預(yù)留的保障方案，是通過將頻率資源切分為不同載波的方式，不同用戶或業(yè)務(wù)使用獨(dú)立的載波和小區(qū)，從而實現(xiàn)最大化的邏輯資源隔離和傳輸保障。

當(dāng)前，上述方案已經(jīng)逐步應(yīng)用于各類5G專網(wǎng)業(yè)務(wù)中。在應(yīng)用過程中，采用基于QoS的保障方案，需注意當(dāng)無線資源利用率十分空閑和十分緊張時，都難以體現(xiàn)保障效果；采用基于RB 資源預(yù)留的保障方案，需要控制好業(yè)務(wù)獨(dú)享的RB 資源在總無線資源中的占比，占比過高將直接降低整個小區(qū)的系統(tǒng)容量，占比過低也將難以形成足夠的傳輸保障效果；采用基于頻率預(yù)留的保障方案，需要通過多種技術(shù)結(jié)合保障指定終端接入指定頻率的載波，以避免數(shù)據(jù)隔離失效。

5 5G專網(wǎng)無線基站節(jié)能技術(shù)及應(yīng)用

當(dāng)前，部分5G專網(wǎng)業(yè)務(wù)場景中，需要專門為5G專網(wǎng)客戶提供獨(dú)享的5G 基站實現(xiàn)業(yè)務(wù)服務(wù)。這種場景下，5G 基站是部署在專網(wǎng)客戶所屬的獨(dú)立地理區(qū)域的，基站的電費(fèi)也需要由客戶分?jǐn)偂?G 基站的高能耗問題尤為突出，因此利用5G 專網(wǎng)業(yè)務(wù)特點(diǎn)和節(jié)能技術(shù)，適當(dāng)降低5G 基站能耗，能夠為專網(wǎng)客戶帶來直接的經(jīng)濟(jì)價值。

具體的節(jié)能技術(shù)包括符號關(guān)斷、通道關(guān)斷、載波關(guān)斷、深度休眠等［14-15］?？傮w而言，在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)荷較低、用戶數(shù)較少的情況下，對部分不需使用的基站資源進(jìn)行關(guān)斷，從而達(dá)到降低能耗的目的。在基站設(shè)備中，射頻單元的功率放大器能耗最大，在沒有信號輸出時，功放也會產(chǎn)生靜態(tài)能耗，符號關(guān)斷是在小區(qū)部分符號或子幀沒有數(shù)據(jù)承載時，動態(tài)關(guān)閉對應(yīng)符號或子幀周期內(nèi)的功放。通道關(guān)斷是指在小區(qū)業(yè)務(wù)量較低的時段，基站關(guān)閉射頻單元的部分通道，即降低基站收發(fā)通道數(shù)。載波關(guān)斷是指通過識別和定義基礎(chǔ)覆蓋用載波和容量增強(qiáng)用載波，在業(yè)務(wù)量較低的時段關(guān)閉容量增強(qiáng)用載波，以降低能耗。深度休眠是指在無業(yè)務(wù)時段，或有覆蓋用載波支撐的情況下，將射頻單元深度休眠，從而最大程度降低能耗。

部分專網(wǎng)業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)量潮汐特征較大眾網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)更為突出，部分專網(wǎng)在部署初期業(yè)務(wù)量較低，都可以更充分地利用節(jié)能技術(shù)降低5G 基站的能耗。具體地，現(xiàn)網(wǎng)中，使用符號關(guān)斷可獲得5%～10%的節(jié)能增益，使用通道關(guān)斷技術(shù)可獲得10%～15%的節(jié)能增益，使用載波關(guān)斷或深度休眠技術(shù)可獲得40%～60%的節(jié)能增益。

6 結(jié)束語

本文從5G專網(wǎng)需求的高速發(fā)展和5G專網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)能力存在的問題出發(fā)，分析了5G專網(wǎng)無線能力提升的業(yè)務(wù)需求，針對4 類能力提升需求，提出了使用2∶3時隙配比技術(shù)和室內(nèi)分布式MIMO 技術(shù)實現(xiàn)傳輸帶寬能力提升，使用預(yù)調(diào)度、免調(diào)度技術(shù)實現(xiàn)傳輸時延能力提升，使用QoS、RB 預(yù)留和頻率預(yù)留技術(shù)實現(xiàn)傳輸可靠性保障能力提升，以及使用資源關(guān)斷和休眠技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能，并詳細(xì)分析了各類能力提升業(yè)務(wù)場景、技術(shù)方案、應(yīng)用性能和應(yīng)用方案。