面向商用的5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵問題研究及驗證

劉瑋，董江波，任冶冰

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面向商用的5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵問題研究及驗證

劉瑋，董江波，任冶冰

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080）

3GPP第一版5G標(biāo)準(zhǔn)已于2018年6月凍結(jié)，相關(guān)端到端產(chǎn)品也已穩(wěn)步發(fā)展，面向商用的5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)模試驗工作已經(jīng)啟動，以支撐明確技術(shù)路線及引入策略。首先介紹了全球5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，然后從新技術(shù)引入策略、建網(wǎng)方案和業(yè)務(wù)需求3個角度梳理了面向商用的5G關(guān)鍵問題，并對NSA/SA架構(gòu)選擇、MEC部署、頻率、覆蓋與容量、垂直行業(yè)業(yè)務(wù)需求等典型問題進(jìn)行分析；最后介紹了此次5G規(guī)模試驗的基本情況，包括原則與目標(biāo)、總體規(guī)劃與試驗內(nèi)容。

NSA；SA；傳播損耗；規(guī)劃仿真

1 引言

5G三大主要應(yīng)用場景分別是：連續(xù)廣覆蓋及高容量場景（eMBB）、低時延高可靠場景（uRLLC）以及低功耗大連接場景（mMTC）。面向eMBB場景的5G技術(shù)框架通過3GPP R15版本制定，該版本已于2018年6月凍結(jié)，而面向uRLLC和mMTC場景的技術(shù)方案將在3GPP R16版本中制定，除此以外，3GPP R16版本還將制定一些增強(qiáng)技術(shù)方案以持續(xù)提升eMBB場景的競爭力。

目前，5G系統(tǒng)側(cè)主設(shè)備廠商主要有華為、中興、諾基亞、大唐和愛立信，終端芯片廠商主要有高通、海思、三星、英特爾。由于5G非獨立組網(wǎng)架構(gòu)（non-standalone，NSA）標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)較獨立組網(wǎng)架構(gòu)（standalone，SA）早半年，因此，主設(shè)備廠商和終端芯片廠商對于NSA和SA兩種組網(wǎng)架構(gòu)的產(chǎn)品研發(fā)計劃也不同步，NSA產(chǎn)品研發(fā)計劃較SA產(chǎn)品研發(fā)計劃早3~6個月。當(dāng)前大部分廠商面向NSA組網(wǎng)架構(gòu)的基站側(cè)設(shè)備已于2018年第二季度推出，面向SA組網(wǎng)架構(gòu)的基站側(cè)設(shè)備也將于2018年第三季度推出，面向NSA和SA組網(wǎng)架構(gòu)的核心網(wǎng)設(shè)備將于2018年第三季度和第四季度推出。各廠商終端芯片廠商產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)差異較大，預(yù)計在2018年第四季度推出面向NSA組網(wǎng)架構(gòu)的終端芯片，在2019年第一季度推出面向SA組網(wǎng)架構(gòu)的終端芯片。因此，2018年第四季度將基本具備面向NSA組網(wǎng)架構(gòu)的5G芯片級端到端測試條件，而面向SA組網(wǎng)架構(gòu)的5G芯片級端到端測試條件要稍晚。

2 5G網(wǎng)絡(luò)商用的關(guān)鍵問題

5G網(wǎng)絡(luò)商用關(guān)鍵問題可分為端到端重大方案、無線網(wǎng)、核心網(wǎng)、信令網(wǎng)、傳輸/承載網(wǎng)、終端、計費、網(wǎng)管編排、能力開放以及安全等17大類82項，如5G語音方案、4G與5G互通策略、4G演進(jìn)與5G關(guān)系、5G空口安全等。本文主要論述新技術(shù)引入策略、建網(wǎng)方案、業(yè)務(wù)需求這3方面涉及的關(guān)鍵問題。

2.1 新技術(shù)引入策略

為了滿足eMBB、uRLLC和mMTC三大場景業(yè)務(wù)需求，與4G相比，5G端到端發(fā)生了新的技術(shù)變革，如圖1所示。業(yè)務(wù)需求不同、產(chǎn)業(yè)進(jìn)展不同、技術(shù)靈活多樣，5G網(wǎng)絡(luò)商用面臨的第一大問題便是在5G不同的發(fā)展階段，各種新技術(shù)如何選擇及準(zhǔn)確引入。本文將以對5G架構(gòu)選擇與邊緣計算（MEC）新技術(shù)引入兩個關(guān)鍵問題的闡述為例。

圖1 5G端到端技術(shù)變革

如前文所述，5G提供兩種組網(wǎng)架構(gòu)：NSA非獨立組網(wǎng)與SA獨立組網(wǎng)。由于NSA組網(wǎng)架構(gòu)中核心網(wǎng)沿用4G核心網(wǎng)，無法應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)切片、控制面/用戶面分離等5G核心網(wǎng)新的技術(shù)，因此NSA架構(gòu)雖然能夠規(guī)避5G核心網(wǎng)成熟較晚的時間風(fēng)險，能夠?qū)崿F(xiàn)快速部署，但是會帶來僅能滿足初期eMBB大帶寬高容量補(bǔ)充的業(yè)務(wù)需求；而SA作為全新的5G組網(wǎng)架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)全部功能，更好地支持5G的新業(yè)務(wù)與新特性，但是要承擔(dān)5G端到端成熟的時間風(fēng)險。兩種組網(wǎng)架構(gòu)的選擇要綜合頻譜資源、無線覆蓋能力、端到端成熟時間與業(yè)務(wù)發(fā)展匹配等因素。

? · 選擇方案一：直接部署SA。商用初期即要同時滿足大帶寬和低時延兩種業(yè)務(wù)需求，且與5G端到端成熟時間相匹配，此外，5G頻段劃分和新技術(shù)應(yīng)用能夠滿足連續(xù)組網(wǎng)需求，滿足上述條件則選擇直接部署SA。

? · 選擇方案二：先部署NSA，后續(xù)演進(jìn)至SA。商用初期的業(yè)務(wù)需求主要是大帶寬業(yè)務(wù)，5G端到端特別是核心網(wǎng)成熟較晚，5G頻段劃分和新技術(shù)應(yīng)用無法滿足連續(xù)組網(wǎng)需求，則選擇先部署NSA，后續(xù)演進(jìn)至SA方案。此時，LTE無線網(wǎng)和EPC核心網(wǎng)均會面臨二次改造。

MEC是指核心網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)能力下沉，通過本地分流和預(yù)處理達(dá)到降低時延、節(jié)省帶寬和提升用戶體驗的目的，屬于典型的時延驅(qū)動型分布式架構(gòu)。MEC部署位置有多種選擇，如圖2所示，地市核心機(jī)房、骨干匯聚機(jī)房和基站機(jī)房，部署成本依次抬升，但是時延依次降低，因此，MEC部署位置的選擇脫離不了業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求，特別是垂直行業(yè)的業(yè)務(wù)需求。

圖2 MEC多種部署位置

NSA/SA架構(gòu)、MEC部署的選擇與引入策略除了理論分析以外，均需要通過規(guī)模技術(shù)試驗進(jìn)行實踐與驗證，其他新技術(shù)也是如此。因此，5G規(guī)模試驗設(shè)計了大量的測試樣例用于支撐5G新技術(shù)引入策略的判斷，是5G規(guī)模試驗最為首要的內(nèi)容之一。

2.2 建網(wǎng)方案

與以往3G、4G類似，建網(wǎng)方案的確定是網(wǎng)絡(luò)商用面臨的關(guān)鍵問題之一。以無線側(cè)為例，建網(wǎng)方案需要考慮頻譜問題、覆蓋問題與容量問題。

頻譜的選擇對網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案影響巨大，直接影響網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、無線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、組網(wǎng)方案等。2017年11月9日，工業(yè)和信息化部下發(fā)了《工業(yè)和信息化部關(guān)于第五代移動通信系統(tǒng)使用3 300~3 600 MHz和4 800~5 000 MHz頻段相關(guān)事宜的通知》（工信部無[2017]276號），確定了6 GHz以下5G可以使用的頻率。由于全球6 GHz以下頻譜聚焦3.5 GHz頻段，4.9 GHz設(shè)備成熟度較3.5 GHz晚0.5~1年左右，且與4.9 GHz相比，3.5 GHz電波傳播損耗較低、性能較好。從建網(wǎng)方案角度考慮為了更好地利用好這些頻段資源，需要認(rèn)真分析不同頻段下網(wǎng)絡(luò)性能。

網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題中，電波傳播特性的研究是核心。3.5 GHz/4.9 GHz將帶來更大的傳播損耗，通過在濟(jì)南、陽泉、杭州等多地的測試驗證工作，發(fā)現(xiàn)在城區(qū)場景，3.5 GHz傳播損耗比D頻段高4~6 dB，4.9 GHz較3.5 GHz傳播損耗高5~6 dB。考慮64T64R天線增益、發(fā)射功率、接收機(jī)靈敏度的影響，通過仿真可以得出，5G的3.5 GHz覆蓋能力與D頻段相當(dāng)，這一結(jié)論還需要在5G規(guī)模試驗中進(jìn)一步實踐與驗證。5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題中，由于上下行天線通道數(shù)差異性較大，由此帶來的上下行覆蓋差異的問題也是重點關(guān)注問題之一。如果不考慮任何覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，通過仿真可以看出，相同覆蓋半徑條件下，3.5 GHz 64通道下行邊緣速率為55 Mbit/s，而上行邊緣速率僅為178 kbit/s。為了解決這個問題，5G主要的引入技術(shù)有SUL與CA，兩者的本質(zhì)均是為小區(qū)邊緣用戶提供了使用低頻資源的能力，從而提高邊緣用戶的體驗，但CA條件下下行方向使用低頻資源，但SUL不行。上行業(yè)務(wù)的感知將會直接影響5G網(wǎng)絡(luò)商用的節(jié)奏，因此在5G規(guī)模試驗中對上行增強(qiáng)方案的驗證將對5G網(wǎng)絡(luò)上行業(yè)務(wù)感知的提升起到重要的促進(jìn)作用。5G不同頻段的覆蓋性能、上行增強(qiáng)技術(shù)帶來的效果也是5G規(guī)模試驗的重點測試內(nèi)容之一。

大帶寬、多天線技術(shù)的引入，使得5G與4G相比，容量性能將會有顯著提升。同樣通過理論仿真，可以初步看出5G小區(qū)下行/上行平均吞吐量為4G網(wǎng)絡(luò)的13倍/20倍，剔除單載波帶寬5倍增益，頻譜效率提升2~4倍；下行4流，上行雙流時，5G單用戶上行峰值速率約為285 Mbit/s，約為4G網(wǎng)絡(luò)的19倍，下行峰值速率約為1.5 Gbit/s，約為4G網(wǎng)絡(luò)的17倍。16通道以及64通道多天線技術(shù)與產(chǎn)品的選擇除了影響網(wǎng)絡(luò)性能，對于建網(wǎng)成本與建網(wǎng)難度都有影響，因此選擇與業(yè)務(wù)場景匹配的方案將更為合理，在5G網(wǎng)絡(luò)真正商用之前通過試驗網(wǎng)進(jìn)行評估能為技術(shù)選擇提供科學(xué)技術(shù)依據(jù)。

2.3 業(yè)務(wù)需求

從上文的闡述中，可以看出，5G網(wǎng)絡(luò)面對的業(yè)務(wù)需求更加豐富多樣。因此，在5G網(wǎng)絡(luò)商用之前就要考慮與判斷這張網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的對象是誰，這個對象對網(wǎng)絡(luò)的需求具體是什么。經(jīng)過初步研究與分析，5G網(wǎng)絡(luò)在起步階段的主要業(yè)務(wù)是高清及超高清視頻、AR/VR、云端游戲，屬于eMBB場景范疇；發(fā)展階段將會產(chǎn)生工業(yè)制造、自動駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療和智慧交通等uRLLC場景的業(yè)務(wù)；后續(xù)到達(dá)成熟期，則會面臨海量物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用與連接需求。本文將從中篩選出智能網(wǎng)聯(lián)車、遠(yuǎn)程控制、AR/VR/高清視頻、智能制造四大垂直行業(yè)，其對于網(wǎng)絡(luò)的需求具體見表1。

針對不同業(yè)務(wù)的應(yīng)用示范，將在12個示范城市完成相關(guān)測試驗證工作，測試工作將與5G規(guī)模試驗工作同步進(jìn)行。

3 5G規(guī)模試驗

3.1 原則與目標(biāo)

5G規(guī)模試驗的總體目標(biāo)是通過5G規(guī)模試驗，驗證關(guān)鍵技術(shù)與性能，支撐明確技術(shù)路線及引入策略，完成網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)方案制定、摸索優(yōu)化運(yùn)營經(jīng)驗，推動端到端產(chǎn)業(yè)成熟，力爭實現(xiàn)5G全方位引領(lǐng)，同時為運(yùn)營商今后5G建設(shè)和運(yùn)營培養(yǎng)儲備人才。

5G規(guī)模試驗在杭州、廣州、蘇州、武漢、上海分別選擇華為、中興、愛立信、大唐、諾基亞開展，逐步建成每城市百站規(guī)模試驗環(huán)境，考慮測試結(jié)果的完備性，每城市至少測試兩種品牌終端產(chǎn)品。每城市均劃分無線網(wǎng)、核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、終端4條測試線并行測試，提高效率。5G規(guī)模試驗遵循先內(nèi)后外的原則，即先開展實驗室測試，具備一定條件后，進(jìn)行外場規(guī)模試驗。

表1 垂直行業(yè)對網(wǎng)絡(luò)的要求

3.2 總體規(guī)劃

5G規(guī)模試驗總體規(guī)劃分為兩個階段，各有側(cè)重。第一階段主要是驗證關(guān)鍵功能及性能驗證，用于支撐技術(shù)路線決策，推動設(shè)備性能穩(wěn)定，形成初步的端到端組網(wǎng)能力；第二階段面向商用，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、組網(wǎng)、優(yōu)化、網(wǎng)管、運(yùn)營、異廠商互通、網(wǎng)元融合等測試，全面達(dá)到商用水平，發(fā)展友好用戶?？紤]端到端產(chǎn)業(yè)進(jìn)度，5G規(guī)模試驗第一階段優(yōu)先啟動NSA組網(wǎng)架構(gòu)相關(guān)測試，再進(jìn)行SA組網(wǎng)架構(gòu)相關(guān)測試。

3.3 試驗內(nèi)容

5G規(guī)模試驗內(nèi)容分為無線網(wǎng)、核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、終端四大類。目前，無線網(wǎng)和終端測試內(nèi)容已經(jīng)明確，分為基本性能對比、NSA專項、多天線關(guān)鍵技術(shù)、室內(nèi)外多頻段、CU/DU部署方案、5G覆蓋增強(qiáng)技術(shù)、終端測試8項內(nèi)容。

其中，基本性能主要從覆蓋、吞吐量、時延、可靠性等方面分別對NSA組網(wǎng)架構(gòu)和SA組網(wǎng)架構(gòu)條件下的5G網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行評估，為NSA與SA的路線決策提供支撐；NSA組網(wǎng)架構(gòu)商用面臨LTE錨點頻段選擇等問題，NSA專項旨在驗證NSA上述多種方案的基本性能，指導(dǎo)未來商用建設(shè)方案的選擇，同時驗證LTE與5G共存能力；多天線關(guān)鍵技術(shù)則是為了測試驗證不同通道天線產(chǎn)品適用的場景、在不同場景下的多天線配置方案及其性能；室內(nèi)外多頻段則是為了通過不同頻段組網(wǎng)方案的測試驗證，為未來5G頻率選擇提供支撐；CU/DU部署方案的目的在于驗證CU-DU分離與合設(shè)的性能差異；5G覆蓋增強(qiáng)技術(shù)則是為了驗證SUL、CA等增強(qiáng)技術(shù)對于5G覆蓋、容量性能的提升效果、適用的場景及成本代價；終端測試的意義在于優(yōu)化終端實現(xiàn)，推動終端產(chǎn)品成熟。

4 結(jié)束語

本文首先介紹了全球5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，然后從新技術(shù)引入策略、建網(wǎng)方案和業(yè)務(wù)需求3個角度梳理了面向商用的5G關(guān)鍵問題，并對NSA/SA架構(gòu)選擇、MEC部署、頻率、覆蓋與容量、垂直行業(yè)業(yè)務(wù)需求等典型問題進(jìn)行分析；最后介紹了此次5G規(guī)模試驗的基本情況，包括原則與目標(biāo)、總體規(guī)劃與試驗內(nèi)容。

[1] 3GPP. Base station (BS) radio transmission and reception (release 15): TS38.104 V15.1.0[S]. 2008.

[2] 3GPP. Physical channels and modulation (release 15): TS38. 211V15.1.0[S]. 2008.

[3] 倪善金, 趙軍輝. 5G無線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電信科學(xué), 2015, 31(12): 48-53.

NI S J, ZHAO J H. Key technologies in physical layer of 5G wireless communications network[J]. Telecommunications Science, 2015, 31(12): 48-53.

[4] 張建敏, 謝偉良, 楊峰義, 等. 移動邊緣計算技術(shù)及其本地分流方案[J]. 電信科學(xué), 2016, 32(7): 132-139.

ZHANG J M, XIE W L,YANG F Y, et al. Mobile edge computing and application in traffic offloading[J]. Telecommunications Science, 2016, 32(7): 132-139.

Research and verification of key issues in 5G network

LIU Wei, DONG Jiangbo, REN Yebing

China Mobile Communications Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China

The first edition of 5G technical specification has been frozen on June 2018, and the end to end products have also been steadily developing. The 5G network scale test has been launched, to clear strategy for introducing technology and new technologies.The development of 5G industry in the world was introduced. And then the key issues of 5G were combed from 3 dimensions. Finally, the basic situation of the 5G scale test was introduced, including the principles and objectives, the overall plan and the test content.

NSA, SA, propagation loss, network planning

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018232

劉瑋（1986?），女，中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司工程師，長期從事移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化等新技術(shù)研究與工具開發(fā)工作。

董江波（1978?），女，博士，中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司教授級高級工程師，長期從事移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化等新技術(shù)研究工作。

任冶冰（1987?），男，中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司工程師，長期從事移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化等新技術(shù)研究與相關(guān)通信軟件研發(fā)工作。

2018?07?22；

2018?08?10