5G移动通信网络建设中关键技术及影响分析

钟俊贤，田 安

（广东省电信规划设计院有限公司，广东 广州 510630）

0 引 言

随着我国移动通信技术的迅速发展，人们对通信需求越来越大，信息通信在维持整个社会的正常运转中发挥着重要的作用。当前，移动通信技术不仅能够满足人们沟通的需求，而且还能够体现在人与物的沟通。随着通信技术的不断完善，5G通信技术迎来了新的挑战，未来5G的发展成为业界研究的热点。本文以5G通信技术为出发点，就5G通信关键技术进行探讨。

1 5G网络概述

1.1 5G产业进展

随着5G第一版标准在2017年底完成，推出NSA架构5G宏站，SA架构标准已于2018年6月完成，2018年底推出SA宏站，2020下半年5G开始逐步投入商用。

1.2 5G基站产品的架构

对于RAN架构来说，其结构发生较大的变化，从4G的BBU结构将演进到CU和DU结构等。在天线设计时采用了MIMO技术，与射频模块相结合，实现了一体化建设目标。

CU对无线协议栈功能进行处理，且能够为核心网功能提供支持，包括应用业务的部署，如下沉部署和边缘部署。DU通过对物理层和无线协议栈等功能的处理，从而满足uRLLC业务的需求。

中国移动结合性能和成本的考虑，给出的5G网络建设建议是5G NR SA建网一步到位。早期采用CU/DU合一方案，同时进行CU云化集中的探索。

根据《中国电信5G技术白皮书》，中国电信5G组网优先选择独立组网SA方案。在5G发展初期，其设计方案主要采用CU/DU合设方案，此方案具有建设周期短、部署成本低以及运维难度低等优点。结合实际部署场景和需求，首先提升热点高容量地区系统容量和覆盖，而中远期按需升级支持URLLC和mMTC业务场景，适时引入CU/DU分离架构。

中国联通在世界移动大会期间明确5G网络将以独立组网（Stand Alone，SA）为目标架构。前期进行eMBB聚焦，后续引入uRLLC和mMTC两种技术。由于当前电信设备虚拟化程度低，CU/DU分离技术不成熟，因此也会先采用CU/DU合设方案[1]。5G基站典型部署方式如图1所示。

图1 5G基站典型部署方式

1.3 运营商部署计划

三大运营商5G部署计划在时间线上相对比较一致，都是在2019年预商用，2020年正式商用。上海作为国家中心城市，超大城市，由于5G基础较为完善，因此将成为三大运营商的重点布局城市，5G关键技术的“战略要塞”。

1.4 频率分配方案

截止目前，5G频率分配方案是以第四代移动通信为基础，采用4.9 GHz频率中的100 MHz。中国电信和中国联通各分得3.4～3.6 GHz频率中的100 MHz频段，其中电信为3.4～3.5 GHz，联通为3.5 ～ 3.6 GHz。

从产业的支撑情况来看，目前3.5 GHz的成熟度最好，2.6 GHz因时间窗口太窄，存在设备成熟期太短和短时间内协调出连续频率难度大的问题，但是从长远发展的角度来看，2.6 GHz频段低，覆盖优于电联3.5 GHz，大幅降低建站投资，并且连续160 MHz频谱带宽，可灵活组合使用，4/5G同时建设一网两用，演进能力强。

2 5G网络关键技术

5G有大量的技术革新与演进，其关键技术主要包括大规模天线阵列技术、超密集组网技术、全频谱接入技术、智能网络技术以及接入网云化几种。

2.1 大规模天线阵列技术

大规模天线阵列技术具有推动频谱效率提升的作用，其对天线及射频模块需求不断增加，且通过在多天线基础上增加天线数，能够为多个空间数据流提供支持，促进传输用户数目不断增加，进而提升多系统的频谱效率，满足5G系统速率需求。另外，通过5G中大规模天线阵列技术，可以有效解决天线阵列设计、信道测量与反馈以及实现低成本等问题[2]。

过去，在4G系统中广泛使用大规模天线技术，但在5G系统中将会面临着多方面的性能挑战，包括系统容量和传输速率等。在MIMO技术演进过程中，增加天线数目仍是一个重要方向。对于概率学而言，如果基站侧天线数超过用户天线数，那么基站与用户的信道形成正交，进而消除用户间干扰。另外，要提升用户的信噪比，应采用巨大的阵列增益，在同一时频资源上通过空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA）技术的应用为多个用户服务。此技术是通过大规模天线阵列中的加权系数所产生的波束来为信号方向性增益[3-5]。

大规模天线阵列技术主要应用场景如图2所示。

图2 大规模天线阵列技术应用场景

通过大规模天线阵列技术不仅能够提升网络能力，而且大幅提升了天线的重量和迎风面积。此外在后期的塔桅设计中需要重点考虑5G天线承载的要求。

2.2 超密集组网

随着我国移动业务的迅速发展，在网络架构中仍存在用户体验问题。在体验中因缺乏频谱资源，只能依靠提升频谱效率来满足数据增长的要求。然而，在基站部署时可以利用超密集组网来增加其密度，以大幅度地提升频率复用效率，且在超密集小区部署成本和频率干扰方面，能够大大提升此区域中的容量，不仅能够带来可观的容量，而且在部署过程中能够有效解决站址的获取和成本问题[6]。

通过应用超密集组网不仅可以满足站址建设方面的需求，而且利用5G网络技术中分层异构网架设功能实现了网络结构的预判，大幅度地提升了微站建设规模。因此，在今后通信技术建设过程中，可以实现微站资源的储备目标。

2.3 全频谱接入

通过全频谱接入技术的应用不仅可以有效提高频谱利用率，而且能够确保频谱利用率不变，甚至可以翻倍提升数据传输速率。同时，利用不同的移动通信频谱等资源，能够有效提升系统容量及数据传输速率。

目前，对于5G的辅助频段来说，低于6 GHz的频段信道传播性较好且较拥挤，而高于6 GHz低于100 GHz高频段的空闲频谱资源更加丰富，故成为了辅助频段的首选。30～100 GHz频率之间属于毫米波的范畴，这就需要使用到毫米波技术。

5G将是一个高频和低频混用的技术体系，低频作为核心频段，用于无缝覆盖，解决广域覆盖问题，高频由于受到传播特性的限制，因此适用于局部增容，可满足超高数据的传输要求。

由于目前5G具体使用频段未定，因此先将2.6 GHz和3.5 GHz频段定义为5G低频段，用于高层网广覆盖建设，6～100 GHz作为5G高频段用于低层网局部增容。同时后期运营商可能会对低频段网络进行翻频建设。

2.4 智能网络技术

随着5G微站的大规模引入，站址的规模将会呈现倍增，相应的网络优化难度也将大幅提升。智能网络技术的引入能够很好地解决该问题[7]。

自组织网络（Self-Organizing Network，SON）作为智能网络核心技术，可改善网络性能，降低网络运维成本，其功能包括两种，一种是自优化，另一种是自配置。其中，自配置主要是指微站引入网络时，可利用自动安装过程来获得可运行配置（包括参数、频点等参数配置），以实现设备即插即用。而自优化主要是指在微站运行时，可结合网络状态实现参数自动调整和网络性能的优化，如实现小区间干扰协调。

对于4G网络中SON技术，由于受到技术成熟度不够及微站数量不足的影响，其应用范围较小。而对于5G网络，可利用SON技术的自优化功能从无线网络向网络终端扩展，从网络覆盖扩展到终端的用户业务感知，实现业务覆盖的优化。

通过引入SON网络，实现网络初配和后期优化。根据网络拓扑结构要求，抛弃了前期的严格，实现按需建设的目标。但是，对于未来网络的规划和建设仍存着在许多不确定性。

2.5 接入网云化

接入网云化早在3G和4G建设中提出并得以BBU集中尝试，但难以实现云化。而5G网格中C-RAN真正实现以下3个阶段。

一是BBU堆叠，在基站内可实现多个BBU互联，其互联架构具有高容量和低延迟的特点，RRU利用互联架构与基带池BBU进行交换。此方式是利用BBU进行集成，实现容灾备份，提高设备利用率，降低设备的能耗。二是BBU池，在基站中引入无线电技术，BBU基带池平台实现多标准化，且能够利用BBU间的数据交互和调度信息来实现多点协作，避免受到无线干扰，提高系统的容量。三是无线接入云C-RAN，基于统一的BBU基带池平台，可利用云架构系统软件形成一种实时云架构基带池，为不同接入的RRU基带提供资源处理，且能够通过光传输网络将多个云架构基带池进行连接与协作，保证系统负载的平衡性。

5G的超密集组网对于接入网云化提出了更高的要求，通过C-RAN的架设可真正实现更为灵活组网、4/5G高效双连以及网络的弹性扩展。

接入网云化可以使得网络建设越来越灵活，包括可以实现上下行解耦、站点与终端解耦以及CU/DU解耦等。与此同时，对于C-RAN机房而言，在地理布局时，其建设要求不断提升[8-10]。

3 结 论

本文着重分析了5G通信技术的特点，并通过研究发展5G通信中的关键技术，在5G通信中引入大量高新技术，大大提升了我国通信技术水平，提升了通信网络的传输速率，为用户提供更多的体验，但仍存在许多不完善的地方。随着未来5G通信网络的不断发展，研究人员还面临着较大的挑战，需要不断加强后续工作，以促进5G通信网络的各个领域得到更多推广与应用。