面向5G演进的4G容量问题探讨

2020-08-12刘江挺

互联网天地 2020年7期

□ 文刘江挺

一、前言

5G网络相比当前的4G网络具有更高的传输速率，更快的响应速度和更大连接能力的特点，在国家战略层面，5G是实现“中国制造2025”与“网络强国战略”的必要组成部分。预测到2030年，5G可以带动总产出达到6.3万亿元，就业人数达到800万个，未来5G将赋能各行各业应用，给人们生活带来便利，移动通信网络向5G演进的进程也随之加快。

在5G商用进展方面，3GPP组织在2018年9月冻结了可商用的R15版本，包括以NSA（Non-Stand Alone)的组网架构，主要支持eMBB（enhanced Mobile Broadband)业务，后续的R16版本将继续进行e M B B性能增强和uRLLC（Ultra Reliable Low Latency Communications)场景的标准化，预计在2020年完成。

近期，国内三大运营商都已进入了5G网络的工程建设阶段，结合5G标准的进展情况，中国移动在当前的5G网络建设中，在某省以NSA组网架构，基于4/5G共模设备，并选择4G FDD1800M+TDD F频段双锚点方式组网建设，建成后可以为个人用户提供极致的高速业务体验，后期随着5G标准及产业链的成熟，网络将面向SA的目标组网架构平滑演进，提供低时延高可靠通信及海量的机器类通信，切实服务各行各业。

二、5G建设中的4G容量问题

2.1 2.6GHz频段使用情况

在5G频率分配上，国内5G备选频段有两个，其中6GHz以上的24GHz-86GHz均为备选频段，目前主要聚焦在45GHz以下频段，包括24.25-27.5GHz、27.5-29.5GHz等，而6GHz以下频段以2.6GHz、3.5GHz频段为核心频段。在2018年年底，工信部正式发布了三大运营商的5G频率使用许可，联通和电信获得了国际主流的3.5GHz频段，中国移动获得2600MHz和4900MHz频段，其中2.6GHz包括2575-2635MHz频段为重耕现有的TD-LTE（4G）频段；2515-2555MHz为新增频谱，并收回电信（2635-2655MHz）和联通（2555～2575MHz）已分配的频段，使得中国移动在Band41具备2515MHz-2675MHz共计160MHz带宽频谱。频率分配如图1所示，同时为了规范统一2.6GHz频点的说法，以20M带宽进行D1～D8的划分。

图1 5G 2.6GHz频率分配图及频点划分

在面向5G演进中，结合当前4G D频段在2.6GHz上已占用了60M带宽，5G NR（New Radio）频率在使用方案上主要有两种，一种为保持4G当前使用2575-2635MHz频段不变，5G NR使用2.6GHz两端的频率资源，形成“三明治”的频率使用方案。如图2所示。

5G NR“三明治”频率使用方案

图2 5G NR频率方案一

另一种为对现网4G D频段前40M进行移频，5G NR使用连续的100M频率资源。如图3所示。

图3 5G NR频率方案二

5G NR连续使用100M方案

两种5G NR的频率使用方案相比，5G NR若采用频率分段的方案，由于终端芯片普遍不会支持上行CA功能，将会导致上行峰值速率较低，严重影响业务体验。为了保证5G较优的业务感知，基本都采用5G NR连续的频率方案，但这样对于4G网络，就将面临移频后因可用频谱资源不足带来的容量方面问题。

2.2 设备及终端不支持对4G容量的影响

在4G网络设备方面，经现网设备调查，4GD频段设备的RRU基本仅支持60M频谱带宽，因此在移频后，原设备仅能开启D3的频点，这对于已开启2个及以上D频段的4G小区的容量就会造成了一定影响。另一方面，即使新增网络设备支持移频后的60M带宽，在终端支持方面，仍然也存在一定比例终端不支持移频后的频段，通过获取现网终端情况如图4所示。

图4 现网终端支持2.6GHz频段的比例

可以看出现网终端在移频后，将有7%左右的终端将受到较大影响，主要是2015年以前的终端，典型的终端为IPHONE 5S。由于现网开满三载波的4G小区也比例较低，现网统计比例不到10%，也就是移频后需要开启D8频点小区的比例较低，对于现阶段来说影响较小，但随着流量快速增长，终端不支持D8频点仍会在一定程度上对容量造成影响。

2.3 5G网络暂无法分流对4G容量的影响

在5G业务分流方面，是否可以通过建成的5G网络对移频后的4G的容量进行承接呢？通过进一步分析，首先，受5G标准及产业链成熟度影响，当前建设5G网络在覆盖范围和规模上相对较小，主要集中在城市的核心区域和重要场所，初期作为5G的业务展示，网络还不具备承接4G容量的条件。其次，随着5G建设进度加快，5G覆盖将逐步完善，网络具备条件后，就依赖于5G终端普及率。结合4G终端的发展经验，4G商用终端普及率达到10%时，平均历时13个月，在5G终端方面，根据Gartner2018Q2预测，全球5G终端出货量在2021年前，绝对量和5G占4/5G手机比例都较小，直到2023年，5G终端才会超过出4/5G手机出货量的50%，如图5所示。

图5 5G手机出货预测

图6 中国4/5G用户预测

因此在5G终端规模普及之前，业务量仍主要承载在4G网络上，进一步结合GSMA预测的国内4/5G网络用户数分析，如图6所示。

可以看出，在2020年，4G用户数将趋于饱和，并持续到2021年第一季度，4G用户数才将出现拐点，5G用户数逐步提升，届时，5G网络开始显著分流4G业务量。

也就是说距2021年5G能有效分流还有约两年时间，同时由于“提速降费”政策的进一步落实及市场策略导向，数据业务增长仍将保持较快的增长水平。以某省为例，当前DOU不到10GB，不限量套餐渗透率不到30%，在未来2年内，虽然缺乏颠覆性的业务需求刺激，用户DOU增长受限，但不限量套餐用户数将快速发展，因此总体容量需求上还将增长6～7倍。经推算，到2021年，该省高负荷待扩容小区比例将达到30%，需投入的扩容载频资源将达到9.5万块（等效20M带宽），扩容投资预计需要15亿元，不断增长的容量需求和投资的矛盾越来越突出。

2.4 4G容量问题小结

综上所述，5G建网采用100M连续带宽，可以保证5G业务极致体验，但需要对4G原D频段进行移频，由于受制于现网4G网络设备和手机终端的对移频后频段的支持，4G网络容量势必受到影响，且5G终端无法快速普及，预计5G能实现有效分流还需要两年的时间，这期间4G流量仍保持快速增长，若继续投资4G容量建设，5G开始分流后，这部分投资将彻底浪费。如何保障现网4G网络容量，确保用户感知，并化解投资风险，实现降本增效，本文将进行相关解决措施的探讨。

三、4G容量问题解决措施探讨

3.1 低成本的容量保障措施

在4G容量保障中，为达到降本增效的目的，就要求在扩容中基于性价比高，工程部署简便的原则，大体可以分为4个步骤：

◆ 首先是竭尽优化手段，摊薄容量厚度，4G网络在城区基本已建成了2层以上的网络，热点区域达到了4层，通过统计现网多层网小区的利用率情况，发现同覆盖的小区之间负荷仍存在不均衡的问题，因此可通过负荷均衡手段，将业务合理分摊到多层网上，缓解因不均衡造成的4G高负荷小区；

◆ 其次是灵活调度，盘活现有资源，由于网络具有明显的忙闲差异性，如在学校、工厂、居民区、商业区等场景，业务量的潮汐现象很明显，因此在硬件设备支持的情况下，通过部署载波调度，可以灵活调度载波能力，可在资源不增加的情况下解决容量问题。在5G建设中，由于设备均为4/5G共模设备，因此可以将部分替换下4GD频段设备重新利用到乡镇，农村等场景的热点区域上，充分利用好存量资源；

◆ 再次，持续挖潜频率资源，包括A频段15M的重耕，F2载波10M的全面开启，GSM1800M全面清频后用于4G FDD等这类低投入保容量的方式；

◆ 最后，在新增资源投入上，建议以1800M扩容为主，一方面1800M具有上行容量优势，另一方面作为5GNSA组网下锚点，同时在频率资源穷尽的场景下，以4/5G共模设备开启3D-MIMO，同步储备5G能力，实现保护投资。

3.2 基于频率共享的容量保障措施

但针对现网存在较多超高流量密度区域，4G容量问题可能仍无法得到有效解决，因此就可以考虑引入频率共享技术进行解决，该技术提出以不区分网络制式，按需调度资源，实现频谱“云化”的思路，解决频率资源受限的容量问题，包括4G与2G和4G与5G的频谱共享。

◆ 4G与2G的频率共享

传统通过重耕2G频段用于4G时，以10M带宽为例，一般为4G使用中间5M，2G使用两头的2.4M，并各留1个0.2M频点作为保护带宽，共4.8M，4G和2G使用的频率没有重叠。而在频率共享技术下，可以将4G和2G使用的频率部分重叠，使得4G的带宽扩大到10M，2G同样可以共享使用10M带宽中的4.4M带宽。如图7所示。

图7 2/4G频率共享

在GSM系统忙时，其中2/4G共享频谱将用于GSM系统，确保存量2G用户的感知，在GSM闲时将用于4G系统，因此4G就可以获得一个错峰收益，分担容量问题。该技术具体实现过程为：GSM终端上报MR测量报告，BSC基于2/4G干扰邻区关系、共享频点的用户占用状况，判断4G基站使用共享频谱是否干扰GSM用户，如果干扰可控，就向4G发送频率复用指令，eNodeB根据接收到的复用指令，计算出4G在共享频谱上的可用时频资源，并进行合理的分配和调度，从而获得共享增益，过程如图8所示。

图8 2/4G频率共享原理图

◆ 4G与5G的频率共享

由于4G和5G都是采用OFDMA技术，二者最小资源块在时域与频域上可对齐，因此LTE和NR在载波带宽内可完全重叠，同理实现频谱共享，如图9所示：

图9 4/5G频率共享

但在5G商用初期，由于5G轻载，因此还可以通过动态的频率调整，解决移频后的4G容量问题。相比4/5G同频共享，动态的频率调整实现上更容易。应用场景可包括：一兼顾4G和5G的体验的场景，5GNR灵活分配使用前80M，4G就可保持当前D2～D3的40M不移频；二4G容量压力不大的场景，NR就可以开启100M，满足高速的5G业务的体验，而4G可使用移频后的60M。4/5G频率动态分配如图10所示：

图10 4/5G频率动态分配

需要注意的是，由于5G网络的建成是逐步推进的过程，现网必然存在部分5G站点在开启100M后，与周边4G D频段站点在D1-D2频点上的同频干扰。

3.3 基于终端的细化容量保障措施

4G移频后，由于现网终端支持的程度不同，因此可以考虑通过针对终端能力进行终端驻留策略的优化，实现业务量的均摊。现网各频段的驻留策略一般为：2.3GHz＞2.6GHz＞(1.9GH z=1.8GHz)＞900MHz，若对于2015年之前的终端，由于仅支持2570～2620MHz频端，无法占用D3频点，就需通过驻留策略优先将这类终端调整至TDD F频段或FDD1800小区上，而对于支持D频段全带宽的终端，就可调整为优先驻留D8频点。当然由于4G网络还将根据载波的负荷进行实时的业务量均衡，并且在用户数达到承载极限时，4G网络容量仍受限于可用的频率资源，因此基于终端的调整效果有限。

四、现网试点应用效果

现网中，当前已切实推进实施低成本的容量保障措施，其效果已得到前期工程验证，这里不再赘述。本文将重点针对基于频率共享的容量保障措施在现网的应用效果进行介绍。

4.1 2/4G频率共享试点效果

◆ 试点区域情况

试点选择了某市城区中的高校区域，该区域4G小区的业务负荷较高，容量问题较为突出。试点区域内共有2/4G共模无线站点9个，站点采用国内主流设备厂家的GSM/NB-IoT/FDD共模设备，具备三种网络制式同时工作的能力，从而能实现低成本建网，节能提效，多网协同运营。频段使用的是Band8，上下行对称频段，下行频段范围为934MHz～954MHz，站点的平均站间距为525m。为隔离外围区域对试点区域内站点的射频干扰，根据2G GSM900小区的经验覆盖半径值，测试中按1.5km设置了隔离保护区，确定隔离区内有13个2/4G共模站点。试点区域如图11所示。

图11 2/4G频率共享试点区域图

◆ 该区域内2/4G的业务量情况

统计2/4G某一周业务量，发现在每日的时间段9:00～12:00和17:00～20:00都属于GSM900M小区的话务高峰时段，同时段4G FDD-LTE小区的流量相对较低；21:00 GSM话务量开始下降，FDD-LTE流量相对上升，4G FDD-LTE最忙时出现在晚上22:00～23:00；因此2G GSM小区和FDD-LTE小区的业务特征存在错峰的特点，这将有利于频谱资源按需分配。2/4G小区业务量对比情况如图12所示。

◆ 试点频率设置方案：本次试点在BAND8 FDD/GSM 900M频段上进行验证。

GSM：预留21个BCCH频点（13～33）、46个TCH频点（10 20～1023+0～12+34～41+42～52+81～90）部署GSM网络，其中（42～52+81～90）为共享频点。

4G FDD：4G小区设置10M带宽，其中共享带宽占4.4M。

NB：占用GSM 92、93、94号频点，91号频点做隔离用。

隔离区：TCH不用共享频点，隔离试点区域与大网间的同频干扰。

图12 2/4G小区业务量对比图

频段分配示意如图13所示。

图13 900M频段上2/4G频率共享

◆ 网络部署准备条件

表1 2/4G频率共享条件

如表1所示，其中GSM站点增加时钟同步，主要是为了在干扰判决中要求LTE不干扰本小区的GSM业务，同时还要考虑邻区的GSM业务，因此只有GSM网络同步时才能联合GSM邻区影响进行干扰估计。2/4G BBU互联是为了实现2/4G之前信息的传递，包括GSM BSC与LTE eNB之间进行信息交互，GSM和LTE需要有固定的时钟关系而传递的时钟互锁信息，从而实现GL动态频谱共享和GL干扰协调控制，整体上网络改造并不太复杂，无需额外的硬件资源投资。

◆ 试点效果

总体上，2/4G网络指标基础保持稳定，4G获得了错峰增益明显。相关指标如表2所示。

开启频率共享后，4G FDD小区日均流量平均增长了36.49%，而同区域TDD小区的无线利用率也有所下降，起到了负荷分担的作用。试点应用效果如图14所示。

4.2 4/5G频率动态分配

在4/5G频率共享应用中，当前主要是160M频谱的灵活分配，暂未实施频率复用。现网中主要考虑5G开启100M后，可能存在与周边未移频的4G站点在D1D2上的同频干扰。从理论上来讲，5G对4G的干扰基本可以忽略，这是因为在广播信道上，5GNR最大支持8个窄波束进行轮询发送，使得干扰随机化，同时导频信道上，5G NR也不再发送类似在4G中发送的CRS信号。如图15所示。