基于5G网络的应急通信超密集组网技术

王树森 刘凯旋

（广州杰赛科技股份有限公司 广东省广州市 510310）

进入新时代，随着网络通信技术的广泛应用和发展，为满足用户的更好的体验需求，需要提高5G 网络数据速率，一般情况是提升频谱的利用率，除此之外，利用超密集组网提升空间扩大系统容量已经成为主要的技术，超密集组网（Ultra Dense Network）简称UDN，通过密集化的部署，在热点区域最大程度的提升系统的容量，将满足未来移动数据流量需求的主要技术手段。基于5G 网络对超密集组网技术应用实践有重要的意义。

1 超密集组网相关概述

由于未来的通信业务将飞速发展，各大运营需要解决特别在一些特定区域的流量问题。这个问题在5G 网络中更加突出。依靠相关的低频频谱资源不能很好的满足用户在移动数据及流量方面的需求，因此，增加一定范围内的微基站的数量是有效解决地区和用户对高速数据流量需求的方法。5G 在4G 的基础上，采用更宽的带宽来提升数据传输的速率，但提升数据传输速率，体现不出5G 网络的应用价值，也不能最大程度满足网络互联网、物联网、人工智能等用户或物业应用需求。例如在一些公共场所、特定的终端、应用、群体需要的是速率更加块，时延较低、接入容量更加庞大的网络作为支撑[1]。5G 网络采用的是大空间复用技术以及超密集组网协同模式，可最大程度扩大网络系统的容量。采用缩短小小区的半径距离，超密集组网的部署，不仅可以有效提升频谱的速率，还能解决各种网络覆盖的问题。UDN 主要是指无线网络的架构中包括的许多小小区即有限低功率覆盖站点，例如皮站、微站，微微站、基站等近距离的网络结构。都是5G 网络的关键技术，通过规模部署接入点，就能最大程度减少网络用户接入距离，从而有效提高用户区域的接入量，该技术最大限度满足5G 网络系统低时延、大容量、高效运输需求的核心技术。现阶段，超密集组网技术还处于应用实践的初期，网络标准化的架构还不够成熟。在大容量、热点、密集的情况下，无线网络环境日益复杂同时干扰也在不断增加。虽然基站的超密集组网在一定意义上可以提升系统的频谱速率和加大相关资源的利用率，但也会带来新的问题，如增加对无线系统的干扰，加剧移动负荷、增加网络系统运营的成本和能耗等都是需要后期重点处理解决的问题。

2 超密集组网整体的网络架构

2.1 异构蜂窝网部署

5G 网络系统超密集组网的部署，改变了传统的单层网络结构，推动了多层异构网络的快速出现。在5G 网络架构中，超密集的微基站（即SBS）是极其重要的，随着大量部署超密集的微站，使得小基站承担的流量所占的比重将大幅的增加。超密集组网中包括提供网络覆盖的宏基站（即MBS），也有特定提供高数据大流量业务的低功率的节点，例如微基站、皮基站等。这些基站节点尺寸较小、功率较低、能够灵活的部署，不仅能利用运营商开展部署和设计，同时用户也能根据其需求进行自主部署。但由于超密集组网基站在部署中，采用光纤回传，这种方式不太灵活，而且消耗的成本太高，而有线和无线回传的有机结合使得UDN 部署使得更加的快捷方便，同时减少成本的消耗。以异构蜂窝网的宏微协同模式，在不适合安置光纤的环境中，以无线回传代替原来成本高的光纤，微小基站已解决在大型商场及超市、较大的综合城市、户外集会的场所、会展、剧院、体育场馆、高校等已投入使用，但还要不断的深度覆盖、高速率、大容量的热点区域。随着不断的发展、无线回传还将不断的发展演变，以全新的形式出现如IAB（集成5G NR 无线回传和接入，它是3GPP R16 的工作项目。面临即将进入微站密集毫米波的时代，许多城市中的监控杆、路灯杆等都将使用基站或挂上天线，这使得每个超密集组网微站都应用光纤回传是不太现实的，IAB 通过利用多波束，将集成无线接入和回传，使得每个微站都将通过以无线自回传的形式，实现简单、灵活、低消耗的基站部署。

2.2 宏微协同网络构架部署

基于5G超密集网络覆盖的应用（主要是大型的体育场馆、会展、集会娱乐活动场所等），有针对性提出数据承载与控制分离的网络架构。通过控制信令和覆盖的范围分离后，就能让覆盖数据随着业务应用负载的实际情况的改变而发生变化。宏基站和微基站的任务内容是不一样的，一般情况微基站主要是传输一些高速率的数据业务，而宏基站主要确保覆盖网络范围以及传输低速率的数据业务。因此，每个用户设备即（UE）都会连接宏基站，根据用户业务的类型选择最佳的承载数据业务的基站。例如用户设备在对高清视频的浏览以及应用全景制作和全景营销时，在下载的过程中需要的速率高，就会根据情况接入宏基站和微基站，信令承载在宏基站上，确保连接可靠；数据承载微基站上，确保用户应用时传输的速率。而用户设备仅仅只需要浏览网站或进行语音等较低速率的业务，仅需连接宏基站，信令和数据的承载都在宏基站上；在一些微基站覆盖不到的区域，用户设备就只可以连接宏基站进行一些相关的业务。基于5G 超密集组网的架构，用户设备会根据需要进行的业务类型选择最佳的接入方式，灵活的对整个小基站进行部署。宏基站作为微基站间的接入控制器，主要对无线资源与一定范围内移动的管理等。宏微协同的网络架构能有效确保移动性能和提高无线资源的利用率，具有一定的优势。由于微基站处于宏基站的范围下，用户设备连接保持和宏基连接，微基站只能提供用户方面的连接。宏基站作为控制，可以对无线资源合理配置及优化，进行微基站之间的干扰协调管理、控制微基站的操作等，从而实现扩大网络系统的容量和提升无线资源的利用率，优化网络系统的性能[2]。

2.3 微微小区网络架构部署

宏微组网架构模式，需要在系统终端方面以双连接作为支撑才能达到控制和承载分离的目的。而基于5G 超密集网络微微组网应用场景（主要包括地下的停车场、商场、地铁以及巨大的人防工程等许多场所），因为微微小区在建设中由于条件的限制，实际的宏基站难以覆盖支持。但是在建设中还是采用“宏覆盖”的理念部署和建立虚拟小区，最终实现控制和承载分离，在微微组网结构下，虚拟小区的目的是负责控制信令方面的运输，同时需要管理相关资源合理配置以及内部网络移动的性能；而微基站主要负责用户方面运输数据。虚拟宏小区首先需要微基站分享部分的资源，如信道和载波等。发出相关广播的信息、寻找信息、进而随机响应等，簇内微基站利用相同的信息资源对控制方面进行承载传输，实现虚拟小区建设的效果。与此同时，各微基站在剩下资源基础上对用户方面进行数据的传输，进而达到容量与覆盖分离的目的。

3 超密集组网部署技术

3.1 干扰的管理

为了全面满足用户高清视频、智能机器人、无人机以及人工智能等的应用需求，高密度、速率、容量大是5G 网络最为重要的能力体现，小区密集化和微型化是超密集组网的特点，能够最大程度上提高频谱的效率以及接入系统的容量，实现为用户提供大容量和高速的上网体验。但由于密集化的网络节点致使小区间的干扰更加严重，出现同频、共享频谱、不同覆盖区域等干扰，近邻节点运输使得损耗没有太大的差异，存在多个与干扰源强度相同的信息，对整个网络性能有一定的恶化作用，致使现阶段协调的算法不能很的解决问题。利用多种协调干扰技术能对网络干扰的情况加以优化，如利用多点协同，可以让超密集组网干扰受限的系统转变为低干扰的系统。除了这项技术以外，频率协调技术也能有效的改善干扰，频率协调技术主要是载波内的协调（例如ICIC）以及载波间的协调（例如异频分簇）。载波内协调技术主要的目的是解决同频应用场景出现干扰的问题，利用基站向最近距离的基站发送一些负荷的信息来对最近距离的基站进行干扰信息的互交，异频分簇就能使用图划分簇相关的频谱协调的方法[3]。

3.2 无线回传

超密集组网的特征是大容量和密集化。传统有线回传的方式已经不能满足用户的业务需求，因此，回传的方式需要改变，通过接入相同频谱的无线回传显得极其重要。此外，为了传输资源不受到限制，有效的方法是混合分层回传，对两种回传的方式进行结合，在密集的住宅、大型活动集会等场景应用。在进行部署过程中，微基站需要和回传基站之间构建回传线路，这种回传方式最大的优势就是对微站进行分阶段的部署，当用户的数据流量需求量较大时，在此基础上就可以进行二级或者二级以上小基站的部署，扩大系统的容量。同时考虑到有线和无线回传都存在一定时延和容量的差异，在对承载业务均衡的分配和分流上需要进行资源合理分配的优化。业务均衡，把高速、负载的用户设备接入有线回传基站，同时把将低速、负载的用户设备接入无线回传微站。业务分流，可以在终端支持的前提下用户对相关的站点进行连接，对时延和速率有一定要求的业务在一级回传层进行传输，其他要求不高的业务可在其他回传层进行数据的传输。

从超密集组网的形式看来，微站发展和应用的方向是即插即用，光纤有线回传制约了小微站大量的部署。在新时代资源共享的背景下，基站部署将更加的灵活，回传方式也随之变化，在一些密集的住宅、办公楼、写字楼等，同时在大型的会所、户外娱乐场所以及学校等场景对无线回传都有一定的需求。基于5G 网络，无线回传针对不同的设计角度，超密集组网对微站站址选择的要求比较高，在对传输资源要求方面有所体现，超密集组网微站即插即用也对灵活部署无线回传的方式有一定的要求。

4 基于5G超密集组网性能评估

4.1 网络系统容量

影响高流量、高热点的网络性能最主要的因素用户设备连接和网络系统容量，为了让超密集组网结构覆盖及容量性能更好，通过3GPP（第三代技术）HetNet（异构网络）配置4b 模型，模拟在不同数量微基站部署以及容量变化的情况，配置100Mbit/s 的宽带，5G NR 帧结构以2.5ms 单周期的方式，在下行占比在一定的范围内，微基站网络系统容量能有效提升，在部署的网络微站数量少，增加微站数量能快速扩大整个系统的容量；但微站的增长数量多，容量随着微站数量的增长使得容量扩张趋势有所缓慢，最终可能不变，主要的原因是基站的距离较近使得干扰更加严重，因干扰带来的负增益在一定程度上就已经抵消频谱提升的效率。

4.2 密集应用场景性能

许多室内的场景应用需要满足高速的高流量需求，参考相关的需求报告，室内场景应用的流量密度KPI 是10Gbit/s/km2，用户设备感知的速率是100Mbit/s 为测验在室内环境下部署的超密集网络基站网络系统性能，在一定面积的区域内，有针对性的对不同微站仿真，由于微站的超密集部署，使得网络系统的容量在不断的增加，有效提升系统的容量。即使在宽带支持100Mbit/s 的情况下，以2.5m/s 单周期的方式，下行占比也保持一定范围，能够满足室内数据流应用需求。但随着基站密集化部署，使得干扰增加，变得严重，同时小区频谱效率也在不断的降低；由于超密集化小站的覆盖，提高处于边缘的频谱效率，但增加的效益还是在系统容量的增益范围下，但在后期的应用中还可以不断对系统干扰进行优化，采用干扰管理和相关的抑制技术来提升速率。

5 结束语

基于5G 网络，其中最关键的就是超密集组网相关的技术及部署。但现阶段5G 超密集组网技术还处于初期应用试验期，其中超密集、大容量的微小基站相关应用产品技术还不够完善，大范围、连片区域混合组网的覆盖目前还没有成功的案例。超密集组网的部署解决了基站干扰、以及回传的问题，对网络系统容量和灵活部署具有重要意义。同时，超密集、大量的微基站的部署需要充分的考虑到能耗、维护及维修的等在运行中的成本，对低能耗和智能化的运行维修等新型技术的研究将推动超密集组网技术的发展和应用。