面向5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的密集組網(wǎng)實(shí)踐與研究

【摘要】超密集網(wǎng)絡(luò)部署將是滿足未來(lái)5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量及用戶體驗(yàn)速率需求的主要技術(shù)手段之一，為此，開(kāi)展了面向5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的密集組網(wǎng)實(shí)踐與研究，把架構(gòu)集中化的理念應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，提出了在超密集網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下，通過(guò)局部區(qū)域內(nèi)的BBU集中化部署，提升系統(tǒng)整體容量和資源整體利用率，改善用戶體驗(yàn)，從而在預(yù)埋5G網(wǎng)絡(luò)集中化架構(gòu)的同時(shí)降低運(yùn)營(yíng)成本。

【關(guān)鍵詞】5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 超密集組網(wǎng) BBU

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.01.000 中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-1010(2018)01-0000-00

引用格式：劉毅,劉紅梅,劉珂. 面向5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的密集組網(wǎng)實(shí)踐與研究[J]. 移動(dòng)通信, 2017,42(1): 00-00.

The Intensive Networking Research and Practice on 5G Network Architecture

LIU Yi, LIN Hongmei, LIU Ke

(China Mobile Group Shandong Co., Ltd., Jinan 250001, China)

[Abstract] Ultra dense network will be one of the main technical means to meet the future 5G mobile network data traffic and user experience rate needs. Therefore, this paper carried out intensive networking research and practice of 5G network architecture, the centralized architecture concept, applied to network construction, in the ultra dense network environment, through the local area of BBU centralized deployment, enhance the overall capacity of resources and system overall profit rate, improve the user experience, embedded centralized 5G network architecture and reduce operating costs.

[Key words] 5G network architecture ultra dense network BBU

1 引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，業(yè)務(wù)的需求將驅(qū)動(dòng)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供更高的速率、更多的終端連接。據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量需求將提升1 000倍，用戶感知速率需求將提升10~100倍。除了常規(guī)的提升頻譜利用率方法外，通過(guò)超密集組網(wǎng)提升空間復(fù)用度的方式來(lái)提升無(wú)線系統(tǒng)容量已成為主要技術(shù)手段。UDN（Ultra Dense Deployment，超密集組網(wǎng)）通過(guò)密集化的小區(qū)部署，在局部熱點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)百倍量級(jí)的系統(tǒng)容量提升，將是滿足2020年以及未來(lái)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量需求的主要技術(shù)手段之一。

UDN可以帶來(lái)可觀的容量增長(zhǎng)，然而在實(shí)際部署中UDN面臨著巨大的挑戰(zhàn)：一方面，隨著小區(qū)密度的增加，小區(qū)間的干擾問(wèn)題更加突出，干擾是制約UDN性能最主要的因素，尤其是控制信道的干擾直接影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性；另一方面，用戶的切換率和切換成功率是網(wǎng)絡(luò)重要的KPI指標(biāo)，隨著小區(qū)密度的增加，基站之間的間距逐漸減小，這將導(dǎo)致用戶的切換次數(shù)和切換失敗率顯著增加，嚴(yán)重影響用戶感知。如何同時(shí)兼顧“網(wǎng)絡(luò)覆蓋”和“系統(tǒng)容量”問(wèn)題，成為超密集組網(wǎng)需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

為此，本文開(kāi)展了面向5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的密集組網(wǎng)實(shí)踐與研究，把架構(gòu)集中化的理念應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，在超密集網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下，通過(guò)局部區(qū)域內(nèi)的BBU集中化部署，基于BBU池實(shí)現(xiàn)多站間協(xié)作，有效抑制同頻干擾，解決小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)問(wèn)題；同時(shí)通過(guò)站間不同小區(qū)間的資源聯(lián)合優(yōu)化配置、負(fù)載均衡提升系統(tǒng)整體容量和資源整體利用率，從而改善用戶體驗(yàn)，在探索5G網(wǎng)絡(luò)集中化架構(gòu)的同時(shí)降低運(yùn)營(yíng)成本。

2 基于超密集組網(wǎng)的BBU集中化部署網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為了應(yīng)對(duì)特定區(qū)域內(nèi)，持續(xù)發(fā)生高流量業(yè)務(wù)的熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景帶來(lái)的挑戰(zhàn)，在網(wǎng)絡(luò)資源有限的情況下提高網(wǎng)絡(luò)容量，同時(shí)保證良好的用戶感知，本文針對(duì)超密集組網(wǎng)主要應(yīng)用的熱點(diǎn)場(chǎng)景，提出了超密集組網(wǎng)環(huán)境下的BBU集中化部署網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖1所示：

圖1 BBU集中化部署網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

基于超密集組網(wǎng)的BBU集中化部署是將BBU基帶資源集中部署在同一物理機(jī)房，組成基帶池，以提高BBU的利用率，原無(wú)線網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)保持不變，BBU與RRU之間通過(guò)光纜星形組網(wǎng)。

在BBU集中化部署網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，通過(guò)部署新的RRU設(shè)備連接到基帶池，就能輕易迅速地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的擴(kuò)展及網(wǎng)絡(luò)容量的增加。

3 基于超密集組網(wǎng)的BBU集中化部署實(shí)施方案

面對(duì)架構(gòu)集中化和超密組網(wǎng)的需求，BBU集中化部署，如圖2所示，通過(guò)將各個(gè)站點(diǎn)的BBU集中堆疊，利用高速低時(shí)延交換設(shè)備互聯(lián)，BBU簇內(nèi)資源統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理、站間干擾協(xié)同處理，可有效降低密集小區(qū)間干擾，大幅提升小區(qū)邊緣速率，達(dá)到低干擾、高速率、大帶寬和低時(shí)延的目標(biāo)，為未來(lái)5G提前打造網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)。

圖2 BBU集中化部署實(shí)施方案示意圖

基于超密集組網(wǎng)的BBU集中化部署詳細(xì)實(shí)施方案如下：

（1）前傳解決方案

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的前傳鏈路（BBU-RRU）目前還是以光纖直驅(qū)為主，同時(shí)也可以運(yùn)用RRU級(jí)聯(lián)、單纖雙向等節(jié)約光纜的技術(shù)，以應(yīng)對(duì)多種網(wǎng)絡(luò)共存情況下資源傳輸帶來(lái)的困難。

RRU級(jí)聯(lián)能夠在BBU集中安裝、主設(shè)備條件滿足的背景下進(jìn)行拉遠(yuǎn)建設(shè)，這種級(jí)聯(lián)一般應(yīng)用在高鐵或者其他線性網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域。

對(duì)于單纖雙向功能，1根光纖就能完成BBU與RRU之間的連接，比RRU級(jí)聯(lián)更加節(jié)省光纖，但是需要相應(yīng)的光模塊具有單纖雙向的功能。

（2）供電方案

在BBU集中化部署時(shí)，BBU統(tǒng)一從集中放置的綜合柜上取電，綜合柜從機(jī)房直流供電設(shè)備上引電。對(duì)于市電不穩(wěn)定區(qū)域且有重要基站的場(chǎng)景，應(yīng)確保RRU具有后備電源。目前主要有本地電源柜和BBU機(jī)房直流遠(yuǎn)供兩種備電方案，以本地電源柜方案為主。

在RRU功耗大、市電引入方便且引入成本低、有合適的位置安裝本地電源柜的條件下，優(yōu)先采用本地電源柜方案供電。對(duì)于市電引入困難、有可供使用的電纜線路的場(chǎng)景，可以采用BBU機(jī)房直流供電。

（3）GPS同步方案

BBU集中化部署時(shí)，采用GPS同步方式。在接收設(shè)備的靈敏度得到滿足的情況下，通常根據(jù)GPD饋線長(zhǎng)度，選擇4功分至8功分的方式，將1個(gè)GPS模擬信號(hào)分別提供給多個(gè)BBU。

4 基于超密集組網(wǎng)的BBU集中化部署優(yōu)勢(shì)分析

4.1 BBU集中化部署的技術(shù)發(fā)展優(yōu)勢(shì)

（1）站間多點(diǎn)協(xié)作干擾協(xié)調(diào)，有效降噪。LTE由于采用了OFDM技術(shù)，小區(qū)間同頻干擾嚴(yán)重，需要基站獨(dú)立處理向協(xié)作化處理的演進(jìn)，采用基站間協(xié)作技術(shù)降低干擾。通過(guò)BBU集中化部署，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)協(xié)作式信號(hào)處理，對(duì)大片區(qū)域內(nèi)的無(wú)線資源進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度和干擾協(xié)調(diào)，達(dá)到減少無(wú)線干擾的目的。

（2）自適應(yīng)負(fù)載均衡，提高頻譜效率。BBU集中化部署可將基帶資源集中化，使得網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)較大范圍的區(qū)域內(nèi)無(wú)線業(yè)務(wù)負(fù)載的變化，進(jìn)行自適應(yīng)均衡處理，同時(shí)可以聯(lián)合調(diào)度集中共享的無(wú)線資源，從而提高頻譜利用率和網(wǎng)絡(luò)容量。

（3）資源最優(yōu)化運(yùn)用，有效應(yīng)對(duì)話務(wù)潮汐效應(yīng)。利用BBU集中化部署帶來(lái)的基帶資源集中共享優(yōu)勢(shì)，可以更靈活有效地調(diào)度基帶資源，達(dá)到資源的最優(yōu)化運(yùn)用，有效應(yīng)對(duì)用戶流動(dòng)性帶來(lái)的話務(wù)遷移問(wèn)題，很好地解決“潮汐效應(yīng)”問(wèn)題。

4.2 BBU集中化部署的建設(shè)維護(hù)優(yōu)勢(shì)

（1）BBU集中化部署減少了BBU配置數(shù)量，可以充分利用原有的機(jī)房以及光纜、電源、空調(diào)等配套設(shè)施資源，提高BBU設(shè)備、機(jī)房以及配套設(shè)施的利用率，從而節(jié)省無(wú)線網(wǎng)絡(luò)投資。

（2）BBU集中化部署后，其遠(yuǎn)端“零機(jī)房”建網(wǎng)模式大大減少了機(jī)房配套設(shè)施需求，特別是空調(diào)等散熱系統(tǒng)的減少，對(duì)節(jié)能降耗的作用特別明顯，從而降低了運(yùn)維成本。

5 基于超密集組網(wǎng)的BBU集中化部署應(yīng)用探索

BBU集中化部署方案可以同時(shí)提升上行和下行網(wǎng)絡(luò)性能。上行方面，通過(guò)跨站上行聯(lián)合接收有效降低不同終端間的上行干擾，從而提升容量和邊緣速率；下行方面，通過(guò)多小區(qū)協(xié)作可實(shí)現(xiàn)高效交互協(xié)同與集中聯(lián)合調(diào)度，提升網(wǎng)絡(luò)性能。

5.1 BBU集中化部署方案試點(diǎn)實(shí)施

濟(jì)南奧體中心位于濟(jì)南高新區(qū)，是濟(jì)南市乃至山東省重要的全民體育競(jìng)技場(chǎng)館。西柳體育場(chǎng)是中超魯能泰山隊(duì)主場(chǎng)，每年承辦20次左右大型賽事和演唱會(huì)。

（1）前傳級(jí)聯(lián)方案

將BBU與USU全部集中于西柳體育場(chǎng)東北機(jī)房，采用集中式Cloud BB場(chǎng)景。如圖3所示，協(xié)同數(shù)據(jù)由BBU的基帶板直接出線連接到USU設(shè)備。USU3910和BBU部署在一個(gè)機(jī)房，部署距離小于100 m，共規(guī)劃4個(gè)BBU，每個(gè)BBU輸出少于3根互聯(lián)線纜。

圖3 組網(wǎng)拓?fù)鋱D

（2）供電方案

在機(jī)房BBU已接入電源的基礎(chǔ)上，新增一套USU，USU3910配備了1ULPU+1UEFU。

（3）時(shí)鐘同步方案

現(xiàn)網(wǎng)BBU時(shí)鐘參考源為GPS，本次BBU各自接入時(shí)間同步源不變，同步精度與常規(guī)站規(guī)格相同，USU采用自由震蕩方式。

5.2 BBU集中化部署方案試點(diǎn)效果

（1）網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)覆蓋能力提升

BBU集中化部署后，奧體中心綜合覆蓋率由95%提升到99%，邊緣覆蓋電平值由-98 dBm提升到-92 dBm，MR平均電平值由-95 dBm提升到-90 dBm。接通率、E-RAB建立成功率和VoLTE站內(nèi)切換成功率等基礎(chǔ)KPI指標(biāo)整體保持平穩(wěn)。

（2）用戶體驗(yàn)提升效果

BBU集中化部署后，重疊覆蓋區(qū)域明顯減少，無(wú)SINR質(zhì)差點(diǎn)，降噪效果明顯。用戶在區(qū)域內(nèi)VoLTE和視頻感知體驗(yàn)提升效果明顯，單用戶體驗(yàn)速率提升25%，區(qū)域道路測(cè)試下載平均速率由30 Mbit·s-1上升到41 Mbit·s-1，提升36%。

BBU集中化部署后，站間載波聚合支持BAND內(nèi)以及跨BAND聚合，如圖4所示，基于BBU集中化部署的站間載波聚合性能已接近站內(nèi)載波聚合。

（a）定點(diǎn)測(cè)試 （b）道路拉網(wǎng)測(cè)試

圖4 基于BBU集中化部署的站間載波聚合性能增益

在站內(nèi)CoMP特性基礎(chǔ)上開(kāi)啟站間CoMP特性，包含上行CoMP以及下行CoMP。根據(jù)圖5所示測(cè)試結(jié)果，開(kāi)啟后用戶感知均有提升。

（a）下行平均MCS （b）下行平均速率 （c）上行平均MCS （d）上行平均速率

圖5 站內(nèi)CoMP特性基礎(chǔ)上開(kāi)啟站間CoMP特性增益

（3）節(jié)省建設(shè)投資，降低運(yùn)維成本

根據(jù)BBU集中化部署方案，BBU設(shè)備和機(jī)房配套設(shè)施集中部署，統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)端“零機(jī)房”部署，大大節(jié)省了TD-LTE網(wǎng)絡(luò)投資和運(yùn)維成本。根據(jù)相關(guān)實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算，如圖6所示，CAPEX節(jié)省比例在20%左右，OPEX節(jié)省比例在50%左右。

（a）節(jié)省CAPEX比例 （b）節(jié)省OPEX比例

圖6 BBU集中化建設(shè)節(jié)省運(yùn)營(yíng)商CAPEX和OPEX比例

（4）“零機(jī)房”建網(wǎng)，節(jié)能減排

BBU集中化部署方案實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，其遠(yuǎn)端“零機(jī)房”建網(wǎng)模式大大減少了機(jī)房配套設(shè)施需求，特別是空調(diào)等散熱系統(tǒng)，節(jié)能降耗效果明顯。以當(dāng)前實(shí)踐數(shù)據(jù)計(jì)算，BBU集中化部署方案節(jié)能節(jié)省比例高達(dá)80%。

示例：以9個(gè)新建站、9個(gè)共建站為例，分別計(jì)算單站總功耗，如表1所示，傳統(tǒng)建站及BBU集中化部署能耗如表2所示：

表1 單站總功耗（9個(gè)新建站、9個(gè)共建站）

表2 傳統(tǒng)建站及BBU集中化部署能耗

年電力消耗：傳統(tǒng)建站66萬(wàn)度，BBU集中化方案建站9萬(wàn)度，消耗降低86%，電費(fèi)節(jié)省明顯。

實(shí)踐證明，基于超密集組網(wǎng)的BBU集中化部署方案一方面由于降低了對(duì)機(jī)房的配電、空間、可靠性等要求，在綜合成本、無(wú)線協(xié)作化抗干擾、降低能耗等方面優(yōu)勢(shì)明顯；另一方面，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)化資源分配，從而快速、靈活、高效地響應(yīng)未來(lái)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化及應(yīng)用需求。基于超密集組網(wǎng)的BBU集中化部署，已經(jīng)成為未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)發(fā)展的要求和趨勢(shì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸式增長(zhǎng)，5G時(shí)代豐富多彩的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對(duì)未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。超密集組網(wǎng)通過(guò)小基站加密部署提升空間復(fù)用率的方式提升無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量，已成為解決未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量1000倍以及用戶體驗(yàn)速率10~100倍提升需求的有效方案。

本文通過(guò)面向5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的超密集組網(wǎng)的實(shí)踐與研究，提出了以BBU集中化部署為主要特征的5G超密集組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并給出了具體實(shí)現(xiàn)方案，希望以此為后續(xù)研究發(fā)展提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳永貴,陶永勝. 基于LTE的BBU集中化組網(wǎng)分析[J]. 互聯(lián)網(wǎng)天地, 2014(6): 56-59.

[2] 賈亞男,岳殿武. 面向5G的小蜂窩網(wǎng)絡(luò)研究綜述[J]. 電訊技術(shù), 2015,55(11): 1296-1303.

[3] 程敏. 面向5G超密集組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃新技術(shù)[J]. 移動(dòng)通信, 2016,40(17): 28-29.

[4] 陳偲藝. 基于圖論的超密集組網(wǎng)技術(shù)研究[D]. 北京: 北京理工大學(xué), 2016.

[5] 馮偉龍. 超密集網(wǎng)絡(luò)(UDN)的性能分析與關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2016.

[6] 劉海燕. 面向5G的超密集網(wǎng)絡(luò)中分布式無(wú)線資源管理的研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2016.

[7] 張建敏,謝偉良,楊峰義. 5G超密集組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)[J]. 電信科學(xué), 2016,32(6): 36-43.

[8] 韓柳燕,程偉強(qiáng),王磊,等. 面向5G的下一代傳輸需求、技術(shù)和組網(wǎng)架構(gòu)研究[J]. 電信網(wǎng)技術(shù), 2017(9).

[9] 李瑞濤. 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線資源管理關(guān)鍵問(wèn)題的研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2017.

[10] 魯文娟. 面向密集小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)研究[D]. 合肥: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2017. ★

作者簡(jiǎn)介

劉毅：工程師，碩士畢業(yè)于山東大學(xué)，現(xiàn)任中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)山東有限公司無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與維護(hù)項(xiàng)目經(jīng)理，負(fù)責(zé)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)維護(hù)與優(yōu)化相關(guān)工作。

劉紅梅：高級(jí)工程師，碩士畢業(yè)于山東大學(xué)，享受國(guó)務(wù)院政府津貼，現(xiàn)任中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)山東有限公司網(wǎng)絡(luò)部總經(jīng)理，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理相關(guān)工作。

劉珂：工程師，畢業(yè)于山東大學(xué)，現(xiàn)任中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)山東有限公司無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化室主任，負(fù)責(zé)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理相關(guān)工作。

作者：劉毅 劉紅梅 劉珂 來(lái)源：《移動(dòng)通信》2018年1月