面向5G網(wǎng)絡構架的密集組網(wǎng)實踐與研究

【摘要】超密集網(wǎng)絡部署將是滿足未來5G移動網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量及用戶體驗速率需求的主要技術手段之一，為此，開展了面向5G網(wǎng)絡構架的密集組網(wǎng)實踐與研究，把架構集中化的理念應用到網(wǎng)絡建設中，提出了在超密集網(wǎng)絡的環(huán)境下，通過局部區(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，從而在預埋5G網(wǎng)絡集中化架構的同時降低運營成本。

【關鍵詞】5G網(wǎng)絡架構 超密集組網(wǎng) BBU

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

引用格式：劉毅,劉紅梅,劉珂. 面向5G網(wǎng)絡構架的密集組網(wǎng)實踐與研究[J]. 移動通信, 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

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，業(yè)務的需求將驅動5G無線網(wǎng)絡提供更高的速率、更多的終端連接。據(jù)預測，未來5G網(wǎng)絡數(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，通過超密集組網(wǎng)提升空間復用度的方式來提升無線系統(tǒng)容量已成為主要技術手段。UDN（Ultra Dense Deployment，超密集組網(wǎng)）通過密集化的小區(qū)部署，在局部熱點區(qū)域實現(xiàn)百倍量級的系統(tǒng)容量提升，將是滿足2020年以及未來移動數(shù)據(jù)流量需求的主要技術手段之一。

UDN可以帶來可觀的容量增長，然而在實際部署中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)絡重要的KPI指標，隨著小區(qū)密度的增加，基站之間的間距逐漸減小，這將導致用戶的切換次數(shù)和切換失敗率顯著增加，嚴重影響用戶感知。如何同時兼顧“網(wǎng)絡覆蓋”和“系統(tǒng)容量”問題，成為超密集組網(wǎng)需要重點解決的問題。

為此，本文開展了面向5G網(wǎng)絡構架的密集組網(wǎng)實踐與研究，把架構集中化的理念應用到網(wǎng)絡建設中，在超密集網(wǎng)絡的環(huán)境下，通過局部區(qū)域內(nèi)的BBU集中化部署，基于BBU池實現(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)問題；同時通過站間不同小區(qū)間的資源聯(lián)合優(yōu)化配置、負載均衡提升系統(tǒng)整體容量和資源整體利用率，從而改善用戶體驗，在探索5G網(wǎng)絡集中化架構的同時降低運營成本。

2 基于超密集組網(wǎng)的BBU集中化部署網(wǎng)絡架構

為了應對特定區(qū)域內(nèi)，持續(xù)發(fā)生高流量業(yè)務的熱點高容量場景帶來的挑戰(zhàn)，在網(wǎng)絡資源有限的情況下提高網(wǎng)絡容量，同時保證良好的用戶感知，本文針對超密集組網(wǎng)主要應用的熱點場景，提出了超密集組網(wǎng)環(huán)境下的BBU集中化部署網(wǎng)絡架構，如圖1所示：

圖1 BBU集中化部署網(wǎng)絡架構示意圖

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房，組成基帶池，以提高BBU的利用率，原無線網(wǎng)絡總體架構保持不變，BBU與RRU之間通過光纜星形組網(wǎng)。

在BBU集中化部署網(wǎng)絡架構下，通過部署新的RRU設備連接到基帶池，就能輕易迅速地實現(xiàn)網(wǎng)絡覆蓋的擴展及網(wǎng)絡容量的增加。

3 基于超密集組網(wǎng)的BBU集中化部署實施方案

面對架構集中化和超密組網(wǎng)的需求，BBU集中化部署，如圖2所示，通過將各個站點的BBU集中堆疊，利用高速低時延交換設備互聯(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，達到低干擾、高速率、大帶寬和低時延的目標，為未來5G提前打造網(wǎng)絡架構的基礎。

圖2 BBU集中化部署實施方案示意圖

基于超密集組網(wǎng)的BBU集中化部署詳細實施方案如下：

（1）前傳解決方案

移動網(wǎng)絡的前傳鏈路（BBU-RRU）目前還是以光纖直驅為主，同時也可以運用RRU級聯(lián)、單纖雙向等節(jié)約光纜的技術，以應對多種網(wǎng)絡共存情況下資源傳輸帶來的困難。

RRU級聯(lián)能夠在BBU集中安裝、主設備條件滿足的背景下進行拉遠建設，這種級聯(lián)一般應用在高鐵或者其他線性網(wǎng)絡覆蓋的區(qū)域。

對于單纖雙向功能，1根光纖就能完成BBU與RRU之間的連接，比RRU級聯(lián)更加節(jié)省光纖，但是需要相應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，BBU統(tǒng)一從集中放置的綜合柜上取電，綜合柜從機房直流供電設備上引電。對于市電不穩(wěn)定區(qū)域且有重要基站的場景，應確保RRU具有后備電源。目前主要有本地電源柜和BBU機房直流遠供兩種備電方案，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。對于市電引入困難、有可供使用的電纜線路的場景，可以采用BBU機房直流供電。

（3）GPS同步方案

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

4 基于超密集組網(wǎng)的BBU集中化部署優(yōu)勢分析

4.1 BBU集中化部署的技術發(fā)展優(yōu)勢

（1）站間多點協(xié)作干擾協(xié)調(diào)，有效降噪。LTE由于采用了OFDM技術，小區(qū)間同頻干擾嚴重，需要基站獨立處理向協(xié)作化處理的演進，采用基站間協(xié)作技術降低干擾。通過BBU集中化部署，可實現(xiàn)多點協(xié)作式信號處理，對大片區(qū)域內(nèi)的無線資源進行聯(lián)合調(diào)度和干擾協(xié)調(diào)，達到減少無線干擾的目的。

（2）自適應負載均衡，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)絡可以根據(jù)較大范圍的區(qū)域內(nèi)無線業(yè)務負載的變化，進行自適應均衡處理，同時可以聯(lián)合調(diào)度集中共享的無線資源，從而提高頻譜利用率和網(wǎng)絡容量。

（3）資源最優(yōu)化運用，有效應對話務潮汐效應。利用BBU集中化部署帶來的基帶資源集中共享優(yōu)勢，可以更靈活有效地調(diào)度基帶資源，達到資源的最優(yōu)化運用，有效應對用戶流動性帶來的話務遷移問題，很好地解決“潮汐效應”問題。

4.2 BBU集中化部署的建設維護優(yōu)勢

（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房以及光纜、電源、空調(diào)等配套設施資源，提高BBU設備、機房以及配套設施的利用率，從而節(jié)省無線網(wǎng)絡投資。

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

5 基于超密集組網(wǎng)的BBU集中化部署應用探索

BBU集中化部署方案可以同時提升上行和下行網(wǎng)絡性能。上行方面，通過跨站上行聯(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，通過多小區(qū)協(xié)作可實現(xiàn)高效交互協(xié)同與集中聯(lián)合調(diào)度，提升網(wǎng)絡性能。

5.1 BBU集中化部署方案試點實施

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

（1）前傳級聯(lián)方案

將BBU與USU全部集中于西柳體育場東北機房，采用集中式Cloud BB場景。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設備。USU3910和BBU部署在一個機房，部署距離小于100 m，共規(guī)劃4個BBU，每個BBU輸出少于3根互聯(lián)線纜。

圖3 組網(wǎng)拓撲圖

（2）供電方案

在機房BBU已接入電源的基礎上，新增一套USU，USU3910配備了1ULPU+1UEFU。

（3）時鐘同步方案

現(xiàn)網(wǎng)BBU時鐘參考源為GPS，本次BBU各自接入時間同步源不變，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效果

（1）網(wǎng)絡基礎覆蓋能力提升

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KPI指標整體保持平穩(wěn)。

（2）用戶體驗提升效果

BBU集中化部署后，重疊覆蓋區(qū)域明顯減少，無SINR質差點，降噪效果明顯。用戶在區(qū)域內(nèi)VoLTE和視頻感知體驗提升效果明顯，單用戶體驗速率提升25%，區(qū)域道路測試下載平均速率由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）定點測試 （b）道路拉網(wǎng)測試

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特性基礎上開啟站間CoMP特性，包含上行CoMP以及下行CoMP。根據(jù)圖5所示測試結果，開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特性基礎上開啟站間CoMP特性增益

（3）節(jié)省建設投資，降低運維成本

根據(jù)BBU集中化部署方案，BBU設備和機房配套設施集中部署，統(tǒng)一建設、統(tǒng)一運維，實現(xiàn)了遠端“零機房”部署，大大節(jié)省了TD-LTE網(wǎng)絡投資和運維成本。根據(jù)相關實際數(shù)據(jù)計算，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集中化建設節(jié)省運營商CAPEX和OPEX比例

（4）“零機房”建網(wǎng)，節(jié)能減排

BBU集中化部署方案實際應用過程中，其遠端“零機房”建網(wǎng)模式大大減少了機房配套設施需求，特別是空調(diào)等散熱系統(tǒng)，節(jié)能降耗效果明顯。以當前實踐數(shù)據(jù)計算，BBU集中化部署方案節(jié)能節(jié)省比例高達80%。

示例：以9個新建站、9個共建站為例，分別計算單站總功耗，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個新建站、9個共建站）

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66萬度，BBU集中化方案建站9萬度，消耗降低86%，電費節(jié)省明顯。

實踐證明，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機房的配電、空間、可靠性等要求，在綜合成本、無線協(xié)作化抗干擾、降低能耗等方面優(yōu)勢明顯；另一方面，該方案能夠實現(xiàn)最優(yōu)化資源分配，從而快速、靈活、高效地響應未來復雜的網(wǎng)絡環(huán)境變化及應用需求�；�于超密集組網(wǎng)的BBU集中化部署，已經(jīng)成為未來5G網(wǎng)絡演進發(fā)展的要求和趨勢。

6 結束語

隨著移動數(shù)據(jù)業(yè)務的爆炸式增長，5G時代豐富多彩的移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務對未來移動通信網(wǎng)絡提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。超密集組網(wǎng)通過小基站加密部署提升空間復用率的方式提升無線網(wǎng)絡系統(tǒng)容量，已成為解決未來5G網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量1000倍以及用戶體驗速率10~100倍提升需求的有效方案。

本文通過面向5G網(wǎng)絡架構的超密集組網(wǎng)的實踐與研究，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)絡架構，并給出了具體實現(xiàn)方案，希望以此為后續(xù)研究發(fā)展提供參考。

參考文獻：

[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)絡研究綜述[J]. 電訊技術, 2015,55(11): 1296-1303.

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

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

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

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

[7] 張建敏,謝偉良,楊峰義. 5G超密集組網(wǎng)網(wǎng)絡架構及實現(xiàn)[J]. 電信科學, 2016,32(6): 36-43.

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

[9] 李瑞濤. 超密集異構網(wǎng)絡中無線資源管理關鍵問題的研究[D]. 北京: 北京交通大學, 2017.

[10] 魯文娟. 面向密集小區(qū)網(wǎng)絡的干擾協(xié)調(diào)技術研究[D]. 合肥: 中國科學技術大學, 2017. ★

作者簡介

劉毅：工程師，碩士畢業(yè)于山東大學，現(xiàn)任中國移動通信集團山東有限公司無線網(wǎng)絡優(yōu)化與維護項目經(jīng)理，負責TD-LTE網(wǎng)絡維護與優(yōu)化相關工作。

劉紅梅：高級工程師，碩士畢業(yè)于山東大學，享受國務院政府津貼，現(xiàn)任中國移動通信集團山東有限公司網(wǎng)絡部總經(jīng)理，負責網(wǎng)絡運維管理相關工作。

劉珂：工程師，畢業(yè)于山東大學，現(xiàn)任中國移動通信集團山東有限公司無線網(wǎng)絡優(yōu)化室主任，負責TD-LTE網(wǎng)絡運維管理相關工作。

作者：劉毅 劉紅梅 劉珂 來源：《移動通信》2018年1月