5G网络技术特点分析及无线网络规划思考

董江波，刘玮，任冶冰，刘娜（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

5G网络技术特点分析及无线网络规划思考

董江波，刘玮，任冶冰，刘娜
（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

本文从对5G网络的应用场景和能力需求的分析出发，主要分析了针对移动宽带应用场景下演进型空口与新空口的技术特征，最后给出了对未来无限网络规划的思考以及指出了未来无线网络规划仿真研究的重点方向。

eMBB；URLLC；mMTC；以用户为中心

1 前言

5G作为新一代无线移动通信网络，主要用于满足2020年以后的移动通信需求。在高速发展的移动互联网和不断增长的物联网业务需求共同推动下，要求5G具备低成本、低能耗安全可靠的特点，同时传输速率需要进一步提升10～100倍。2013年初欧盟启动面向5G研发项目MRTIS，随后我国也在2013年6月和2014年3月分别启动了5G重大项目一期和二期研发课题。5G发展愿景、应用需求、技术特点、关键指标在最近几年在世界范围内进行了广泛的探讨。

移动通信标准组织3GPP对5G研究的时间计划，共划分为3个阶段：2016年Q1-2017年Q1为5G研究阶段，将对5G技术进行充分而深入的研究；2017年Q1-2018年Q2为5G标准制定的第一阶段，计划于2018年Q2推出第一版5G标准；2018年Q2到2019年底为5G标准制定的第二阶段，2019年底完成满足ITU需求的5G标准完整版本。但从全球来看，许多运营商对于5G的发展节奏的预期要远快于3GPP的计划。2016年7月11日，美国第一大移动通信运营商Verizon宣布完成其5G无线标准的制定。这无疑是全球移动通信产业界的一枚重磅炸弹。

而在商用方面，在3G/4G时代发展较快的日本，日本软银和其它的Wireless City Planning在9月9日下午召开了新闻发布会，宣布面向下一代高速通信标准5G的项目“5G Project”正式启动。并且作为该项目启动的第一阶段，软银将商用Massive MIMO技术，来满足大容量业务需求。同时，软银宣布在9月16日开始，在日本全国43城市有100个基站将展开商用服务。紧接着，9月7日， Verizon无线公司宣布将从明年开始试用5G网络，2017年在美国部分城市全面商用。

5G网络是通往未来万物互联世界的必由之路，其技术方案与性能也是当前全球产业界研究的焦点。

2 5G应用场景和能力要求

ITU划分5G的三大场景分别是eMBB、mMTC、URLLC，分别是增强移动宽带、海量机器类通信以及超高可靠低时延通信。如图1所示。而在我国，又进一步将移动宽带场景划分为移动互联网与移动物联网场景。在移动互联网场景中进一步细分为连续广域覆盖场景、热点高容量场景；在移动物联网中进一步细分为低时延高可靠场景和低功耗大连接场景。新空口两种方向。具体的演进路线对于5G需求的满足程度如表2所示。

图1 5G应用场景

存在的挑战是对于32载波聚合理论上可以满足峰值速率的哟求，但是低频段很难获得640 MHz的大带宽；NB-IoT基本满足Massive MTC的需求，如连接数密度、功耗和成本等。V2V能够支持到120 km/h的移动速度，无法满足500 km/h的5G需求。

对于演进型空口，在保证后向兼容性前提下引入新技术尽力满足所有5G需求，并且考虑在已有频谱来进行部署；而对于新空口优先考虑部署在新频谱，逐步考虑已有频谱的重耕。而在WRC15后中国6 GHz以下频谱情况如表3所示。

因此从以上分析来看3.5 GHz将是最有可能的5G新增低频段频谱。

为了适应上述应用场景，ITU定义的8大关键能力指标要求见表1所示。

载波聚合、大带宽以及3D-MIMO等技术的应用能够使得LTE系统通过空口演进来满足频谱效率以及峰值速率的要求。但是在用户体验速率以及超低试验等方面还需要5G新空口来进一步满足。因此对于4G网络向5G网络的演进将分为基于演进空口技术以及基于

3 演进型空口特点

本文后续将主要围绕低频段演进空口技术进行重点分析与研究。围绕ITU的8大能力指标要求，分析现有技术与5G需求之间存在的GAP。

在频谱效率方面，相比LTE指标，在考虑引入256QAM、动态TDD、NAICS、on-off等技术的应用，可以获得2.16倍性能的提升；在室外场景下应用3D-MIMO和COMP获得3.9倍的提升，对于5G需求中的3倍频谱效率提升场景可以基本满足；对于5倍的频谱效率提升场景存在挑战；对于用户体验速率和边缘用户速率，应用200 MHz贷款能够基本满足室外100 Mbit/s的边缘速率；但是对于室内存在挑战；对于峰值速率要求，通过32载频的载波聚合，可以满足需求，但是需要640 MHz的大带宽；对于超高流量密度，需要采用超密集组网来满足指标需求；而对于超低时延需要考虑短帧设计。因此，对照目前5G性能需求，以及目前在LTE演进中的立项分析来看，解决方案如表4所示。

表1 5G关键能力指标要求

表2 演进路线对于5G需求的满足程度

表3 6 GHz以下频谱情况

在演进型空口中，引入的无线关键技术包括3DMIMO技术的增强、多用户干扰删除技术、缩短TTI等。

4 新型空口特点

为了解决接入网主要面临业务体验不一致，例如小区中心与边缘性能差异较大；静止和移动体验差异较大；在超密集以及超高速移动场景下体验较差；不能有效满足多样的业务需求，比如不能很好满足高可靠、低时延与功耗、成本等多样的物联网业务需求；网络部署和运维复杂的现状，比如在密集、异构部署和多网共存导致网络建设部署难度大、成本高，针对业务和用户的个性化智能优化与精细化管理能力不足。

因此，业界在5G接入网的设计上主要在构建以用户为中心的接入网络。

表4 演进路线下解决方案

4.1 UE与小区解耦

在LTE中UE紧绑定于小区的模式，限制了空口的灵活性，无法满足5G用户体验需求。在5G网络设计中，UE与小区解耦，如图2所示。在CoF中仅关注于资源；UoF专注于用户，包括上下文、数据和资源；CoF和UoF通过系统调度实时匹配。小区级元素和用户级元素静态解耦动态匹配。

图2 UE与小区解耦

4.2 精细化的QoS管理

LTE网络的QoS机制更适用于运营商内部应用，如IMS，对于OTT应用适配不够灵活；基于承载的QoS管理机制粒度较粗，无法实现业务流粒度的QoS控制，承载建立信令开销也较大，较慢无法跟踪TCP会话变化。

在新的无线网络架构中实现更加粒度的QoS管理，实现基于承载的Qos管理，基于流的QoS管理。

4.3 业务下沉

针对业务面时延较长，业务侧优化调整与空口波动不匹配，业务下沉来提升跨层优化的增益，因此在5G网络通过UE辅助eNode B感知UE的业务，避免引入深度分组解析功能，降低设备复杂度以及DPI带来的额外时延；根据网络环境变化感知UE流媒体的业务质量，通过跨层优化来提升用户感知；研究用户业务智能以及快速处理机制，通过基站进行分流以及在靠近用户位置部署缓存。

4.4 轻切换

5G超密集组网和低时延新业务对无缝切换提出了要求，基于用户链路对空口切换敏感度来对切换进行分类，通过RRC级和MAC级两级切换。通过MAC实时调度实现空口链路的无缝切换。

5 无线网络规划思考

从以上分析可以看出，满足未来世界的万物互联需要综合多种技术优势来满足不同应用场景的需求。而eMBB场景是与当前移动公共通信网络场景最为贴近的场景。通常3G/4G网络是蜂窝网络结构的典型，网络规划的重点就是要在保证网络结构合理的条件下满足覆盖与网络质量的需求。

5.1 演进型空口

在演进型空口技术路线下，主要通过3D-MIMO、载波聚合、高阶调制与多用户干扰消除等技术的应用进一步提升频谱效率和峰值速率。无线网络规划依然需要在保证网络结构的条件下提升网络质量水平。同时3D-MIMO技术的应用，需要进一步分析不同小区的业务模型和用户特征， 根据小区特征选择站点参数。另外在规划仿真工具上需要进一步考虑引入具有建筑物特性的地图信息进行辅助分析。同时在超密集组网场景下，需要增强室内场景网络规划仿真的能力。

5.2 新空口

在新空口技术路线下，为了为用户提供一致的用户体验，用户与小区解耦。以用户为中心的网络模式对于网络规划提出了新的挑战。在UCN模式下，网络如何为用户提供连续的一致的无线资源池，还需要紧跟网络架构以及关键技术的研究步伐提前进行预研与思考。

Research on 5G technique and thinking of wireless network planning

DONG Jiang-bo, LIU Wei, REN Ye-bing, LIU Na
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

The technique character of new air interface and evolving air interface are studied in this paper. And in the end, the key issues in the future wireless network planning are given.

eMBB; URLLC; mMTC; UCN

TN929.5

A

1008-5599（2017）01-0038-04

2016-12-29