5G 与LTE 无线网络设计差异性分析*

龚戈勇

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210009）

0 引 言

随着5G 系统的正式商用化，其无线网络的建设开始步入快车道。在进行大规模无线基站建设的同时，各个运营商也面临着成本增长快于收入增长的压力。工程设计作为降低工程造价的龙头，通过提升5G 系统的无线网络设计的质量，将有助于改善5G 工程项目的建设进度和成本。

1 5G 和LTE 系统差异性分析

1.1 5G 和LTE 系统技术对比

相比LTE 系统，5G 系统采用了众多的创新的技术和系统设计，具有极高的速率 (eMBB)、极大的容量(mMTC)和极低的延时(URLLC)，对应各场景业务特征、覆盖场景、用户行为等相较于LTE 系统发生了很大的变化，具有更高容量、更强的业务能力。为了提高无线侧的传输能力，5G 系统定义了灵活的物理层资源配置，引入了大规模MIMO、毫米波、上下行解耦、LTE-NR 双链接等技术，同时深入优化了LTE 系统中的载波聚合技术，使5G 系统具有更好的弹性和效率[1-2]。二者之间的技术对比如表1 所示。

表1 5G 和LTE 系统技术差异

1.2 5G 和LTE 系统网络覆盖差异

当前LTE 系统的工作频段均处于低频段，而5G 网络主要采用3.5GHz 及以上的高频段进行组网。高频段电磁波能够提升传输速率，但信号传播特性差，传输损耗大，穿透能力弱。随着传输距离的增加传输速率会比LTE 系统下降的更快。为此，运营商需要建设的基站密度将会大大增加，从而保证良好的信号传输效果。

在进行5G网络规划设计时，由于传统的Okumura-Hata、COST231-Hata 模型适用频段均小于2 GHz，而5G 系统主要频段在3.5 GHz 以上，现有传播模型模板不能直接应用于5G 高频段，3 GPP TR36.873定义了3D传播模型（支持频率范围为0.5～6GHz[3]）。此外，5G 的链路预算与LTE 系统也有较多的不同：

（1）天线增益：5G 系统的AAU 单元采用大规模MIMO 天线阵列，阵列关联多个TRX，单个TRX 对应多个物理天线；LTE 系统中单个物理天线仅关联单个TRX，链路预算中的天线增益仅为单个TRX 代表的天线增益。

（2）馈线部分：5G 系统 AAU 单元形态无外接天线馈线损耗； LTE 系统采用RRU+天线的形态，天线外接存在馈线损耗。

（3）人体损耗：5G 系统更高的频率，导致更高的人体损耗和穿透损耗。

（4）干扰余量：5G系统大规模MIMO波束天线，采用“3D”波束赋形，带有干扰规避效果，干扰较小。

覆盖区域可按无线传播环境进行划分成若干不同的地形地貌，选取合适的参数和模型进行网络规划和仿真可以得出5G 基站不同场景下的站间距一般如下：密集市区200 ～250 米，一般市区250 ～350 米，郊区350 ～550 米；而LTE 系统的站间距一般为：密集市区300 ～500 米，一般市区500 ～800 米，郊区>800 米。

1.3 无线设备部署差异性

5G 系统架构相比LTE 系统的一个重要变化就是接入网和核心网的分离变得非常模糊，组网场景需求的多样性，网络架构将进一步扁平化。在接入网一侧，由LTE 系统的BBU+RRU 两级结构演进到CU 单元、DU 单元和RRU/AAU 三级结构。此外核心网的一部分应用功能，则以MEC 边缘云的方式，靠近用户的基站一侧，以达到缩短时延的效果。根据应用场景的不同，5G 网络中的CU 和DU 单元可灵活设置。C- RAN 逻辑架构下的分布式基站，可以采用三种部署方式：支持集中式部署C-RAN，支持分布式部署D-RAN，支持集中式与分布式混合，从而获得集中式部署的协同增益，支持不同场景（如图1 所示）。

大规模天线是5G 关键的频谱效率与覆盖提升手段，有源天线单元AAU 单元将RRU 功能与无源天线集成，实现了对馈线网络的数字化处理。在网络建设过程汇总，常规的5G 站点主要采用“CU 和DU 合设+AAU”的设备方案：基站端采用BBU+AAU 单元的建设模式，BBU 单元安装在基站机房内，AAU 单元安装在天面。采用AAU 单元的5G 站点与LTE 站点天馈组成对比如图2 所示。

此外，为了满足5G 站点高流量的传输需求，AAU 中众多的天线单元都参与工作，导致基站总功耗比LTE 有较大提升。通过参考各设备厂家的5G设备参数，当前5G 系统BBU 单元的功耗是LTE 系统的2.5 倍；AAU 单元功耗比LTE RRU 单元增加了2 ～3 倍，重量增加1 倍。

图1 5G 系统灵活的网络部署

图2 5G 与LTE 系统天馈部分对比

2 无线网络设计差异性分析

5G 系统密集小区建设、大规模天线技术的应用给网络规划和基站设计带来非常大的压力，网络建设工程方案相比LTE 系统灵活性较差，天面共享难度大，建设难度高。需要在站点设计过程中结合每个站点的实际情况因地制宜，最大程度地整合现有资源，降低建设成本。

2.1 室外站

在5G网络部署初期主要进行室外站点的建设，由于5G 系统AAU 单元和BBU 设备较大的功耗，5G 室外站的机房和天馈部分设计不能简单利用现有LTE 网络设计方法。

（1）机房部分

5G 系统机房部分主要是新增BBU 设备，考虑到共址的现网基站一般都已布置有GSM900、DCS1800、NB-loT、LTE-D 频/LTE-F 频多个系统、多家运营商，在新增5G 系统无线设备时需要根据机房内的实际情况整合空间资源、新增或改造交直流电源系统及传输设备等。

①机房空间

5G 系统BBU 设备与LTE 系统BBU 设备体积和重量相当，高度在2U 左右，重量少于20KG，可以采用标准的19 英寸机柜安装、挂墙安装、室外一体化机柜安装。对于空间充足的机房，增加5G BBU 无困难；对于空间狭小的机房和一体化机柜的站点，可考虑将多系统的BBU 单元进行整合，如LTE-D 频和F 频整合成一个BBU，GSM、NB 和LTE-FDD 整合在一个BBU 内，但需要做好现有系统割接时的风险管控。

②电源需求

5G 系统无线设备可利用机房现有-48V 直流电源系统进行供电，按1 个BBU+3 个AAU 单元进行标准配置的5G 系统功耗约5kW，是LTE 系统的2-3倍。大多数的现有基站市电及直流系统容量本身就已经非常紧缺，一般很难直接满足新增5G 设备功耗需求，因此在进行5G 站点设计时需重点复核整流机柜容量、整流模块、空开端子、电缆线径、外电容量等。新增5G 设备电源需求如下：

整流机柜新增设备电流容量=5 000W/48V=104.17 A

空开端子容量和线缆截面需求[4]：

当BBU+AAU 单元通过接入对应的主设备配套电源模板DCDU 单元在接入直流电源机柜时，DCDU 单元对空开端子的容量需求=1.25(安全系数)*设备功率/48V = 1.25*5000/48 =130 A，对应的主线芯截面>35 mm2；当BBU+AAU 单元分别单独直接接入时，空开端子的容量需求为63 A，对应的主线芯截面>16 mm2。

③传输需求

当前LTE 系统站点的传输接入环带宽都在1 Gbps 及以上，部分站点具备了10 Gbps 及以上的带宽。在进行LTE 系统设计时，一般机房内现有的传输PTN 设备只要有足够的端口，就能满足新增的LTE 系统的传输需求。但5G 系统的大带宽、低时延、高精度同步的业务需求对其传输接入承载网提出了比LTE 系统更高的传输要求。

以一个常规的3 小区5G 基站为例，在假定1 个小区达到峰值另2 个小匙达到均值的情况下对接入环带宽单站峰值为7.9 Gbps + 0.9 Gbps*2=9.7 Gbps，即对于传输接入网，5G 单基站的峰值需求达到了9.7 Gbps，是LTE 基站单站峰值需求的10 ～20 倍。

基于单站峰值计算，在进行5G 站点设计时建议回传接口采用10G 以上光模块（当前LTE 系统主要采用1GE 光接口），考虑到传输网络建设的周期性，因此在进行5G 网络设计时需提前进行对应站点的传输网络的规划和建设，尽量采用一张全新的传输网络来承载新的5G 业务。

（2）室外天馈部分

天馈部分建设是确保5G 网络质量的关键，天馈设计必须通过精细的天面勘测，设计出最优的天线位置和合理的方向角和下倾角，杜绝挂高过低，覆盖效果较差等问题的出现。5G 因采用大规模天线技术，其水平和垂直维的覆盖能力均优于LTE 系统。

考虑到5G 系统中AAU 单元重量和尺寸较常规天线重且大，在进行网络设计时需仔细核实杆体承重及安装空间：

①在基站天面杆塔有空余抱杆时且满足承重和风阻要求下，新增的AAU 单元可直接安装于空余抱杆上。

②当基站杆塔无多余抱杆或现有空余抱杆无法满足承重及风荷时，此时需要对杆塔进行改造或者直接新增抱杆。例如：无空余抱杆时考虑微调原有RRU 角度或位置，为AAU 单元的安装腾出空间；也可以改造原有杆体，新增部分抱杆或将现有的美化外罩规格增大；当天面无法完成改造时，需提出创新解决方案。

2.2 室分系统

传统DAS 室分系统无源器件不支持5G 主流频段（3.5G 及以上），且采用3.5G 及以上频段时传统DAS 系统馈线有更大的路损，为了覆盖和原有系统相当，需要增加更多天线点。因此DAS 不建议作为5G 室内覆盖的建设方案，5G 室分优先考虑采用数字有源分布式系统[5]。

数字有源分布式系统在LTE 时代就开始建设，支持4T4R，系统施工难度小，部署简便，设计难度大大降低，但初期单站成本较高。新型数字有源分布式系统可很好解决5G 室分建网问题，5G 系统可基于现有LTE 室分系统进行扩容，将LTE PRRU级联到新增的5G PRRU，实现LTE/5G 共点部署。在5G 室分系统建设时可根据共址现网站点的情况进行设计：

（1）方案1：现网站点已安装有传统DAS 室分，可在此基础上叠加一套独立的5G 数字有源分布式系统（如图3 左图）；

（2）方案2：现网站点已有LTE 数字有源分布式室分系统，可将现有LTE 数字有源分布式室分系统中的PRRU 设备更换支撑LTE/5G 双模PRRU设备（如图3 右图）；

图3 5G 室分建设方案

（3）方案3：对于纯新建场景，可直接建设支持LTE/5G 双模的数字有源分布式室分系统。

3 结 语

LTE 无线网络已建设多年，现有的无线设计人员都具有非常丰富的LTE 网络设计经验，本文通过分析5G 与LTE 系统的无线网络设计差异性，从而在无线网络建设过程中充分发挥设计工作的引领作用，实现5G 网络的快速建设。