4G、5G无线网络协同建设探讨

蒋子云

（湖南省邮电规划设计院有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引 言

随着5G规模化商用，4G/5G网络协同建设、融合发展将成为未来一段时间内无线网络建设重要工作，国内各大运营商也将4G/5G深入融合作为基础网络部署的重要策略。5G网络建设时需着重分析对现有4G网络的影响，包括在站址资源、频率、覆盖以及容量分流等方面上的影响，真正做到为用户提供一个质量高、感知好以及高效智能化的无线通信网络。

1 4G/5G协同建设思路

1.1 频率资源协同

2019年6月5G商用牌照的发放，中国三大通信运营商分别获得了各自5G频段。其中，中国电信获得3 400～3 500 MHz共100 MHz带宽，中国联通获得3 500～3 600 MHz共100 MHz带宽，中国移动获得2 515～2 675 MHz和4 800～4 900 MHz共260 MHz带宽。由于中国电信和中国联通5G网络频段均为高频，信号穿透力和绕射力等方面与低频段相比较差，在城区连续覆盖和楼宇浅层深度覆盖上存在一定的不足，寻找可以使用的低频段，做好4G/5G频率资源共享与协同建设将是一个有效的解决思路。

随着中国联通和中国电信在5G网络全面共建共享，中国电信和中国联通认识到可共享现有2.1 GHz频段用于5G网络建设这一契机。原中国电信在2.1 GHz频段上拥有20 MHz带宽用于4G网络（2 110～2 130 MHz），中国联通在2.1 GHz频段上拥有25 MHz带宽用于3G和4G网络（2 130～2 145 MHz，2 145～2 155 MHz），中国联通和中国电信两家在2.1 GHz频段共拥有45 MHz带宽，剔除两端保护带，共享频段最少可拥有40 MHz带宽用于5G网络建设[1]。2.1 GHz频段资源使用情况如图1所示。

图1 2.1 GHz频段资源使用情况

对于重耕后的2.1 GHz频段，中国联通和中国电信当前在此频段上的4G网络仍会存在，因此做好该频段的4G/5G频率资源共享及协同就显得尤为重要。当前较成熟技术是动态频谱资源共享（Dynamic Spectrum Sharing，DSS），即允许4G LTE和5G NR共享相同的频谱，并将时频资源动态分配给4G和5G用户[2]。动态频谱资源共享原理如图2所示。

图2 动态频谱资源共享原理示意图

做好动态频谱资源共享，最基本的思想是在4G LTE子帧中调度5G用户，同时确保用于同步和下行链路测量的参考信号不会发生冲突，不会对LTE用户产生任何影响。4G LTE的所有信道的时频资源是固定分配的，参考信号在连续的时频资源中占用特定的位置。5G NR定义了各种物理资源，物理层设计灵活可扩展。可根据不同的频段分配为数据信道和同步信道提供不同的子载波间隔，参考信号、数据信道以及控制信道都具有极高的灵活性，允许进行动态配置。因此，利用5G物理层的动态灵活性去适配静态的4G LTE，可避免两种技术之间发生冲突[1]。

通过动态频谱共享某区域120个2.1 GHz NR站点，开启前后测试对比，结果如表1所示，在信号电平值、下行速率及误码率等性能上基本稳定。

表1 2.1 GHz NR站点开启DSS前后性能测试对比表

1.2 覆盖效果协同

当前5G网络主流的3.5 GHz频段由于频率高，空间传播衰耗大，相比于低频在覆盖上有较明显的不足，主要表现为上行覆盖受限。通过上行链路测算结果对比可以发现，3.5 GHz频段上行能力相比1.8 GHz频段上行能力差12 dB，相比2.1 GHz频段上行能力差7.7 dB，相比2.6 GHz频段上行能力差4.2 dB。4G/5G主要频段上行覆盖能力对比如表2所示。

表2 4G/5G主要频段上行覆盖能力对比表

为弥补5G网络高频段在覆盖上的不足，在网络规划建设时需充分考虑4G和5G网络的协同，做到深度融合，才能保证用户良好感知，主要有以下思路。

一是在满足网络结构前提下，尽量与现有4G网络站点做到1:1共站点建设，做好4G、5G网络TA/TAL和切换参数等协同优化，以使两者做到互补，完好融合[3-8]。覆盖区域内，用户优先接入5G网络，4G网络做好区域边界、底层及浅层的深度补充覆盖等。

当前国内各运营商5G网络均采用与4G网络站点1:1共站点建设方式，中国电信和中国联通采用与1.8 GHz频段的4G网络站点进行共址建设，中国移动采用2.6 GHz频段共模方式建设。做好4G和5G网络协同，尤其在非独立组网（Non-Stand Alone，NSA）中为用户保持良好感知提供保障。

二是5G网络主流高频（3.5 GHz频段）充分做好与2.1 GHz频段的协同。3.5 GHz频段作为主要业务承载频段做好覆盖区域内有效覆盖，2.1 GHz NR清频后作为3.5 GHz频段有力补充。中国电信和中国联通全面共建共享，其中一个最重要的战略协同就是共享2.1 GHz频段，通过对现有2.1 GHz清频和重耕后，用作5G网络的广覆盖和底层覆盖建设。同时使用一些上行增强技术推进解决5G网络高频上行覆盖不足问题[6]。主要方式是通过高频和低频互补、时域和频域聚合，充分发挥3.5 GHz大带宽能力和低频段穿透能力强的特点，既提升了上行带宽，又提升了上行覆盖，同时缩短网络时延[1]。

三是2.1 GHz和2.6 GHz频段通过动态频谱资源共享在各自频段上实现4G和5G网络深度融合，根据服务的用户或业务类型可动态配置资源和选择网络，从而满足不同级别的场景业务需求。

1.3 站址资源协同

站址资源的协同需在充分评估网络质量的基础上协同站址资源的建设，包括配套资源协同、天面资源整合以及设备共享及利旧等。

1.3.1 站址配套资源协同

站点配套资源协同最主要包括动力配套、光纤资源以及设备安装空间等方面的协同[9,10]。在5G站点建设时需准确测算5G设备功耗对动力配套需求，及时做到对现有动力配套系统的扩容或替换，以满足4G/5G网络的正常有效运行。当前各运营商建设的5G网络基本采用C-RAN建设方式，即基带处理单元（Building Base band Unite，BBU）集中安装机房内，有源天线处理单元（Active Antenna Unit，AAU）通过拉远的方式安装在基站侧，即需无线网络信号覆盖区域。以3扇区站点（1个站点3台AAU）为例，目前一个5G站点典型功耗在2 200 W左右，是现网一个4G站点的1.5倍左右，因此规模化5G网络建设将对现网动力资源是较大冲击，需做好的动力资源预留，做到协同建设。

光纤资源是5G建设时最重要的基础资源之一，随着城市规划、轨道交通的建设以及市政道路的硬化等，现有光缆资源破坏较严重，同时新建光缆资源难度也越来越大，因此需充分做好光缆资源的协同，合理规划纤芯资源的使用。一是新建站址，4G/5G网络同时新建站址需协同考虑光缆资源的建设，即每个系统按需求6芯光纤计算。二是已有4G系统的站点将重点协同资源利旧，并综合使用一些新技术和新设备板件等盘活现有光缆资源，确保4G/5G网络协同建设，如使用无源波分利旧原有1芯光缆开启5G网络，或将原4G设备光模块替换为单芯双向光模块腾出纤芯用于5G网络建设等。

1.3.2 设备共享及利旧

5G规模化建设以来，设备安装空间资源越发紧张，包括机房侧安装空间及基站侧安装空间。机房侧做到4G和5G共设备框安装BBU以避免各系统都增加BBU设备框，缓解设备安装空间紧张局面，达到区域内4G/5G协同建设。在基站侧需根据不同运营商站点实际情况来进行4G和5G协同建设，如2.1 GHz频段翻频至40M带宽，4G/5G共享RRU，开启动态频谱资源共享功能以实现4G/5G协同建设，2.6 GHz频段通过4G/5G共模AAU以实现4G/5G协同建设。

1.3.3 天面资源整合

天面资源为无线通信网络建设中最基础的资源之一，随着5G规模化建设，天面资源也变得越发复杂及紧张。在同一天面上原本可能同时存在2G/3G/4G网络天馈线系统，已无空间单独安装5G网络天馈系统，给5G网络建设带来极大困难，因此做好天面资源整合是实现4G/5G网络协同建设的有效保障[2]。

原有2G/3G/4G网络天馈系统未整合的情况下，将原单小区2G/3G/4G天线整合到一面天线上，腾出天面资源用于安装5G AAU[5]。2G/3G/4G天馈系统整合预留空间用于5G安装示意如图3所示。

图3 2G/3G/4G天馈系统整合预留空间用于5G安装示意图

原2G/3G/4G天馈系统已整合到一面天线情况下，新增5G AAU可使用A+P全频段天线合路2G/3G/4G天线和5G AAU做到4G/5G协同建设。A+P天线示意如图4所示，A+P天线用于天面整合方案如图5所示。

图4 A+P天线示意图

图5 A+P天线用于天面整合方案图

2 结 论

4G和5G网络将长期共存，因此在当前无线网络的建设中，两者的协同已成为重要且必须完成好的课题。本文首先阐述了4G和5G网络协同建设在频率资源上的必要性及可实现的技术手段，其次从覆盖的角度上分析了4G和5G网络协同建设的思路及方法，最后列举了在实际的工程建设中4G和5G网络协同建设所涉及的站址资源协同具体方面，包括站址配套资源、设备共享、利旧及天面整合等。4G和5G网络协同为社会各级别及场景业务发展提供保障，也推进5G网络建设及商用化进程。当然随着5G网络建设的深入，4G和5G网络协同建设可能会遇到难以预见的困难，因此需充分分析协同的思路及策略，在技术上做出评估和保障，旨在建设一个质量高、感知好以及高效智能化的无线通信网络。