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        5G網絡的運營商部署策略探討

        http://www.rxbn.tw ( 2018/9/12 17:02 )

        摘要

        鑒于5G技術在新一代的信息通信基礎設施中的重要性,5G已經上升為國家戰略,被視為國家間產業與經濟競爭手段。隨著技術標準的定型,網絡部署已經被運營商提上議事日程。考慮到5G技術的新特點,運營商根據現有電力、傳輸、基礎建設條件以及業務預測的網絡周期等因素采取合適的部署策略,快速高效地部署網絡是明智的選擇。部署的策略需要考慮的因素包括網絡架構與設備選型、建設策略、網絡重耕。

        關鍵詞:5G技術;業務預測;設備選型;網絡重耕

        1   引言

        據報道,美國無線通信互聯網協會(CTIA)建議美國應該加快引進5G技術,否則可能比中國落后一到兩年,未來不再有其它機會。按照協會的結論,中國和韓國在5G引進方面已經超過美國。美國國家安全委員會(NSC)也警告稱,如果中國占據通信領域主導地位,那么他們將不僅獲得技術勝利,也將獲得政治、經濟,以及軍事勝利。在我國國家層面,鑒于5G技術在新一代的信息通信基礎設施中的重要性,也已經將發展5G上升為國家戰略,被視為國家間產業與經濟競爭手段。今后面向物聯網的應用、車聯網的應用,疊加在上面的各種互聯網+,甚至工業互聯網的應用,都和它密切相關。作為運營商,5G網絡已經不是部署不部署的問題,而是采取何種策略部署的問題。

        2   5G發展現狀

        5G是3G后通信基礎又一革命性突破,涵蓋增強移動帶寬、海量機器通信和超高可靠低時延通信3個應用場景。2017年,全球5G移動通信時代腳步越來越近,各國政府紛將5G建設及應用發展視為國家重要目標,各技術陣營的5G電信營運商及設備業者亦蓄勢待發,5G市場戰火一觸即發。2018年6月底已經發布NR第一個版本(R15),滿足eMBB以及(部分)URLLC需求(Option 2)R15版本將在2018年12月凍結,2019年底發布R16版本,滿足5G全業務需求 。

        2.1  應用場景

        5G時代視頻類創新應用引領5G初期eMBB業務發展,而智慧城市,萬物互聯,融合創新,工業4.0,智能制造的發展,使能行業變革將成為5G新常態。5G網絡應用場景如圖1所示。

        圖1    5G網絡應用場景

        (1)eMBB場景:高容量大帶寬,增強視頻、AR/VR等創新應用引領5G發展和需求,eMBB成為5G初期首選場景。

        (2)URLLC場景:超低時延,高可靠性,使行業變革,驅動車聯網、無人機、工業控制、進程匚療等特殊應用成為可能。

        (3)mMTC場景:廣覆蓋、小數據包、低成本、低功耗,智能家居,智慧城市,物聯網業務激增(預計2020年17億連接)。

        2.2  標準制定狀況

        5G第一版本標準接近完成,根據預測,3GPP有關5G標準推進工作進展計劃如圖2。

        圖2    5G標準進展

        (1)核心網方面,2018年6月已經完成NGC第一個版本(R15)制定,2019年底完成NGC R16版本:支持多種網絡切片,滿足5G全業務需求。

        (2)無線網方面,2018年6月已經發布NR第一個版本(R15),滿足eMBB以及(部分)URLLC需求(Option 2)R15版本將在2018年12月凍結,2019年底發布R16版本,滿足5G全業務需求。

        2.3  國內運營商發展狀況

        根據GSMA官方預判到2025年全球約12億5G用戶,5G網絡覆蓋40%人口,中國將是5G最大的市場運營商意志服從國家意志,行業需求旺盛,需求超越供給,以及競爭驅動,先發優勢將決定5G的建設和運營策略。

        (1)中國移動:截至2017年末,移動全國4G基站有187萬個,覆蓋99%的人口。2018年,移動將繼續鞏固現有網絡,同時大力推動5G發展。2018年5G規模實驗計劃——在杭州、上海、廣州、蘇州、武漢五個城市開展外場測試,每個城市將建設超過100個5G基站;將在北京、成都、深圳等12個城市進行5G業務和應用示范。

        (2)中國聯通:緊扣發展節奏,聚焦“厚、深、廣”三要素,打造高效、優質的中國聯通精品網;支撐2I2C再發展1億用戶戰略延續流量經營紅利,延續用戶和收入增長;直面深度覆蓋體驗短板面向5G推進數字化轉型。目前在北京、天津、上海、深圳、杭州、南京、雄安等七座城市和地區里開展5G外場測試工作。

        (3)中國電信:當前,電信正大力地推動VOLTE商用,以4G網絡功能全面替代2G和3G網絡功能為主要目標。將會為成都、雄安、深圳、上海、蘇州、蘭州六座城市和地區開展5G網絡相關測試,促進4G與5G網絡協同,促進5G技術應用落地。

        總體上來看,中國移動在5G網絡的前期研究和技術儲備較多,電信在北京、上海、廣州研究院也一直跟進5G的研究,取得了一些進展。聯通在5G方面的動作也不少,但在5G試點方面整體落后于其它兩家運營商。

        3   5G部署面臨的困難

        從前期4G的部署經驗來看,5G的部署仍然采取與現有的3/4G共站為首選,再考慮到覆蓋需求進行新增補點的模式進行規劃建設。在與3/4G共站建設模式下,現有基站的電力容量,天面條件,以及傳輸帶寬必然成為影響快速部署的瓶頸。

        3.1  無線設備形態變化

        根據主要設備生產廠家的參考數據,5G網絡無線部分的基站設備形態明顯有別于4G的BBU+RRU組合,主要以BBU+AAU形態出現(4G與5G基站典型形態對比如圖3所示)。

        圖3    4G與5G基站形態對比

        3.2  電力容量不足

        根據主要設備生產廠家的參考數據, 5G的BBU功耗較4G的BBU高出一倍,RRU與天線的組合體AAU約1000W,較4G高出1.5倍,整體單站功耗約5000W,是原來4G的2.5倍。在3/4G共站情況下,疊加5G設備,尤其是2G尚未退網情況下,電源容量將嚴重不足。

        其次,由于AAU必須掛在抱桿上,產生額外的路徑損耗,進一步增加了供電壓力。同時,AAU相對于RRU較大的功耗,要求更粗的電纜線徑,增加了施工的難度。

        根據當前無線網絡運行狀況來看,4G網絡的疊加已經給現網帶來了極大的挑戰,未來再在現網疊加5G,不進行電力改造和電源擴容幾乎不可能。2G設備老舊,耗電量在基站中占比非常大。考慮到2G業務基本可以由3/4G分擔,加速2G網絡全面退網成為必然選項,可以大大緩解基站電力不足的局面。

        3.3  天饋工程難度增大

        (1)AAU安裝需要新增足夠的天線包桿和空間,現有站點天面空間普遍不足,同時考慮天面租金通常按照天線數量計算,成本將大大增加。

        (2)由于AAU取代傳統天線上塔,重量大約是傳統天線的4倍,從安全角度考慮,傳統的天線抱桿在結構和強度上都不能滿足安裝AAU條件。

        (3)考慮到新增AAU散熱和安裝空間限制,傳統美化罩大多不能重用,需要定制或改造。

        (4)加快2G網絡的全面退網可以一定程度緩解天面空間的需求。

        3.4  前傳光纖需求增加

        前傳光纖需求,5G站點光纖需求成倍增加,光纖資源挑戰大。4G時代BBU集中比例約50%,光纖已顯不足。同時,RRU級聯+單芯雙向,單天面到機房一對或一根纖,尚能節省一些光纖資源。但是,在5G時代AAU不能級聯,光纖消耗更多,每AAU需一對纖,BBU集中使光纖需求顯著增加。

        4   部署策略探討

        考慮到每一代移動通信網絡都有其生命周期,如何根據業務預測,經濟并高效地部署網絡策略變得非常重要。需要考慮的策略包括設備選型,覆蓋策略,容量策略以及舊的網絡的重耕策略。

        4.1  網絡業務分析預測

        要分析網絡的生命周期,需要對實際網絡運行情況的長期統計觀察,從而預測業務發展趨勢和網絡更替周期,為網絡初期建設和后續擴容提供指導建議。以下以某城市3/4G業務為例進行分析。

        (1)網絡成長期

        某城市本地網4G網絡建設初期到成長期,3/4G網絡業務對比統計情況如圖4。

        圖4    某市3/4G網絡業務統計

        統計可見,由于4G較3G網絡有10倍吞吐率優勢,4G網絡從建成商用以來,流量最初遠低于3G,到月流量正式超過3G網絡,雙網流量實現剪刀差,僅僅用了17個月,不到一年半的時間。

        (2)流量井噴期

        隨著4G終端的普及,一系列流量包業務的發布,推動4G流量井噴式的增長,幾乎平均每半年流量翻一倍。業務量井噴似的增長,大大超出預期,網絡容量受限制,業務感知受到影響,網絡隨即由規模建設期轉入規模擴容期(4G網絡井噴式增長如圖5)。

        圖5    4G網絡井噴式增長

        (3)業務替代期:

        4G網絡自正式商用后,流量從與3G網絡旗鼓相當,到數據流量達到3G網絡的10倍,從而基本取代網絡,成為數據業務主流,僅僅只用了15個月的時間。4G/3G流量比的變化如圖6所示。

        圖6    4G/3G流量比變化

        從上述4G網絡的成長周期來來看,從網絡正式商用,到取代3G,只用了32個月,大約2.7年的時間。目前,運營商的策略,除了局部的熱點擴容外,基本都是在籌備5G了,5G網絡蓄勢待發。可以預見的是5G網絡的建設和成長周期也將遵循這個周期規律,或許更短。因此,根據網絡成長發展預測周期,抓住投資建設的黃金時間,如何選擇正確的策略部署5G網絡尤為重要。

        4.2  組網與設備選型

        (1)SA與NSA的選擇

        5G網絡基本架構分NSA(非獨立組網) 與SA(獨立組網)兩大基本類型,

        兩種架構不同特點,服務不同部署策略,服務不同戰略的選配。NSA 與SA 組網優劣對比如表1。

        表1    SA 與NSA架構對比

        對比NSA(非獨立組網)SA(獨立組網)

        組網架構4G+5G協同5G獨立組網

        連續覆蓋必要性必要性低必要性高

        速率4G速率+5G速率5G速率

        語音方案3G回落/VoLTEVoLTE

        核心網利舊EPC新建5Gnew core

        NSA特點適于“一步規劃,分步實施”,聚焦重點,投資可控。SA對全網連續覆蓋要求高,適于連續覆蓋一步到位策略。考慮到投資風險,設備利舊,逐步演進的穩妥策略,建議優選NSA作為初期建設策略。

        (2)無線設備的選型

        5G基站初期部署是選擇64T64R ,32T32R,還是16T16R也很重要,從商用技術成熟度,覆蓋能力,容量增益,單站成本,對標友商等幾方面考慮,初期部署64T64R,保障連續覆蓋競爭力是不錯的選擇(64T64R的優勢如圖7)。

        圖7    64T64R的優勢

        (3)供電節電策略

        5G基站設備功耗較大,尤其是AAU功耗大,而且需要遠程供電,線路損耗給工程和維護帶來較大的問題,通過提高線路電壓降低路損是必然選項。為了解決這個問題,一方面要改造基站供電系統,另一方面,要求廠家提供多種應對方案,包括相關的配套設備,AAU的低壓工作能力,交流工作能力,以及其它節電策略。

        4.3  建設策略

        (1)按需建設,循序漸進。結合上述分析的4G網絡成長周期,預測5G業務發展節奏,根據業務節奏進行建設。根據應用預測,5G建設的第一階段,主要以增強視頻、AR/VR,無人機等創新應用為5G發展驅動力, eMBB成為5G初期首選場景。第二階段,以智能機器人,車聯網等應用為主,網絡需滿足低時延、大帶寬需求。第三階段,各應用智能化、規模化,網絡需滿足大連接、低時延、大帶寬需求。因此,從投資效益角度出發,5G網絡的建設應根據各階段業務需求,按需投資。

        (2)從點線面考慮,重要場景差異化覆蓋。5G由于較高的頻率,覆蓋半徑較小,考慮經濟效率,初期建設非連續覆蓋是必然的。采用分用戶分場景差異化覆蓋,逐步實施是首選。從點、線、面三方面來考慮:

        一是關鍵的點,主要是分散的重要用戶,包括高APRU用戶、政企重要用戶、VIP用戶活動區域,機場,車站,碼頭,港口,重要景區以及營業廳等其它重要點狀區域。

        二是重要的線,如重要城際高速、高鐵,機場高速等有利于塑造網絡口碑的體驗場景。

        三是高價值的面,高端人口密集的核心城區,重要商業區,目標用戶密集,3/4G網絡流量較高的,運營價值區域,局部實現連續覆蓋是必要的。

        4.4  網絡重耕

        (1)為了達到eMBB的極致體驗,體現速率上的優勢,5G網絡需要單載波占用100MHz以上的頻率資源。根據工信部無線電管理機構相關文件顯示,將分配3300-3600MHz和4800-5000MHz作為三大運營商5G網絡部署使用,其中3300-3400MHz原則上限室內使用。因此,從明確分配的資源來看,三大運營上能夠用于部署5G網絡的頻率資源非常有限,基本上只能部署單個載波。

        (2)無線網絡中,頻率資源一直以來都是稀缺的資源,圍繞頻率資源的重耕,從2G網絡時代的900M/1800M開始,到后來的3G,再到現在的4G,一直都在進行重耕,以便用更多更經濟的頻率資源,特別是頻率較低的資源,從深度到廣度推進新一代網絡的發展完善,5G時代依然如此。提前考慮現有2/3/4G網絡頻率的重耕,以便為5G發展提供更加豐富的資源。當前各大運營商獲得并使用的頻率資源如圖8所示。

        圖8    三大運營商頻率資源

        從上面已經分配使用的頻率資源來看,聯通的存量頻譜達到162MHz,遠超過分配給5G的C-band。隨著5G建設拉開序幕,2G網絡將加速退網,現有2/3/4G網絡頻率整體重耕將持續進行。以聯通為例,頻率重耕建議按照兩階段進行:

        第一階段2G全面退網。為5G部署騰出電力,天饋天面等資源的同時,為4G部署VOLTE,NB-IOT提供寶貴的低端頻率資源,將4G進一步做深做厚,為逐步部署VOLTE作準備。

        第二階段,3G逐步退網。5G業務迅速增長,4G業務逐步回落,并且VOLTE全覆蓋,3G逐步退網,3G退出的頻率加上TD-LTE退出的頻率,通過整合,最終擠出100MHz用與部署5G第二載波,大大提升5G覆蓋,容量和吞吐率。最終建成1+1極簡的高效網絡,4G承載全部語音,中低速數據及部分物聯網業務,5G承載高速數據業務及大部分物聯網業務。兩階段的頻率重耕示意如圖9。

        圖9    5G階段頻率重耕

        (3)工信部分配給運營商,用于5G網絡最低為3300MHz以上,比現有3/4G網絡頻率高一倍左右。根據電磁波頻率越高,傳播損耗越大的特性,意味著要達到相同的覆蓋,需要增加數倍的投入。通過頻率重耕,將較低的頻段用于5G建設,不僅有利于提升網絡容量,對網絡的深度覆蓋也帶來不可估量的影響。

        5   總結與建議

        5G網絡蓄勢待發,雖然經了3/4G大規模建設,雖然各運營上積累了許多快速部署經驗,但是由于5G網絡在業務需求,網絡架構和形態上全新的特點,仍然有許多短板要提前考慮,才能做到從容應對,經濟部署。根據前面的分析,總結如下:

        (1)加速推進2G網絡的全面退網工作,緩解基站電力容量和天饋天面部署壓力,為5G部署進行前期準備。

        (2)推動VOLTE的建設和商用,是3G精簡和退網的先決條件,為1+1極簡網絡作好準備。

        (3)從經濟部署策略考慮優先采用NSA(非獨立組網)架構,再向SA(獨立組網)架構演進。

        (4)設備選型,綜合考慮技術成熟度,覆蓋能力,容量增益,單站成本,對標友商等因素,無線設備優先選擇64T64R。

        (5)考慮單站電力容量需求大幅增加,要提前考慮改造基站供電系統,另一方面,要求廠家提供多種應對方案,提供能耗較低的無線設備,降低部署難度和運行成本。

        (6)根據4G網絡成長周期,預測5G業務發展節奏,根據業務節奏進行建設部署,按照點線面重點部署,逐步推進。

        (7)持續進行網絡重耕工作,為5G建設提供優質的低頻資源是實現深度和厚度覆蓋的必由之路。 ★

        作者簡介:

        何建:高級技師,碩士畢業于華中科技大學,就職于中國聯合網絡通信有限公司深圳市分公司。

        蘇小文:碩士畢業于華中科技大學,就職于中國聯合網絡通信有限公司深圳市分公司。

        陳偉:本科畢業于電子科技大學,就職于中國聯合網絡通信有限公司深圳市分公司。

        作者:何建 蘇小文 陳偉   來源:《移動通信》

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