5G超密集组网技术

2020-10-14 来源:华信咨询设计研究院有限公司 汪丁鼎

伴随着科技的发展和时代的进步,通信改善了人们的生活,提高了人们的生产效率。展望未来,人们对信息的需求进一步提高,更快的传输速率、接入速率、移动速率,更高的网络密度、链接密度、流量密度,这都需要全新的通信技术做支撑。5G相较于现有的4G技术,拥有更高的传输速率,更低的传输时延,更完善的安全机制和更好的用户体验。若要实现上述通信性能,必须在环境各异的场景中布置大量的无线收发节点,例如宏基站、微基站、家庭基站、中继节点等,形成密集度很高的网络,即5G中的超密集组网(Ultra-Dense NetworksUDN)。

5G中,UDN具有较低发射功率的小型接入节点,不需要精确的规划,仅作高密度的区域部署,即可以构成一个超密集网络。这种方法减小了发射机和接收机之间的距离,提高了频谱效率,并通过流量分流来提升网络整体的性能。总而言之,超密集组网就是通过提高单位面积频谱效率的方式来提高整体的系统容量。超密集网络中单个小区提升系统容量的方式又分为以下两种:第一种为增加带宽,为现有网络提供新的频谱资源;第二种为使用Massive MIMO、高阶调制等方式提高每个小区的频谱效率。

5G的一个重要思想是实现万物互联,物联网可以实现任何人、任何机器在任何时间的通信,典型的物联网业务包括智能医疗、智能电网、智慧城市等,场景多样、业务量巨大,传统的单层蜂窝网无法满足新的需求。分层次异构组网通信的优势逐渐显示出来,相较于单层同构网络,多层次异构网络在网络部署中的灵活度、信息速率、系统容量等方面都有着极大的优势。现阶段研究的超密集组网融合了异构网络的思想。

UDN的网络部署方式仍然处于探索阶段,但有几点已经达成共识。第一,单一层次的蜂窝网部署无法满足5G的通信需求,多层次、多种接入方式并存的无线接入网络(Heterogeneous and Small Cell NetworkHet SNets)是蜂窝网发展的必然趋势。多层次是指传统宏小区(Macrocell)和包括微小区(Picocell)、家庭小区(Femtocell)、中继(Relay Nodes)在内的低功耗小区共存的体系结构,超密集组网场景如图1所示。除了传统蜂窝网接入的方式以外,也包括无线局域网、无线个域网等多种接入技术。第二,办公区域、居住区域、旅店商场等室内热点区域以及机场等室外热点区域需要高密度的小区部署,从而满足用户的QoS需求。第三,除 了手机等用户设备(UE)以外,还需要支持机器间通信(Machine-to-MachineM2M),这种通信业务也要与核心网络相连。同时,对于大量的微小基站的接入,光纤和无线都应该被认为是合适的传输资源。

1 超密集组网场景

超密集组网将是一个多元融合的异构网络,区域频谱效率得到成倍的提升,但同时也产生较强的同频干扰,影响用户通信的质量。如何减少同频干扰,提高频谱利用率成为热点问题。不同的网络拓扑结构,分析的结果是不同的。通过减小小区半径,采用UDN网络部署,增加单位面积内小基站的密度,通过在异构网络中引入超大规模低功率节点实现热点增强、消除盲点、改善网络覆盖、提高系统容量,打破了传统的扁平单层宏网络覆盖,使多层立体异构网络(Het Net)应运而生,可显著提高频谱效率,改善网络覆盖,大幅度提升系统容量,系统容量提升如下方公式所示,通过增加小区数和信道数,容量成倍提升,同时,UDN具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用。

 

UDN采用虚拟层技术,即单层实体网络构建虚拟多层网络,虚拟层技术原理图如图2所示。单层实体微基站小区搭建两层网络(虚拟层和实体层),宏基站小区作为虚拟层,虚拟宏小区承载控制信令,负责移动性管理;实体微基站小区作为实体层,微小区承载数据传输。该技术可通过单载波或者多载波实现;单载波方案通过不同的信号或者信道构建虚拟多层网络;多载波方案通 过不同的载波构建虚拟多层网络,将多个物理小区(或多个物理小区上的一部分资源)虚拟成一个逻辑小区。虚拟小区的资源构成和设置可以根据用户的移动、业务需求等动态配置和更改。虚拟层和以用户为中心的虚拟小区可以解决超密集组网中的移动性问题。

2 虚拟层技术原理

5G 中的网络规划主要针对广覆盖、热点高容量、低时延高可靠和大规模MTC等业务网络形态,各形态特点如下:对于移动广覆盖业务场景的网络形态,以宏蜂窝基站簇覆盖为主,支持高移动性,核心网控制功能集中部署,无线资源管理功能下沉到宏蜂窝和基站簇,在基站簇的场景下,结合干扰协调需求,实现基于独立模块的集中式增强资源协同管理;对于热点高容量业务场景的网络形态,微蜂窝进行热点容量补充,同时结合大规模天线、高频通信等无线技术;核心网控制面集中部署,在干扰严重受限的宏微和微蜂窝簇场景下,资源协同管理和小范围移动性管理下沉至无线侧,用户面网关、业务使能和边缘计算下沉到接入网侧,实现本地业务分流和内容快速分发;对于低时延高可靠业务场景的网络形态,通用控制功能和大范围移动性相关功能集中,小范围移动性管理功能、特定业务特定控制功能下沉至无线侧,用户面网关、内容缓存、边缘计算下沉至无线侧,实现快速业务的终结和分发,支持网络控制的设备间直接通信;对于大规模MTC业务场景的网络形态,网络控制功能依据MTC业务进行定制和裁剪,增加MTC信息管理、策略控制、 MTC安全等,简化移动性管理等通用控制模块,用户面网关下沉,增加汇聚网关,实现海量终端的网络接入和数 据汇聚服务,在覆盖弱区和盲区,基于覆盖增强技术,提供网络连接服务。

5G的规划覆盖、重要发展方向是精细化超密集组网。根据不同的场景需求,采用多系统、多分层、多小区、多载波方式进行组网,以满足不同的业务类型需求。需要采用UDN部署的应用场景见表1

1 UDN主要应用场景

未来5G站点规划可在现有4G站点上增加5G站点,由于5G频段比4G高,需要增加弱覆盖区域的站点规划,在业务热点区域采用密集组网的方式解决覆盖和容量问题,UDN组网示意如图3所示。

3 UDN组网示意

UDN需要以非常灵活的方式使用各类传输资源,例如有线传输、无线传输或混合传输,这样才能从时域、频域、空域等各个维度全面地利用传输,以达到对资源的最大使用效率。UDN的网络拓扑结构应该是灵活的,以便动态地适应各种热点地区的部署,适应大量网络节点的接入,并适应多种无线技术。因此,先进的自配置算法将被大量地使用在UDN 网络中,以获得自动的小区参数配置、自动容量优化、自动负载平衡、自动资源分区以及自主协调等能力。

5G网络采用Het Net部署,5G同时也支持全频段接入,低频段提供广覆盖能力,密集组网采用高频段,从而提供高速无线数据接入能力。根据工业和信息化部现有频谱划分2.515GHz~2.675 GHz3.3GHz~3.6GHz 4.8GHz~5GHz 的低频为5G的优选频段,解决覆盖的问题,高频段如28GHz73GHz邻近频段主要用于提升流量密集区域的网络系统容量。

在无线回传方式中,相同的无线网络资源被共享,同时提供终端接入和节点回传,需要接入和回传相统一的高频段移动通信系统,需要相应对无线回传组网方式、无线资源管理以及高频段无线接入与移动回传等构建统一的空口、分级/ 分层调度机制的设计。UDN网络中节点之间的距离减少,导致存在同频干扰、共享频谱干扰、不同覆盖层次之间的干扰,同时,邻近节点传输损耗差别小,导致多个干扰源强度相近,网络性能恶化,需要通过采用多点协同(Coordinated MultipointCoMP)等多个小区间集中协调处理,实现小区间干扰的减弱、消除,甚至使UDN网络干扰系统转化为近似无干扰系统。