第 3 章 5G UDN 技术概述
第十六节:Pre5G概念简介
5G UDN 的核心特点,可用 4 个词来高度抽象地概括,基站小型化、 小区密集化、节点多元化和高度协作化。5G UDN 以 4G LTE 微蜂 窝和小小区的技术为雏形基础,总目标发展成系统容量更大、综合性能 佳、成本更低、更加智能的异构蜂窝网络。
随着各种智能终端和移动业务应用的广泛普及和深入,在过去 10 年中,移 动通信业务的数据量,经历了爆发式的增长。业界普遍认为,未来的蜂窝移动 网络将是一个全移动化、万物互联的大异构网络。为了满足未来不断增长的新 系统容量和无线覆盖的需求,5G 系统从下面的三大维度进行了深入研究。移动 通信的发展历史表明,小区分裂叠加(蜂窝移动小区在空间域、频域的部署和覆盖变得更多更密集)、更大的系统工作带宽(单个服务小区能够支持更宽的载 波资源)、更高的无线频谱效率(利用 5G 各种更先进的物理层技术进一步提升 谱效)是无线系统容量提升的三大关键支柱,同时也能提升蜂窝移动无线覆盖 的广度和深度。图 3-1 为业界有名的蜂窝系统容量立方图,形象地说明了这一发展规律。
5G 系统仍将依托于这三大支柱来实现网络容量和性能快速增长的目标,比 如,开发具有更大带宽的中高频载波资源、增强的载波聚合和多连接技术、采 用更大规模的多入多出传输技术(Massive MIMO)、波束赋形定向技术、新的 空口波形、新的调制编码技术(如 NR 物理数据信道采用 LDPC 码,物理控制 信道采用 Polar 码)等来进一步提高无线频谱效率。但是沿着“大带宽”和“高 频谱效率”的维度发展,由于伴随着较大的研发复杂度和硬软件成本,通常有 相应的工程实现方面的极限,从而系统增益每向前推进 1 倍,都会耗费较大的 研发投入或 IPR 专利风险。而与“大带宽”和“高频谱效率”相对比,“小区密 集化”部署和 UDN 技术,则更显得直截了当和立竿见影,更容易凸显出成熟 系统已有成熟设备的稳定性优势和市场研发规模效应。客观上,随着更高频率 (比如可高达 100 GHz)资源的开发使用,5G 高频服务小区通常都以小小区方 式部署的,由于小小区天然的无线覆盖小,因此为了获得高频的连续覆盖,密 集化部署方式势在必行。通过结合利用过去各种已成熟的高度协作机制,如干 扰协调抑制技术、载波聚合技术、多连接、协作多点传输等先进技术,小小区 的密集化部署更容易以低成本、高性能的方式为 5G 大异构网络带来强大的系 统容量和无线覆盖,还有提升用户通信体验其他诸多方面的增益。
| 3.1 IMT-2020定义的5G UDN应用场景性能指标与现有技术的差距
5G UDN 一系列相关技术的研究,都是以具体的部署场景为驱动的,要求 能对各种场景先建模仿真,尽可能反映客观物理环境。计算机模拟仿真处理能 力的巨大提升,使得这一研究方法成为可能。在现实生活中,各种具体的部署 应用场景种类繁多、数量巨大,但很多场景从模型的实质和“用例性原则”的 角度看,相似度很高,待解决的核心问题及使用的关键技术手段都具有共性。 因此最好能根据待研究对象目标,对模型本质上相似的场景进行抽象、概括和 归类。
根据蜂窝业务应用场景的统计性特点、无线干扰情况及信道传播环境,中 国 IMT-2020 组织归纳出了六大类典型的 5G UDN 部署应用场景如图 3-2 所 示,即密集住宅区或街区、办公室、购物中心 / 火车站 / 机场、体育场 / 集会、 公寓、地铁。下面将先简要介绍这些主要场景下的无线环境特点、用户分布业 务特点、网络回程条件、参考信道模型等,以及所面临的关键技术问题。
场景一:密集住宅区或街区
该场景下,同时存在室内相对静止状态及室外低速游牧状态的终端用户, 终端的分布密度较高,上下行业务数据流量比较均衡。这个场景中的蜂窝业务 类型丰富多样,包括视频业务、FTP 业务、网页浏览、实时游戏等,需要针对 混合类业务的数据传输进行研究。在高密度部署基站节点的情况下,系统的边 缘问题(包括干扰协调及移动性管理)将变得更加突出。如何有效地解决小区 边缘问题,让不同物理位置的终端都有一致的、高质量的用户通信体验,这是 场景一中重点待研究的问题之一。
由于住宅用户对基站类设施和电磁辐射较敏感,基站节点的有效部署、管 理和维护是这个场景面临的另一个挑战。无线自回程技术使基站节点的灵活部 署成为可能,极大地降低了网络的投资运营成本。无线自回程链路的容量增强 也是一个需要研究的问题,因为在使用无线自回程部署基站节点时,除了接入 链路之间的干扰,还需要考虑回程链路之间以及回程链路与接入链路之间的干 扰,因此,如何识别不同特征的干扰并实现有效的干扰管理及控制,也是这一 场景需要解决的关键问题。
如何利用街道两旁室内的基站节点,为室内外的终端用户一起提供接入服 务,它可以充分利用室内现有的有线回程链路(通常为非理想的回程链路),进 一步降低部署成本。图 3-3 所示为利用室内基站节点,去覆盖室外终端用户的 可行性评估。比如,当 RSRP 接入门限为 -105 dBm 时,室内 LPN 能够覆盖到室外 23m 的范围,基本可以满足密集街区的覆盖要求。
密集住宅区或街区场景环境下的参考信道模型示意如下。
(1)大尺度路径损耗 宏基站:ITU UMa,小基站:ITU UMi;宏基站:3D UMa,小基站:3D UMi。
(2)小尺度衰落 宏基站:ITU UMa,小基站:ITU UMi;宏基站:3D UMa,小基站:3D UMi。
(3)穿透损耗(参考小小区穿透损耗) 2 GHz 室内 UE:20 dB + 0.5din;3.5 GHz 室内 UE:23 dB + 0.5din; 室外 UE:0dB。
(4)室外 ITU UMa,ITU UMi 或 METIS UMa,METIS UMi。
(5)室内: ITU InH 或 METIS InH 或 3GPP Dual Strip。
场景二:办公室
办公室为室内中等用户密度的场景,终端主要处于相对静止状态,以 FTP 类业务或视频通信类业务为主,受限于工作环境,蜂窝业务类型一般不会特别 的混搭多样。这一场景一般通过室内高密度部署的 LPN 节点,来提供高质量、 高容量的数据传输服务(通常办公环境要比家用环境的网络性能要求更高)。如果办公区域内无厚墙的阻隔,小区间的干扰较为严重。办公室场景的物理范围有限,多为企业级应用,有条件部署理想的有线回程链路,且高部署成本可以 接受。因此,这个场景可以在理想回程链路的假设条件下展开研究,有可能达到 5G UDN 的容量和性能上限。高密集部署会使得每个基站节点服务的终端数 降低,某些基站节点可能会处于中、低负载状态,且产生上下行业务数据量不对称和波动较大。为了在上下行业务数据量波动时,能充分地利用无线资源,该场景有可能使用上下行资源动态分配技术。因此,除了同方向干扰以外,还可能出现上下行链路之间的互干扰。
办公室场景环境下的参考信道模型示意如下。
(1)大尺度路径损耗
- 2 GHz 小基站:3GPP Dual Strip;
- 3.5 GHz 小基站:3GPP Dual Strip。
(2)小尺度衰落
小基站:ITU InH。
(3)穿透损耗
- 2 GHz 室内 UE:20 dB + 0.5din;
- 3.5 GHz 室内 UE:23 dB + 0.5din;
- 不同层间穿透 18.3 n[(n+2)/(n+1) -0.46]dB,参考 3GPP Dual Strip 中对层间穿透的计算;
- 内墙损耗 5 dB,参考 3GPP Dual Strip 中对内墙穿透的计算。