APP下载

5G技术在4G网络中的应用探讨

2018-05-30

物联网技术 2018年5期
关键词:高阶基站部署

肖 智

(湖南省邮电规划设计院有限公司,湖南 长沙 410126)

0 引 言

4G网络的普及与应用为移动互联网的发展打开了大门,伴随着消费电子产品的进步与发展,移动通信技术正时刻改变着人们的生活,同时也刺激着移动通信需求的进一步发展。随着高清视频、IoT(物联网)等主流业务的不断推出,移动数据业务承载需求将突飞猛进,运营商需要不断提升系统速率和容量以满足业务增长需求。

据ITU预测,2020年将实现5G的大规模商用,但就目前网络发展的状况来看,距离5G真正形成实际网络能力还有一段时间,因此在5G到来及大规模部署前夕,将5G技术应用到现有的4G网络中,以增强4G网络的能力和性能,满足高速数据业务增长的需求,将5G技术效用最大化,是目前运营商网络建设的主要方向。

1 技术原理和性能分析

目前已知的5G关键技术中,4×4多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO),256正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)高阶调制,移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)等5G技术可应用于4G网络中,增强现有网络移动数据业务承载能力,提升现有4G网络的用户体验和网络经营能力,保护LTE网络投资,并实现业务向5G平滑演进。本文针对4×4 MIMO,256 QAM高阶调制、MEC等关键技术的原理和性能价值进行了分析,探讨了这三项关键技术在4G网络中的应用场景,并提出了相应的解决方案和部署策略,为运营商在5G商用前夕提升4G网络能力和性能提供参考。

1.1 4×4 MIMO技术

MIMO技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线进行传送和接收,从而改善通信质量。4×4 MIMO技术采取4发射天线和4接收天线,要求基站设备具备4T4R能力,手机支持四天线接收。4×4 MIMO技术可充分发挥空间复用与分集技术的优势,提高无线频谱资源利用效率,同时还可提高CEU(位于小区边缘的用户)的移动宽带使用体验。

4×4 MIMO技术对网络覆盖、网络容量、峰值速率和用户的使用速率都有较大提升,其应用价值主要体现在以下三个方面:

(1)有效提升下行覆盖,提升边缘用户体验速率和下行容量。在单站场景下,因为每根天线的发射功率相同,4天线的发射功率相比2天线将增加3 dB功率增益,相同速率条件下,覆盖距离更远,有利于深度覆盖。同时在覆盖边缘区域,4×4 MIMO相比现有的2×2 MIMO具有分集增益,可提升边缘用户体验速率和下行容量。

(2)提升用户峰值体验。以中国电信1 800 MHz频段测试为例,在15 MHz带宽,TM4传输模式场景下,选取近点、中点和远点定点测试用户的下行峰值速率。测试结果表明,4×4 MIMO相比2×2 MIMO在近点的增益为90%~100%,中点的增益为100%~150%,在远点能达到150%~300%的增益。

(3)对存量2R终端同样贡献巨大。基于1 800 MHz的宏小区室内吞吐率测试显示,即使在4R终端低渗透的场景下,基站侧采取4T4R后,平均吞吐率也能获得10%~20%的增益,其变化曲线如图1所示。

图1 4R终端渗透率与吞吐率增益变化曲线图

结合测试数据并分析,发现采用4×4 MIMO后,下行覆盖、下行容量、下行边缘速率和用户的峰值速率等方面的性能明显提升。在2R终端模式下,4T4R相比2T4R性能提升约20%~45%;4R终端模式下,4T4R相比2T4R性能提升约40%~65%。性能对比如图2所示。

图2 4T4R相比2T4R的性能提升

1.2 256 QAM高阶调制技术

QAM是一种矢量调制,先将输入比特映射到一个复平面上,形成复数调制符号,然后将符号的I,Q分量(对应复平面的实部和虚部,即水平和垂直方向)采用幅度调制,分别对应调制在相互正交的两个载波上。QAM是联合调制幅度、相位的技术,同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特,常见的QAM形式如16 QAM,每个符号可承载4 bit信息、64 QAM每个符号可承载6 bit信息。

为进一步提高系统容量及频谱效率,在相同带宽下提升传输速率,LTE-A和第五代(5G)移动通信系统中引入了更高阶的256 QAM调制方案,对于满足256 QAM 条件的用户,其下行业务信道中每符号携带8 bit 数据,相比64 QAM每符号携带6 bit 数据,理论上频谱效率提升约33%。

UE在无线环境(CQI)质量非常好的情况下才会采取256 QAM高阶调制方式,并且网络质量越高调制增益也越大。选取中国电信LTE 1 800M频段进行测试验证,其中,RSRP值为-77 dbm,SINR值为30,并且功能开启前后测试地点一致。经测试,256 QAM功能开启后下载峰值速率提升了38.12 Mb/s,提升幅度为36.02%;均值速率提升了35.70 Mb/s,提升幅度为39.93%。峰值速率以及提升幅度接近理论值,详见表1。

表1 256 QAM对比64 QAM峰值速率和均值速率测试结果

1.3 MEC技术

移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)通过在无线接入侧部署通用服务器,可近距离为无线用户提供IT和云计算能力。MEC服务器主要包括三层逻辑实体,分别为基于NFV的硬件资源和虚拟化架构的平台基础层、承载业务对外接口适配的功能组件层和基于网络功能虚拟化VM应用架构的应用层。

MEC使得传统无线接入网具备了业务本地化和近距离部署的条件,从而具有提供高带宽、低时延的传输能力,同时业务面下沉形成本地化部署,可以有效降低对网络回传带宽的要求和网络负荷。

MEC技术将基站与互联网业务进行深度融合,促进了移动运营商、设备厂商、应用程序开发商和内容提供商的紧密合作。无线网络侧加入计算、存储、处理等功能,构建开放式平台以植入应用,并通过无线API开放无线网络与业务服务器之间的信息交互,实现无线网络与业务的融合;业务侧可为消费者、企业和垂直行业提供大量创新应用和差异化服务,如实时视频、虚拟专网、增强现实、移动监控、商场导航等,提升现有4G网络的利用效率并使其增值。

2 解决方案和部署策略

2.1 4×4 MIMO技术

4×4 MIMO的基站相比LTE基站最大的不同是基站发射端由2T变成4T,对于现网2T4R的站点升级到4T4R站点,需新增一个2T2R/2T4R RRU或整体替换4T4R RRU完成部署,如图3所示。在2T4R基础上建设4T4R网络,需要增加主设备投资,但运维成本基本保持恒定,整体成本增加较少,却显著提升了整个小区的下行吞吐量和用户体验速率,对于部分下行业务受限的高流量价值区域而言,是实现高投资收益比的解决方案。

图3 2T4R基站升级为4T4R基站示意图

相比于基站侧,4×4 MIMO对终端的影响更大,终端不但需要考虑成本问题,还需要更多地考虑设计和空间问题。目前包括三星、华为在内的一些终端厂商均有商用终端支持4×4 MIMO,但都只限于旗舰机型,预计今年还会有多款终端可支持 4×4 MIMO。

影响终端支持4×4 MIMO的主要因素是射频与天线,天线尺寸受波长影响,频率越低需要天线尺寸越大,因此受终端空间的限制,终端很难支持低频段的4×4 MIMO。

综上,以中国电信为例,建议在高价值高流量区域,优先考虑在LTE 1 800M频段部署4×4 MIMO,应对流量压力,抢占运营商竞争优势高地;对于LTE 800M低频覆盖区域,频段带宽小,低频终端很难支持,暂无需部署。

2.2 256 QAM高阶调制技术

目前主流的基站主设备均具备扩展性,无需调整硬件,通过软件升级和数据配置即可完成256 QAM的部署,网络部署成本较低。但256 QAM高阶调制技术对于下行网络质量SINR 要求非常高,测试表明只有当下行SINR 大于25 dB 时才对提升下行用户速率效果较为明显,因此在引入时需要综合考虑小区SINR值、基站站间距和业务密度等因素。对于基站间距较小,同时SINR指标较差的基站不建议开启该功能。而对于平均SINR高于15 dB的小区,若流量负荷较大且载波扩容能力受限时可考虑开启该功能。

总体来说,在室外环境下,下行256 QAM高阶调制技术对LTE系统的整体吞吐量提升有限,同时考虑到目前具备256 QAM能力的终端渗透率依然较低,建议运营商优先在高阶值密集城区、重点场景(如机场、高铁站、三甲医院、高校)等室分系统或宏基站近点高SINR区域应用,提升用户感知,但暂不建议全网大面积开启该功能。

2.3 MEC技术

在4G网络的实际业务拓展过程中,为满足企业级用户与垂直行业的应用需求,4G网络需要进行一些针对位置和特定环境的业务部署优化,以提升网络的效率和用户体验,即需要引入MEC技术。目前MEC的主要应用范围为本地内容缓存、基于无线感知的业务优化处理、本地内容转发、网络能力开放等,主要应用在时延敏感、实时性要求高、大数据量等场景,比如V2V,AR,企业,MCDN,室内,IoT等。

基于现有4G EPC 核心网络架构部署MEC方案,比较常见和简单易实现的部署方式是将MEC服务器部署在RAN侧。通过在RAN侧引入智能计算能力,可解决部分运营商和网络业务提供商的难题,业务体验更有保障,同时无线资源的管理更加智能和优化,不同等级的服务都可以实现。针对不同的应用场景,RNC部署又可分为两种方式:第一种是MEC服务器部署在多个eNodeB汇聚节点之后,如应用于智慧校园、园区、大型企业等,提供差异化的本地服务和创新应用;第二种是MEC服务器部署在单个eNodeB之后,如图4所示,主要针对热点区域,如大型购物中心、重点室内场景如机场、体育场馆等。

采取RAN侧部署方式的优势在于更靠近用户侧,便于监听、解析S1接口的信令来获取基站侧无线相关信息,分析用户位置并提供本地化个性服务,同时还可降低带宽消耗和业务访问时延,提升业务体验,减轻核心网负担,但计费和合法监听等事关安全的问题需要进一步规范。

图4 MEC服务器部署方案示意图

3 结 语

布局5G技术4G化,能够有效提升运营商现有4G网络的技术能力、服务效率和性能指标,尤其是在特定应用场景,对网络覆盖、用户容量、用户峰值速率和创新业务等方面具有重要意义。通过对4×4 MIMO,256 QAM高阶调制,MEC三项技术的技术原理和性能价值的分析,探讨4G/5G通用技术的应用场景、部署策略,承载高价值区域的数据业务增长需求,将5G技术效用最大化,为后续运营商网络建设和性能提升指明了方向。

[1]李福昌. 5G技术在4G网络中应用的前景探讨[J].通信世界,2017(13):50-52.

[2]田桂宾,许勇. 4.5G技术引入及部署策略[J].电信科学,2016(Z1):12-17.

[3]卢晓文. 5G关键技术及其对4G的影响研究[J].邮电设计技术,2015(11):45-48.

[4]张长青. LTE_A高阶基带调制技术256QAM分析[J].电信网技术,2015(11):57-61.

[5]詹文浩,戴国华. 高阶MIMO实验验证及商用分析[J].移动通信,2017,41(11):1-5.

[6]李福昌,李一喆,唐雄燕,等. MEC关键解决方案与应用思考[J].邮电设计技术,2016(11):81-86.

[7]李冠军.4G无线网络完全接入技术[J].物联网技术,2016,6(3):49-51.

[8]吴振涛.5G技术在移动通信网络中的应用研究[J].中国新通信,2017,19(8):9.

猜你喜欢

高阶基站部署
一种基于Kubernetes的Web应用部署与配置系统
晋城:安排部署 统防统治
有限图上高阶Yamabe型方程的非平凡解
高阶各向异性Cahn-Hilliard-Navier-Stokes系统的弱解
滚动轴承寿命高阶计算与应用
部署
一类完整Coriolis力作用下的高阶非线性Schrödinger方程的推导
可恶的“伪基站”
部署“萨德”意欲何为?
基于GSM基站ID的高速公路路径识别系统