面向5G网络构架的密集组网实践与研究
刘毅+刘红梅
【摘 要】超密集网络部署将是满足未来5G移动网络数据流量及用户体验速率需求的主要技术手段之一，为此，开展了面向5G网络构架的密集组网实践与研究，把架构集中化的理念应用到网络建设中，提出了在超密集网络的环境下，通过局部区域内的BBU集中化部署，提升系统整体容量和资源整体利用率，改善用户体验，从而在预埋5G网络集中化架构的同时降低运营成本。
【关键词】5G网络架构；超密集组网；BBU
Practice and Research on Intensive Networking for 5G Network Architecture
LIU Yi， LIU Hongmei
（China Mobile Group Shandong Co.， Ltd.， Jinan 250001， China）
[Abstract] The deployment of ultra-dense network will be one of the major technical means to meet the requirements of data traffic and user experience rate for 5G mobile networks in the future. Therefore， the practice and research on intensive networking for 5G network architecture was carried out in this paper. The concept of centralized architecture was applied to the network construction. The centralized deployment of BBU in a local area was proposed under the environment of ultra-dense network to improve the overall system capacity， resource utilization and the user experience. The operating costs were reduced in the embedded centralized 5G network architecture.
[Key words]5G network architecture； ultra-dense network； BBU
1 引言
随着移动互联网和物联网的高速发展，业务的需求将驱动5G无线网络提供更高的速率、更多的终端连接。据预测，未来5G网络数据流量需求将提升1 000倍，用户感知速率需求将提升10～100倍。除了常规的提升频谱利用率方法外，通过超密集组网提升空间复用度的方式来提升无线系统容量已成为主要技术手段。UDN（Ultra Dense Deployment，超密集组网）通过密集化的小区部署，在局部热点区域实现百倍量级的系统容量提升，将是满足2020年以及未来移动数据流量需求的主要技术手段之一。
UDN可以带来可观的容量增长，然而在实际部署中UDN面临着巨大的挑战：一方面，随着小区密度的增加，小区间的干扰问题更加突出，干扰是制约UDN性能最主要的因素，尤其是控制信道的干扰直接影响整个系统的可靠性；另一方面，用户的切换率和切换成功率是网络重要的KPI指标，随着小区密度的增加，基站之间的间距逐渐减小，这将导致用户的切换次数和切换失败率显著增加，严重影响用户感知。如何同时兼顾“网络覆盖”和“系统容量”问题，成为超密集组网需要重点解决的问題。
为此，本文开展了面向5G网络构架的密集组网实践与研究，把架构集中化的理念应用到网络建设中，在超密集网络的环境下，通过局部区域内的BBU集中化部署，基于BBU池实现多站间协作，有效抑制同频干扰，解决小区间干扰协调问题；同时通过站间不同小区间的资源联合优化配置、负载均衡提升系统整体容量和资源整体利用率，从而改善用户体验，在探索5G网络集中化架构的同时降低运营成本。
2 基于超密集组网的BBU集中
化部署网络架构
为了应对特定区域内，持续发生高流量业务的热点高容量场景带来的挑战，在网络资源有限的情况下提高网络容量，同时保证良好的用户感知，本文针对超密集组网主要应用的热点场景，提出了超密集组网环境下的BBU集中化部署网络架构，如图1所示。
基于超密集组网的BBU集中化部署是将BBU基带资源集中部署在同一物理机房，组成基带池，以提高BBU的利用率，原无线网络总体架构保持不变，BBU与RRU之间通过光缆星形组网。
在BBU集中化部署网络架构下，通过部署新的RRU设备连接到基带池，就能轻易迅速地实现网络覆盖的扩展及网络容量的增加。
3 基于超密集组网的BBU集中
化部署实施方案
面对架构集中化和超密组网的需求，BBU集中化部署如图2所示，通过将各个站点的BBU集中堆叠，利用高速低时延交换设备互联，BBU簇内资源统一协调管理、站间干扰协同处理，可有效降低密集小区间干扰，大幅提升小区边缘速率，达到低干扰、高速率、大带宽和低时延的目标，为未来5G提前打造网络架构的基础。
基于超密集组网的BBU集中化部署详细实施方案如下：
（1）前传解决方案
移动网络的前传链路（BBU-RRU）目前还是以光纤直驱为主，同时也可以运用RRU级联、单纤双向等节约光缆的技术，以应对多种网络共存情况下资源传输带来的困难。
RRU级联能够在BBU集中安装、主设备条件满足的背景下进行拉远建设，这种级联一般应用在高铁或者其他线性网络覆盖的区域。
对于单纤双向功能，1根光纤就能完成BBU与RRU之间的连接，比RRU级联更加节省光纤，但是需要相应的光模块具有单纤双向的功能。
（2）供电方案
在BBU集中化部署时，BBU统一从集中放置的综合柜上取电，综合柜从机房直流供电设备上引电。对于市电不稳定区域且有重要基站的场景，应确保RRU具有后备电源。目前主要有本地电源柜和BBU机房直流远供两种备电方案，以本地电源柜方案为主。
在RRU功耗大、市电引入方便且引入成本低、有合适的位置安装本地电源柜的条件下，优先采用本地电源柜方案供电。对于市电引入困难、有可供使用的电缆线路的场景，可以采用BBU机房直流供电。
（3）GPS同步方案
BBU集中化部署时，采用GPS同步方式。在接收设备的灵敏度得到满足的情况下，通常根据GPD馈线长度，选择4功分至8功分的方式，将1个GPS模拟信号分别提供给多个BBU。
4 基于超密集组网的BBU集中化部署优
势分析
4.1 BBU集中化部署的技术发展优势
（1）站间多点协作干扰协调，有效降噪。LTE由于采用了OFDM技术，小区间同频干扰严重，需要由基站独立处理向协作化处理演进，采用基站间协作技术降低干扰。通过BBU集中化部署，可实现多点协作式信号处理，对大片区域内的无线资源进行联合调度和干扰协调，达到减少无线干扰的目的。
（2）自适应负载均衡，提高频谱效率。BBU集中化部署可将基带资源集中化，使得网络可以根据较大范围区域内无线业务负载的变化，进行自适应均衡处理，同时可以联合调度集中共享的无线资源，从而提高频谱利用率和网络容量。
（3）资源最优化运用，有效应对话务潮汐效应。利用BBU集中化部署带来的基带资源集中共享优势，可以更灵活有效地调度基带资源，达到资源的最优化运用，有效应对用户流动性带来的话务迁移问题，很好地解决“潮汐效应”问题。
4.2 BBU集中化部署的建设维护优势
（1）BBU集中化部署减少了BBU配置数量，可以充分利用原有的机房以及光缆、电源、空调等配套设施资源，提高BBU设备、机房以及配套设施的利用率，从而节省无线网络投资。
（2）BBU集中化部署后，其远端“零机房”建网模式大大减少了机房配套设施需求，特别是空调等散热系统的减少，对节能降耗的作用特别明显，从而降低了运维成本。
5 基于超密集组网的BBU集中化部署应
用探索
BBU集中化部署方案可以同时提升上行和下行网络性能。上行方面，通过跨站上行联合接收有效降低不同终端间的上行干扰，从而提升容量和边缘速率；下行方面，通过多小区协作可实现高效交互协同与集中联合调度，提升网络性能。
5.1 BBU集中化部署方案试点实施
济南奥体中心位于济南高新区，是济南市乃至山东省重要的全民体育竞技场馆。西柳体育场是中超鲁能泰山队主场，每年承办20次左右大型赛事和演唱会。
（1）前传级联方案
将BBU与USU全部集中于西柳体育场东北机房，采用集中式Cloud BB场景。如图3所示，协同数据由BBU的基带板直接出线连接到USU设备。USU3910和BBU部署在一个机房，部署距离小于100 m，共规划4个BBU，每个BBU输出少于3根互联线缆。
（2）供电方案
在机房BBU已接入电源的基础上，新增一套USU，USU3910配备了1ULPU+1UEFU。
（3）时钟同步方案
现网BBU时钟参考源为GPS，本次BBU各自接入时间同步源不变，同步精度與常规站规格相同，USU采用自由震荡方式。
5.2 BBU集中化部署方案试点效果
（1）网络基础覆盖能力提升
BBU集中化部署后，奥体中心综合覆盖率由95%提升到99%，边缘覆盖电平值由-98 dBm提升到-92 dBm，MR平均电平值由-95 dBm提升到-90 dBm。接通率、E-RAB建立成功率和VoLTE站内切换成功率等基础KPI指标整体保持平稳。
（2）用户体验提升效果
BBU集中化部署后，重叠覆盖区域明显减少，无SINR质差点，降噪效果明显。用户在区域内VoLTE和视频感知体验提升效果明显，单用户体验速率提升25%，区域道路测试下载平均速率由30 Mbit·s-1上升到41 Mbit·s-1，提升36%。
BBU集中化部署后，站间载波聚合支持BAND内以及跨BAND聚合，如图4所示，基于BBU集中化部署的站间载波聚合性能已接近站内载波聚合。
在站内CoMP特性基础上开启站间CoMP特性，包含上行CoMP以及下行CoMP。根据图5所示测试结果，开启后用户感知均有提升。
（3）节省建设投资，降低运维成本
根据BBU集中化部署方案，BBU设备和机房配套设施集中部署，统一建设、统一运维，实现了远端“零机房”部署，大大节省了TD-LTE网络投资和运维成本。根据相关实际数据计算，如图6所示，CAPEX节省比例在20%左右，OPEX节省比例在50%左右。
（4）“零机房”建网，节能减排
BBU集中化部署方案实际应用过程中，其远端“零机房”建网模式大大减少了机房配套设施需求，特别是空调等散热系统，节能降耗效果明显。以当前实践数据计算，BBU集中化部署方案节能节省比例高达80%。
示例：以9个新建站、9个共建站为例，分别计算单站总功耗，如表1所示。传统建站及BBU集中化部署能耗如表2所示。
年电力消耗：传统建站66万度，BBU集中化方案建站9万度，消耗降低86%，电费节省明显。
实践证明，基于超密集组网的BBU集中化部署方案一方面由于降低了对机房的配电、空间、可靠性等要求，在综合成本、无线协作化抗干扰、降低能耗等方面优势明显；另一方面，该方案能够实现最优化资源分配，从而快速、灵活、高效地响应未来复杂的网络环境变化及应用需求。基于超密集组网的BBU集中化部署，已经成为未来5G网络演进发展的要求和趋势。
6 结束语
随着移动数据业务的爆炸式增长，5G时代丰富多彩的移动互联网和物联网业务对未来移动通信网络提出了更高的要求和挑战。超密集组网通过小基站加密部署提升空间复用率的方式提升无线网络系统容量，已成为解决未来5G网络数据流量1 000倍以及用戶体验速率10～100倍提升需求的有效方案。
本文通过面向5G网络架构的超密集组网的实践与研究，提出了以BBU集中化部署为主要特征的5G超密集组网网络架构，并给出了具体实现方案，希望以此为后续研究发展提供参考。
参考文献：
[1] 陈永贵，陶永胜. 基于LTE的BBU集中化组网分析[J]. 互联网天地， 2014（6）： 56-59.
[2] 贾亚男，岳殿武. 面向5G的小蜂窝网络研究综述[J]. 电讯技术， 2015，55（11）： 1296-1303.
[3] 程敏. 面向5G超密集组网的网络规划新技术[J]. 移动通信， 2016，40（17）： 28-29.
[4] 陈偲艺. 基于图论的超密集组网技术研究[D]. 北京： 北京理工大学， 2016.
[5] 冯伟龙. 超密集网络（UDN）的性能分析与关键技术研究[D]. 北京： 北京交通大学， 2016.
[6] 刘海燕. 面向5G的超密集网络中分布式无线资源管理的研究[D]. 北京： 北京交通大学， 2016.
[7] 张建敏，谢伟良，杨峰义. 5G超密集组网网络架构及实现[J]. 电信科学， 2016，32（6）： 36-43.
[8] 韩柳燕，程伟强，王磊，等. 面向5G的下一代传输需求、技术和组网架构研究[J]. 电信网技术， 2017（9）.
[9] 李瑞涛. 超密集异构网络中无线资源管理关键问题的研究[D]. 北京： 北京交通大学， 2017.
[10] 鲁文娟. 面向密集小区网络的干扰协调技术研究[D]. 合肥： 中国科学技术大学， 2017.
【摘 要】超密集网络部署将是满足未来5G移动网络数据流量及用户体验速率需求的主要技术手段之一，为此，开展了面向5G网络构架的密集组网实践与研究，把架构集中化的理念应用到网络建设中，提出了在超密集网络的环境下，通过局部区域内的BBU集中化部署，提升系统整体容量和资源整体利用率，改善用户体验，从而在预埋5G网络集中化架构的同时降低运营成本。
【关键词】5G网络架构；超密集组网；BBU
Practice and Research on Intensive Networking for 5G Network Architecture
LIU Yi， LIU Hongmei
（China Mobile Group Shandong Co.， Ltd.， Jinan 250001， China）
[Abstract] The deployment of ultra-dense network will be one of the major technical means to meet the requirements of data traffic and user experience rate for 5G mobile networks in the future. Therefore， the practice and research on intensive networking for 5G network architecture was carried out in this paper. The concept of centralized architecture was applied to the network construction. The centralized deployment of BBU in a local area was proposed under the environment of ultra-dense network to improve the overall system capacity， resource utilization and the user experience. The operating costs were reduced in the embedded centralized 5G network architecture.
[Key words]5G network architecture； ultra-dense network； BBU
1 引言
随着移动互联网和物联网的高速发展，业务的需求将驱动5G无线网络提供更高的速率、更多的终端连接。据预测，未来5G网络数据流量需求将提升1 000倍，用户感知速率需求将提升10～100倍。除了常规的提升频谱利用率方法外，通过超密集组网提升空间复用度的方式来提升无线系统容量已成为主要技术手段。UDN（Ultra Dense Deployment，超密集组网）通过密集化的小区部署，在局部热点区域实现百倍量级的系统容量提升，将是满足2020年以及未来移动数据流量需求的主要技术手段之一。
UDN可以带来可观的容量增长，然而在实际部署中UDN面临着巨大的挑战：一方面，随着小区密度的增加，小区间的干扰问题更加突出，干扰是制约UDN性能最主要的因素，尤其是控制信道的干扰直接影响整个系统的可靠性；另一方面，用户的切换率和切换成功率是网络重要的KPI指标，随着小区密度的增加，基站之间的间距逐渐减小，这将导致用户的切换次数和切换失败率显著增加，严重影响用户感知。如何同时兼顾“网络覆盖”和“系统容量”问题，成为超密集组网需要重点解决的问題。
为此，本文开展了面向5G网络构架的密集组网实践与研究，把架构集中化的理念应用到网络建设中，在超密集网络的环境下，通过局部区域内的BBU集中化部署，基于BBU池实现多站间协作，有效抑制同频干扰，解决小区间干扰协调问题；同时通过站间不同小区间的资源联合优化配置、负载均衡提升系统整体容量和资源整体利用率，从而改善用户体验，在探索5G网络集中化架构的同时降低运营成本。
2 基于超密集组网的BBU集中
化部署网络架构
为了应对特定区域内，持续发生高流量业务的热点高容量场景带来的挑战，在网络资源有限的情况下提高网络容量，同时保证良好的用户感知，本文针对超密集组网主要应用的热点场景，提出了超密集组网环境下的BBU集中化部署网络架构，如图1所示。
基于超密集组网的BBU集中化部署是将BBU基带资源集中部署在同一物理机房，组成基带池，以提高BBU的利用率，原无线网络总体架构保持不变，BBU与RRU之间通过光缆星形组网。
在BBU集中化部署网络架构下，通过部署新的RRU设备连接到基带池，就能轻易迅速地实现网络覆盖的扩展及网络容量的增加。
3 基于超密集组网的BBU集中
化部署实施方案
面对架构集中化和超密组网的需求，BBU集中化部署如图2所示，通过将各个站点的BBU集中堆叠，利用高速低时延交换设备互联，BBU簇内资源统一协调管理、站间干扰协同处理，可有效降低密集小区间干扰，大幅提升小区边缘速率，达到低干扰、高速率、大带宽和低时延的目标，为未来5G提前打造网络架构的基础。
基于超密集组网的BBU集中化部署详细实施方案如下：
（1）前传解决方案
移动网络的前传链路（BBU-RRU）目前还是以光纤直驱为主，同时也可以运用RRU级联、单纤双向等节约光缆的技术，以应对多种网络共存情况下资源传输带来的困难。
RRU级联能够在BBU集中安装、主设备条件满足的背景下进行拉远建设，这种级联一般应用在高铁或者其他线性网络覆盖的区域。
对于单纤双向功能，1根光纤就能完成BBU与RRU之间的连接，比RRU级联更加节省光纤，但是需要相应的光模块具有单纤双向的功能。
（2）供电方案
在BBU集中化部署时，BBU统一从集中放置的综合柜上取电，综合柜从机房直流供电设备上引电。对于市电不稳定区域且有重要基站的场景，应确保RRU具有后备电源。目前主要有本地电源柜和BBU机房直流远供两种备电方案，以本地电源柜方案为主。
在RRU功耗大、市电引入方便且引入成本低、有合适的位置安装本地电源柜的条件下，优先采用本地电源柜方案供电。对于市电引入困难、有可供使用的电缆线路的场景，可以采用BBU机房直流供电。
（3）GPS同步方案
BBU集中化部署时，采用GPS同步方式。在接收设备的灵敏度得到满足的情况下，通常根据GPD馈线长度，选择4功分至8功分的方式，将1个GPS模拟信号分别提供给多个BBU。
4 基于超密集组网的BBU集中化部署优
势分析
4.1 BBU集中化部署的技术发展优势
（1）站间多点协作干扰协调，有效降噪。LTE由于采用了OFDM技术，小区间同频干扰严重，需要由基站独立处理向协作化处理演进，采用基站间协作技术降低干扰。通过BBU集中化部署，可实现多点协作式信号处理，对大片区域内的无线资源进行联合调度和干扰协调，达到减少无线干扰的目的。
（2）自适应负载均衡，提高频谱效率。BBU集中化部署可将基带资源集中化，使得网络可以根据较大范围区域内无线业务负载的变化，进行自适应均衡处理，同时可以联合调度集中共享的无线资源，从而提高频谱利用率和网络容量。
（3）资源最优化运用，有效应对话务潮汐效应。利用BBU集中化部署带来的基带资源集中共享优势，可以更灵活有效地调度基带资源，达到资源的最优化运用，有效应对用户流动性带来的话务迁移问题，很好地解决“潮汐效应”问题。
4.2 BBU集中化部署的建设维护优势
（1）BBU集中化部署减少了BBU配置数量，可以充分利用原有的机房以及光缆、电源、空调等配套设施资源，提高BBU设备、机房以及配套设施的利用率，从而节省无线网络投资。
（2）BBU集中化部署后，其远端“零机房”建网模式大大减少了机房配套设施需求，特别是空调等散热系统的减少，对节能降耗的作用特别明显，从而降低了运维成本。
5 基于超密集组网的BBU集中化部署应
用探索
BBU集中化部署方案可以同时提升上行和下行网络性能。上行方面，通过跨站上行联合接收有效降低不同终端间的上行干扰，从而提升容量和边缘速率；下行方面，通过多小区协作可实现高效交互协同与集中联合调度，提升网络性能。
5.1 BBU集中化部署方案试点实施
济南奥体中心位于济南高新区，是济南市乃至山东省重要的全民体育竞技场馆。西柳体育场是中超鲁能泰山队主场，每年承办20次左右大型赛事和演唱会。
（1）前传级联方案
将BBU与USU全部集中于西柳体育场东北机房，采用集中式Cloud BB场景。如图3所示，协同数据由BBU的基带板直接出线连接到USU设备。USU3910和BBU部署在一个机房，部署距离小于100 m，共规划4个BBU，每个BBU输出少于3根互联线缆。
（2）供电方案
在机房BBU已接入电源的基础上，新增一套USU，USU3910配备了1ULPU+1UEFU。
（3）时钟同步方案
现网BBU时钟参考源为GPS，本次BBU各自接入时间同步源不变，同步精度與常规站规格相同，USU采用自由震荡方式。
5.2 BBU集中化部署方案试点效果
（1）网络基础覆盖能力提升
BBU集中化部署后，奥体中心综合覆盖率由95%提升到99%，边缘覆盖电平值由-98 dBm提升到-92 dBm，MR平均电平值由-95 dBm提升到-90 dBm。接通率、E-RAB建立成功率和VoLTE站内切换成功率等基础KPI指标整体保持平稳。
（2）用户体验提升效果
BBU集中化部署后，重叠覆盖区域明显减少，无SINR质差点，降噪效果明显。用户在区域内VoLTE和视频感知体验提升效果明显，单用户体验速率提升25%，区域道路测试下载平均速率由30 Mbit·s-1上升到41 Mbit·s-1，提升36%。
BBU集中化部署后，站间载波聚合支持BAND内以及跨BAND聚合，如图4所示，基于BBU集中化部署的站间载波聚合性能已接近站内载波聚合。
在站内CoMP特性基础上开启站间CoMP特性，包含上行CoMP以及下行CoMP。根据图5所示测试结果，开启后用户感知均有提升。
（3）节省建设投资，降低运维成本
根据BBU集中化部署方案，BBU设备和机房配套设施集中部署，统一建设、统一运维，实现了远端“零机房”部署，大大节省了TD-LTE网络投资和运维成本。根据相关实际数据计算，如图6所示，CAPEX节省比例在20%左右，OPEX节省比例在50%左右。
（4）“零机房”建网，节能减排
BBU集中化部署方案实际应用过程中，其远端“零机房”建网模式大大减少了机房配套设施需求，特别是空调等散热系统，节能降耗效果明显。以当前实践数据计算，BBU集中化部署方案节能节省比例高达80%。
示例：以9个新建站、9个共建站为例，分别计算单站总功耗，如表1所示。传统建站及BBU集中化部署能耗如表2所示。
年电力消耗：传统建站66万度，BBU集中化方案建站9万度，消耗降低86%，电费节省明显。
实践证明，基于超密集组网的BBU集中化部署方案一方面由于降低了对机房的配电、空间、可靠性等要求，在综合成本、无线协作化抗干扰、降低能耗等方面优势明显；另一方面，该方案能够实现最优化资源分配，从而快速、灵活、高效地响应未来复杂的网络环境变化及应用需求。基于超密集组网的BBU集中化部署，已经成为未来5G网络演进发展的要求和趋势。
6 结束语
随着移动数据业务的爆炸式增长，5G时代丰富多彩的移动互联网和物联网业务对未来移动通信网络提出了更高的要求和挑战。超密集组网通过小基站加密部署提升空间复用率的方式提升无线网络系统容量，已成为解决未来5G网络数据流量1 000倍以及用戶体验速率10～100倍提升需求的有效方案。
本文通过面向5G网络架构的超密集组网的实践与研究，提出了以BBU集中化部署为主要特征的5G超密集组网网络架构，并给出了具体实现方案，希望以此为后续研究发展提供参考。
参考文献：
[1] 陈永贵，陶永胜. 基于LTE的BBU集中化组网分析[J]. 互联网天地， 2014（6）： 56-59.
[2] 贾亚男，岳殿武. 面向5G的小蜂窝网络研究综述[J]. 电讯技术， 2015，55（11）： 1296-1303.
[3] 程敏. 面向5G超密集组网的网络规划新技术[J]. 移动通信， 2016，40（17）： 28-29.
[4] 陈偲艺. 基于图论的超密集组网技术研究[D]. 北京： 北京理工大学， 2016.
[5] 冯伟龙. 超密集网络（UDN）的性能分析与关键技术研究[D]. 北京： 北京交通大学， 2016.
[6] 刘海燕. 面向5G的超密集网络中分布式无线资源管理的研究[D]. 北京： 北京交通大学， 2016.
[7] 张建敏，谢伟良，杨峰义. 5G超密集组网网络架构及实现[J]. 电信科学， 2016，32（6）： 36-43.
[8] 韩柳燕，程伟强，王磊，等. 面向5G的下一代传输需求、技术和组网架构研究[J]. 电信网技术， 2017（9）.
[9] 李瑞涛. 超密集异构网络中无线资源管理关键问题的研究[D]. 北京： 北京交通大学， 2017.
[10] 鲁文娟. 面向密集小区网络的干扰协调技术研究[D]. 合肥： 中国科学技术大学， 2017.
