中国联通5G网络部署面临的挑战和策略

【摘 要】根据工信部提出的5G推进工作部署以及三大运营商的5G商用计划，我国将于2020年正式推出5G商用服务，但面对已经公布的5G新频谱规划，从频谱效能来看，短时间独立组网，满足5G新场景、新功能的困难重重，如何快速建成满足商用需要的5G网络能力成为业内，特别是三大运营商需要探讨的重点课题。从5G的新特征和面临的挑战入手，阐述中国联通独立组网和非独立组网的优势和劣势，论证了在短时期内进行频率资源重耕、5G技术4G化、中高频混合组网模式的可行性，从而提出中国联通5G网络演进和部署的策略。
【关键词】独立组网；非独立组网；网络部署；频率重耕
Challenges and Strategies of 5G Network Deployment for China Unicom
LI Zhiguo
[Abstract] According to the 5G business plan proposed by the Ministry of Industry and Information Technology and the 5G commercial plan of three major operators， China will officially launch commercial 5G services in 2020. However， for the newly released 5G spectrum planning， the independent networking in a short time to meet new scenarios and functions of 5G is highly difficult from the aspect of spectrum efficacy. How to rapidly build 5G network capacity to meet commercial demands， especially the demands of three major operators， is a crucial topic. According to new features and challenges of 5G， the advantages and disadvantages of independent and dependent networking for China Unicom are elaborated， respectively. The feasibilities of frequency resource re-farming， 5G technology to 5G and the medium-high frequency hybrid networking in a short time are discussed. The corresponding strategy on the evolution and deployment of 5G for China Unicom is presented.
[Key words]independent networking； dependent networking； network deployment； frequency re-farming
1 引言
2017年11月9日工信部正式发布了5G系统在3 000 MHz—5 000 MHz频段（中频段）内的频率使用规划，我国成为国际上率先发布5G系统在中频段内频率使用规划的国家。2018年3月2日，工信部下发2018年全国无线电管理工作要点，明确指出要加快重点无线电频率规划。重点加快5G系统频率规划进度，制定中频段无线电设备射频技术指标，同时做好无线电频率使用许可工作。研究制定5G系统中频段频率使用许可方案及基站设置管理规定，适时发放5G系统频率使用许可。要点中提出采用竞争性方式开展频率使用许可试点经验，分步骤开展230 MHz频段电力专网频率使用许可，继续做好1.4 GHz、1.8 GHz行业专用频段的频率使用许可工作。
事实上，按照工信部的规划，三大运营商将在2020年实现5G的规模商用，自2013年起，我国已经率先启动了5G试验及研发进程，三大运营商及设备制造商也已开展了5G外场的测试，5G的建设正在如火如荼地进行。
面对5G网络的部署，根据工信部目前的频率规划，中频段的频率虽已明确，但由于5G新频谱的频段高，深度覆盖能力差，建网成本高，难以快速建立一个5G NR（New Radio）无缝覆盖网络，这就给三大运营商的5G全面部署提出了一个严峻的挑战。面对独立组网和非独立组网两种模式，手中现有的低频红利频段如何使用，三大运营商一直都在反复地进行论证和研究。
2 5G技术研究和面临的挑战
2.1 5G的特征
（1）eMBB（Enhance Mobile Broadband），增强型移动互联网。
（2）uRLLC（Ultra Reliable & Low Latency Communication），超高可靠性与超低时延通信。
（3）mMTC（Massive Machine Type Communica
tion），海量物联网通信。
根据ITU對于5G的诠释，5G主要涉及三大应用场景和八大关键能力，个人认为其中最关键的是以物联网为代表的海量机器类通信的广泛应用以及无上限的连接数密度，这是5G需要特别关注的内容。对于实际的运用来讲，评价5G已经不再是单纯的速率优势，或游戏的时延指标了，而是更加广泛的车联网、物联网、智慧城市、智慧家庭、智慧医疗的多样化体验和以5G为承载的现在还无法想象到的各类应用。
2.2 中国联通存量频率与5G新频率资源分析
（1）中国联通存量频率资源
4G网络：L2100和L1800各40 MHz带宽，承载1.6亿用户，80万站点，数据体验优势渐降，利用率走高，深度覆盖不足。
3G网络：U2100和U900，承载0.2亿用户，70万站点，主要承载4G语音，深度覆盖不足。
2G网络：2×10 MHz的G1800和2×6 MHz的G900，承载0.8亿用户，40万站点，用户迁移慢，运维成本高。
中国联通的现有网络优势是：有L1800/L2100大容量和良好体验。短板是：语音、数据在深度覆盖方面存在不足，同时多张网络叠加，效率低，互操作复杂，现有频率资源效率需要进一步提升。
如何利用好中国联通现有低频资源，特别是做好LTE存量频谱的演进研究，是实现5G全面商用的重要工作。
中国联通的频率资源如图1所示：
图1 中国联通频率资源
（2）5G新频率性能研究
根据目前工信部发布的5G新频率，国内某厂家在外场进行了5G NR 3.5G和LTE FDD 1.8G的实际测试。外场测试具体配置如表1所示。
根据测试结果来看，在上行覆盖边缘，1.8G FDD上行吞吐率比3.5G Massive MIMO高3～10倍，如表2所示。
如图2所示，从覆盖的测试结果来看，3.5G NR 64T的上下行有13 dB左右的差距，3.5G中频在上行覆盖存在明显短板，覆盖能力也只有FDD 1.8G的一半，这就严重制约了初期5G独立组网的覆盖能力。
针对3.5G NR的上下行覆盖差异，可通过上下行解耦（已被3GPP R15接纳），补足上行覆盖短板，实现与1.8G同覆盖，提升3.5G新频谱基站的覆盖。结合目前国内各大运营商的情况，针对非授权频谱的应用实验已经提到日程上来，等工信部组织收集频率使用许可试点经验后，作者个人很乐观地认为工信部会很快放开低频面向5G的使用许可。
2.3 独立组网和非独立组网分析
根据3GPP的规划，5G分为SA（Standalone，独立组网）和NSA（Non-Standalone）两种。独立组网即新建一个5G网络，包括基站、传输和核心网。非独立组网将借助于现有4G基站和核心网，控制面锚在4G网络，运营商可利用现有EPC，以实现5G NR的快速部署。两种方案各有利弊。
（1）SA，独立组网。优点是4G和5G业务并行运行，可规避与LTE网络整合过程中会出现的互操作等复杂问题，5G功能的高效性和完整性可全面满足。缺点是建网成本高，短时间内无法满足无缝覆盖的要求。
（2）NSA，非独立组网。优点是兼顾LTE网络的使用效率，建网成本低，组网灵活，建网速度快，投入产出比高。缺点是NSA没有独立信令面，需要对现有LTE网络进行改造，与现网的互操作非常复杂，同时在过渡阶段无法实现5G的全部新特征和新功能。
但根据中国联通现有的频率资源情况来看，中国联通有全球最宽的黄金FDD频率资源，达到2×55 MHz，比中国电信还要多2×20 MHz，所以个人更倾向于在2020年前以NSA的模式进行组网，进行4G网络5G化，这样可以最大限度地满足现网和未来5G的需要。
2.4 5G空口关键技术
（1）灵活空口支撑网络切片
新波形和灵活空口设计如图3所示。
1）F-OFDM：减少保护带宽提升频谱效率10%，结合Numerolog更好地匹配混合业务；
2）混合业务下，提升uRRLC 4倍用户数，同时提高eMBB业务80%容量；
3）短TTI：实现1ms级空口时延支撑uRLLC，同时改善eMBB用户体验速率20%。
（2）新编码实现低成本下的大带宽
新编码/灵活Numerology如图4所示。
1）新编码LDPC：大幅降低终端能耗，高效使能10 Gb/s级大流量；
2）新编码Polar：适用于eMBB控制信道，uRLLC和mMTC（短码），链路覆盖提升0.5～2 dB；
3）灵活Numerology：大载波间隔，大幅降低10 Gb/s级终端实现复杂度。
运用多天线技术，用云的思想重塑空口，实现空口池化，是实现5G网络部署，满足5G各类业务体验的重要内容。
2.5 5G网络部署存在的不确定性和面临的挑战
（1）网络覆盖。鉴于5G网络uRLLC的要求，实时在线将成为一项关键QoS指标，网络的广度覆盖、深度覆盖和移动性连接要求将是5G部署的首要考虑因素。而当前下发的中频5G频率显然无法满足网络覆盖，特别是室内深度覆盖的要求，很难快速建立一个5G无缝覆盖网络。
（2）5G新频谱分配的不确定性。5G新频谱带宽取决于最终分配方式，频率的不确定性给当前的5G部署准备增加了难度。现有频率资源如何利用，各大运营商手中的2G、3G、4G等中低频黄金频率的使用，仍存在一定的不确定性。
（3）终端的不成熟。每一代移动通信的发展，都离不开终端产业链的推动，只有5G终端产业链的同步发展，才能为即将到来的5G网络提供相匹配的网络和用户体验。
（4）网络容量特别是传输带宽的更高要求。核心網的虚拟化进程为5G的部署提供了强有利的支撑，以满足eMBB、uRLLC和mMTC的技术要求，同时5G的部署对传输带宽提出了更高的要求，5G的接入能力将是4G的百倍以上，海量机器类通信的应用支持、无上限的连接数密度的需求以及网络虚拟化后各数据中心之间的连接能力都将对传输带宽提出前所未有的挑战。
3 中国联通5G网络部署策略研究
中国联通为实现2020年5G全面商用的目标，建议采用小步快跑的形式，立足网络自身，有计划分步骤地实施5G网络的全面部署。
3.1 两减一加，为5G部署提供频率保障
（1）2G退网，900M频率重耕
中国联通计划在2019年实现2G全面退网，对900M频率进行重耕，实现900M全业务打底网，城区考虑GLN主力配置，农村考虑GULN主力配置，建议分步骤实施：
第一步：在6 MHz带宽的资源下，优先满足N900的连续覆盖，针对高价值区域，结合自身情况叠加部署G900、U900或L900。
第二步，在11 MHz带宽下，逐步加密实现目标区域内的L900连续覆盖，2G退网，实施区域扩展，至少保证5 MHz L900，按需保留G900或U900的能力。高价值城区，可部署10 MHz L900网络，结合自身情况叠加G、U或NB网络。
需要规避的风险有以下几个：
1）L900终端渗透率不足，NB终端产业链不成熟；
2）900M频率外部干扰问题；
3）语音呼叫时延需要优化；
4）重耕方案组合较多，相对复杂。
这些都是在实际部署中需要密切关注的问题。
（2）3G减容，储备FDD资源
进行3G减容，城市根据业务密度逐步减至双载波，农村区域原则上减容至单载波，将现网U2100升级到U/L2100开展带间载波聚合或异频组网，提升4G网络能力。
（3）4G做大做厚
首先腾退连续20 MHz的2100M频率资源给LTE，形成4G第二频点，随后将5 MHz和10 MHz的1800频率资源给4G，进一步做大做厚LTE网络，持续提升LTE的網络服务能力，为后续4G网络5G化提供条件。
3.2 接入网改造
针对5G大带宽、低时延、切片化的灵活承载需求，中国联通需要对现有接入网进行改造，将适时引入FLexE/FlexO、SR源路由、低时延转发等技术，或者利用基于端到端IP设备和分组增强型OTN承载方案，为5G的网络部署提供承载支撑。
3.3 4G网络5G化，构建4.5G网络
由于5G新频谱的频段高，深度覆盖能力差的特点，短期内直接采用中高频组网的成本和时限都难以满足5G的商用要求。而中国联通LTE存量频谱多，可通过5G技术4G化，持续技术演进，实现接近5G的体验，这将是5G网络部署尽快提高市场竞争力的重要基础。
可通过1.8G（20 MHz）+1.8G（10 MHz）+2.1G（20 MHz）的三载波聚合、高阶调制256QAM和4T4R技术，在2019年前完成4G/5G网改造。
3.4 5G网络NSA到SA的演进
5G初期，即2018年至2019年，利旧现网EPC快速部署5G，满足eMBB需求；语音支持CSFB，解决初期语音的需求；支持4G、5G双连接，确保良好的体验。
到2020年，实现5G网络独立组网，支持5G三大应用场景，支持更多业务的接入。实现八大关键能力，满足更低时延、网络切片等诸多功能，如图5所示。
3.5 中国联通5G引入3.5G及更高频后的目标架构
为解决5G网络的连续覆盖和连接性、移动性需要，亟需高低频混合组网。在5G时代，小站的部署将成为常态站点类型。其中5G宏站低频组网，满足网络覆盖、移动性和连接性能要求；5G小站高频组网，主要满足热点区域分流。在网络部署中，将大量地使用灯杆站和微站进行热点覆盖，站点资源的储备也是网络部署中重点考虑的问题，中国联通利用自有丰富的传输线杆资源以及市政的灯杆来建设小站不失为一种有效、经济的手段。
4 结束语
5G将成为未来两年人们普遍关注的名词，业内和用户对5G期盼的同时，也给运营商5G网络部署带来了诸多挑战。SA虽然是业内公认的最佳组网模式，但目前来看，由于公布的5G新频谱处于中高频，其频谱特性决定了无法在短时间内建成一张无缝覆盖的3.5G网络。同时各大运营商，特别是中国联通又拥有黄金的中低频段，从频谱特性到频率带宽，都为5G的全面商用另辟蹊径。根据5G网络部署面临的问题，结合中国联通网络的实际架构和资源储备，作者认为在5G初期，采用5G技术4G化，中高频混合组网，是中国联通快速形成5G能力，实现接近5G的体验，提高投入产出比的重要举措。待5G频谱资源分配方案确定、技术标准成熟后可迅速演进到满足三大场景、八大关键能力的5G网络，该策略是提升中国联通整体竞争力的有效手段。
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