5G技術(shù)在4G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用探討

引 言

4G 網(wǎng)絡(luò)的普及與應(yīng)用為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展打開了大門， 伴隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品的進(jìn)步與發(fā)展，移動(dòng)通信技術(shù)正時(shí)刻改變著人們的生活，同時(shí)也刺激著移動(dòng)通信需求的進(jìn)一步發(fā)展。隨著高清視頻、IoT（物聯(lián)網(wǎng)）等主流業(yè)務(wù)的不斷推出，移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載需求將突飛猛進(jìn)，運(yùn)營商需要不斷提升系統(tǒng)速率和容量以滿足業(yè)務(wù)增長需求。

據(jù)ITU 預(yù)測(cè)，2020 年將實(shí)現(xiàn) 5G 的大規(guī)模商用，但就目前網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的狀況來看，距離 5G 真正形成實(shí)際網(wǎng)絡(luò)能力還有一段時(shí)間，因此在 5G 到來及大規(guī)模部署前夕，將 5G 技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)有的 4G 網(wǎng)絡(luò)中，以增強(qiáng) 4G 網(wǎng)絡(luò)的能力和性能，滿足高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長的需求，將 5G 技術(shù)效用最大化，是目前運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主要方向。

1 技術(shù)原理和性能分析

目前已知的 5G 關(guān)鍵技術(shù)中，4 4 多輸入多輸出（Multiple- Input Multiple-Output，MIMO），256 正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）高階調(diào)制，移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）等 5G 技術(shù)可應(yīng)用于 4G 網(wǎng)絡(luò)中，增強(qiáng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載能力，提升現(xiàn)有 4G 網(wǎng)絡(luò)的用戶體驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)經(jīng)營能力，保護(hù) LTE 網(wǎng)絡(luò)投資，并實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)向 5G 平滑演進(jìn)。本文針對(duì) 4 4 MIMO，256 QAM 高階調(diào)制、MEC 等關(guān)鍵技術(shù)的原理和性能價(jià)值進(jìn)行了分析，探討了這三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)在 4G 網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用場(chǎng)景，并提出了相應(yīng)的解決方案和部署策略，為運(yùn)營商在 5G 商用前夕提升 4G 網(wǎng)絡(luò)能力和性能提供參考。

1.1 4×4 MIMO技術(shù)

MIMO 技術(shù)是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，使信號(hào)通過發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線進(jìn)行傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。4 4 MIMO 技術(shù)采取 4 發(fā)射天線和 4 接收天線，要求基站設(shè)備具備 4T4R 能力，手機(jī)支持四天線接收。4 4 MIMO 技術(shù)可充分發(fā)揮空間復(fù)用與分集技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高無線頻譜資源利用效率，同時(shí)還可提高 CEU

（位于小區(qū)邊緣的用戶）的移動(dòng)寬帶使用體驗(yàn)。

4 4 MIMO 技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋、網(wǎng)絡(luò)容量、峰值速率和用戶的使用速率都有較大提升，其應(yīng)用價(jià)值主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

有效提升下行覆蓋，提升邊緣用戶體驗(yàn)速率和下行容量。在單站場(chǎng)景下，因?yàn)槊扛炀€的發(fā)射功率相同，4天線的發(fā)射功率相比 2天線將增加 3dB功率增益，相同速率條件下，覆蓋距離更遠(yuǎn)，有利于深度覆蓋。同時(shí)在覆蓋邊緣區(qū)域，4 4 MIMO 相比現(xiàn)有的 22 MIMO 具有分集增益，可提升邊緣用戶體驗(yàn)速率和下行容量。

提升用戶峰值體驗(yàn)。以中國電信 1800MHz頻段測(cè)試為例，在 15MHz帶寬，TM4傳輸模式場(chǎng)景下，選取近點(diǎn)、中點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)定點(diǎn)測(cè)試用戶的下行峰值速率。測(cè)試結(jié)果表明，44MIMO相比 22MIMO在近點(diǎn)的增益為 90% ～100%， 中點(diǎn)的增益為 100% ～150%，在遠(yuǎn)點(diǎn)能達(dá)到 150% ～300% 的增益。

對(duì)存量 2R終端同樣貢獻(xiàn)巨大?；?1800MHz的宏小區(qū)室內(nèi)吞吐率測(cè)試顯示，即使在 4R終端低滲透的場(chǎng)景下， 基站側(cè)采取4T4R后，平均吞吐率也能獲得10% ～20% 的增益， 其變化曲線如圖 1所示。

圖1 4R 終端滲透率與吞吐率增益變化曲線圖

結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)并分析，發(fā)現(xiàn)采用 4 4 MIMO 后，下行覆蓋、下行容量、下行邊緣速率和用戶的峰值速率等方面的性能明顯提升。在 2R 終端模式下，4T4R 相比 2T4R 性能提升約20% ～45% ；4R 終端模式下，4T4R 相比 2T4R 性能提升約40% ～65%。性能對(duì)比如圖 2 所示。

圖 2 4T4R 相比 2T4R 的性能提升

1.2 256QAM高階調(diào)制技術(shù)

QAM 是一種矢量調(diào)制，先將輸入比特映射到一個(gè)復(fù)平面上，形成復(fù)數(shù)調(diào)制符號(hào)，然后將符號(hào)的 I，Q 分量（對(duì)應(yīng)復(fù)平面的實(shí)部和虛部，即水平和垂直方向）采用幅度調(diào)制，分別對(duì)應(yīng)調(diào)制在相互正交的兩個(gè)載波上。QAM 是聯(lián)合調(diào)制幅度、相位的技術(shù)，同時(shí)利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特，常見的 QAM 形式如 16 QAM，每個(gè)符號(hào)可承載 4 bit 信息、64 QAM 每個(gè)符號(hào)可承載 6 bit 信息。

為進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量及頻譜效率，在相同帶寬下提升傳輸速率，LTE-A和第五代（5G）移動(dòng)通信系統(tǒng)中引入了更高階的 256QAM調(diào)制方案，對(duì)于滿足 256QAM條件的用戶， 其下行業(yè)務(wù)信道中每符號(hào)攜帶 8bit數(shù)據(jù)，相比 64QAM每符號(hào)攜帶 6 bit 數(shù)據(jù)，理論上頻譜效率提升約 33%。

UE在無線環(huán)境（CQI）質(zhì)量非常好的情況下才會(huì)采取256QAM高階調(diào)制方式，并且網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量越高調(diào)制增益也越大。選取中國電信 LTE1800M頻段進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，其中，RSRP 值為－ 77dbm，SINR值為 30，并且功能開啟前后測(cè)試地點(diǎn)一致。經(jīng)測(cè)試，256QAM功能開啟后下載峰值速率提升了38.12 Mb/s，提升幅度為 36.02%；均值速率提升了 35.70 Mb/s，提升幅度為 39.93%。峰值速率以及提升幅度接近理論值，詳見表 1。

1.3 MEC 技術(shù)

移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）通過在 無線接入側(cè)部署通用服務(wù)器，可近距離為無線用戶提供 IT 和 云計(jì)算能力。MEC 服務(wù)器主要包括三層邏輯實(shí)體，分別為基 于 NFV 的硬件資源和虛擬化架構(gòu)的平臺(tái)基礎(chǔ)層、承載業(yè)務(wù)對(duì) 外接口適配的功能組件層和基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化VM 應(yīng)用架構(gòu) 的應(yīng)用層。

MEC 使得傳統(tǒng)無線接入網(wǎng)具備了業(yè)務(wù)本地化和近距離部 署的條件，從而具有提供高帶寬、低時(shí)延的傳輸能力，同時(shí)業(yè) 務(wù)面下沉形成本地化部署，可以有效降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)回傳帶寬的要 求和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。

MEC 技術(shù)將基站與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)進(jìn)行深度融合，促進(jìn)了移 動(dòng)運(yùn)營商、設(shè)備廠商、應(yīng)用程序開發(fā)商和內(nèi)容提供商的緊密合 作。無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)加入計(jì)算、存儲(chǔ)、處理等功能，構(gòu)建開放式平 臺(tái)以植入應(yīng)用，并通過無線 API 開放無線網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)服務(wù)器 之間的信息交互，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)的融合；業(yè)務(wù)側(cè)可為消 費(fèi)者、企業(yè)和垂直行業(yè)提供大量創(chuàng)新應(yīng)用和差異化服務(wù)，如實(shí) 時(shí)視頻、虛擬專網(wǎng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、移動(dòng)監(jiān)控、商場(chǎng)導(dǎo)航等，提升 現(xiàn)有 4G 網(wǎng)絡(luò)的利用效率并使其增值。

2 解決方案和部署策略

2.1 4×4 MIMO 技術(shù)

4×4 MIMO 的基站相比 LTE 基站最大的不同是基站發(fā) 射端由 2T 變成 4T，對(duì)于現(xiàn)網(wǎng) 2T4R 的站點(diǎn)升級(jí)到 4T4R 站點(diǎn)， 需新增一個(gè)2T2R/2T4R RRU或整體替換4T4R RRU完成部署， 如圖 3 所示。在 2T4R 基礎(chǔ)上建設(shè) 4T4R 網(wǎng)絡(luò)，需要增加主設(shè) 備投資，但運(yùn)維成本基本保持恒定，整體成本增加較少，卻 顯著提升了整個(gè)小區(qū)的下行吞吐量和用戶體驗(yàn)速率，對(duì)于部分 下行業(yè)務(wù)受限的高流量價(jià)值區(qū)域而言，是實(shí)現(xiàn)高投資收益比的 解決方案。

圖 3 2T4R 基站升級(jí)為 4T4R 基站示意圖

相比于基站側(cè)，4 4 MIMO 對(duì)終端的影響更大，終端不但需要考慮成本問題，還需要更多地考慮設(shè)計(jì)和空間問題。目前包括三星、華為在內(nèi)的一些終端廠商均有商用終端支持 4 4 MIMO，但都只限于旗艦機(jī)型，預(yù)計(jì)今年還會(huì)有多款終端可支持 4 4 MIMO 。

移動(dòng)邊緣計(jì)算（MobileEdgeComputing，MEC）通過在無線接入側(cè)部署通用服務(wù)器，可近距離為無線用戶提供IT和云計(jì)算能力。MEC服務(wù)器主要包括三層邏輯實(shí)體，分別為基影響終端支持 4 4 MIMO 的主要因素是射頻與天線，天線尺寸受波長影響，頻率越低需要天線尺寸越大，因此受終端空間的限制，終端很難支持低頻段的 4 4 MIMO。

綜上，以中國電信為例，建議在高價(jià)值高流量區(qū)域，優(yōu)先考慮在LTE1800M頻段部署 44MIMO，應(yīng)對(duì)流量壓力， 搶占運(yùn)營商競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)高地 ；對(duì)于 LTE800M低頻覆蓋區(qū)域， 頻段帶寬小，低頻終端很難支持，暫無需部署。

目前主流的基站主設(shè)備均具備擴(kuò)展性，無需調(diào)整硬件， 通過軟件升級(jí)和數(shù)據(jù)配置即可完成 256QAM的部署，網(wǎng)絡(luò)部署成本較低。但 256QAM高階調(diào)制技術(shù)對(duì)于下行網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量SINR要求非常高，測(cè)試表明只有當(dāng)下行SINR大于 25dB時(shí)才對(duì)提升下行用戶速率效果較為明顯，因此在引入時(shí)需要綜合考慮小區(qū)SINR值、基站站間距和業(yè)務(wù)密度等因素。對(duì)于基站間距較小，同時(shí) SINR指標(biāo)較差的基站不建議開啟該功能。而對(duì)于平均SINR高于15dB的小區(qū)，若流量負(fù)荷較大且載波擴(kuò)容能力受限時(shí)可考慮開啟該功能。

總體來說，在室外環(huán)境下，下行 256QAM高階調(diào)制技術(shù)對(duì)LTE系統(tǒng)的整體吞吐量提升有限，同時(shí)考慮到目前具備256QAM能力的終端滲透率依然較低，建議運(yùn)營商優(yōu)先在高階值密集城區(qū)、重點(diǎn)場(chǎng)景（如機(jī)場(chǎng)、高鐵站、三甲醫(yī)院、高校） 等室分系統(tǒng)或宏基站近點(diǎn)高SINR 區(qū)域應(yīng)用，提升用戶感知， 但暫不建議全網(wǎng)大面積開啟該功能。

2.3 MEC技術(shù)

在 4G 網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際業(yè)務(wù)拓展過程中，為滿足企業(yè)級(jí)用戶與垂直行業(yè)的應(yīng)用需求，4G 網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行一些針對(duì)位置和特定環(huán)境的業(yè)務(wù)部署優(yōu)化，以提升網(wǎng)絡(luò)的效率和用戶體驗(yàn)，即需要引入MEC 技術(shù)。目前MEC 的主要應(yīng)用范圍為本地內(nèi)容緩存、基于無線感知的業(yè)務(wù)優(yōu)化處理、本地內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)能力開放等，主要應(yīng)用在時(shí)延敏感、實(shí)時(shí)性要求高、大數(shù)據(jù)量等場(chǎng)景， 比如V2V，AR，企業(yè)，MCDN，室內(nèi)，IoT 等。

基于現(xiàn)有 4G EPC 核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署MEC 方案，比較常見和簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的部署方式是將MEC 服務(wù)器部署在RAN 側(cè)。通過在RAN 側(cè)引入智能計(jì)算能力，可解決部分運(yùn)營商和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供商的難題，業(yè)務(wù)體驗(yàn)更有保障，同時(shí)無線資源的管理更加智能和優(yōu)化，不同等級(jí)的服務(wù)都可以實(shí)現(xiàn)。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，RNC 部署又可分為兩種方式：第一種是 MEC 服務(wù)器部署在多個(gè) eNodeB 匯聚節(jié)點(diǎn)之后，如應(yīng)用于智慧校園、園區(qū)、大型企業(yè)等，提供差異化的本地服務(wù)和創(chuàng)新應(yīng)用；第二種是MEC服務(wù)器部署在單個(gè) eNodeB 之后，如圖 4 所示，主要針對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域，如大型購物中心、重點(diǎn)室內(nèi)場(chǎng)景如機(jī)場(chǎng)、體育場(chǎng)館等。

采取RAN 側(cè)部署方式的優(yōu)勢(shì)在于更靠近用戶側(cè)，便于監(jiān)聽、解析 S1 接口的信令來獲取基站側(cè)無線相關(guān)信息，分析用戶位置并提供本地化個(gè)性服務(wù)，同時(shí)還可降低帶寬消耗和業(yè)務(wù)訪問時(shí)延，提升業(yè)務(wù)體驗(yàn)，減輕核心網(wǎng)負(fù)擔(dān)，但計(jì)費(fèi)和合法監(jiān)聽等事關(guān)安全的問題需要進(jìn)一步規(guī)范。

圖 4 MEC 服務(wù)器部署方案示意圖

3 結(jié) 語

布局 5G 技術(shù) 4G 化，能夠有效提升運(yùn)營商現(xiàn)有 4G 網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)能力、服務(wù)效率和性能指標(biāo)，尤其是在特定應(yīng)用場(chǎng)景， 對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋、用戶容量、用戶峰值速率和創(chuàng)新業(yè)務(wù)等方面具有重要意義。通過對(duì) 4 4 MIMO，256 QAM 高階調(diào)制，MEC 三項(xiàng)技術(shù)的技術(shù)原理和性能價(jià)值的分析，探討 4G/5G 通用技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景、部署策略，承載高價(jià)值區(qū)域的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長需求，將 5G 技術(shù)效用最大化，為后續(xù)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和性能提升指明了方向。