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5G网络欲大规模商用 运营商需跨过三大门槛

发表时间:2019-08-02 10:59

[导读]目前,5G牌照虽已发放,但5G网络的商用准备工作却并非全盘就绪,仍然有一系列挑战亟待解决。

目前,5G牌照虽已发放,但5G网络的商用准备工作却并非全盘就绪,仍然有一系列挑战亟待解决。笔者认为,当前5G网络商用面临三个主要挑战,即5G基站功耗、5G室内覆盖以及5G核心网服务化架构的可靠性。

图源:图虫创意

智慧运营可降低5G基站实际运行功耗

基站功耗主要由射频功耗和计算功耗组成,5G基站的这两部分功耗均远高于4G基站,导致5G基站整体功耗远高于4G基站。在射频功耗方面,3GPP定义的Sub 6GHz单载波带宽最高可达100MHz,为保证一定的功率谱密度,Sub 6GHz 5G基站发射功率一般为200W,而LTE FDD基站发射功率一般为2′20W或2′40W,考虑到两者功放效率相当,所以5G基站的射频功耗远高于4G 基站。

在计算功耗方面,Massive MIMO是5G的核心技术,Sub 6GHz主流基站一般采用64通道,远高于LTE FDD基站的2通道或者4通道,通道数和载波带宽的剧增使得5G基站的数字信号处理计算量远高于4G基站,导致5G基站的计算功耗显著增加。经中国电信对当前业界主流设备的实测,5G单站满载功耗约3.5KW,半载功耗约2.8KW,分别为4G的3.2倍、3.6倍,而根据现网统计数据,基站电费约占移动网运营成本的15~20%,因此5G基站的大规模部署将为移动网络的运营成本控制带来严峻的挑战。

系统架构设计和芯片集成度决定了基站的原始功耗,而移动网络的智慧运营可以降低基站的实际运行功耗。中国电信通过实测发现5G AAU的基础功耗(即空载情况下的设备功耗)达到了650W,占满载功耗的64%,这表明无论是产品研发还是网络运营都有较大的节能空间。在网络运营方面,中国电信提出了基于AI与应用感知的4G与5G多频段融合节能方案。

该方案是在保证用户体验的前提下,综合考虑各频段4G和5G网络的资源使用情况和能耗水平,通过AI算法对各种应用进行合理的调度,使之承载于合适的网络,在全网范围降低高能耗基站的负载,然后由基站根据负载情况执行符号关断、通道关断或者小区关断等各个级别的节能措施,从而实现移动网总体能耗的有效降低。该方案的提出是基于中国电信对移动网未来演进的判断,即4G与5G是长期共存的关系,5G不会替代4G,同时5G也可能以低通道数、低发射功率的基站形态部署于低频段,因此运营商可以从长远来考虑4G与5G的多频段融合组网与节能。

该方案依托的技术基础是中国电信在3GPP牵头推进的标准项目“Study on Application Awareness Interworking between LTE and NR”,即基于应用感知的4G与5G互操作。基于AI与应用感知的4G与5G多频段融合节能方案可以充分发挥4G和5G多频网络的各自优势,从更高的层面对网络负载进行调控,在保证用户体验的前提下,将全网基站功耗控制在合理水平,实现4G与5G融合网络的智慧运营。

有源+无源方案解决5G室内覆盖问题

根据现网测试,3.5GHz频段与1.8GHz频段相比,室外传播损耗高约9dB,建筑物穿透损耗高约5dB,因此室外穿透室内的综合损耗高约14dB。基于以上数据对密集市区室外宏站覆盖室内方案进行测算(穿透损耗25dB),边缘上行速率分别满足1Mbit/s、2Mbit/s、10Mbit/s标准的3.5GHz NR规划站间距均为1.8GHz LTE同等标准规划站间距的1/2,虽然密集市区实际站间距比1Mbit/s标准的1.8GHz LTE规划站间距小一些,但是也达不到1Mbit/s标准的3.5GHz NR(New Radio,即5G新空口)规划站间距要求。

同时共站测试结果表明,1.8GHz LTE宏站在其天线主瓣方向的室内深度覆盖优于3.5GHz NR宏站,而3.5GHz NR宏站的室内浅层覆盖优于1.8GHz LTE宏站,而且在各楼层表现得更为平均。综合来看,NR室内浅层覆盖可以通过1.8GHz LTE宏站共站部署3.5GHz NR宏站来解决,而NR室内深度覆盖难以通过3.5GHz NR宏站来解决,因为现网站间距不满足要求,而加密室外站址的难度又极大。为解决NR室内深度覆盖,中国电信将目光回归室内方案。

因为现网无源室分不能支持3.5GHz频段,同时因为无源室分支持多通道的性价比较低,所以3.5GHz NR室内覆盖一般通过新建有源室分来解决,而从4G商用情况来看,业界主流产品为分布式有源室分,其容量较高但是成本也较高,造价约为单流无源室分的1.3倍(宾馆、酒店等场景),不适合中低流量场景。为此,中国电信提出了面向中低流量场景的5G室内覆盖综合解决方案,在保证用户体验的前提下尽可能地降低室内覆盖的建设成本。面向中低流量场景的5G室内覆盖综合解决方案是一个系列方案,主要包括5G有源+无源方案和基于开放参考设计的5G有源室分方案。

5G有源+无源方案是指将5G有源室分的射频远端单元外接多个无源天线,扩展单个射频远端单元的覆盖范围,降低射频远端单元的密度,从而降低室分系统的整体造价。经初步测试和保守推算,在宾馆、酒店场景,5G有源+无源方案与纯有源方案相比可节省综合造价20%以上。

基于开放参考设计的5G有源室分由中国电信与友商以及合作伙伴在O-RAN框架下开展合作研发。在今年的MWC19上海展O-RAN开放产业论坛上,国内3家运营商联合发布了5G小基站开放参考设计白皮书,中国电信发布了业界首个3.5GHz 5G有源室分射频参考设计。“公版”参考设计的研制有助于设备厂家收敛芯片和器件选型以形成规模效应,降低器件成本,同时避免了设备厂商的大量重复研发,降低了总体研发投入,而且还能够通过功能组件的解耦吸引更多的中小企业参与5G研发,繁荣5G生态圈。

“分步走”提高5GC服务化架构可靠性

借鉴互联网行业云计算、虚拟化、云原生和微服务等技术理念,5GC采用基于NFV的SBA服务化架构,相对于采用点对点封闭协议的EPC,其优势包括易修改性、可扩展性、可重用性和开放性等,然而作为分布式软件的5GC,其缺点是架构可靠性设计要求复杂,而且分布式环境中的硬件故障、网络时延和时钟同步等状况复杂,无法完全通过实验室进行模拟和测试。虽然目前还没有具体的现网数据能够证明,但可以预见,最终交付运营商的5GC系统会有更多的软件问题需要在上线后才能得以发现和修复,这与经过严格出厂测试与运营商组网测试的EPC有很大区别。因此为保证5G业务可用性不低于甚至高于4G,运营商面临较大挑战。

为应对以上挑战,运营商应具备以下DevOps能力。首先,是故障发现和恢复,要能够及时发现并迅速恢复故障节点,保证业务持续可用;其次,是根因查找和解决,即在事后进行分布式环境下的根因分析,查找问题所在,并制定解决方案;最后,是软件修改和更新,即修改问题软件并进行重新集成、交付和部署,消除软件问题的后续影响。

目前运营商在服务化架构运维方面的经验还比较缺乏,因此建议采用“分步走”的策略:近期,主要采用分供应商的纵向隔离方式进行网络建设,5GC维护也主要在供应商指导下利用专用工具进行;中远期,为提高资源利用率和运维效率,在积累经验后逐步推进三层解耦的水平分层方式进行网络建设,5GC维护主要依靠运营商自身的运营体系,以及跨供应商的通用工具进行。

当前中国电信正在进行这方面的试验和验证,通过自主研发eMANO系统实现ETSI定义的NFVO功能,与VIM和VNFM协同,实现了试验网5GC的编排和自动化部署。未来还会进一步引入第三方工具支持CI/CD,不断优化软件更新流程。除了完善运维工具外,更重要的是中国电信还会借鉴DevOps理念优化运维体系,培养服务化架构软件维护人才,构建NFV生产维护流水线,以应对5GC服务化架构的各种挑战。

5G承担了国家赋予的网络强国、产业升级等重任,提前发放5G牌照代表了国家加速5G商用步伐的决心。虽然5G网络商用仍然面临三大挑战,但是通过各方共同努力、充分协作,相信这些挑战终将会在商用过程中逐步得到解决,同时也要正视引领新一代通信技术发展所必须付出的代价,希望中国电信在5G领域的开拓工作能够有效地帮助网络强国和产业升级的目标早日实现。(作者均来自中国电信智能网络与终端研究院,谈儒猛、林衡华、吴锦莲、赵旭、龙彪、谢沛荣、张诗壮对本文亦有贡献。)

来源:《通信世界》杂志2019年8月5日刊


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