5G超密集组网技术

朱剑驰　刘佳敏　曾捷　粟欣　王达　杨蓓　刘洋　杨姗　编著

5G超密集组网技术/朱剑驰等编著.--北京：人民邮电出版社，2017.6

（5G关键技术系列）

ISBN　978-7-115-45693-9

Ⅰ.①5…　Ⅱ.①朱…　Ⅲ.①无线网—组网技术　Ⅳ.①TN92

中国版本图书馆CIP数据核字（2017）第164061号

◆编著　朱剑驰　刘佳敏　曾捷　粟欣　王达　杨蓓　刘洋　杨姗

责任编辑　代晓丽

执行编辑　刘琳

责任印制　彭志环

◆人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164　　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

三河市潮河印业有限公司印刷

◆开本：880×1230　1/32

印张：5.375　　2017年6月第1版

字数：144千字　　2017年6月河北第1次印刷

内容提要

本书全面介绍了5G超密集组网的应用场景、问题与挑战和关键技术，主要内容包括超密集组网的网络架构、小区虚拟化技术、干扰管理、回传管理和典型应用场景的性能评估。

本书适合从事移动通信技术的研发人员、系统设计人员阅读，也可供高等院校通信及相关专业的师生参考。

前言

移动通信经历了从话音业务到高速宽带数据业务的飞跃式发展。未来10年，移动网络数据流量预计将呈爆发式增长。同时，面向“万物互联”的物联网的蓬勃发展将带来海量的设备连接和多样化的业务和应用。与4G 相比，未来的无线网络将需要支持更多的接入方式、更多的频段及更多样化的场景。从网络运营的角度，需求的高速增长和多样化使得未来无线网络面临网络部署、投资、维护及满足用户体验等各方面的巨大挑战。

移动互联网和物联网的高速发展，驱动未来第五代（5G）移动通信网络提供更高流量、服务更多终端并支持无限连接。与第一代（1G）至第四代（4G）移动通信网络相比，5G网络将以用户体验为中心，实现更为个性化、多样化、智能化的业务应用。

目前，5G 移动通信研究正在世界范围内展开。欧盟的METIS、5GPPP、中国的IMT-2020（5G）推进组、韩国的5G Forum、NGMN、日本的 ARIB Ad hoc 以及北美的一些高校等。我国在2013年2月由我国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立 IMT-2020（5G）推进组，其组织框架基于原中国 IMT-Advanced推进组，成员包括我国主要的运营商、制造商、高校和研究机构，目标是成为聚合我国产学研用力量，推动我国5G移动技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。国内的FuTURE论坛也在积极开展5G系统的相关技术研究，韩国、日本也已有相应的研究组织开展工作，纵观目前全球5G研究进展可以看出，全球5G组织研究的热点技术趋同。面向无线通信标准化，ITU-R WP5D已给出了关于IMT-2020的研究计划，按此时间点，全球各研究组织和机构将会提交代表各自观点的技术文稿。另外，标准化组织3GPP 已经开始对5G 系统展开研究定义工作。

面对移动互联网和物联网等新型业务发展需求，5G系统需要满足各种业务类型和应用场景。一方面，随着智能终端的迅速普及，移动互联网在过去的几年中在世界范围内发展迅猛，面向2020年及未来，移动互联网将进一步改变人类社会信息的交互方式，为用户提供增强现实、虚拟现实等更加身临其境的新型业务体验，从而带来未来移动数据流量的飞速增长；另一方面，物联网的发展将传统人与人通信扩大到人与物、物与物的广泛互联，届时智能家居、车联网、移动医疗、工业控制等应用爆炸式增长，将带来海量的设备连接。

为了满足移动互联网和物联网等新型业务发展需求，满足移动数据流量爆发式增长和海量连接设备的需求，增加单位面积内小基站密度是最有效的手段。超密集组网通过更加“密集化”的无线网络基础设施部署，获得更高的频率复用效率，从而在局部热点区域实现百倍量级的系统容量提升。

超密集组网可以带来可观的容量增长，然而在实际部署中，密集部署的无线设备会带来严峻的挑战，如基站站址的获取、网络建设和维护的成本、干扰管理、移动性管理、回传资源等。为了解决超密集组网面临的问题与挑战，本书介绍了超密集组网在网络架构、干扰管理、移动性管理、回传管理等方面的关键技术，同时本书评估了办公室、密集住宅、大型集会、公寓等典型应用场景的性能。

本书作者长期从事无线新技术研究与国际标准化工作。本书由中国电信技术创新中心的朱剑驰担任主编，中国电信技术创新中心的王达、杨蓓、刘洋、杨姗、佘小明、陈鹏，大唐电信的刘佳敏、贺媛、鲍炜，以及清华大学的曾捷和粟欣老师参与了各个章节的编写。本书凝聚了各位同事和老师的多年研究成果，为读者提供5G无线通信系统演进方面的思考。

由于作者的知识视野有一定的局限性，书中如有不准确、不完善之处，敬请广大读者批评指正。

第1章背景

从美国贝尔实验室提出蜂窝小区的概念起，移动通信系统的发展可以划分为各个“时代”。到20世纪80年代，移动通信系统实现了大规模的商用，可以被认为是真正意义上的1G移动通信系统， 1G 由多个独立开发的系统组成，典型代表有美国的 AMPS （Advanced Mobile Phone System，高级移动电话系统）和后来应用于欧洲部分地区的TACS（Total Access Communications System，全址接入通信系统），以及NMT（Nordic移动电话）等，其共同特征是采用FDMA（Frequency Division Multiple Access，频分多址）技术，模拟调制话音信号。第一代系统在商业上取得了巨大的成功，但是模拟信号传输技术的弊端也日渐明显，包括频谱利用率低、业务种类有限、无高速数据业务、保密性差以及设备成本高等。为了解决模拟系统中存在的这些根本性技术缺陷，数字移动通信技术应运而生。

2G（The Second Generation，第二代）移动通信系统基于TDMA （Time Division Multiple Access，时分多址）技术，以传输话音和低速数据业务为目的，因此又称为窄带数字通信系统，其典型代表是美国的DAMPS（Digital AMPS，数字化高级移动电话系统）,IS-95和欧洲的GSM（Global System for Mobile Communication，全球移动通信系统）。相对于模拟移动通信，数字移动通信网络，提高了频谱利用率，支持针对多种业务的服务。从20世纪80年代中期开始，欧洲首先推出了 GSM 体系，随后，美国和日本也制订了各自的数字移动通信体制。其中，GSM 是一个可互操作的标准，使得全球范围的漫游首次成为可能，从而被广为接受；进一步地，由于第二代移动通信以传输话音和低速数据业务为目的，从1996年开始，为了解决中速数据传输问题，又出现了2.5代的移动通信系统，如GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线服务）技术、EDGE（Enhanced Data Rate for GSM Evolution，增强型数据速率GSM 演进）技术和 IS-95B。这一阶段的移动通信主要提供的服务仍然是针对话音以及低速率数据业务为主，但由于网络的发展，数据和多媒体通信的发展势头很快，所以逐步出现了以移动宽带多媒体通信为目标的3G（The Third Generation，第三代）移动通信。

在20世纪90年代2G系统蓬勃发展的同时，世界范围内已经开始了对3G移动通信系统的研究热潮。3G最早由ITU（International Telecommunication Union，国际电信联盟）于1985年提出，当时称为FPLMTS（Future Public Land Mobile Telecommunication System，未来公众陆地移动通信系统）,1996年更名为 IMT-2000 （International Mobile Telecommunication-2000），意即该系统工作在2 000 MHz频段，最高业务速率可达2 000 kbit/s，预期在2000年左右得到商用。3G 的主要通信制式包括欧洲、日本等地区主导的WCDMA（Wideband Code Division Multiple Access，宽带码分多址）、美国的CDMA2000和中国提出的TD-SCDMA，影响范围最广的当属WCDMA。最初对WCDMA的研究工作是在多个国家地区并行开展，直到1998年底3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）成立，WCDMA才结束了各个地区标准独自发展的情况。WCDMA面向后续系统演进出现了HSDPA（High Speed Downlink Packet Access，高速下行分组接入）/HSUPA（High Speed Uplink Packet Access，高速上行分组接入）系统架构，其峰值速率可以达到下行14.4 Mbit/s，而后又进一步发展的HSPA+，可以达到下行42 Mbit/s/上行22 Mbit/s的峰值速率，仍广泛应用于现有移动通信网络中。

作为目前移动通信发展影响力最受关注的3GPP，在进行WCDMA 系统演进研究工作和标准化的同时，继续承担了 LTE （Long Term Evaluation，长期演进）/LTE-A（Long Term Evaluation-Advanced，长期演进技术升级版）等系统的标准制定工作，对移动通信标准的发展起到至关重要的作用。3GPP 的成员单位包括ARIB（Association of Radio Industries and Businesses，日本无线工业及商贸联合会）、CCSA（China Communications Standards Association，中国通信标准化协会）、ETSI（European Telecommunications Standards Institute，欧洲电信标准化协会）、美国ATIS（The Alliance for Telecommunications Industry Solutions，无线通信解决方案联盟）、韩国的TTA（Telecommunications Technology Association，电信技术协会）和日本的 TTC（Telecommunications Technology Committee，电信技术委员会）等。另外，除了3GPP, 3GPP2和IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气和电子工程师协会）也是目前国际上重要的标准制定组织。

在移动通信系统的发展过程中，国际电信联盟的无线通信委员会（International Telecommunications Union-Radio Communications Sector ITU-R）作为监管机构起到了至关重要的作用，ITU-R WP5D （Working Party 5D）定义了国际上包括3G 和4G（The Fourth Generation，第四代）移动通信系统的IMT系统，其中2010年10月确定的4G 系统也称为 IMT-Advanced，包括了 LTE-Advanced （3GPP Release10）以及IEEE 802.16m等。ITU-R WP5D定义4G与定义3G的过程相似，首先提出面向IMT-Advanced研究的备选技术、市场预期、标准准则、频谱需求和潜在频段，而后基于统一的评估方法，根据需求指标来评估备选技术方案。为满足ITU的需求指标， 3GPP提交的4G候选技术是LTE-Advanced（Release 10），而非LTE （Release 8），所以严格意义上说LTE并非4G。从技术框架来看， LTE-Advancd 是 LTE 的演进系统，一脉相承地基于 OFDMA （Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址）的方式，满足如下技术指标：100 MHz带宽；峰值速率为下行1 Gbit/s，上行500 Mbit/s；峰值频谱效率为下行30 bit/s/Hz，上行15 bit/s/Hz。在LTE的OFDM/MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多入多出）等关键技术基础上，LTE-Advanced 进一步包括频谱聚合、中继、CoMP（Coordinated Multiple Points Transmission/Reception，多点协同传输）等。

近年来，在经历了移动通信系统从1G 到4G 的更替，移动基站设备和终端计算能力极大提升，集成电路技术得到快速发展，通信技术和计算机技术深度融合，各种无线接入技术逐渐成熟并规模应用。可以预见，对于未来5G系统，不能再用某项单一的业务能力或者某个典型技术特征来定义，5G 网络应是面向业务应用和用户体验的智能网络，通过技术的演进和创新，满足未来包含广泛数据和连接的各种业务的快速发展需要，提升用户体验。

在世界范围内，已经涌现了多个组织对5G开展积极的研究工作，如图1-1所示。例如欧盟的METIS[1]、5GPPP[2]、中国的IMT2020 （5G）推进组[3]、韩国的5G Forum[4]、NGMN[5]（Next Generation Mobile Networks，下一代移动通信网络）、日本的ARIB Ad hoc以及北美的一些高校等。

欧盟早在2012年11月就正式宣布成立面向5G移动通信技术研究的METIS（Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-Twenty（2020）Information Society）项目。该项目由29个成员组成，其中包括爱立信（组织协调）、法国电信等主要设备商和运营商、欧洲众多的学术机构以及德国宝马公司。项目计划时间为2012年11月1日至2015年4月30日，共计30个月，目标为在无线网络的需求、特性和指标上达成共识，为建立5G系统奠定基础，取得在概念、雏形、关键技术组成上的统一意见。METIS认为未来的无线通信系统应实现以下技术目标：在可接受范围内的总体成本和能耗前提下达到稳定的容量增长，提高效率；能够适应更大范围的需求，包括业务量大和小；另外，系统应具备多功能性，来支持各种各样的需求（例如可用性、移动性和服务质量）和应用场景。为达到以上目标，5G系统应较现有网络实现1 000倍的无线数据流量、10～100倍的连接终端数、10～100倍的终端数据速率、端到端时延降低到现有网络的1/5以及实现10倍以上的电池寿命。METIS设想这样一个未来——所有人都可以随时随地获得信息、共享数据、连接到任何物体。这样“信息无界限”的“全联接世界”将会大大推动社会经济的发展和增长。METIS 已发布多项研究报告，近期发布“Final report on architecture”，对5G整体框架的设定有一定参考意义。

另外，欧盟于2013年12月底宣布成立5GPPP（5G Infrastructure Public-Private Partnership），作为欧盟与未来5G技术产业共生体系发展的重点组织，5GPPP由多家电信业者、系统设备厂商以及相关研究单位共同参与，其中包括爱立信、阿尔卡特朗讯、法国电信、英特尔、诺基亚、意大利电信、华为等。可以认为5GPPP 是欧盟在METIS等项目之后面向2020年5G技术研究和标准化工作而成立的延续性组织，5GPPP将借此确保欧盟在未来全球信息产业竞争中的领导者地位。5GPPP的工作分为3个阶段：阶段一（2014～2015年）的基础研究工作、阶段二的（2016～2017年）系统优化以及阶段三的（2017～2018年）大规模测试。在2014年初，5GPPP也已由多家参与者共同提出一份5G技术规格发展草案，其中主要定义了未来5G技术重点，包括在未来10年中，电信与信息通信业者将可通过可编程持续往共同基础架构发展，网络设备资源将转化为具有运算能力的基础建设。与3G相比，5G将会提供更高的传输速度与网络使用效能，并可通过虚拟化和软件定义网络等技术，让运营商得以更快速、更灵活的应用网络资源提供服务等。

与此同时，由运营商主导的NGMN组织也已经开始对5G网络开展研究，并发布5G白皮书：“Executive Version of the 5G White Paper”。NGMN由包括中国移动、DOCOMO（都科摩）、沃达丰、Orange、Sprint、KPN等运营商发起，其发布的5G白皮书从运营商角度对5G网络的用户感受、系统性能、设备需求、先进业务及商业模式等进行阐述。

中国在2013年2月由中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立 IMT-2020（5G）推进组，其组织框架基于原中国 IMT-Advanced 推进组，成员包括我国主要的运营商、制造商、高校和研究机构，目标是成为聚合我国产学研用力量，推动我国第五代移动通信技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。IMT-2020（5G）推进组的组织架构如图1-2所示，定期发布关于5G 的研究进展报告，已发布《IMT-2020（5G）推进组-5G愿景与需求白皮书》[6]，提出“信息随心至，万物触手及”的5G愿景、关键能力指标以及5G典型场景。2015年2月发布《5G概念白皮书》[7]，认为从移动互联网和物联网主要应用场景、业务需求及挑战出发，可归纳出连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠4个5G主要技术场景。另外，2015年5月发布《5G网络技术架构白皮书》[8]和《5G无线技术架构白皮书》[9]，认为5G技术创新主要来源于无线技术和网络技术两方面，无线技术领域中大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入等技术已成为业界关注的焦点；在网络技术领域，基于软件定义网络（Software Defined Network,SDN）和网络功能虚拟化（Network Function Vitualization,NFV）的新型网络架构已取得广泛共识。

另外，国内的FuTURE论坛[10]也在积极开展5G系统的相关技术研究，韩国、日本也已有相应的研究组织开展工作，纵观目前全球5G 研究进展可以看出，全球5G 组织研究的热点技术趋同。面向无线通信标准化，ITU-R WP5D已给出了关于IMT-2020的研究计划（如图1-3所示），按此时间点，全球各研究组织和机构将会提交代表各自观点的技术文稿。另外，标准化组织3GPP 也已经在Release14开始对5G系统的研究定义工作。

1.1 异构网技术及演进

移动通信网络分为同构网和异构网。同构网络是通过以宏基站为中心的规划布局而实现的，如图1-4所示。同构网络的核心是有详尽规划和部署的基站以及一系列用户终端。所有这些精心规划的基站都有着相近的发送功耗、天线模型、接收灵敏度、覆盖范围、拓扑结构以及相同的数据网络回路连接，并且所有基站都可以为用户提供平等非受限的网络接入，服务数量相同的用户终端，承载相同的数据流量和保证对等的QoS（Quality of Service，服务质量）性能。

对于宏站点的选择而言是通过严谨的网络规划实现的，这些基站的设置都需要合适的调试，以达到尽可能大的覆盖范围和控制好站点之间的干扰。当负载需求增加和网络环境发生改变时，同构网络通常是依靠小区分裂或者额外的载波来克服网络容量和连接限制，并且保持用户的统一体验品质。但是，这种形式的部署不但复杂反复而且耗时耗力，再者就是宏基站站点的部署和选择在密集的城区变得越来越困难。因此，以宏基站为主的网络部署已经很难满足容量需求，一种灵活便捷且以优化的成本获得用户最优体验的站点部署模式已成为运营商急需解决的问题，异构网应运而生。

广义异构网融合了网络中存在的多种无线接入技术，包括移动网络、IEEE 网络以及物联网。其中移动网络包括2G、3G、4G 以及未来的5G网络。IEEE 网络包括Wi-Fi网络和802.16网络。

狭义异构网指在传统的宏蜂窝的接入网络架构上引入低功率传输节点（Low Power Node,LPN），形成同覆盖的不同节点类型的异构系统。狭义异构网通过空间复用提高单位区域内的频谱效率，获得更大的网络容量。按照小区覆盖范围的大小，可以将小区分成宏小区、微小区、微微小区，以及用于信号中继的中继站。异构网不同范围小区相互重叠覆盖，形成异构分层无线网络，如图1-5所示。

异构网定义的低功率节点包括以下几点。

① RRH（Remote Radio Head，射频拉远头）：指通过有线连接到BBU的射频拉远型低功率基站，即常说的RRU，发射功率一般为46 dBm，主要用于城区的局部深度覆盖，室内外热点覆盖。

② Pico eNodeB：指通过有线连接到核心网，相对于RRH更小的低功率基站，发射功率一般为23～30 dBm，主要用于办公室、咖啡厅等相对较封闭的中小型室内场景。

③ HeNodeB（Home evolved Node B，家庭演进基站）：指通过家庭宽带连接到核心网一种低功率基站，发射功率一般小于23 dBm，在2G和3G中被称为Femtocell（毫微微蜂窝），一般部署在家庭或小型企业，并由用户自行部署。

④ Relay Nodes：指通过无线连接到施主基站的一种低功率基站，发射功率一般为30 dBm。

异构网通过LPN的部署，可大大增加网络容量，减少宏基站负荷，提高小区边缘速率和平均吞吐量，有效吸收热点地区话务，解决网络话务不均衡特性等问题。

1.2 超密集组网必要性

在过去20多年中，移动通信经历了从话音业务到高速宽带数据业务的飞跃式发展。未来，人们对高速移动网络的需求将进一步增加：预计未来10年移动网络数据流量将呈爆发式增长。根据预测，2020年移动数据流量达到2010年的200倍，到2030年，移动数据流量将比2010年增长20 000倍[11]。尤其是在智能手机成功占领市场之后，越来越多的新服务不断涌现，例如电子银行、网络化学习、电子医疗以及娱乐点播服务等。在互联网发展中，移动设备的发展将继续占据绝对领先的地位，思科公司估计在产生互联网流量的设备中，到2017年将有近一半是由移动终端设备产生，而这一比例在2012年为26%[11]。思科进一步预测，由个人计算机产生业务量的年增长率为14%,M2M（Machine to Machine，机器到机器）业务增长量将达79%，而平板电脑和手机将产生104%的增长。在全球范围内，思科预计从2012年到2017年，移动数据业务将以66%的年增长率增长，达到11.2 EB/月，这比同期固定业务量增长快了3倍。

据ITU发布的全球信息技术数据显示，到2013年底，全球蜂窝移动签约用户已经达到约68亿，其中移动宽带用户经过近年来的快速增长到达20亿左右，渗透率接近30%，约为2011年的2倍，2009年的4～5倍。随着移动宽带技术的进一步发展，移动宽带用户数量和渗透率将继续增加。与此同时，随着移动互联网应用和移动终端种类的不断丰富，预计到2020年，人均移动终端的数量将达到3个左右，这就要求到2020年，5G网络能够为超过150亿的移动宽带终端提供高速的移动互联网服务。

移动宽带用户在全球范围的快速增长，以及如即时通信、社交网络、文件共享、移动视频、移动云计算等新型业务的不断涌现，使得移动用户对数据量和数据速率的需求迅猛增长。据ITU发布的数据预测，相比于2020年，2030年全球的移动业务量将飞速增长，达到5 000 EB/月，如图1-6所示。

相对应的，未来5G网络还应能够为用户提供更快的峰值速率，如以10倍于4G蜂窝网络峰值速率计算，5G网络的峰值速率将达到10 Gbit/s。

随着移动互联网、物联网等技术的进一步发展，未来移动通信网络的对象将呈现泛化的特点，它们在传统人与人之间通信的基础上，增加了人与物（如智能终端、传感器、仪器等）、物与物之间的互通。不仅如此，通信对象还具有泛在的特点，人或者物可以在任何的时间和地点进行通信。因此，未来5G移动通信网将变成一个能够让任何人和任何物在任何时间和地点都可以自由通信的泛在网络。5G将迎来一次规模空前的移动物联网产业浪潮，车联网、智能家居、移动医疗等将会推动移动物联网应用爆发式的增长，数以千亿的设备将接入网络，实现真正的“万物互联”；同时，移动互联网和物联网将相互交叉形成新型“跨界业务”，带来海量的设备连接和多样化的业务和应用，除了以人为中心的通信以外，以机器为中心的通信也将成为未来无线通信的一个重要部分，从而大大改善人们的生活质量、办事效率和安全保障，由于以人为中心的通信与以机器为中心的通信的共存，服务特征多元化也将成为未来无线通信系统的重大挑战之一。需求的爆炸性增长给未来无线移动通信系统在技术和运营等方面带来巨大挑战，无线通信系统必须满足多样化的要求，包括在吞吐量、时延和链路密度方面的要求，以及在成本、复杂度、能量损耗和服务质量等方面的要求。移动互联网和移动物联网将驱使移动通信系统向5G演进[7]。

近年来，国内外运营商开始在物联网应用方面开展新的探索和创新，已出现的物联网解决方案，例如智慧城市、智能交通、智能物流、智能家居、智能农业、智能水利、设备监控、远程抄表等，都致力于改善人们的生产和生活。随着物联网应用的普及以及无线通信技术及标准化的进一步发展，据预测，到2020年，全球物联网的连接数将达到1 000亿左右。在这个庞大的网络中，通信对象之间的互联和互通不仅能够产生无限的连接数，还会产生巨大的数据量。预测到2020年，物物互联数据量将达到传统人与人通信数据量的30倍左右。

面对移动互联网和物联网等新型业务发展需求，5G 系统需要满足各种业务类型和应用场景。一方面，随着智能终端的迅速普及，移动互联网在过去的几年中在世界范围内发展迅猛，面向2020年及未来，移动互联网将进一步改变人类社会信息的交互方式，为用户提供增强现实、虚拟现实等更加身临其境的新型业务体验，从而带来未来移动数据流量的飞速增长；另一方面，物联网的发展将传统人与人通信扩大到人与物、物与物的广泛互联，届时智能家居、车联网、移动医疗、工业控制等应用爆炸式增长，将带来海量的设备连接。

为了满足移动互联网和物联网等新型业务发展需求，满足移动数据流量爆发式增长和海量连接设备的需求，增加单位面积内小基站密度是最有效的手段[12-15]。超密集组网通过更加“密集化”的无线网络基础设施部署，获得更高的频率复用效率，从而在局部热点区域实现百倍量级的系统容量提升，如图1-7所示。

1.3 超密集组网应用场景

超密集组网的典型应用场景包括：办公室、密集住宅、密集街区、校园、大型集会、体育场、地铁、公寓等具有大数据流量需求的场所[9,15]，如图1-8所示，其应用场景特点见表1-1。

下面分别介绍超密集组网主要应用场景的特点。

• 应用场景1：办公室。

办公室场景的主要特点是上下行流量密度要求都很高。在网络部署方面，通过室内微基站覆盖室内用户。在办公室场景中，每个办公区域内无内墙阻隔，小区间干扰较为严重。

• 应用场景2：密集住宅。

密集住宅场景的主要特点是下行流量密度要求较高。在网络部署方面，通过室外微基站覆盖室内和室外用户。

• 应用场景3：密集街区。

密集街区的主要特点是上下行流量密度要求都很高。在网络部署方面，通过室外或室内微基站覆盖室内和室外用户。

• 应用场景4：校园。

校园的主要特点是用户密集，上下行流量密度要求都较高；站址资源丰富，传输资源充足；用户静止/移动。在网络部署方面，通过室外或室内微基站覆盖室内和室外用户。

• 应用场景5：大型集会。

大型集会场景的主要特点是上行流量密度要求较高。在网络部署方面，通过室外微基站覆盖室外用户。在大型集会场景中，小区间没有阻隔，因此小区间干扰较为严重。

• 应用场景6：体育场。

体育场场景的主要特点是上行流量密度要求较高。在网络部署方面，通过室外微基站覆盖室外用户。在体育场场景中，小区间干扰较为严重。

• 应用场景7：地铁。

地铁场景的主要特点是下行流量密度要求都很高。在网络部署方面通过车厢内微基站覆盖车厢内用户。由于车厢内无阻隔，小区间干扰较为严重。

• 应用场景8：公寓。

公寓场景的主要特点是下行流量密度要求较高。通过室内小基站覆盖室内，室内存在内墙阻隔，小区间干扰较小。

1.4 超密集组网的问题与挑战

相对传统的4G蜂窝网络，5G超密集组网体现为以下5方面的特征。

① 密集：面向室内和室外热点地区，无线接入点覆盖几米到几十米，每平方千米的站点数则达到上千个量级，网络部署密集，重叠覆盖严重，系统干扰受限。

② 复杂异构：宏覆盖与密集覆盖异构组网，各种能力和回传的接入点共存，4G/5G/WLAN等多种RAT（Radio Access Technology，无线接入技术）的接入点融合组网构成复杂超密集网络。

③ 自部署：大量的接入点由用户自行部署或者临时动态部署。

④ 高流量：热点地区用户密度高，总流量需求大，远远超过现有4G网络。

⑤ 大带宽：包含2G、3G、4G 以及未来的新频段，系统可用的频率范围和系统带宽明显增大。

超密集组网可以带来可观的容量增长，然而在实际部署中。然而密集部署的无线设备会带来严峻的挑战，如基站站址的获取、网络建设和维护的成本、干扰管理、移动性管理、回传资源等[16-20]。

超密集组网技术的本质是通过增加小区密度提高资源复用率，然而天然资源的获取以及与业主协调的难度越来越大，新增站址将面临巨大的挑战。

成本是网络部署和运维的重要基础。小基站数目的增加必然导致运营商初期建网成本的增加。同时，小基站数目也会增加网络运维的成本。

在超密集组网中，由于基站间间距非常小，基站间干扰会比传统网络部署要严重。因此，基站间如何进行高速、甚至实时的信息交互与协调，以便采取高效的干扰协调与消除就显得尤为重要。而传统的基站间接口时延达到几十毫秒，难以满足高速、实时的基站间信息交互与协调要求。超密集组网中对干扰进行有效的管控，需要有高效的干扰管理机制[18]。

（4）移动性问题

小覆盖、异构覆盖、多RAT覆盖带来的用户移动时的频繁切换问题将影响系统效率和用户体验。用户的切换率和切换成功率是网络重要的网络性能指标（Key Performance Indicator,KPI）。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显著增加，影响用户的体验。超密集组网需要有高效的移动性管理机制[19,20]。

传统宏蜂窝部署时，站址选择和建设是网络部署的重要工作，经过精确设计和选址使宏基站将具备强大的覆盖处理能力和回程设施，回程通过高速有线线路（例如光纤）与传输网络相连接。然而，在超密集网络（Ultra Dense Network,UDN）部署方式下，微型基站的位置通常难以预设站址，而是选择在便于部署的位置（例如房屋顶和沿街灯柱），此类位置通常无法铺设有线线路，或者就近获取有线线路（例如家庭ADSL）。对于无法铺设有线线路的站点，需要使用无线回程传输。另一方面，从建设和维护成本角度，UDN部署也不适宜为所有微型基站铺设高速有线线路。当网络中存在多种不同能力的回程方式时，如何有效管理和优化回程资源的使用，从而有效支撑用户与核心网之间的大容量数据传输，是 UDN 成功部署和运营的关键因素之一[16,19]。

超高流量业务的回传、大量的信令传输会带来效率低下的问题。

（7）组网部署问题

超密集组网很难采用传统的人工规划与优化，智能化的自组网和自由化实现频谱效率和用户体验的最优至关重要。

参考文献

[1] METIS[EB/OL]. https://www.metis2020.com.

[2] 5G-PPP prepares for phase 2[EB/OL]. http://5g-ppp.eu.

[3] IMT-2020（5G）推进组[EB/OL]. http://www.imt-2020.org.cn.

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[5] NGMN[EB/OL]. http://www.ngmn.org.

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