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国内5G工程建设面临的6大挑战

来源 | 5G产业圈(转载请注明来源)

编辑 | 石煜倩

2019年被很多人认为是5G建设元年,但是,5G建设要面临的这些难题,你清楚几个?

01

网络云化带来的规划和运维挑战

5G网络全面云化,在带来功能灵活性的同时,也带来很多技术和工程难题。

(1)网络云化使跨层故障定界定位困难,后期升级过程也更加复杂而低效。

(2)边缘计算的引入使网元数目倍增,也会导致建设和维护工作量成倍增加,问题增多,问题定位难度增大等问题。

(3)微服务化,用户更多的定制业务,也给业务编排能力提出了极高的要求

(4)传输方面,海量隧道动态变化,人工规划和分析调整无法满足业务需求;高精度时钟的建设和维护要求高、难度大,需要新的支撑手段。大宽度传输,一旦出现故障,需要更快恢复的技术手段, 否则将导致更大影响和损失。

02

网络演进、高密度组网、多天线、多业务等带来的规划和建设难题

5G 建设初期如果采用 NSA 架构,4G 网络与 5G 网络紧耦合,带来 站址约束、互操作配置复杂等问题,后续向 SA 演进还需多次网络大规模调整。

受 5G 高频段影响,5G 基站覆盖范围小,需高密度组网以及更多的站型,这给无线网规划、建设和维护都带来成倍增加的工作量和难度。

MassiveMIMO 与波束赋形等多天线技术,使得 5G 网络规划不仅仅考虑小区和频率等常规规划,还需增加波束规划以适应不同场景的覆盖需求,这使得干扰控制复杂度呈几何级数增大,对网络规划和运维优化带来极大挑战。

3.5GHz 的 5GNR 采用 TDD 双工方式,对时钟同步要求高,失步将 导致大范围干扰。工程上全网采用 1588V2 时钟尚属首次,由此带来 的网络安全风险很大。

5G 部署初期基于 eMBB 业务需求进行网络部署,满足公众宽度数据业务需求。后期大规模机器通信 mMTC 及超高可靠与低延迟通信 URLLC 将主要面向垂直行业、工业控制、城市基础设施等领域,网络 部署区域、业务感知需求都差异甚大,可能需要进行大的网络调整或新的载波。

03

高频率、高功耗、大带宽给基站建设带来的难题

(1)天面空间紧张,为5G腾挪天面而进行天线整合会影响2 3 4G网络 

与 4G 宏站的 RRU+天线的安装方式不同,5G 宏站通常采用 AAU 的 形态,即 RRU 与天线集成在一起,内含 192 或 128 天线阵子,组成二维平面阵列有源天线。典型 5GAAU 的形态与规格见下图。

典型 5G AAU 的形态与规格

由于 5GAAU 中 RRU 与天线不可拆分,且不兼容 1.8G/2.1G/2.6G 等其它频段,所以只能与现网 234G 无源天线相互独立部署,故而, 一个三扇区的 5G 宏站需要增加三副体积庞大的 AAU,争夺原本 2G、 3G、4G 就已拥挤的天面空间,尤其是联通、电信、移动三家运营商共享的站址,很容易出现由于天面空间不足而导致站点不可用的情况, 这极大地增加了 5G 网络选址和建设难度。根据运营商的调研结果显示,28%的站点有天面整合的需求。

工程上可以考虑天面改造,比如采用多端口天线整合 2/3/4G 天线。但这样的天线改造除带来成本上升的压力以外,由于 2/3/4G 多制式网络紧耦合,尤其天线方向角不再能够独立可调,在 2/3/4G 网络拓扑差异较大的情况下,必然会难以协调各网的覆盖,带来多网覆盖质量下降。

(2)天线抱杆承重要求高,很多灯杆站无法满足安装要求

5GAAU 通常体积大(逾 35L)、重量高(逾 35Kg)、迎风面大(逾 0.5m2),天线抱杆要求明显高于 4G。另外,由于 AAU 为有源、高功耗设备,其所需的-48V 直流电源线及地线线径要求在 16-25mm 2以上, 这些电源线和地线从抱杆底部一直延伸至安装 AAU 的抱杆顶部,这些电线的自重也会给天线抱杆强度带来额外压力(4GRRU 一般安装于抱杆底部)。

基于上述分析,多数灯杆站无法满足 5GAAU 的安装要求,这对站址密度要求很高的 5G 网络部署带来极大影响。这些灯杆站如不能改造,只能满足小微基站的安装要求。

(3)机房空间改造需求大

5G 宏站通常需要与现有 234G 共机房部署,但现有机房未必有足够空间安装 5G 基站所需设备,包括 5GDU、电源、传输等。如果现有综合柜剩余安装空间不足,则需要整合现有 234GBBU 设备或者新增综合柜,或者考虑 5GDU 挂墙安装、室外安装(需要新增室外机柜,并需要引入交流电源)。这些因素对 5G 建设工程带来很大挑战。

据运营商统计的部分城市 5G 规划站点结果显示,这些被统计的站点中,需新增综合机柜的站点占 20%,需挂墙安装的站点占 14%,需新增室外机柜的站点占4%,另外还有17%的站址需要进行BBU整合:多制式 BBU 合一。但是,如果不同制式 BBU 设备分属不同厂商,受设备兼容性及厂商利益平衡压力,这样的 BBU 整合几乎是无法进行的。

(4)机房供电需求高

5GAAU 满负荷功耗超过 1kw,在 3/4/5G 网络共站的情况下,站点 功耗超过 10kw,如若三家运营商多制式共站,机房供电需求甚至能到达 30kw,现有机房供电能力几乎肯定无法满足,需要进行扩容。

另外,备用电池方面很难满足 2 小时容量保证的需求。

据运营商统计的部分城市 5G 规划站点结果显示,这些被统计的站点中,26%的站点交流电不满足,64%的站电源模块不满足,69%的站空气开关不满足,55%的站备用电池不满足。尤其对于交流电改造需求,改造成本高、周期长,是机房供电改造的最大难点。

(5)站点传输资源需求大,改造需求高

5G 空口能提供很高的峰值速率,这也意味着 5G 网络需要大量光纤传输资源。对于 5G 基站而言,中传或回传带宽要求高,对站点的光纤资源消耗也非常大。

1)前传带宽

与 4GBBU/RRU 之间的 CPRI 接口不同,5GDU 与 AAU 之间的前传接口采用新的 eCPRI 接口,以减少对传输带宽的需求。

但是 eCPRI 接口 切分点并未实现标准化,各厂商设备之间存在差异,而切分点越靠近底层,所需要的 eCPRI 前传带宽也越宽。

另外,所支持载波宽度越宽越宽、天线端口数越多、所支持流数越多,所需 eCPRI 接口带宽也越宽。为减少前传带宽需求,通常切分点不宜过低,且采用高效地传输压缩技术。

通常 64TRx 的 AAU 所需前传带宽不超过 25Gbps,可以采用单一的25Gbps光模块进行传输。相比较而言,若仍采用CPRI接口, 所需前传带宽将高达 300Gbps。

2)中传/回传带宽需求

5G 建设初期优先考虑基于 CU/DU 合设的网络结构来进行部署。在 CU/DU 合设的网络架构下,基站与核心网之间的回传网络提供S1/X2 或 Ng/Xn 接口,其传输带宽需求可以基于如下方法估算:对于 S111 站型,载波带宽为 100MHz,终端考虑 2T4R,则单用户下行峰值 速率 1.5Gbps,而小区峰值速率约 5Gbps,平均速率 1.5Gbps。那么, S111 单站平均速率可达 5Gbps,而峰值速率可达 8Gbps,故单站回传带宽需要按照 10Gbps 来进行光纤布放。

随 5GCU 虚拟化设备逐步成熟以及海量连接场景应用的发展,后期有可能选择 CU/DU 分离的网络结构,实现基带资源的共享,提升效率,同时降低运营成本和维护费。此时 DU 分布于各物理站点,CU集中布放于综合接入点、汇聚机房或核心机房,此时 DU 与 CU 之间的中传接口仍需要考虑 8-10Gbps 的传输带宽。

对于上述 5G 传输带宽需求,现网传输条件有相当大比例不能满足,需要进行传输改造。据运营商统计的部分城市 5G 规划站点结果显示,这些被统计的站点中,12%的站点需要新增传输设备,33%的站点需要扩容传输设备,13%的站点需要替换传输设备,8%的站点需要扩容光纤资源。扩容光纤资源由于涉及管道改造,实施难度非常之大。

(6)高频段、多天线使传统室内分布系统无法适应5G需求

3G、4G 时代,室内深度覆盖的主要方式是布设室内分布系统,另外对于较小楼体采用定向天线室外照射的方式,而对于少数人流密集、容量需求高的场景,如机场候机厅、高铁候车厅、大型商超等, 也引入了小微基站、数字化室分系统。

到了 5G,主流工作频段在 3.4-3.6GHz,甚至 4.4-5GHz,而室内分布系统的大部分馈线、功分器、合路器、功放器等射频器件工作带宽都在 2.5GHz 以下,不能适用于 5G 信号接入。

定向天线室外照射的方式则因高频段信号更高的建筑物穿透损 耗而大大降低覆盖的有效性。于 1.8GHz 频段的 4G 信号相比,3.5GHz 频段的5G信号平均穿损大约增大6dB以上,极大降低室内覆盖深度。

目前最可行的 5G 室内覆盖方案是分布式数字化室分。相比传统 室分等方式,数字化室分所能提供的容量会有大幅提升,但相应的 CAPEX 建设成本也大幅增加。

(7)高频段及安装空间限制,使地铁、高铁隧道5G覆盖难以解决 

地铁、高铁隧道覆盖方面,传统 2G/3G/4G 网络通常采用 BBU+RRU+ 漏缆的覆盖方式:隧道场景中,一般每 500 米存在一个 RRU 设备安装 的洞室,RRU 安装在避车洞内,漏缆安装高度与高铁列车窗口中部对齐,基站信号通过漏缆辐射,穿透车窗、车体到达车厢内用户。

与室内分布系统遇到的高频挑战相同,这些隧道覆盖使用的传统漏缆在高频段传输损耗很大,通常无法应用于 3.5GHz 频段 5G 信号。 即便是规格更高、线径更粗的 3.5GHz 专用漏缆,3.5GHz 信号每百米的传播损耗仍高达 16dB 以上,比 1.8GHz 高约 8dB。

同时,受安装条件限制,数字化室分的方式也不适合地铁、高铁隧道布设。又因地铁隧道空间狭小,仅足够一列列车通过,上下左右无明显空间,也不具备安装大型天线进行照射的条件。

综上所述,5G 信号引入地铁、高铁隧道覆盖难度很大,对于较短隧道,计算损耗若能满足,可利旧原有漏缆使用 RRU+漏缆的方式。

若利旧漏缆不满足 3.5GHz5G 信号引入需求,则考虑新建或替换更粗 线径、支持 3.5GHz 信号传播的新型漏缆。若链路预算分析新型漏缆 仍不能满足,则建议采用波导管替代泄露电缆。而且,考虑最低 4T4R 实现 4 流时,需要 4 根波导管,建设成本很高。

04

5G网络数据采集和处理面临挑战

考虑到 5G 在推动物联网、人工智能和高级分析计划方面的潜在作用,数据采集和处理策略亟需升级,运营商需要建设高性能的数据采集和处理平台,同时,平台的满足实时性任务能力、服务能力、支撑能力都面临着挑战。

(1)要求 5G 网络数据采集和处理平台能够覆盖大数据生态的各个方面,构建全链条的大数据体系与解决方案;

(2)要求平台系统中各个模块之间松耦合设计,具备根据实际需求提供灵活定制服务的功能;

(3)要求平台实现异构数据的数据虚拟化,多维度整合异构数据源,提供统一数据服务;

(4)要求平台实现异构数据库全覆盖,能够高效汇总,处理多种异构数据库中的数据;

(5)要求平台可支持 PB 级的批量处理任务,解决海量数据分析难题。

这些高技术难度的功能需求给 5G 网络数据采集和处理平台的设计和开发带来一定挑战。

05

5G网络发展给仿真软件平台建设带来挑战

5G 的到来将带来更大规模的移动数据业务,而为了实现高速、稳定、低延迟等要求,5G 系统有必要采用新型的网络架构,从目前的异构网络发展趋势来看,5G 网络将会是一个高密度新型分布式协作与自组织组网,各个异构系统之间采用无线资源联合调配技术以达到资源高效利用,提升系统性能。

但这样的新型网络架构及其相应的关键技术,也给仿真平台建设带来了极大的挑战。

首先,从内存需求和仿真速率来看,在 4G 系统中,多层异构网络的引入已经使得仿真内存需求很大,在 5G 系统中大规模 MIMO 技术的引入将带来参数配置复杂、中间数据产生与储存量大、仿真时间较长、用户交互信息多、评估指标方式方法多样等难点;

其次,新型网络架构的引入,需要对传统的固定网络架构进行修改,会影响到系统干扰分布情况,同时分布式协作处理技术、自组织网络等关键技术的引入也需要对 4G 系统下的仿真模块进行修改,对仿真平台的建模带来挑战;

最后,现有的仿真平台存在软件仿真和专家经验割裂、缺少方案分析和辅助方案等弊端,5G 时代的仿真平台需要解决这些弊端,实现在一级架构下各方协调共同操作审核、统一维护等更高效的功能需求,这些需求也增加了仿真平台的设计开发难度。

06

信息化和互联网+加速勘察设计平台的应用

5G时代的到来敦促了网络勘察设计行业的智能化、平台化转型。 数字化智能化的勘察设计平台为传统业务的提质增效提供了基础手段。根据某运营商的现场验证测试表明:通过使用智能勘察设计平台, 无线单站点查勘设计整体作业时间可提升 30%左右;同时,借助信息化平台,节约了工程各环节中所涉及到管理人员、设计人员和建设人员的沟通时间。

虽然智能勘察设计平台可以解决数据不一致、数据有缺陷、数据表达不清晰、客户需求有差异、运维管理困难等难题,但也同时对平台的图像处理、数据处理等能力提出了更高要求,需要依靠括数据治理技术、动态自适应技术、图形图像处理技术、可视化呈现技术、运维安全技术等关键技术建设平台,给平台的设计开发带来了技术难题。

随着 5G 技术进一步发展,未来可以智能勘察设计平台等工具为依托,逐步构建数字化设计云平台,采用“大平台+微服务”的研发方式,引入智能技术高效实现数字化制图与流水线作业,基于数据资产便捷提供智能应用,实现勘察设计的数字化交付与精细化管控,更好地服务于通信工程勘察设计业务的数字化转型工作。

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