5G技术在4G网络中的应用探讨

引 言

4G 网络的普及与应用为移动互联网的发展打开了大门， 伴随着消费电子产品的进步与发展，移动通信技术正时刻改变着人们的生活，同时也刺激着移动通信需求的进一步发展。随着高清视频、IoT（物联网）等主流业务的不断推出，移动数据业务承载需求将突飞猛进，运营商需要不断提升系统速率和容量以满足业务增长需求。

据ITU 预测，2020 年将实现 5G 的大规模商用，但就目前网络发展的状况来看，距离 5G 真正形成实际网络能力还有一段时间，因此在 5G 到来及大规模部署前夕，将 5G 技术应用到现有的 4G 网络中，以增强 4G 网络的能力和性能，满足高速数据业务增长的需求，将 5G 技术效用最大化，是目前运营商网络建设的主要方向。

1 技术原理和性能分析

目前已知的 5G 关键技术中，4 4 多输入多输出（Multiple- Input Multiple-Output，MIMO），256 正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）高阶调制，移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）等 5G 技术可应用于 4G 网络中，增强现有网络移动数据业务承载能力，提升现有 4G 网络的用户体验和网络经营能力，保护 LTE 网络投资，并实现业务向 5G 平滑演进。本文针对 4 4 MIMO，256 QAM 高阶调制、MEC 等关键技术的原理和性能价值进行了分析，探讨了这三项关键技术在 4G 网络中的应用场景，并提出了相应的解决方案和部署策略，为运营商在 5G 商用前夕提升 4G 网络能力和性能提供参考。

1.1 4×4 MIMO技术

MIMO 技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线进行传送和接收，从而改善通信质量。4 4 MIMO 技术采取 4 发射天线和 4 接收天线，要求基站设备具备 4T4R 能力，手机支持四天线接收。4 4 MIMO 技术可充分发挥空间复用与分集技术的优势，提高无线频谱资源利用效率，同时还可提高 CEU

（位于小区边缘的用户）的移动宽带使用体验。

4 4 MIMO 技术对网络覆盖、网络容量、峰值速率和用户的使用速率都有较大提升，其应用价值主要体现在以下三个方面：

有效提升下行覆盖，提升边缘用户体验速率和下行容量。在单站场景下，因为每根天线的发射功率相同，4天线的发射功率相比 2天线将增加 3dB功率增益，相同速率条件下，覆盖距离更远，有利于深度覆盖。同时在覆盖边缘区域，4 4 MIMO 相比现有的 22 MIMO 具有分集增益，可提升边缘用户体验速率和下行容量。

提升用户峰值体验。以中国电信 1800MHz频段测试为例，在 15MHz带宽，TM4传输模式场景下，选取近点、中点和远点定点测试用户的下行峰值速率。测试结果表明，44MIMO相比 22MIMO在近点的增益为 90% ～100%， 中点的增益为 100% ～150%，在远点能达到 150% ～300% 的增益。

对存量 2R终端同样贡献巨大。基于 1800MHz的宏小区室内吞吐率测试显示，即使在 4R终端低渗透的场景下， 基站侧采取4T4R后，平均吞吐率也能获得10% ～20% 的增益， 其变化曲线如图 1所示。

图1 4R 终端渗透率与吞吐率增益变化曲线图

结合测试数据并分析，发现采用 4 4 MIMO 后，下行覆盖、下行容量、下行边缘速率和用户的峰值速率等方面的性能明显提升。在 2R 终端模式下，4T4R 相比 2T4R 性能提升约20% ～45% ；4R 终端模式下，4T4R 相比 2T4R 性能提升约40% ～65%。性能对比如图 2 所示。

图 2 4T4R 相比 2T4R 的性能提升

1.2 256QAM高阶调制技术

QAM 是一种矢量调制，先将输入比特映射到一个复平面上，形成复数调制符号，然后将符号的 I，Q 分量（对应复平面的实部和虚部，即水平和垂直方向）采用幅度调制，分别对应调制在相互正交的两个载波上。QAM 是联合调制幅度、相位的技术，同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，常见的 QAM 形式如 16 QAM，每个符号可承载 4 bit 信息、64 QAM 每个符号可承载 6 bit 信息。

为进一步提高系统容量及频谱效率，在相同带宽下提升传输速率，LTE-A和第五代（5G）移动通信系统中引入了更高阶的 256QAM调制方案，对于满足 256QAM条件的用户， 其下行业务信道中每符号携带 8bit数据，相比 64QAM每符号携带 6 bit 数据，理论上频谱效率提升约 33%。

UE在无线环境（CQI）质量非常好的情况下才会采取256QAM高阶调制方式，并且网络质量越高调制增益也越大。选取中国电信 LTE1800M频段进行测试验证，其中，RSRP 值为－ 77dbm，SINR值为 30，并且功能开启前后测试地点一致。经测试，256QAM功能开启后下载峰值速率提升了38.12 Mb/s，提升幅度为 36.02%；均值速率提升了 35.70 Mb/s，提升幅度为 39.93%。峰值速率以及提升幅度接近理论值，详见表 1。

1.3 MEC 技术

移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）通过在 无线接入侧部署通用服务器，可近距离为无线用户提供 IT 和 云计算能力。MEC 服务器主要包括三层逻辑实体，分别为基 于 NFV 的硬件资源和虚拟化架构的平台基础层、承载业务对 外接口适配的功能组件层和基于网络功能虚拟化VM 应用架构 的应用层。

MEC 使得传统无线接入网具备了业务本地化和近距离部 署的条件，从而具有提供高带宽、低时延的传输能力，同时业 务面下沉形成本地化部署，可以有效降低对网络回传带宽的要 求和网络负荷。

MEC 技术将基站与互联网业务进行深度融合，促进了移 动运营商、设备厂商、应用程序开发商和内容提供商的紧密合 作。无线网络侧加入计算、存储、处理等功能，构建开放式平 台以植入应用，并通过无线 API 开放无线网络与业务服务器 之间的信息交互，实现无线网络与业务的融合；业务侧可为消 费者、企业和垂直行业提供大量创新应用和差异化服务，如实 时视频、虚拟专网、增强现实、移动监控、商场导航等，提升 现有 4G 网络的利用效率并使其增值。

2 解决方案和部署策略

2.1 4×4 MIMO 技术

4×4 MIMO 的基站相比 LTE 基站最大的不同是基站发 射端由 2T 变成 4T，对于现网 2T4R 的站点升级到 4T4R 站点， 需新增一个2T2R/2T4R RRU或整体替换4T4R RRU完成部署， 如图 3 所示。在 2T4R 基础上建设 4T4R 网络，需要增加主设 备投资，但运维成本基本保持恒定，整体成本增加较少，却 显著提升了整个小区的下行吞吐量和用户体验速率，对于部分 下行业务受限的高流量价值区域而言，是实现高投资收益比的 解决方案。

图 3 2T4R 基站升级为 4T4R 基站示意图

相比于基站侧，4 4 MIMO 对终端的影响更大，终端不但需要考虑成本问题，还需要更多地考虑设计和空间问题。目前包括三星、华为在内的一些终端厂商均有商用终端支持 4 4 MIMO，但都只限于旗舰机型，预计今年还会有多款终端可支持 4 4 MIMO 。

移动边缘计算（MobileEdgeComputing，MEC）通过在无线接入侧部署通用服务器，可近距离为无线用户提供IT和云计算能力。MEC服务器主要包括三层逻辑实体，分别为基影响终端支持 4 4 MIMO 的主要因素是射频与天线，天线尺寸受波长影响，频率越低需要天线尺寸越大，因此受终端空间的限制，终端很难支持低频段的 4 4 MIMO。

综上，以中国电信为例，建议在高价值高流量区域，优先考虑在LTE1800M频段部署 44MIMO，应对流量压力， 抢占运营商竞争优势高地 ；对于 LTE800M低频覆盖区域， 频段带宽小，低频终端很难支持，暂无需部署。

目前主流的基站主设备均具备扩展性，无需调整硬件， 通过软件升级和数据配置即可完成 256QAM的部署，网络部署成本较低。但 256QAM高阶调制技术对于下行网络质量SINR要求非常高，测试表明只有当下行SINR大于 25dB时才对提升下行用户速率效果较为明显，因此在引入时需要综合考虑小区SINR值、基站站间距和业务密度等因素。对于基站间距较小，同时 SINR指标较差的基站不建议开启该功能。而对于平均SINR高于15dB的小区，若流量负荷较大且载波扩容能力受限时可考虑开启该功能。

总体来说，在室外环境下，下行 256QAM高阶调制技术对LTE系统的整体吞吐量提升有限，同时考虑到目前具备256QAM能力的终端渗透率依然较低，建议运营商优先在高阶值密集城区、重点场景（如机场、高铁站、三甲医院、高校） 等室分系统或宏基站近点高SINR 区域应用，提升用户感知， 但暂不建议全网大面积开启该功能。

2.3 MEC技术

在 4G 网络的实际业务拓展过程中，为满足企业级用户与垂直行业的应用需求，4G 网络需要进行一些针对位置和特定环境的业务部署优化，以提升网络的效率和用户体验，即需要引入MEC 技术。目前MEC 的主要应用范围为本地内容缓存、基于无线感知的业务优化处理、本地内容转发、网络能力开放等，主要应用在时延敏感、实时性要求高、大数据量等场景， 比如V2V，AR，企业，MCDN，室内，IoT 等。

基于现有 4G EPC 核心网络架构部署MEC 方案，比较常见和简单易实现的部署方式是将MEC 服务器部署在RAN 侧。通过在RAN 侧引入智能计算能力，可解决部分运营商和网络业务提供商的难题，业务体验更有保障，同时无线资源的管理更加智能和优化，不同等级的服务都可以实现。针对不同的应用场景，RNC 部署又可分为两种方式：第一种是 MEC 服务器部署在多个 eNodeB 汇聚节点之后，如应用于智慧校园、园区、大型企业等，提供差异化的本地服务和创新应用；第二种是MEC服务器部署在单个 eNodeB 之后，如图 4 所示，主要针对热点区域，如大型购物中心、重点室内场景如机场、体育场馆等。

采取RAN 侧部署方式的优势在于更靠近用户侧，便于监听、解析 S1 接口的信令来获取基站侧无线相关信息，分析用户位置并提供本地化个性服务，同时还可降低带宽消耗和业务访问时延，提升业务体验，减轻核心网负担，但计费和合法监听等事关安全的问题需要进一步规范。

图 4 MEC 服务器部署方案示意图

3 结 语

布局 5G 技术 4G 化，能够有效提升运营商现有 4G 网络的技术能力、服务效率和性能指标，尤其是在特定应用场景， 对网络覆盖、用户容量、用户峰值速率和创新业务等方面具有重要意义。通过对 4 4 MIMO，256 QAM 高阶调制，MEC 三项技术的技术原理和性能价值的分析，探讨 4G/5G 通用技术的应用场景、部署策略，承载高价值区域的数据业务增长需求，将 5G 技术效用最大化，为后续运营商网络建设和性能提升指明了方向。