5G大規模展開が直面する課題と対策

要約：我が国の5G商用ライセンスの開発に伴いProvisioning, network-scale deployment has become crucial. This article analyzes in detail the potential for 5G-scale deployment from multiple perspectives.the appropriate time, as well as the problems and challenges that may be faced in 6 aspects, and finally focus on the main challengesそれに応じた措置が講じられる。

序文

2018年12月6日、工業情報化部は、3大通信事業者に対し、5Gシステムの中低周波数帯の試験周波数ライセンスを発行しました。中国電信と中国聯通は3500MHz帯の試験周波数使用ライセンスを取得し、中国移動は2600MHz帯と4900MHz帯の試験周波数使用ライセンスを取得しました。周波数リソースは、移動体通信ネットワークの中核となる戦略的リソースです。我が国の5Gシステム試験周波数ライセンスの発行は、通信事業者が5G大規模試験ネットワークの構築を包括的に実施することを効果的に保証し、我が国の5G産業チェーンの成熟と発展をさらに促進します。

大手通信事業者3社も、全国で積極的に5Gトライアルネットワークの構築を進めている。中国移動は2018年に上海、蘇州、杭州、広州、武漢の5都市で大規模なトライアルネットワークを構築し、2019年には40都市に拡大した。中国電信はSAを主成分とし、SA/NSAハイブリッドネットワークを採用した省・地域をまたぐ大規模トライアルネットワークを構築し、北京、上海、広州、深圳を含む17都市で5Gイノベーション実証パイロットを開始した。中国聯通は「7+33+n」5Gトライアルネットワークの展開を推進し、北京、上海、広州、深圳、南京、杭州、雄安を含む7都市の中核エリアをカバーし、33都市でホットスポットエリアをカバーし、n都市で5Gネットワ​​ークをカスタマイズした。

2019年6月6日、工業情報化部は中国電​​信、中国移動、中国聯通、中国ラジオテレビに5G商用ライセンスを発行し、我が国は正式に5G商用化1年目を迎えました。5Gネットワ​​ーク構築の大規模展開は、通信事業者が直面する主要な課題です。本稿では、標準規格、機器、基本資源の備蓄、垂直産業アプリケーションなど、複数の視点から5Gの大規模展開が直面する可能性のある問題と課題を分析します。

大規模5G展開のタイミング

我が国の5G商用ライセンスが早期に発行されたからといって、大規模展開のための条件が直ちに満たされるわけではない。4Gの商用化プロセスを比較すると、R8規格の最初のバージョンは2009年に公布され、海外の通信事業者は同年から商用利用を開始しました。2012年にITUがLTE-Advancedを正式な4G規格として承認した後、我が国は2013年2009月に正式に4Gライセンスを発行しました。成熟した規格、機器、そして海外での大規模な構築経験を参考にできたため、国内の通信事業者は直ちに大規模なネットワーク展開を実施しました。5Gの完全な標準規格（R16）は2020年まで公表されない予定です。現状では、標準規格、チップ、機器、アプリケーションは本格的な展開に対応できる状態ではありません。大規模な5G展開の時期は、いくつかの重要な要因によって左右される。

1.1 標準プロセス

R15の2つのバージョン規格（オプション3とオプション2）はそれぞれ2017年12月と2018年6月に公布され、後期ドロップバージョン規格（オプション4/7）は2019年6月に公布されました。5Gのすべての機能を真に実現するR16規格は2020年3月に公布され、6月に確定される予定です。標準化プロセスから判断すると、現在のネットワークはeMBBと基本的なURLLCサービスのみをサポートできます。

1.2 チップと機器は成熟している

2019年1月、IMT-2020（5G）推進グループは、北京で開催された5G技術研究開発試験第3段階総括会議において、5G第3段階の試験がほぼ完了したと発表した。5G基地局とコアネットワーク機器は、非独立型ネットワークと独立型ネットワークの両方のモードをサポートしており、主要機能は期待どおりで、商用化前のレベルに達している。

2019年5月21日、工業情報化部は、国務院新聞弁公室が開催した国務院定例政策説明会において、中国の5G製品はますます成熟しており、システム、チップ、端末などのリンクは基本的に商用レベルに達し、商用展開の準備が整っていると述べた。

5Gネットワ​​ーク側および端末側主要製品の供給プロセスを表1および表2に示す。

1.3 基本的な資源埋蔵量

4Gネットワ​​ークと比較して、5Gはネットワーク構造から機器形態に至るまで革命的な変化を遂げており、様々な基本リソースに対する要求水準が高く、より厳格になっています。CU/DU/AAUの再構築と新たなビジネス要件により、5Gアクセスネットワークの構造調整が促され、フロントホールベアリングの追加、CU/DU集約（C-RANネットワーク）、UPF/MECの統合など、大きな変化が生じています。アクセス側の伝送リソース（光スイッチ、パイプ、光ケーブル）と集約機器室という2つの基本的な物理リソースに対する需要は、大規模な基地局展開に先立ち、調整、最適化、そして可能な限りの増設が必要となります。

既存のタワーやフロア設備には、大手通信事業者3社による様々な規格・周波数帯の2G/3G/4Gネットワ​​ーク機器が既に設置されており、共同構築・共有の度合いが非常に高い。そのため、5G AAUを追加することは非常に困難であり、特に複数の事業者の同時展開に対応することは難しい。大規模展開に先立ち、既存のタワーやシステムを詳細に検討し、統合・最適化することで、既存サイトの可用性と価値を向上させる必要がある。

1.4 アプリケーションの成熟度

5Gの設計目標は、3つの主要シナリオ（eMBB/uRLLC/mMTC）のニーズを完全に満たし、CからC、Bへと進化し、共に飛躍することです。ある観点から見ると、5Gの使命は、さまざまな垂直産業を完全に実現し、垂直産業との統合を通じて社会のあらゆる生活分野の情報化とインテリジェント化を推進することです。現在、5Gと垂直産業の統合アプリケーションはまだ予備的な探索段階にあります（図1参照）。通信事業者は、さまざまな5G+アプリケーションのデモンストレーションを通じてネットワーク機能とアプリケーションの見通しを示し、プラットフォームを構築し、サークルを作り、グループを形成して相互浸透と相互影響を実現し、5Gアプリケーションの真の商業的成熟を推進し、ひいてはより完全なネットワーク構築を促進します。

図1 5Gアプリケーション開発段階と代表的なアプリケーション

1.5 地方自治体の支援

標準と技術の成熟度に基づき、地方政府は5G関連のインフラと産業の発展を支援する政策を導入し、明確な行動計画と開発目標を策定しました。「浙江省人民政府の5G産業発展加速に関する実施意見」を例にとると、完了すべき2つの時間ノード（2020年と2022年）の詳細な計画があり、2022年までに、5Gはさまざまな経済社会分野で広く利用され、深く統合され、国際的なリードレベルに達し、優れた5G産業エコシステムを構築し、国家5Gネットワ​​ーク構築の先駆地域、国際的に影響力のある5G産業開発クラスター地域、および5G革新的応用実証地域となることができます。

1.6 大規模展開の適切な時期

上記の要因に基づき、国内5Gネットワ​​ーク展開のペースは以下の通りとすることが推奨されます。2019年は、主要都市や需要の高い地域のホットスポットエリアから開始し、その後、展開と推進を継続します。2020年には、R16規格の正式発表後、最初の大規模展開を実施し、ネットワーク主導型サービスをさらに成熟させます。2012年から2022年にかけては、ネットワーク展開の規模と深度を継続的に拡大し、カバレッジとビジネスシナリオに基づいてネットワーク展開戦略と能力を洗練させ、各種産業と5Gの統合的な発展に効果的に対応し、支援します。

直面する課題

規格や機器が成熟した後も、5Gネットワ​​ークの大規模展開を推進するには、ネットワーク計画、基本リソース、エンジニアリング実装において、さまざまな困難や課題に直面するだろう。それらは以下のように要約できる。

2.1 ネットワーク NSA/SA 導入の選択

初期段階では、5Gは主に大帯域幅アクセス機能を利用して、VR、AR、4K/8K高解像度ライブ放送バックホールなどの大容量トラフィックサービスをサポートします。5Gを迅速に商用化するために、初期段階では4GコアネットワークEPCをベースとしたNSA（オプション3ソリューション）を展開できます。標準規格、機器、業界の成熟、そしてより低遅延で大容量接続サービスへの需要の高まりに伴い、5Gの新たなビジネス要件と関連機能を完全にサポートするSA（5GC+NR、オプション2ソリューション）ネットワークの構築が必須となっています。

市場機会を捉えるという観点からは、NSAをベースとした5Gネットワ​​ークを迅速に展開し、その後SAネットワークへと変換・アップグレードすることが必要である。総合的な構築コスト（TCO）分析からすると、NSAを先に構築するコストは、必要に応じてSAネットワークを直接展開するコストよりも高くなる。

2.2 CU/DU再構築後のgNBの変化と影響は何ですか？

The 5G base station gNB after CU/DU reconstruction is divided into three parts of logical functions CU+DU+AAU, which raises the following questions: whether the physical entities of CU/DU are jointly installed or separated, what method is used for fronthaul bearer between AAU and DU, the impact of the form (volume, weight, power consumption) of AAU, and whether the wireless access network architecture needs to be adjusted. Among these issues, the form and deployment of CU and DU are the most critical. Currently, the equipment form provided by the industry is a combination of CU/DU, which is similar to the 4G BBU. It can be deployed centrally or decentrally. The transmission bearer is divided into fronthaul + backhaul. Based on business needs in the later stage, CU and DU are independent physical entities, forming a three-level architecture (CU-DU-AAU). The CU deployment location can be high or low. Based on business needs, DU can be aggregated or dispersed. The transmission bearer is divided into fronthaul + midhaul + backhaul.

2.3 5G NRアクセスネットワークのアーキテクチャに変更はありますか？

Since the emergence of distributed base stations (BBU+RRU), wireless access networks have two construction modes: DRAN and C-RAN. The C-RAN mode uses BBU to centrally save computer room resources. Baseband resource collaboration improves efficiency and effectively reduces remote construction costs, but it also increases transmission resources and maintenance pressure. In the 5G era, C-RAN has more important value. In the face of diverse and flexible business scenarios, the wireless access network architecture is required to be more flexible and robust, and the network supports on-demand access to services; CU/DU separation and DU aggregation are conducive to the introduction of SDN/NFV, enabling flexible resource orchestration/slicing and automatic network maintenance; vertical industry integration requires network functions to be decentralized, MEC is deployed, and the media surface is decentralized. The 5G NR access network based on C-RAN can effectively support telecom operators to optimize connection services, strengthen connection applications, and build the ability to compete head-on with Internet companies. Of course, it also faces huge construction and maintenance pressure on basic resources such as computer rooms, pipelines, and optical switches.

2.4 サブ6GHz帯におけるマクロ局／マイクロ局サイトリソースの充足

国内の通信事業者3社は、6GHz以下の5G周波数帯をすべて取得している。カバレッジ能力に関しては、中国移動の2.6GHz帯が最も優れている。業界の成熟度を分析すると、中国電信と中国聯通は3.5GHz帯を取得している。現在、大手通信事業者3社は2/3/4Gネットワ​​ークサイトリソースを豊富に保有しているが、サイトの所有権は非常に多様で、事業者所有、タワー会社所有、第三者企業所有、公共所有（各種の電柱、床材など）が含まれる。

既存サイトの利用可能性には多くの要因が関係します。カバレッジの観点からは、5G基地局（2.6/3.5GHz）のカバレッジ能力、既存サイトの満足度、新規サイトの取得、小型およびマイクロ基地局用のポールリソースの取得が含まれます。既存リソースの変革の観点からは、機器室設備とスカイタワーが含まれます。ネットワーク構造の観点からは、C-RANネットワークにおける基本リソースシステムの問題と4G基地局のアンカー方法が含まれます。ビジネスニーズを満たす観点からは、2Bサービスのさまざまな価値領域、特別なビジネスシナリオ、およびさまざまなネットワーク展開とサイト要件の分析が含まれます。

2.5 5G gNBの変革を支援するための機器要件

新しい5G gNB基地局は、従来の2/3/4G基地局に比べて、コンピュータ室設備およびアンテナ設備に対する要求がはるかに高くなっています。主な理由は、新しいAAU機器のサイズ、重量、消費電力が増加したためです。表3は、代表的な機器の現在のパラメータ表です。

表3 主要メーカーの5G gNB機器の物理的パラメータ

新しいAAU製品の形態と物理的パラメータは、4つの要素をもたらします。

a) 空中空間が限られている。共同建設と共有を背景に、複数の事業者と複数のシステムが同一のタワーに展開されているため、アンテナ資源が不足し、5G AAU機器の追加が困難になっている。

b) 耐荷重要件が高い。5G AAUは通常、サイズが大きく（35L以上）、重量があり（40kg以上）、風上側の表面積が大きい（0.5m2以上）。スカイタワーマストのプロセス変更要件は、4Gの場合よりも大幅に高くなる。

c) 景観美化には限界がある。既存の美化アンテナは内部設置スペースが限られており、5G AAUの設置スペースおよび機器放熱要件を満たすことができない。

d) AC/DC電源システムの変換。5Gシステムの追加により、既存の基地局のACおよびDC電源システムへの負荷が増大します。特に、複数のサイトを共有するシナリオでは、AC主電源容量の不足と変換が、大規模な5G展開における主要な制限要因となります。電源システムは図2に示されています。

Figure 2 5G base station AC and DC power supply system diagram

2.6 5G屋内配信構築モデルに関する考察

屋内環境はデータサービスの発生頻度が高い領域であり、多くのシナリオにおいて5Gサービスにとって非常に価値の高い領域でもあります。しかしながら、5G屋内配信の構築においては、以下の課題に直面し、考慮する必要があります。

a) 多様性。

（a）DAS、小型パネル、漏電ケーブル、レザーステーションなど、既存のネットワーク屋内カバレッジ構築モードの多様性。

（b）5Gは多様なビジネスサポート機能を提供する必要がある。

(c) Facing the problem of how to construct diverse coverage scene types.

b) 複雑さ。

（a）従来のDASは、監視や管理ができない受動的な室内サブシステムです。障害の修復や新規接続の構築が困難です。

（b）デジタルルーム配信の導入率は高くなく、精緻な評価やネットワークリソースの予測をサポートできない。

（c）変革と維持には、人的資源と物的資源への莫大な投資が必要となる。

c) 価値。

（a）5Gの典型的な屋内ビジネスシナリオには、VR/AR、スマート製造、スマートエネルギー、ワイヤレス医療などが含まれます。

（b）さまざまな価値シナリオに応じて、カスタマイズされた屋内カバレッジシステムソリューションが必要です。

d) 経済的。

（a）需要は非常に大きく、場所もたくさんあるため、既存の部屋のほとんどを改修する必要があります。

(b) Operators have introduced digital room distribution solutions on a large scale in the middle and late stages of 4G networks. Facing 5G, the usage of digital room distribution will increase significantly and the cost will be effectively reduced.

（c）さまざまなシナリオでは、最適なコストパフォーマンスを達成するための建設方法が必要となる。

対策

3.1 全体的な反応のアイデア

a) 最終目標を念頭に置き、事前に能力を準備します。包括的な 5G SA ネットワークカバレッジを目標に、既存のサイト、コンピュータ ルーム、伝送などのリソースを詳細に調査し、5G NR 無線アクセス ネットワークのネットワーク構造調整と組み合わせ、C-RAN の全体計画に従って、リソース計画と容量予約を事前に実施し、大規模な商用利用のための完全な基本リソース (サイト、コンピュータ ルーム、パイプライン、光ケーブル) を形成します。

b) 機器は待機状態にあり、サポート機器が優先的に利用可能となる。初期の5G主要機器のアップグレードおよび供給能力を考慮すると、本格的な展開を急ぐ必要はない。5G総合展開計画のサイト部分に基づき、サイト、アンテナ、機器室設備、その他改修または新設が必要な設備は、5Gの迅速かつ大規模な展開のニーズを満たすために、必要に応じて事前に改修される。

c) 特別プロジェクトを立ち上げ、共に前進する。5Gネットワ​​ークの大規模展開に向けて、専門分野間のコミュニケーションや調整のロスを減らし、プロジェクトの構築進捗と品質を向上させるため、無線、伝送、コンピュータ室、フルサービスを含む多職種連携推進モデルと、専用の5Gエンジニアリング実装センターを設立する。

d) 先行者利益とリソースの確保。中国移動の5G先行者利益を活用し、サイトの特性を組み合わせることで、タワー会社と事前に高品質のサイト、アンテナ、コンピュータールームのリソースを確保する。

3.2 C-RANを基本アーキテクチャとして使用し、基本的なリソース能力の予備を構築する

5Gの大規模展開に先立ち、基本リソースの容量を確保する必要があります。投資および運用保守コストの削減、そして将来を見据えた技術開発と事業展開の観点から、5G NR無線アクセスネットワークのインフラストラクチャとしてC-RANが採用されています。C-RANの計画と構築は、総合サービスエリアの構築に依存しています。ネットワーク全体の計画とそれに対応する基本リソース容量の確保は、サーフェス（統合サービスエリア）からポイント（C-RANコンバージェンスルーム）、そしてライン（フロントホール/バックホールベアラネットワーク）の順に完了できます。将来的に5G無線ネットワークの迅速な展開をより良く実現するために、既存の4Gネットワ​​ーク計画において、5G進化に向けたC-RANアーキテクチャ進化計画をできるだけ早く包括的に実施することが推奨されます。具体的な提案は以下のとおりです。

a) 伝送サービスアクセス要件として、遠隔RRUサイトのフロントホールアクセスに基づいた伝送計画を実施し、光ケーブルネットワークを目標ガイド、総合サービスエリアを範囲としてC-RANエリアの細分化計画を実施する。1つのC-RANエリアには、面積が0.5～5km2のマクロステーション物理ポイントが約8～10個含まれ、1つの統合サービスエリアは3～4つのC-RANエリアに細分化されることが推奨される。

b) C-RANアーキテクチャの進化ニーズに合わせたアクセスコンピュータ室の計画を行い、条件の良いコンピュータ室をBBU集中設置ポイントとして選定する。コンピュータ室の位置は、第1レベルの光ファイバ分配ポイント周辺に選定することを推奨する。これにより、2つのコンバージェンスコンピュータ室を上方に二重に吊り下げてリング状に配置することが可能になる。コンピュータ室の面積は、最低でも20m2を確保することを推奨する。

c) C-RAN進化のためのフロントホールアクセス計画の実施：この段階では、フロントホールにカラー光ファイバーを検討できます。現在使用されている周波数ポイントの数と今後の周波数拡張要件に基づいて、単一の物理ポイントを合理的に設計して、ファイバーコア構成を結合、分離、送信することができます。リモートサイトのアクセスポイントの選択に関しては、同一場所に設置されたステーションは、既存の光ケーブルルートの使用を優先できます。たとえば、マクロサイトは古い集約アクセスリングを使用し、マイクロサイトは古いアップリンク光ケーブルを使用します。包括的なビジネスエリア全体に広がるサイトは、接続を調整する必要があります。新しいサイト計画によると、新しいサイトは近くのレベル2以下の光交換局にアクセスすることが推奨され、レベル1の光交換局を介して直接アクセスすることは推奨されません。これにより、バックボーンファイバーコアのリソースを節約できます。

3.3 既存のサイトでタワーやマストが利用可能であることを保証するため、スカイサーフェスの最適化と統合を事前に完了する。

5G構築におけるアンテナリソース不足の問題を解決するため、既存のサイトを可能な限り再利用することを前提として、アンテナリソースの現状と合わせて、以下の優先順位に従って5G AAU用の高品質なスペースを準備します。古いポールを再利用 - 新しいポールを建設 - ポールを交換 - アンテナ統合（マルチポートアンテナ）。

アンテナ統合作業は、5Gの大規模展開に先立ち、単一のプロジェクトとして事前に実施することが可能です。以下の修正原則に従うことを推奨します。

a) スカイサーフェス統合および変革の対象範囲は、都市部、郡部、およびホットスポット地域です。農村部および幹線道路沿いの地域は、当面の間、スカイサーフェス統合の対象とはなりません。

b) 既存の天空面の総数を変更せず、原則として新しい天空システムを追加したり、天空システムを削減したりしない（単一の天空面を持つサイトシステムを除く）。

c) 可能な限り、5Gアンテナと既存の4Gアンテナはアンテナシステムを共有する。

d) アンテナ再構築中は、ネットワークの最適化と調整を同時に行う必要があります。ネットワークカバレッジの安定性を確保するため、アンテナ再構築および統合プロセス中は、メインの4Gカバレッジレイヤーをできるだけ固定するようにしてください。

3.4 交流および直流電源システムの分類変換

AC-DC電源システムの変換にあたっては、既存サイトの現状と、5G機器およびその後の進化の両方を考慮する必要があります。AC-DCシステムの現在の機器要件を表4に示します。

表4 ACおよびDCシステムにおける5G gNB機器の要件

変革の原則と手順:

a) 電源のマッチング：5G構築の電源構築ニーズを満たすため、既存の機械室の再利用、スイッチング電源とバッテリーの導入、現場の状況に応じた適切な電源マッチングの追加を優先します。

b) 外部電源：既存の外部電源の使用を優先します。外部電源が不足する場合は、バッテリーのピークカット、容量拡張などの手段で5Gの外部電源ニーズを解決し、構築コストを最小限に抑えます。外部電源の変換は困難ですが、図3に示す手順に従って変換を完了できます。

図3 ACシステム変革計画

3.5 シナリオに基づいた差別化された部屋分配システムの構築

There are many indoor distribution construction scenarios. It is recommended to follow differentiated meeting strategies based on 5G business characteristics and needs.

a) 高額なエリアにはデジタルルームセパレーションを使用することをお勧めします。

b) 中規模エリアではピコ基地局とDASを使用する。

c) 価値の低いエリアには、屋内で屋外用カバーを使用する。

d) 特定のシナリオに合わせて、5G情報源を既存のDASシステムに取り込む。

結論

確立する5Gの目的は正しく利用することではなく、有効に利用することである。5Gネットワ​​ークのサービス提供は、まずホットスポット地域や需要の高い地域で開始され、その後、ユーザーやサービスのニーズに基づいて継続的に発展・拡大していく予定です。5Gネットワ​​ークの主な目標は、あらゆるものの相互接続とインテリジェント社会の実現です。そのため、ネットワーク展開戦略と方法は4Gネットワ​​ークとは異なります。堅牢で強力かつ柔軟な5Gネットワ​​ークを展開するには、あらゆるリソース面を考慮することがより重要になります。

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