5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其對(duì)承載網(wǎng)的影響

【摘要】5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與LTE網(wǎng)絡(luò)相比，在架構(gòu)上有很大的變化，因此首先從承載網(wǎng)的角度分析比較了5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與LTE的區(qū)別，以及這些變化對(duì)承載網(wǎng)的影響，隨后分析了在當(dāng)前階段，5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和部署方面存在的一些不確定性及其對(duì)承載網(wǎng)的影響，并針對(duì)這些不確定性提出一些建議。

【關(guān)鍵詞】5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 無線接入網(wǎng) 承載網(wǎng)

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.01.000 中圖分類號(hào)：TN915.05 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-1010(2018)01-0000-00

引用格式：王海軍,王光全,鄭波,等. 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其對(duì)承載網(wǎng)的影響[J]. 移動(dòng)通信, 2017,42(1): 00-00.

5G Network Architecture and the Influences on x-Haul Network

WANG Haijun1, WANG Guangquan1, Zheng Bo2, PANG Ran1, SHI Yan1

(1. China Unicom Network Technology Research Institute, Beijing 100048, China;

2. China Information Technology Designing & Consulting Institude Co., Ltd., Beijing 100048, China)

[Abstract] Compare with LTE system, 5G system is marked by many new characteristic, especially on network architecture. This paper compares 5G network architecture with LTE, analyze the influence of these differences on x-haul network. Some uncertainties of 5G equipment and employment policy and the influence of these uncertainties on x-haul are discussed. Several suggestions are proposed for 5G system and equipment.

[Key words] 5G architecture RAN carrying network

1 引言

3GPP（3rd Generation Partnership Project）提出了5G網(wǎng)絡(luò)的無線接入網(wǎng)（RAN）和核心網(wǎng)的新架構(gòu)，與LTE網(wǎng)絡(luò)有較大的區(qū)別，RAN網(wǎng)絡(luò)的功能重新劃分[1]及部署方式對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)將產(chǎn)生較大影響，而5G網(wǎng)絡(luò)的三大應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能要求的巨大差異，推動(dòng)核心網(wǎng)切片及分布式部署[2]，也對(duì)承載網(wǎng)的架構(gòu)和性能有較大影響。

本文從承載網(wǎng)絡(luò)的視角，對(duì)比LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)特點(diǎn)和部署特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、部署方式等存在的不確定性，以及這些不確定性對(duì)承載網(wǎng)的影響。

2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特點(diǎn)

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無論是RAN部分還是核心網(wǎng)部分，都與LTE網(wǎng)絡(luò)有較大的區(qū)別，以下分別從承載網(wǎng)絡(luò)的視角對(duì)LTE和5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行分析比較。

2.1 LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特點(diǎn)

LTE RAN網(wǎng)絡(luò)主要由2個(gè)網(wǎng)元組成，分別是RRU和BBU，如圖1所示[3]：

圖1 LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

（1）每個(gè)RRU與一個(gè)BBU相連，RRU間沒有直接連接；

（2）BBU之間的切換可以利用S1接口經(jīng)核心網(wǎng)（EPC）實(shí)現(xiàn)；也可經(jīng)BBU間的X2接口實(shí)現(xiàn)[4]。在實(shí)際LTE網(wǎng)絡(luò)中基站間的切換主要通過S1接口，以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的部署[3]。

根據(jù)CPRI接口規(guī)范[5]，RAN部署方式有兩種：1）分布部署方式，BBU和RRU部署在同一站點(diǎn)，前傳屬于站內(nèi)連接；2）集中部署方式，BBU和RRU部署在不同的站點(diǎn)，前傳屬于站間連接。這兩種方式都有比較廣泛的應(yīng)用。

LTE核心網(wǎng)主要包括MME和S-GW兩類網(wǎng)元，國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商多采用按省集中部署的方式。

2.2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特點(diǎn)

5G RAN網(wǎng)絡(luò)主要由3個(gè)網(wǎng)元組成[1][6]，分別是AAU、DU、CU，如圖2所示：

圖2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

（1）DU以星型方式連接多個(gè)AAU（也稱為“前傳”），AAU間沒有直接連接需求，AAU和DU之間采用eCPRI接口。

（2）CU以星型方式連接多個(gè)DU（也稱為“中傳”），DU間沒有直接連接需求，DU和CU間采用以太網(wǎng)接口。

（3）基站間的切換等功能通過CU間的Xn接口實(shí)現(xiàn)[7]。

5G網(wǎng)絡(luò)RAN的部署方式主要有三種，如圖3所示：

（1）分布式RAN （2）DU/CU集中RAN （3）DU、CU分別集中RAN

圖3 5G RAN的三種部署方式

（1）分布式部署：AAU、DU和CU部署在相同的站點(diǎn)，前傳和中傳都屬于站內(nèi)連接。

（2）DU/CU集中部署：AAU與DU/CU部署在不同的站點(diǎn)，DU/CU集中部署在同一站點(diǎn)，前傳屬于站間連接，中傳屬于站內(nèi)連接。

（3）DU和CU分別集中部署：AAU、DU、CU均在不同的站點(diǎn)，前傳、中傳都屬于站間連接。

5G的核心網(wǎng)主要包括控制面（CP）和用戶面（UP）兩類網(wǎng)元：

（1）控制面（CP）采用云化集中部署，對(duì)時(shí)延的要求為10 ms[8]，流量也不大，國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商選擇按省集中部署的方式可能性比較大。

（2）用戶面將采用根據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)切片部署的方式[2]，根據(jù)不同類型的業(yè)務(wù)的功能、性能等進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片，并分別進(jìn)行部署，不同切片部署在網(wǎng)絡(luò)的不同層級(jí)。

2.3 LTE和5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要差異分析

LTE和5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要差異如表1所示。相比于LTE網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)部署方式更加多樣化，這種多樣化的部署方式對(duì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署，存在較大的不確定性。

表1 LTE和5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的不確定性及其對(duì)承載網(wǎng)的影響

5G網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)已經(jīng)明確，典型5G網(wǎng)絡(luò)部署的結(jié)構(gòu)示意如圖4所示，但落實(shí)到設(shè)備和部署策略上還有較多的不確定性。

圖4 5G網(wǎng)絡(luò)部署結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 5G的前傳要求與LTE兼容

國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商在LTE階段普遍采用BBU小規(guī)模集中部署的方式，這種方式大大降低了網(wǎng)絡(luò)部署成本，包括基站機(jī)房、電源、傳輸設(shè)備等，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。在5G階段，運(yùn)營(yíng)商將會(huì)繼續(xù)采用DU集中部署的方式。

CPRI接口規(guī)范定義的前傳距離不小于10 km[5]。eCPRI網(wǎng)絡(luò)規(guī)范[6]沒有明確前傳的目標(biāo)距離，但定義了前傳的單向傳輸時(shí)延應(yīng)小于100 μs，折算成在光纖上的傳輸距離應(yīng)小于20 km。這兩者的目標(biāo)距離比較接近。國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商在LTE階段較多地采用BBU小規(guī)模集中部署的方式，BBU-RRU間的距離普遍小于10 km。當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)采用圖3所示的方式（2）、（3），進(jìn)行DU集中部署時(shí)，DU集中的站點(diǎn)位置與LTE BBU集中的站點(diǎn)位置相同，現(xiàn)有LTE的前傳光纜網(wǎng)絡(luò)可以利用。前傳的距離小于10 km，可以利用比較成熟的10 km標(biāo)準(zhǔn)的25 Gbit/s光接口，網(wǎng)絡(luò)成本也比較低。

但工信部確定的5G網(wǎng)絡(luò)工作頻率是3.3 GHz—3.6 GHz和4.8 GHz—5.0 GHz頻段[9]，遠(yuǎn)高于LTE的2.1 GHz/2.6 GHz頻段，因此5G基站的密度預(yù)計(jì)將是LTE基站的1.5倍左右，運(yùn)營(yíng)商在5G部署時(shí)期采取何種部署策略（熱點(diǎn)部署、區(qū)域性連續(xù)覆蓋等），對(duì)前傳光纜網(wǎng)絡(luò)的影響較大，若采用連續(xù)覆蓋部署的方式，運(yùn)營(yíng)商需要大量建設(shè)基站接入光纜。

3.2 CU/DU分離部署的不確定性

3GPP提出了CU/DU的分離功能架構(gòu)，運(yùn)營(yíng)商也希望CU能夠在更高層面部署（如本地網(wǎng)的匯聚節(jié)點(diǎn)，甚至核心節(jié)點(diǎn)），簡(jiǎn)化基站間協(xié)同的組織，提高協(xié)同效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)CU與DU的解耦。

目前設(shè)備供應(yīng)商尚不能提供商用化的CU和DU設(shè)備，CU和DU是否能夠?qū)崿F(xiàn)分離部署、設(shè)備的容量和能力均不確定。

CU、DU能否分離部署將影響到在承載網(wǎng)絡(luò)上是否存在中傳段，基站間的連接數(shù)將會(huì)有上百倍的差異，對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和路由能力有較大的影響。例如：一個(gè)典型城市的匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)量約30個(gè)，POP點(diǎn)的數(shù)量約300個(gè)。若CU部署在匯聚節(jié)點(diǎn)，DU到CU的連接是匯聚型連接，CU間的連接是分布式連接，CU間全mesh連接需要的連接數(shù)為435個(gè)，在本地承載網(wǎng)的核心匯聚層采用IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這種連接是比較容易滿足的。若CU部署在POP點(diǎn)，所有POP點(diǎn)間CU分布式連接的數(shù)量將達(dá)到4.5萬個(gè)；若每個(gè)基站都單獨(dú)部署CU功能，CU間的連接數(shù)量將會(huì)更大。這將要求本地承載網(wǎng)的邊緣層也必須采用IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并且要具有很強(qiáng)的路由能力。

因此，從承載網(wǎng)的角度，也支持CU集中部署。根據(jù)上述典型城市的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，平均每個(gè)匯聚點(diǎn)匯聚的基站數(shù)量在100~200個(gè)之間，CU可帶的基站數(shù)量應(yīng)在200個(gè)左右。

3.3 DU的不確定性

5G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)提出了DU設(shè)備池組化的目標(biāo)，運(yùn)營(yíng)商希望采用DU池組化集中部署的方式，將來自多個(gè)基站的業(yè)務(wù)匯聚后統(tǒng)一傳到CU上，可大大提高DU的效率，也有利于基站間協(xié)同策略的部署。但DU設(shè)備是否能夠池組化還不明確，目前廠商能夠提供的DU設(shè)備基本上還是每個(gè)基站一個(gè)DU，即便DU集中在一起，也是多臺(tái)DU設(shè)備的堆疊，無法做到基帶資源的共享。DU是否池組化，對(duì)中傳的技術(shù)方案的選擇將有較大的影響：

（1）池組化DU能夠帶的基站數(shù)量：運(yùn)營(yíng)商希望一個(gè)POP點(diǎn)的DU池能夠?qū)�POP點(diǎn)覆蓋的基站全部帶起來，根據(jù)3.2節(jié)的典型城市POP點(diǎn)分布，平均每個(gè)POP點(diǎn)帶的基站數(shù)量在10~20個(gè)之間（30~60個(gè)AAU），因此DU池應(yīng)能夠帶20個(gè)左右的基站，或者可分成多檔（比如5、10、20三檔），根據(jù)不同POP點(diǎn)的覆蓋范圍，選擇不同的DU池。但現(xiàn)在只有個(gè)別廠商有池組化的DU產(chǎn)品路標(biāo)，池組化DU的容量目標(biāo)業(yè)界尚未達(dá)成共識(shí)。

（2）DU中傳接口的速率和數(shù)量：若DU能夠池組化，一個(gè)帶20個(gè)基站的DU池僅需2個(gè)25 Gbit/s的中傳接口，將來自多個(gè)基站的業(yè)務(wù)匯聚收斂后統(tǒng)一傳到CU上，每個(gè)中傳接口的終期帶寬利用率可達(dá)到60%以上。若DU不能池組化，每個(gè)DU僅能夠帶幾個(gè)AAU（3~6個(gè)），每個(gè)DU至少需要一個(gè)10 Gbit/s中傳接口，終期的帶寬利用率將會(huì)在30%左右，該端口無法利用中傳業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)復(fù)用的特點(diǎn)，提高帶寬利用率。DU中傳端口數(shù)量將是池組化DU的10倍，中傳的成本將遠(yuǎn)高于池組化DU方式。

從承載網(wǎng)的成本考慮，DU池組化對(duì)帶寬進(jìn)行匯聚和收斂是非常有價(jià)值的。

3.4 CU的不確定性

CU容量的大小決定了CU的數(shù)量和部署的位置，對(duì)承載網(wǎng)的性能需求也有較大的差異。3.2節(jié)提出每個(gè)CU應(yīng)能夠匯聚200個(gè)左右基站的業(yè)務(wù)，但業(yè)界尚未就CU的容量目標(biāo)達(dá)成一致，這也給承載網(wǎng)的技術(shù)選擇和方案帶來較大的不確定性。

若CU的容量能夠達(dá)到200個(gè)基站左右，則CU可以部署在典型城市的匯聚節(jié)點(diǎn)，并匯聚本匯聚節(jié)點(diǎn)下的所有基站的業(yè)務(wù)，DU到CU的中傳業(yè)務(wù)屬于典型的點(diǎn)到多點(diǎn)業(yè)務(wù)模型，可以采用較為簡(jiǎn)單的一層或二層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不必采用三層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。若CU的容量較小，在典型城市的匯聚節(jié)點(diǎn)，需要部署多臺(tái)CU才能匯聚本匯聚節(jié)點(diǎn)下的所有基站的業(yè)務(wù)，DU到CU的中傳業(yè)務(wù)屬于典型的多點(diǎn)到多點(diǎn)的業(yè)務(wù)模型，需要中傳網(wǎng)絡(luò)支持一定的三層功能，將提高中傳網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本。

3.5 UP部署的不確定性

核心網(wǎng)UP根據(jù)不同的業(yè)務(wù)特點(diǎn)切片部署已經(jīng)比較明確，但各個(gè)切片部署的位置尚未確定，在5G初期主要是eMBB和mMTC業(yè)務(wù)。uRLLC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未完成，UP-eRLLC部署策略待研究。

eMBB業(yè)務(wù)單向時(shí)延小于10 ms[10]，同時(shí)也是5G網(wǎng)絡(luò)流量最大的部分，基于時(shí)延和流量?jī)?yōu)化的目的，UP-eMBB會(huì)從LTE的省集中方式下沉到各個(gè)本地網(wǎng)，隨著CDN網(wǎng)絡(luò)的下沉，UP-eMBB甚至?xí)�下沉到本地網(wǎng)的匯聚層。目前，國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商尚未有UP-eMBB部署在本地網(wǎng)的核心層，依舊采用匯聚層的明確策略。UP-eMBB部署的位置決定UP節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和單個(gè)UP網(wǎng)元的容量，同時(shí)也影響到5G核心網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)的位置和方案，對(duì)承載網(wǎng)性能指標(biāo)的要求也有較大差異。

mMTC業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延不敏感，因此UP-mMTC將在較高層面集中部署，如省集中或大區(qū)部署，需要承載網(wǎng)同時(shí)提供本地和骨干的承載能力。

3 5G網(wǎng)絡(luò)部署的建議

業(yè)界尚未有全功能5G網(wǎng)絡(luò)的商用部署案例，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和設(shè)備形態(tài)、部署方式都存在較大的不確定性，這些不確定性將對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的部署方案和成本有巨大影響。本文通過對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)部署中一些不確定性問題的分析，提出以下建議：

（1）基站應(yīng)采用適度規(guī)模集中部署方式，充分利用現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)的前傳光纜網(wǎng)絡(luò)資源，在5G做連續(xù)覆蓋時(shí)，新增基站前傳光纜建設(shè)應(yīng)充分利用現(xiàn)有光纜網(wǎng)資源。

（2）DU設(shè)備應(yīng)支持池組化功能，部署在現(xiàn)有POP點(diǎn)，提高基站協(xié)同的效率，降低中傳網(wǎng)絡(luò)成本，并能夠充分利用現(xiàn)網(wǎng)前傳和回傳光纜網(wǎng)絡(luò)資源。建議設(shè)備供應(yīng)商加快開發(fā)DU池產(chǎn)品，每個(gè)DU池可帶的基站數(shù)量應(yīng)在5~20個(gè)左右，可分成多檔，比如5、10、20等多檔，滿足不同類型POP點(diǎn)的需要。

（3）CU與DU分離部署是5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的亮點(diǎn)，將CU部署在匯聚節(jié)點(diǎn)，可簡(jiǎn)化中傳技術(shù)方案，降低網(wǎng)絡(luò)成本，并能夠大量減少基站間Xn接口的連接數(shù)量，降低對(duì)回傳網(wǎng)絡(luò)的性能要求。根據(jù)對(duì)典型城市的站點(diǎn)布局的分析，建議每個(gè)CU應(yīng)能夠匯聚200個(gè)左右個(gè)基站的業(yè)務(wù)。

（4）核心網(wǎng)用戶面可采用切片部署的方式，UP-eMBB在業(yè)務(wù)質(zhì)量可保證的情況下，盡量部署在城域核心，設(shè)備集中也有利于提高資源效率，減少對(duì)本地網(wǎng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房數(shù)量的要求，同時(shí)也減少回傳網(wǎng)絡(luò)對(duì)骨干承載網(wǎng)的需求。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化，對(duì)本地承載網(wǎng)的邊緣層（POP點(diǎn)到匯聚點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)層級(jí)）影響最大，按照上述網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)的建議，僅需要在本地網(wǎng)的核心匯聚層采用三層承載技術(shù)，邊緣層可以采用一層或二層傳輸設(shè)備（如PeOTN等）組織，降低網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本和維護(hù)成本。

在目前5G技術(shù)還存在如此多的不確定性情況下，在2020年進(jìn)行全國(guó)性規(guī)模部署還存在以下風(fēng)險(xiǎn)：

（1）5G網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的一些新技術(shù)、新功能難以在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)；

（2）未來網(wǎng)絡(luò)升級(jí)采用這些新技術(shù)、支持這些新功能的成本比較高，環(huán)境代價(jià)比較大。

中國(guó)幾個(gè)運(yùn)營(yíng)商在3G和LTE階段都是在其他運(yùn)營(yíng)商幾年后部署，設(shè)備的成熟度和穩(wěn)定性都比較高，不確定性小，建設(shè)成本低，因此運(yùn)營(yíng)商能夠在2~3年基本建成一張全國(guó)連續(xù)覆蓋的網(wǎng)絡(luò)。因此，中國(guó)運(yùn)營(yíng)商若想在5G網(wǎng)絡(luò)部署領(lǐng)先世界，必須考慮上述不確定性的風(fēng)險(xiǎn)因素，建議適度把握5G部署節(jié)奏，降低上述風(fēng)險(xiǎn)的負(fù)面影響。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)LTE和5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的對(duì)比，分析了5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)目前5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、部署方式、設(shè)備形態(tài)存在的不確定性進(jìn)行了深入的分析，指出這些不確定性對(duì)承載網(wǎng)的影響，提出對(duì)這些不確定性因素的發(fā)展建議及相應(yīng)的承載技術(shù)方案。

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作者簡(jiǎn)介

王海軍：教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士畢業(yè)于浙江大學(xué)，現(xiàn)任中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院高級(jí)技術(shù)專家，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)部署策略等。

王光全：教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)任中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究部主任，享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼，國(guó)家科技獎(jiǎng)評(píng)審專家，工業(yè)和信息化部通信科技委傳送與接入咨詢委員會(huì)專家組成員，ITU-T國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)編輯人，國(guó)家863項(xiàng)目課題負(fù)責(zé)人。

鄭波：高級(jí)工程師，畢業(yè)于南京郵電學(xué)院光信息技術(shù)系，主要研究方向?yàn)殚L(zhǎng)途傳輸光網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和新技術(shù)應(yīng)用。

作者：王海軍 王光全 鄭波 龐冉 師嚴(yán) 來源：《移動(dòng)通信》2018年1月