5G無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

5G接入網(wǎng)將是一個滿足多場景的多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，能夠容納已廣泛應(yīng)用的各種無線接入技術(shù)和5G新空口多種接入技術(shù)。本文首先分析了5G網(wǎng)絡(luò)四種典型覆蓋場景：室外廣域覆蓋、室內(nèi)熱點覆蓋、低功耗數(shù)據(jù)采集、低時延物聯(lián)網(wǎng)控制。其次分析了5G無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)：移動性、時延性、接入速率、流量密度、連接數(shù)密度、能源效率；提出了5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計原則，既要保證網(wǎng)絡(luò)具有高度的智能性、網(wǎng)元和架構(gòu)配置的靈活性，又要保證建設(shè)和運維成本的高效性。最后，我們給出了一個具體的5G無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計方案。

引言

移動通信系統(tǒng)從1G發(fā)展到4G，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)是一個2G/3G/4G共存，包含多種無線制式的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。5G接入網(wǎng)將會是一個滿足多場景的多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，能夠容納已廣泛應(yīng)用的各種無線接入技術(shù)和5G新空口多種接入技術(shù)。5G網(wǎng)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將具有更加靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�，以及更智能高效的資源協(xié)同能力。本文首先分析了5G的典型四種覆蓋場景：室外廣域覆蓋、室內(nèi)熱點覆蓋、低功耗數(shù)據(jù)采集、低時延物聯(lián)網(wǎng)控制；根據(jù)5G典型覆蓋場景的要求，分析了5G無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)的主要功能及性能需求，結(jié)合5G無線網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)，提出了5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計原則。最后，結(jié)合現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)商用情況，提出了一個5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計方案。

1、5G網(wǎng)絡(luò)典型覆蓋場景

為了滿足互聯(lián)網(wǎng)+業(yè)務(wù)快速發(fā)展需求，5G無線通信網(wǎng)絡(luò)不再僅僅解決人與人的通信問題，而是包含了人和機(jī)器、機(jī)器和機(jī)器之間的生態(tài)信息系統(tǒng)。根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)特點，5G典型覆蓋場景包括室外廣域覆蓋、室內(nèi)熱點覆蓋、低功耗數(shù)據(jù)采集、低時延物聯(lián)網(wǎng)控制。

（1）室外廣域覆蓋

室外廣域覆蓋是移動通信系統(tǒng)最基本的覆蓋方式，即為移動用戶提供連續(xù)的、無縫的移動業(yè)務(wù)，以用戶的移動性和業(yè)務(wù)的連續(xù)性作為基本目標(biāo)。該種場景在5G網(wǎng)絡(luò)中最大的挑戰(zhàn)在于為用戶提供100Mbps以上無線速率如何保證大范圍的連續(xù)覆蓋，這要求無線基站的站間距更小，需要建設(shè)更多的5G基站。

（2）室內(nèi)熱點覆蓋

室內(nèi)熱點覆蓋主要指城市區(qū)域高檔寫字樓、星際酒店、大型商務(wù)娛樂場所等，以提供高速數(shù)據(jù)傳輸速率和大流量密度為目標(biāo)。該種場景在5G中的挑戰(zhàn)主要在于如何在較小的區(qū)域內(nèi)為眾多用戶提供高速的數(shù)據(jù)速率。

（3）低功耗數(shù)據(jù)采集

低功耗數(shù)據(jù)采集是4G向5G演進(jìn)新拓展的場景，主要是基于大數(shù)據(jù)、云計算、智慧城市、智能農(nóng)業(yè)、智慧水務(wù)、森林防火等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用需求。在該種應(yīng)用場景下，需要接入的設(shè)備終端數(shù)量眾多、分布范圍廣泛，但對數(shù)據(jù)的傳輸速率要求不高，主要是小數(shù)據(jù)包發(fā)送，發(fā)射功率也較低，對其他終端的干擾較小。

（4）低時延物聯(lián)網(wǎng)控制

低時延物聯(lián)網(wǎng)控制也是5G新拓展的場景，主要基于工業(yè)4.0的應(yīng)用需求，如無人駕駛汽車、無人工廠等。在該場景下業(yè)務(wù)應(yīng)用對時延和可靠性要求很高。

2、5G無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)

根據(jù)對5G典型覆蓋場景分析，5G移動通信系統(tǒng)需要在移動性、時延性、接入速率等方面較3G/4G網(wǎng)絡(luò)有顯著的提升。其次，在流量密度、連接數(shù)密度、能源效率等指標(biāo)方面，也提出來新的要求，具體性能如下。

（1）移動性

移動性歷代移動通信系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)，指在滿足一定系統(tǒng)性能的前提下，通信雙方最大相對移動速度。5G移動通信系統(tǒng)需要支持飛機(jī)、高速公路、城市地鐵等超高速移動場景，同時也需要支持?jǐn)?shù)據(jù)采集、工業(yè)控制低速移動或非移動場景。因此，5G移動通信系統(tǒng)的設(shè)計需要支持更廣泛的移動性。

（2）時延

時延采用OTT或RTT來衡量，前者是指發(fā)送端到接收端接收數(shù)據(jù)之間的間隔，后者是指發(fā)送端到發(fā)送端數(shù)據(jù)從發(fā)送到確認(rèn)的時間間隔。在4G時代，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)扁平化設(shè)計大大提升了系統(tǒng)時延性能。在5G時代，車輛通信、工業(yè)控制、增強(qiáng)現(xiàn)實等業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，對時延提出了更高的要求，最低空口時延要求達(dá)到了1ms。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計中，時延與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、業(yè)務(wù)模型、傳輸資源等因素密切相關(guān)。

（3）用戶感知速率

5G時代將構(gòu)建以用戶為中心的移動生態(tài)信息系統(tǒng)，首次將用戶感知速率作為網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。用戶感知速率是指單位時間內(nèi)用戶獲得MAC層用戶面數(shù)據(jù)傳送量。實際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，用戶感知速率受到眾多因素的影響，包括網(wǎng)絡(luò)覆蓋環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、用戶規(guī)模和分布范圍、用戶位置、業(yè)務(wù)應(yīng)用等因素，一般采用期望平均值和統(tǒng)計方法進(jìn)行評估分析。

（4）峰值速率

峰值速率是指用戶可以獲得的最大業(yè)務(wù)速率，相比4G網(wǎng)絡(luò)，5G移動通信系統(tǒng)將進(jìn)一步提升峰值速率，可以達(dá)到數(shù)十Gbps。

（5）連接數(shù)密度

在5G時代存在大量物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，網(wǎng)絡(luò)要求具備超千億設(shè)備連接能力。連接數(shù)密度是指單位面積內(nèi)可以支持的在線設(shè)備總和，是衡量5G移動網(wǎng)絡(luò)對海量規(guī)模終端設(shè)備的支持能力的重要指標(biāo)，一般不低于十萬/平方公里。

（6）流量密度

流量密度是單位面積內(nèi)的總流量數(shù)，是衡量移動網(wǎng)絡(luò)在一定區(qū)域范圍內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸能力。在5G時代需要支持一定局部區(qū)域的超高數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)該支持每平方公里能提供數(shù)十Tbps的流量。在實際網(wǎng)絡(luò)中，流量密度與多個因素相關(guān)，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、用戶分布、業(yè)務(wù)模型等因素。

（7）能源效率

能源效率是指每消耗單位能量可以傳送的數(shù)據(jù)量。在移動通信系統(tǒng)中，能源消耗主要指基站和移動終端的發(fā)送功率，以及整個移動通信系統(tǒng)設(shè)備所消耗的功率。在5G移動通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中，為了降低功率消耗，采取了一系列新型接入技術(shù)，如低功率基站、D2D技術(shù)、流量均衡技術(shù)、移動中繼等。

3、5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計原則

傳統(tǒng)的移動通信無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)秉承著高度一致的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計原則，包括集中核心域提供控制與管理、分散無線域提供移動接入，用戶面與控制面緊密耦合、網(wǎng)元實體與網(wǎng)元功能高度耦合。在5G時代，隨著各種新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景出現(xiàn)，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在靈活性和適應(yīng)性方面就顯得不足。根據(jù)5G業(yè)務(wù)典型覆蓋場景和關(guān)鍵性能指標(biāo)分析，5G無線接入網(wǎng)架構(gòu)應(yīng)具有高度的靈活性、擴(kuò)展能力和定制能力的新型移動接入網(wǎng)架構(gòu)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源靈活調(diào)配和網(wǎng)絡(luò)功能靈活部署，達(dá)到兼顧功能、成本、能耗的綜合目標(biāo)。5G微信公眾平臺（ID：angmobile）了解到，本文作者進(jìn)一步指出，因此，5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計需遵循以下幾點原則。

（1）高度的智能性。實現(xiàn)承載和控制相分離，支持用戶面和控制面獨立擴(kuò)展和演進(jìn)，基于集中控制功能，實現(xiàn)多種無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋場景下的無線網(wǎng)絡(luò)智能優(yōu)化和高效管理。

（2）網(wǎng)元和架構(gòu)配置的靈活性。物理節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)功能解耦，重點關(guān)注網(wǎng)絡(luò)功能的設(shè)計，物理網(wǎng)元配置則可靈活采取多種手段，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景進(jìn)行靈活配置。

（3）建設(shè)和運維成本的高效性。5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運維成本是一個龐大的數(shù)目，只有在成本方面具有高效性的設(shè)計方案才能得到商用，成本目標(biāo)是5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計首要考慮目標(biāo)。

根據(jù)5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計原則，在實際5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計過程中，需要依次考慮5G無線邏輯架構(gòu)、5G無線部署架構(gòu)兩個層面。5G無線邏輯架構(gòu)是指根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用特性和需求，靈活選取網(wǎng)絡(luò)功能集合，明確無線網(wǎng)絡(luò)功能模塊之間的邏輯關(guān)系和接口設(shè)計。5G無線部署架構(gòu)是指從5G無線邏輯架構(gòu)到物理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的映射實現(xiàn)。

4、5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計方案

4G網(wǎng)絡(luò)的峰值速度達(dá)到100Mbps/50Mbps，時延在50ms~100ms，這決定了在5G時代，4G網(wǎng)絡(luò)依然是移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的主要承載者。由于無線頻譜資源非常有限，留給5G的頻譜資源并不具備優(yōu)勢，未來5G無線網(wǎng)絡(luò)將集中解決室內(nèi)熱點覆蓋、低時延物聯(lián)網(wǎng)控制、低功耗數(shù)據(jù)采集等特定業(yè)務(wù)應(yīng)用場景。傳統(tǒng)的3G/4G網(wǎng)絡(luò)仍將是承載移動通信語音和大多數(shù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的骨干網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)將共同構(gòu)建未來移動通信網(wǎng)絡(luò)。未來5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個多拓?fù)湫螒B(tài)、多層次類型、動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)，具有連接形態(tài)多樣化、平臺多樣化、承載方式多樣化、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣化等特點。

（1）連接形態(tài)多樣化

在5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，無線設(shè)備節(jié)點連接形態(tài)將兼容多種形式，包括鏈狀連接，如中繼通信（Relay），RRU基站級聯(lián)；網(wǎng)狀連接，如基站設(shè)備之間的連接；傘狀連接，如一個BBU與多個RRU之間的連接；點對點連接，如基站與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)之間的連接、D2D直通終端之間的連接等。

（2）平臺多樣化

在5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，將增加各種新型網(wǎng)關(guān)、終端，設(shè)備平臺能力將更加多樣化。根據(jù)功能的不同，5G無線設(shè)備包括BBU+RRU分布式基站、室外一體化基站、室內(nèi)微基站、承載用戶和控制功能的各種網(wǎng)關(guān)設(shè)備等。5G微信公眾平臺（ID：angmobile）了解到，本文作者進(jìn)一步指出，根據(jù)設(shè)備平臺能力的不同，包括專業(yè)平臺設(shè)備和虛擬化平臺設(shè)備。根據(jù)功率的不同，包括大功率的BBU+RRU分布式基站、低功率的微基站、RRU視頻模塊，超低功率的物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點、智能終端等。根據(jù)距離用戶遠(yuǎn)近的不同，包括智能終端、聚合網(wǎng)關(guān)、無源天線、有源天線、小功率微基站、射頻拉遠(yuǎn)RRU、BBU資源池基站等。

（3）承載方式的多樣化

在5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，傳輸承載技術(shù)更加多樣化，不同的傳輸承載技術(shù)將用在不同的網(wǎng)絡(luò)場景中。根據(jù)承載介質(zhì)的不同，傳輸承載包括無線承載和有線承載。無線承載技術(shù)具有應(yīng)用靈活，成本較低、建設(shè)周期短等優(yōu)點，但也存在帶寬有限，干擾較大等缺點。有線承載技術(shù)具有穩(wěn)定性好，帶寬充足等優(yōu)點，但也存在建設(shè)成本高、建設(shè)周期長等不足。在5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計方案中，往往會綜合考慮多種承載技術(shù)。

（4）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣化

隨著5G無線接入網(wǎng)絡(luò)采用的頻段向更高的頻段發(fā)展，以及多種新型接入技術(shù)的商用、低功率即插即用基站的部署，5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將呈現(xiàn)出更高的靈活性，在同一地點的不同時間段表現(xiàn)出較大差異的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和節(jié)點間的層級關(guān)系。

綜上分析，我們提出了一個5G無線接入網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計方案，如圖1所示。

圖1  5G無線接入網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計方案

5、結(jié)論

5G無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計需要綜合考慮業(yè)務(wù)應(yīng)用屬性、網(wǎng)絡(luò)功能時延要求、特殊業(yè)務(wù)屬性等。熱點業(yè)務(wù)只在局部熱點范圍部署，盡量貼近于基站部署；本地業(yè)務(wù)相關(guān)功能盡量貼近本地接入網(wǎng)部署；全局業(yè)務(wù)則需從全程全網(wǎng)角度統(tǒng)籌考慮。5G微信公眾平臺（ID：angmobile）了解到，本文作者進(jìn)一步指出，對無線網(wǎng)絡(luò)時延敏感的功能主要集中在L1和L2層中，建議盡量貼近于用戶側(cè)節(jié)點部署；對無線網(wǎng)絡(luò)時延不敏感的功能主要指L3層，可依據(jù)需求部署于接入高層節(jié)點或匯聚中間層節(jié)點。對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用業(yè)務(wù)，大規(guī)模傳感節(jié)點的信息上報將消耗大量的系統(tǒng)信令資源，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源利用率不高，系統(tǒng)信令負(fù)荷過重，在實際網(wǎng)絡(luò)部署設(shè)計中，可以考慮將一部分用戶面和控制面功能下沉到靜態(tài)網(wǎng)關(guān)或臨時網(wǎng)關(guān)中，由靜態(tài)網(wǎng)關(guān)或臨時網(wǎng)關(guān)進(jìn)行周期性測量信息收集，然后統(tǒng)一發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)側(cè)服務(wù)器。