5G網(wǎng)絡架構(gòu)及其對承載網(wǎng)的影響

【摘要】5G移動通信網(wǎng)絡與LTE網(wǎng)絡相比，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)絡架構(gòu)與LTE的區(qū)別，以及這些變化對承載網(wǎng)的影響，隨后分析了在當前階段，5G網(wǎng)絡設備和部署方面存在的一些不確定性及其對承載網(wǎng)的影響，并針對這些不確定性提出一些建議。

【關(guān)鍵詞】5G網(wǎng)絡架構(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：TN915.05 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010(2018)01-0000-00

引用格式：王海軍,王光全,鄭波,等. 5G網(wǎng)絡架構(gòu)及其對承載網(wǎng)的影響[J]. 移動通信, 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)絡的無線接入網(wǎng)（RAN）和核心網(wǎng)的新架構(gòu)，與LTE網(wǎng)絡有較大的區(qū)別，RAN網(wǎng)絡的功能重新劃分[1]及部署方式對承載網(wǎng)絡的架構(gòu)將產(chǎn)生較大影響，而5G網(wǎng)絡的三大應用場景對網(wǎng)絡性能要求的巨大差異，推動核心網(wǎng)切片及分布式部署[2]，也對承載網(wǎng)的架構(gòu)和性能有較大影響。

本文從承載網(wǎng)絡的視角，對比LTE網(wǎng)絡架構(gòu)，對5G網(wǎng)絡的架構(gòu)特點和部署特點進行分析，提出了5G網(wǎng)絡設備、部署方式等存在的不確定性，以及這些不確定性對承載網(wǎng)的影響。

2 5G網(wǎng)絡架構(gòu)特點

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

2.1 LTE網(wǎng)絡架構(gòu)特點

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

圖1 LTE網(wǎng)絡架構(gòu)示意圖

（1）每個RRU與一個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）實現(xiàn)；也可經(jīng)BBU間的X2接口實現(xiàn)[4]。在實際LTE網(wǎng)絡中基站間的切換主要通過S1接口，以簡化網(wǎng)絡的部署[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，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，前傳屬于站間連接。這兩種方式都有比較廣泛的應用。

LTE核心網(wǎng)主要包括MME和S-GW兩類網(wǎng)元，國內(nèi)運營商多采用按省集中部署的方式。

2.2 5G網(wǎng)絡架構(gòu)特點

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

圖2 5G網(wǎng)絡架構(gòu)示意圖

（1）DU以星型方式連接多個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接口實現(xiàn)[7]。

5G網(wǎng)絡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，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，DU/CU集中部署在同一站點，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，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，對時延的要求為10 ms[8]，流量也不大，國內(nèi)運營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)務特點切片部署的方式[2]，根據(jù)不同類型的業(yè)務的功能、性能等進行網(wǎng)絡切片，并分別進行部署，不同切片部署在網(wǎng)絡的不同層級。

2.3 LTE和5G網(wǎng)絡架構(gòu)主要差異分析

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

表1 LTE和5G網(wǎng)絡架構(gòu)

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

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

圖4 5G網(wǎng)絡部署結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 5G的前傳要求與LTE兼容

國內(nèi)運營商在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)絡部署成本，包括基站機房、電源、傳輸設備等，已經(jīng)成為國內(nèi)運營商LTE網(wǎng)絡建設的發(fā)展趨勢。在5G階段，運營商將會繼續(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)絡規(guī)范[6]沒有明確前傳的目標距離，但定義了前傳的單向傳輸時延應小于100 μs，折算成在光纖上的傳輸距離應小于20 km。這兩者的目標距離比較接近。國內(nèi)運營商在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5G網(wǎng)絡采用圖3所示的方式（2）、（3），進行DU集中部署時，DU集中的站點位置與LTE BBU集中的站點位置相同，現(xiàn)有LTE的前傳光纜網(wǎng)絡可以利用。前傳的距離小于10 km，可以利用比較成熟的10 km標準的25 Gbit/s光接口，網(wǎng)絡成本也比較低。

但工信部確定的5G網(wǎng)絡工作頻率是3.3 GHz—3.6 GHz和4.8 GHz—5.0 GHz頻段[9]，遠高于LTE的2.1 GHz/2.6 GHz頻段，因此5G基站的密度預計將是LTE基站的1.5倍左右，運營商在5G部署時期采取何種部署策略（熱點部署、區(qū)域性連續(xù)覆蓋等），對前傳光纜網(wǎng)絡的影響較大，若采用連續(xù)覆蓋部署的方式，運營商需要大量建設基站接入光纜。

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)，運營商也希望CU能夠在更高層面部署（如本地網(wǎng)的匯聚節(jié)點，甚至核心節(jié)點），簡化基站間協(xié)同的組織，提高協(xié)同效率，同時實現(xiàn)CU與DU的解耦。

目前設備供應商尚不能提供商用化的CU和DU設備，CU和DU是否能夠?qū)崿F(xiàn)分離部署、設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)絡上是否存在中傳段，基站間的連接數(shù)將會有上百倍的差異，對承載網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)和路由能力有較大的影響。例如：一個典型城市的匯聚節(jié)點數(shù)量約30個，POP點的數(shù)量約300個。若CU部署在匯聚節(jié)點，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，在本地承載網(wǎng)的核心匯聚層采用IP網(wǎng)絡技術(shù)，這種連接是比較容易滿足的。若CU部署在POP點，所有POP點間CU分布式連接的數(shù)量將達到4.5萬個；若每個基站都單獨部署CU功能，CU間的連接數(shù)量將會更大。這將要求本地承載網(wǎng)的邊緣層也必須采用IP網(wǎng)絡技術(shù)，并且要具有很強的路由能力。

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)絡結(jié)構(gòu)特點，平均每個匯聚點匯聚的基站數(shù)量在100~200個之間，CU可帶的基站數(shù)量應在200個左右。

3.3 DU的不確定性

5G網(wǎng)絡標準提出了DU設備池組化的目標，運營商希望采用DU池組化集中部署的方式，將來自多個基站的業(yè)務匯聚后統(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設備是否能夠池組化還不明確，目前廠商能夠提供的DU設備基本上還是每個基站一個DU，即便DU集中在一起，也是多臺DU設備的堆疊，無法做到基帶資源的共享。DU是否池組化，對中傳的技術(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：運營商希望一個POP點的DU池能夠?qū)�POP點覆蓋的基站全部帶起來，根據(jù)3.2節(jié)的典型城市POP點分布，平均每個POP點帶的基站數(shù)量在10~20個之間（30~60個AAU），因此DU池應能夠帶20個左右的基站，或者可分成多檔（比如5、10、20三檔），根據(jù)不同POP點的覆蓋范圍，選擇不同的DU池。但現(xiàn)在只有個別廠商有池組化的DU產(chǎn)品路標，池組化DU的容量目標業(yè)界尚未達成共識。

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

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

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，對承載網(wǎng)的性能需求也有較大的差異。3.2節(jié)提出每個CU應能夠匯聚200個左右基站的業(yè)務，但業(yè)界尚未就CU的容量目標達成一致，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的容量能夠達到200個基站左右，則CU可以部署在典型城市的匯聚節(jié)點，并匯聚本匯聚節(jié)點下的所有基站的業(yè)務，DU到CU的中傳業(yè)務屬于典型的點到多點業(yè)務模型，可以采用較為簡單的一層或二層網(wǎng)絡技術(shù)，不必采用三層網(wǎng)絡技術(shù)。若CU的容量較小，在典型城市的匯聚節(jié)點，需要部署多臺CU才能匯聚本匯聚節(jié)點下的所有基站的業(yè)務，DU到CU的中傳業(yè)務屬于典型的多點到多點的業(yè)務模型，需要中傳網(wǎng)絡支持一定的三層功能，將提高中傳網(wǎng)絡的建設成本。

3.5 UP部署的不確定性

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

eMBB業(yè)務單向時延小于10 ms[10]，同時也是5G網(wǎng)絡流量最大的部分，基于時延和流量優(yōu)化的目的，UP-eMBB會從LTE的省集中方式下沉到各個本地網(wǎng)，隨著CDN網(wǎng)絡的下沉，UP-eMBB甚至會下沉到本地網(wǎng)的匯聚層。目前，國內(nèi)運營商尚未有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)點的數(shù)量和單個UP網(wǎng)元的容量，同時也影響到5G核心網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)的位置和方案，對承載網(wǎng)性能指標的要求也有較大差異。

mMTC業(yè)務對時延不敏感，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)同時提供本地和骨干的承載能力。

3 5G網(wǎng)絡部署的建議

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

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

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

（3）CU與DU分離部署是5G網(wǎng)絡架構(gòu)的亮點，將CU部署在匯聚節(jié)點，可簡化中傳技術(shù)方案，降低網(wǎng)絡成本，并能夠大量減少基站間Xn接口的連接數(shù)量，降低對回傳網(wǎng)絡的性能要求。根據(jù)對典型城市的站點布局的分析，建議每個CU應能夠匯聚200個左右個基站的業(yè)務。

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

5G網(wǎng)絡架構(gòu)的變化，對本地承載網(wǎng)的邊緣層（POP點到匯聚點間的網(wǎng)絡層級）影響最大，按照上述網(wǎng)絡部署架構(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備（如PeOTN等）組織，降低網(wǎng)絡的建設成本和維護成本。

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

（1）5G網(wǎng)絡和設備的一些新技術(shù)、新功能難以在網(wǎng)絡中實現(xiàn)；

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

中國幾個運營商在3G和LTE階段都是在其他運營商幾年后部署，設備的成熟度和穩(wěn)定性都比較高，不確定性小，建設成本低，因此運營商能夠在2~3年基本建成一張全國連續(xù)覆蓋的網(wǎng)絡。因此，中國運營商若想在5G網(wǎng)絡部署領先世界，必須考慮上述不確定性的風險因素，建議適度把握5G部署節(jié)奏，降低上述風險的負面影響。

4 結(jié)束語

本文通過對LTE和5G網(wǎng)絡架構(gòu)的對比，分析了5G網(wǎng)絡架構(gòu)的特點，對目前5G網(wǎng)絡架構(gòu)、部署方式、設備形態(tài)存在的不確定性進行了深入的分析，指出這些不確定性對承載網(wǎng)的影響，提出對這些不確定性因素的發(fā)展建議及相應的承載技術(shù)方案。

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作者簡介

王海軍：教授級高級工程師，碩士畢業(yè)于浙江大學，現(xiàn)任中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司網(wǎng)絡技術(shù)研究院高級技術(shù)專家，主要研究方向為光通信網(wǎng)絡技術(shù)及應用、標準、網(wǎng)絡部署策略等。

王光全：教授級高級工程師，現(xiàn)任中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司網(wǎng)絡技術(shù)研究院網(wǎng)絡技術(shù)研究部主任，享受國務院政府特殊津貼，國家科技獎評審專家，工業(yè)和信息化部通信科技委傳送與接入咨詢委員會專家組成員，ITU-T國際標準編輯人，國家863項目課題負責人。

鄭波：高級工程師，畢業(yè)于南京郵電學院光信息技術(shù)系，主要研究方向為長途傳輸光網(wǎng)絡的規(guī)劃、設計和新技術(shù)應用。

作者：王海軍 王光全 鄭波 龐冉 師嚴 來源：《移動通信》2018年1月