5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有什么特點(diǎn)？對承載網(wǎng)有什么影響？

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)的功能重新劃分及部署方式對承載網(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)用場景對網(wǎng)絡(luò)性能要求的巨大差異，推動核心網(wǎng)切片及分布式部署，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(luò)的視角，對比LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對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個網(wǎng)元組成，分別是RRU和BBU，如圖1所示：

圖1 LTE網(wǎng)絡(luò)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(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，以簡化網(wǎng)絡(luò)的部署［3］。

根據(jù)CPRI接口規(guī)范，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，國內(nèi)運(yùn)營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個網(wǎng)元組成，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(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，對時延的要求為10 ms［8］，流量也不大，國內(nèi)運(yùn)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(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。

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

國內(nèi)運(yùn)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(luò)部署成本，包括基站機(jī)房、電源、傳輸設(shè)備等，已經(jīng)成為國內(nèi)運(yùn)營商LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的發(fā)展趨勢。在5G階段，運(yùn)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(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。國內(nèi)運(yùn)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(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，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)營商在5G部署時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)），簡化基站間協(xié)同的組織，提高協(xié)同效率，同時實(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)將會有上百倍的差異，對承載網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和路由能力有較大的影響。例如：一個典型城市的匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)量約30個，POP點(diǎn)的數(shù)量約300個。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，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；若每個基站都單獨(dú)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(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)，平均每個匯聚點(diǎn)匯聚的基站數(shù)量在100~200個之間，CU可帶的基站數(shù)量應(yīng)在200個左右。

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(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)備基本上還是每個基站一個DU，即便DU集中在一起，也是多臺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)營商希望一個POP點(diǎn)的DU池能夠?qū)OP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POP點(diǎn)帶的基站數(shù)量在10~20個之間（30~60個AAU），因此DU池應(yīng)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(diǎn)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(biāo)，池組化DU的容量目標(biāo)業(yè)界尚未達(dá)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(wù)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(dá)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(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池組化對帶寬進(jìn)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(yīng)能夠匯聚200個左右基站的業(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)單向時延小于10 ms［10］，同時也是5G網(wǎng)絡(luò)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(luò)的下沉，UP-eMBB甚至?xí)鲁恋奖镜鼐W(wǎng)的匯聚層。目前，國內(nèi)運(yùn)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(diǎn)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(biāo)的要求也有較大差異。

mMTC業(yè)務(wù)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。

4 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5G網(wǎng)絡(luò)的部署方案和成本有巨大影響。本文通過對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，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DU池可帶的基站數(shù)量應(yīng)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(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，降低對回傳網(wǎng)絡(luò)的性能要求。根據(jù)對典型城市的站點(diǎn)布局的分析，建議每個CU應(yīng)能夠匯聚200個左右個基站的業(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，減少對本地網(wǎng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房數(shù)量的要求，同時也減少回傳網(wǎng)絡(luò)對骨干承載網(wǎng)的需求。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化，對本地承載網(wǎng)的邊緣層（POP點(diǎn)到匯聚點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)層級）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(yùn)營商在3G和LTE階段都是在其他運(yùn)營商幾年后部署，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)營商能夠在2~3年基本建成一張全國連續(xù)覆蓋的網(wǎng)絡(luò)。因此，中國運(yùn)營商若想在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。

5 結(jié)束語

本文通過對LTE和5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的對比，分析了5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特點(diǎn)，對目前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(yīng)的承載技術(shù)方案。