引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)及各種智能終端的普及和發(fā)展，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量呈爆炸式增長(zhǎng)。另外移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)逐步多樣化并開(kāi)始向各行業(yè)滲透。未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)需要通過(guò)一張網(wǎng)絡(luò)向客戶提供eMBB、uRLLC和mMTC三大類業(yè)務(wù)。2017年12月3GPP第78次全會(huì)正式宣布，基于NSA架構(gòu)的5G R15版本主要功能完成，該版本僅支持依托LTE雙連接方式接入NR的部署場(chǎng)景。后續(xù)3GPP將繼續(xù)完善該版本，制定ASN.1。2018年9月3GPP將正式推出包含獨(dú)立NR部署方式的完整的5G R15版本作為5G的第1個(gè)版本。2017年11月，中國(guó)工信部率先發(fā)布中頻段5G系統(tǒng)頻率使用規(guī)劃，將3.5GHz(3400~3600MHz)和4.8GHz(4800~5000MHz)作為5G系統(tǒng)先期部署的主要頻段，向產(chǎn)業(yè)鏈釋放明確信號(hào)，加速產(chǎn)業(yè)鏈成熟。3GPP提出了多種引入5G NR的部署方式，并對(duì)5G基站進(jìn)行了高層劃分，這對(duì)5GRAN組網(wǎng)架構(gòu)具有較大的影響。本文從部署成本、性能、演進(jìn)路徑等方面，對(duì)未來(lái)的5G基站以及組網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行了深入分析。如何結(jié)合自身現(xiàn)狀，選擇合理的部署方式及演進(jìn)節(jié)奏，是運(yùn)營(yíng)商在5G初期需要迫切考慮的。

1)5G基站架構(gòu)

不同于LTE基站，5G NR對(duì)基站架構(gòu)進(jìn)行了重新定義，以PDCP/RLC層為界，將基站分為集中單元(CU)和分布單元(DU)2個(gè)功能實(shí)體。CU承擔(dān)RRC/PDCP層功能，DU承擔(dān)RLC/MAC/PHY功能。一個(gè)CU可以攜帶多個(gè)DU。由于2個(gè)功能實(shí)體的重新劃分，在協(xié)議上將對(duì)各層功能的設(shè)計(jì)有一定影響。由于功能的分離，在5G RAN側(cè)增加CU和DU間F1接口，3GPP對(duì)該接口的定義和消息交互也進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。

圖1 對(duì)LTE及NR基站架構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比。

CU/DU功能的分離意味著未來(lái)基站將具備多種部署形態(tài)供運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行靈活選擇。CU和DU可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)條件部署在不同的位置，或以集成為同一設(shè)備的形式部署。具體主要取決于業(yè)務(wù)時(shí)延需求、前傳和中傳網(wǎng)絡(luò)條件、機(jī)房安裝條件、設(shè)備成本和功耗、可靠性要求、CU覆蓋范圍需求等方面?？傮w看有以下4種方案。

圖2 5G RAN組網(wǎng)架構(gòu)分類

方案1：CU、DU和RRU設(shè)備均獨(dú)立部署，DU放置于綜合業(yè)務(wù)接入點(diǎn)，CU放置于匯聚節(jié)點(diǎn)，主要適用于時(shí)延需求寬松業(yè)務(wù)，對(duì)前傳和中傳條件均有要求。CU可采用通用硬件實(shí)現(xiàn)，通過(guò)CU集中組網(wǎng)，連接多個(gè)DU，有利于實(shí)現(xiàn)多小區(qū)RRC統(tǒng)一管理和資源池組化，可和邊緣計(jì)算相關(guān)功能結(jié)合部署在邊緣云機(jī)房。

方案2：CU獨(dú)立部署，DU和RRU同位置部署或集成在一個(gè)設(shè)備中，主要適用于時(shí)延需求寬松業(yè)務(wù)，中傳不受限，前傳受限的情況，適用于PoP機(jī)房條件受限或小站場(chǎng)景，CU優(yōu)勢(shì)同方案1。

方案3：CU和DU同位置部署或集成在一個(gè)設(shè)備中，部署在綜合業(yè)務(wù)接入點(diǎn)，主要適用于時(shí)延需求高的業(yè)務(wù)，前傳不受限，中傳受限的情況，可實(shí)現(xiàn)小范圍池組化。

方案4：CU/DU/AAU均同位置部署或集成在一個(gè)設(shè)備中，主要適用于對(duì)時(shí)延需求較高業(yè)務(wù)，前傳和中傳條件均有限的情況，受體積影響，適用于一體化小站，用于熱點(diǎn)覆蓋。

2) 5G RAN組網(wǎng)方式

5G RAN側(cè)組網(wǎng)方式可總體上分為獨(dú)立部署(SA——Standalone)和非獨(dú)立部署(NSA——non-Standalone)。獨(dú)立部署包括Option2和Option5。非獨(dú)立部署包括Option3/3a/3x、Option4/4a和Option7/7a/7x。如圖2所示。Option2和Option5為NRgNB或升級(jí)后LTE基站直接連接5GC。Option3/3a/3x和Option7/7a/7x均采用LTE作為控制面錨點(diǎn)，用戶通過(guò)LTE基站接入EPC或5GC，而NR基站僅承擔(dān)用戶面轉(zhuǎn)發(fā)功能，適用于LTE頻段低、覆蓋大于NR的場(chǎng)景。Option4/4a采用NR基站作為控制面錨點(diǎn)，而LTE基站僅承擔(dān)用戶面轉(zhuǎn)發(fā)功能，適用于NR頻段低于LTE的場(chǎng)景。Option2為NR基站獨(dú)立于LTE，直接連接5GC。Option5為L(zhǎng)TE基站直接連接5GC，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，有利于現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)直接翻頻接入5GC完成向5G升級(jí)。目前3GPP完成的第1版本是指NSA下Option3系列，而SAOption2在2018年6月完成，之后整個(gè)R15版本將凍結(jié)。Option4/7系列目前優(yōu)先級(jí)較低，可能完成時(shí)間會(huì)更加靠后。

如圖3所示，除Option3系列沿用了EPC以外，其他組網(wǎng)方式均采用了5GC，5GC采用服務(wù)化架構(gòu)及總線式設(shè)計(jì)，和EPC相比，優(yōu)劣勢(shì)如表1所示。顯而易見(jiàn)，5GC在支持業(yè)務(wù)、性能、靈活性方面相對(duì)EPC有較明顯提升，但相對(duì)EPC，其產(chǎn)品成熟時(shí)間有待確定，且由于5G不支持與2G/3G互操作，因此僅可能通過(guò)IMS開(kāi)展語(yǔ)音業(yè)務(wù)。

圖3 5GC(上)及EPC(下)功能及架構(gòu)

表1 EPC及5GC優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比

3) 5G RAN組網(wǎng)方式分析

3.1 非獨(dú)立部署系列對(duì)比分析

為快速引入5G，提升自身競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，全球大部分運(yùn)營(yíng)商，如日本Docomo、北美的Vodafone等，都首先選擇了Option3方式作為為5G用戶提供業(yè)務(wù)的切入口，即核心網(wǎng)沿用EPC，將NRgNB連接至LTEeNB，UE通過(guò)eNB作為控制面錨點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，NR僅作為數(shù)據(jù)傳輸分支。而中國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商，選擇何種方式作為5G部署的首選還未確定。Option3/3a/3x由于其用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的處理方式不同，對(duì)應(yīng)著LTE和NR的3種雙連接方式，協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖4所示。Option3下僅eNB和EPC之間存在用戶面連接，eNB收到來(lái)自EPC的數(shù)據(jù)后在PDCP層進(jìn)行分流，并轉(zhuǎn)發(fā)給NRgNB，用戶收到來(lái)自eNB和gNB的數(shù)據(jù)，在PDCP層進(jìn)行合并。Option3a下eNB和gNB均和EPC存在用戶面連接，兩條數(shù)據(jù)鏈路相對(duì)獨(dú)立。Option3x下，增加了SCGsplitbearer，即NR也可以作為用戶面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)，gNB收到5GC的數(shù)據(jù)后在PDCP層進(jìn)行分流，部分轉(zhuǎn)發(fā)給LTEeNB，用戶收到來(lái)自2個(gè)基站的數(shù)據(jù)，在PDCP層合并。

圖4 Option3系列協(xié)議棧功能對(duì)比圖

對(duì)于Option3/4/7，不同系列數(shù)據(jù)傳輸方式大致相同，這里重點(diǎn)從性能、對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的影響角度分析Option3系列下不同組網(wǎng)架構(gòu)的差異作為參考(見(jiàn)表2)。

表2 Option3系列優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比

綜上可以看到，為降低對(duì)現(xiàn)有LTE基站的改動(dòng)，充分利用LTE和NR空口資源，目前全球大部分運(yùn)營(yíng)商選擇了Option3x展開(kāi)5G快速部署。但是Option3x仍然存在一些問(wèn)題需要討論，如在移動(dòng)過(guò)程中承載的快速轉(zhuǎn)移，這些是運(yùn)營(yíng)商在部署過(guò)程中需要關(guān)注的。

3.2 不同組網(wǎng)方式對(duì)比分析

3.2.1 系統(tǒng)性能分析

在引言中提到，中國(guó)5G首發(fā)頻段為3.5和4.8GHz，這2段頻率高于目前三大運(yùn)營(yíng)商擁有的所有頻段，因此后續(xù)分析結(jié)論主要基于此前提條件。由于不同的組網(wǎng)架構(gòu)，其核心網(wǎng)架構(gòu)以及NR的引入方式不同，不同組網(wǎng)方式的系統(tǒng)性能存在一定程度的差異，具體見(jiàn)表3。

表3 不同組網(wǎng)方式性能分析

對(duì)于中國(guó)規(guī)劃頻段3.5GHz，存在一個(gè)不可忽視的問(wèn)題，即1.8和3.5GHz之間的諧波和交調(diào)干擾問(wèn)題，如圖5所示。對(duì)于Option2來(lái)說(shuō)，LTE和NR相互獨(dú)立，基本無(wú)共存問(wèn)題，僅在若語(yǔ)音業(yè)務(wù)VoLTE和NR數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)同時(shí)存在時(shí)會(huì)存在該問(wèn)題。Option3x/Option4x/Option7x由于采用了雙連接方式，因此LTE和NR需要同時(shí)發(fā)送，諧波和交調(diào)干擾問(wèn)題較為嚴(yán)重，目前3GPP正在研究通過(guò)TDM或FDM的方式解決該問(wèn)題。但無(wú)論是采用哪種方式，都是以犧牲數(shù)據(jù)速率為代價(jià)的。

圖5 1.8及3.5GHz諧波和交調(diào)干擾

從傳輸角度看，Option2架構(gòu)下，5G獨(dú)立部署，現(xiàn)有的傳輸網(wǎng)需要升級(jí)支持NR超高流量的需求。Op?tion3x/4/7x架構(gòu)下，4G/5G融合部署，數(shù)據(jù)流量可以通過(guò)新部署的5GCU層分流給LTE，因此，在CU位置高于LTEBBU部署位置或和LTEBBU同位置部署時(shí)，現(xiàn)有傳輸網(wǎng)絡(luò)可滿足LTEeNB基站流量，同時(shí)需要擴(kuò)容支持NR數(shù)據(jù)流量。因此4種方式均可沿用原有傳輸架構(gòu)，擴(kuò)容需求基本相同。而對(duì)于Option5，僅僅是將LTE基站進(jìn)行了連接5GC的增強(qiáng)。從流量上來(lái)看，和原LTE網(wǎng)絡(luò)基本相似。

3.2.2 語(yǔ)音業(yè)務(wù)支持分析

在現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)中，終端可通過(guò)VoLTE或CSFB到2G/3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音業(yè)務(wù)。但由于5G標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮與2G/3G之間的互操作，只支持與4G網(wǎng)絡(luò)互操作，因此針對(duì)不同組網(wǎng)方式，運(yùn)營(yíng)商需要結(jié)合現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的語(yǔ)音解決方案選擇不同的5G語(yǔ)音解決方案。

對(duì)于Option3，由于終端錨定在LTE上接入EPC，因此采用語(yǔ)音解決方案可以和原有LTE網(wǎng)絡(luò)保持一致，即若原有LTE網(wǎng)絡(luò)支持VoLTE，則采用VoLTE，若原有LTE網(wǎng)絡(luò)支持CSFB，則采用CSFB方式。且語(yǔ)音業(yè)務(wù)連續(xù)性可依賴原有良好的LTE覆蓋得到保障。

對(duì)于Option2等其他部署方式，由于采用5GC，語(yǔ) 音方案則需要分情況進(jìn)行討論：

a)若未部署IMS，這些組網(wǎng)方式均無(wú)法完成語(yǔ)音 業(yè)務(wù)。

b)若5G網(wǎng)絡(luò)已對(duì)接IMS，但不支持IMS語(yǔ)音，需 要從5G網(wǎng)絡(luò)EPS回落到4G網(wǎng)絡(luò)上發(fā)起語(yǔ)音業(yè)務(wù)，回 落到4G網(wǎng)絡(luò)后的語(yǔ)音解決方案與原4G網(wǎng)絡(luò)一致，對(duì)于移動(dòng)用戶來(lái)說(shuō)也將沿用原4G方案。該方案可以作 為運(yùn)營(yíng)商在5G部署初期5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)語(yǔ)音業(yè)務(wù)的支持尚 不成熟情況下的備選方案。

c)若5G網(wǎng)絡(luò)已對(duì)接IMS，且支持IMS語(yǔ)音，直接 通過(guò)VoNR完成語(yǔ)音業(yè)務(wù)。

d)對(duì)于采用VoNR的5G用戶，從5G覆蓋區(qū)域移 動(dòng)到4G覆蓋區(qū)域，可切換到4G上保證語(yǔ)音連續(xù)性，但 若從5G覆蓋區(qū)域移動(dòng)到2G/3G覆蓋區(qū)域，由于5G目 前不支持切換到2G/3G，語(yǔ)音業(yè)務(wù)將中斷，目前運(yùn)營(yíng)商 也在3GPP中推動(dòng)5G到2G/3G的SRVCC，有望在R16 版本中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)改造部署分析

對(duì)于不同的組網(wǎng)方式，其或需新建，或需對(duì)現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)。由于目前全球運(yùn)營(yíng)商主要關(guān)注Option2和Option3x，因此本文從無(wú)線側(cè)、核心網(wǎng)、OMC等角度對(duì)Option2和Option3x對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)改造需求和NR部署新的需求進(jìn)行總結(jié)歸納。

a)從異廠家解耦角度看：由于Option2下LTE和NR完全獨(dú)立，僅需通過(guò)重選或者切換進(jìn)行互操作，因此易于實(shí)現(xiàn)互操作;對(duì)于Option3x，LTE和NR基站間需通過(guò)X2接口密切交互，嚴(yán)重依賴標(biāo)準(zhǔn)制定程度，異廠家部署難度非常大。

b)從無(wú)線側(cè)角度看：對(duì)于Option2，僅需進(jìn)行簡(jiǎn)單升級(jí)支持LTE與NR空口互操作;對(duì)于Option3x，理論上僅需原有LTE基站軟件升級(jí)支持雙連接、節(jié)點(diǎn)間流控等功能，但由于原有LTE基站硬件設(shè)備能力可能受限，因此實(shí)際的改造需求還要視LTE基站設(shè)備能力而定。

c)從核心網(wǎng)角度看：對(duì)于Option2，需部署新的5GC，且原有EPC需升級(jí)支持與5GC互操作;對(duì)于Op?tion3x需升級(jí)支持新增的NR大數(shù)據(jù)流量，以及與NR的用戶面連接。

d)從各網(wǎng)元接口角度看：對(duì)于Option2，對(duì)原4G系統(tǒng)影響小，只需在EPC開(kāi)通和5GC的互操作接口即可。對(duì)于Option3x，需建立eNB和gNB間X2-C和X2U接口，建立gNB和EPC間的S1-U。

e)從投資成本角度看：對(duì)于Option2，需新建5GC。同時(shí)由于中國(guó)首發(fā)5G頻段較高，路損較大，獨(dú)立組網(wǎng)達(dá)到連續(xù)覆蓋所需站點(diǎn)數(shù)較多，雖可通過(guò)大規(guī)模天線波束賦形和SUL等方式進(jìn)行覆蓋增強(qiáng)，但這些技術(shù)能夠帶來(lái)的增強(qiáng)效率仍待驗(yàn)證，且大規(guī)模天線會(huì)導(dǎo)致單基站成本激增。對(duì)于Option3x，LTE和NR可協(xié)作組網(wǎng)，同時(shí)利用LTE的連續(xù)覆蓋優(yōu)勢(shì)和NR的高速率優(yōu)勢(shì)，此種方式除需新建NR站點(diǎn)外，LTE現(xiàn)網(wǎng)面臨較高成本的升級(jí)。因此2種方式的投資還需進(jìn)行深入評(píng)估。

4) 5G RAN演進(jìn)路徑分析

雖然目前從全球范圍看，目前大部分運(yùn)營(yíng)商均選擇了Option3x作為初期部署方案，但隨著4G用戶的逐步遷移和5G網(wǎng)絡(luò)的更大規(guī)模部署，后續(xù)5G將如何持續(xù)演進(jìn)還取決于運(yùn)營(yíng)商的投資成本、業(yè)務(wù)和終端演進(jìn)方案等，本文以O(shè)ption3x和Option2為起點(diǎn)，對(duì)幾種可能的演進(jìn)路徑進(jìn)行了探討。

路徑1：Option3x→Option7x+Option5。4G網(wǎng)絡(luò)中更多的eNB基站升級(jí)接入5GC，同時(shí)原有的Option3xeNB部分帶頻率遷移到5GC，eNB和gNB間雙連接保留，gNB和EPC的用戶面連接也遷移至5GC。在這種方式下，gNB一直作為eNB的輔站，為兼容原有的Option3x-only終端和4G終端，Option3x架構(gòu)仍需保留。此種演進(jìn)方式，可充分利用原有的LTE基站廣覆蓋優(yōu)勢(shì)，并且進(jìn)行快速網(wǎng)絡(luò)升級(jí)支持5GC下的多種業(yè)務(wù)類型。但對(duì)于獨(dú)立接入5GC而沒(méi)有與gNB進(jìn)行雙連接的eNB來(lái)說(shuō)，其支持的速率將受到原LTE帶寬的限制，同時(shí)由于進(jìn)行了部分頻率翻頻，原有4G網(wǎng)絡(luò)速率將降低，因此更適用于滿足郊區(qū)或農(nóng)村地區(qū)的5G業(yè)務(wù)需求。

路徑2：Option3x→Option7x+Option2。原有的Op?tion3xeNB部分頻率遷移到5GC，eNB和gNB間雙連接保留，gNB和5GC間建立控制面和用戶面連接，同時(shí)在其他區(qū)域新建gNB進(jìn)行補(bǔ)熱、補(bǔ)盲或廣覆蓋。同樣地，在此種方式下，為兼容原有的Option3x-only終端和4G終端，Option3x架構(gòu)仍需保留。此種演進(jìn)方式，可充分利用原有已部署LTE和NR雙連接并且支持NR用戶的獨(dú)立接入。但由于NR頻率較高，更適于補(bǔ)熱，在缺乏低頻的情況下，獨(dú)立部署為滿足連續(xù)覆蓋，后期投資較大。

路徑3：Option3x→Option3x+Option2。在原有Op? tion3x網(wǎng)絡(luò)下，gNB和5GC間建立控制面和用戶面連 接，新建gNB進(jìn)行補(bǔ)熱、補(bǔ)盲或廣覆蓋。此種方式可 盡可能地保護(hù)初期投資，eNB無(wú)需進(jìn)行二次翻頻。但 由于NR頻率較高，更適于補(bǔ)熱，在缺乏低頻的情況 下，獨(dú)立部署為滿足連續(xù)覆蓋，后期投資較大。

路徑4：Option2→Option2+Option5。以O(shè)ption2為 起點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)可逐步擴(kuò)大Option2的覆蓋范圍，也可逐步 將原有4G網(wǎng)絡(luò)部分翻頻接入5GC。為保證4G終端后 向兼容性，原有4G網(wǎng)絡(luò)需部分保留。此種方式適用 于，初期采用NR滿足熱點(diǎn)覆蓋，后期通過(guò)部署更多 NR基站滿足更多地區(qū)高速率需求，翻頻LTE滿足速率 要求較低的廣覆蓋區(qū)域的部署需求，可盡可能利用原 有4G網(wǎng)絡(luò)來(lái)降低后期投資成本。此種演進(jìn)方式在初 期建設(shè)即可保證網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)的多樣性。

5) 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)5G面臨多種基站設(shè)備形態(tài)和組網(wǎng)方式演進(jìn)路徑。在5G快速臨近的當(dāng)下，運(yùn)營(yíng)商根據(jù)自身基礎(chǔ)設(shè) 施條件、系統(tǒng)性能、業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)劃及投資成本等選擇 合適的無(wú)線組網(wǎng)架構(gòu)以及演進(jìn)路徑，可以說(shuō)是運(yùn)營(yíng)商 最迫切需要評(píng)估并作出決策的。本文針對(duì)這些問(wèn)題 進(jìn)行了詳細(xì)的分析

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作者簡(jiǎn)介：

黃蓉，畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，高級(jí)工程師，博士，主要從事無(wú)線移動(dòng)通信相關(guān)技術(shù)研究及 標(biāo)準(zhǔn)化工作;

王友祥，高級(jí)工程師，博士，主要從事5G新技術(shù)研究及試驗(yàn)工作;

劉珊，畢 業(yè)于北京交通大學(xué)，碩士，主要從事5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及高層協(xié)議研究工作。