5G无线网络组网方案*

张 莉，罗新军

（1.中国移动通信集团广东有限公司中山分公司，广东 中山 528405；2.江苏省邮电规划设计院有限责任公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

人们对移动通信不断增长的业务需求，推动了移动通信网络从单一语音业务到多媒体业务的快速发展，如超高清视频体验、随时随刻在线游戏、VR/AR用户体验、享受AI便捷、无处不在的穿戴设备、自动驾驶、智能家居、智能交通、远程医疗、远程监控、未来领域等。移动通信市场及用户业务需求的爆破式增长同当前移动通信网络技术能力无法达到之间的矛盾，是当前移动通信网络发展面临的主要挑战。5G无线网络技术具备高峰值速率、高频谱效率、高速移动性、高密度链接、大容量、低时延、低功耗等关键性能指标；超高可靠低时延通信（uRLLC）适于物联网、车联网、移动医疗等对网络时延及可靠性要求很高的场景；海量机器通信（mMTC）具有低功耗大连接等特点，适于车联网、智能家居、智慧城市、环境监测、传感器等物联网应用；增强移动宽带（eMBB）适于热点、虚拟现实、增强现实、超高清3D视频、高清语音、云办公、云游戏等高容量应用[1]。5G网络给用户带来的极致体验无处不在。面对万物互联需求及未来发展，需要不断融合多种技术优势，以应对不同应用场景下的多样化需求，这对5G网络架构及组网建设提出了更高要求。

1 5G网络技术

5G面临更大容量需求和频谱资源瓶颈等挑战。为实现热点高容量、低时延高可靠、低功耗大连接、连续广覆盖等关键指标，5G无线网络集成了多种关键技术，主要包括新型空口技术、场景技术、网络架构技术等[2]。

新型空口技术主要助力于频谱效率的提升。大规模MIMO技术使用数量庞大的天线组成天线阵发送和接收信号，成倍提升系统频谱效率，降低小区间干扰，提升系统性能及容量，动态调整覆盖范围。增强型多载波技术通过克服OFDM的正交性和CP等的限制和不足，大幅提高了频谱利用率。高级调制编码技术通过波分编码传输技术（OVTDM）、调频QAM（FQAM）等提升频谱效率，实现了高吞吐率、高频谱效率和高服务质量的无线传输。高级多址技术通过在正交资源基础上叠加更多信息，实现了更多复用。

场景技术主要解决热点高容量、低时延高可靠、低功耗大连接等无线组网演进带来的问题。超密集组网技术基于超密集异构网络、宏微协同和高低频段协作组网，关键是干扰识别技术、干扰控制技术、虚拟化技术、无线前传/回传（fronthaul/backhaul）技术、连接增强技术等。高频段丰富的可用频谱资源，传播特性决定了其路径损耗大，通过高频通信技术满足5G容量和传输速率的需求。终端直连技术（Device-to-Device，D2D）基于蜂窝系统近距离D2D数据直接传输，提升了系统频谱效率，扩大了覆盖范围，降低了终端功耗，关键是完成了近邻的发现、同步、资源管理及调度等。

5G的网络架构获得了广泛认同，接入网采用异构接入混合组网方式，转发面扁平化，业务数据流从接入侧就近转发。网络功能虚拟化（NFV）强调功能而非架构，高度重用商用云网络。软件定义网络（SDN）侧重网络架构，核心特点是开放性、灵活性和可编程性。多RAT（无线接入技术）资源协调，5G设备需要多标准支持。网络扁平化技术将网络内容和交换向网络边缘转移，减小了汇聚节点的流量压力，消除了网络流量瓶颈。

5G网络技术确保了5G关键性能指标，构建了基于云化、虚拟化、平台特性的移动网络，并基于平台可进行简单开发和适配，实现了各种纷繁复杂的应用及快速部署。这些对5G网络架构带来了新的挑战，需要更加灵活可靠的无线网络组网方案。

2 5G基站重构及部署策略

5G网络技术、eMBB、mMTC、uRLLC等多样化的应用场景及超大的前传带宽需求等，对5G网络的灵活适应能力提出了更高要求，驱动5G网络架构的发展，需要对5G基站功能进行切分和基站架构重构以应对。根据5G基站功能处理内容的实时性不同，基于云化、控制面集中、为多业务提供灵活的扩展能力、为mMTC提供高效的处理能力、满足uRLLC业务需求等特性，对5G基站功能进行切分，将5G基站重构为CU（Centralized Unit）和DU（Distributed Unit）两个功能实体。CU主要负责非实时无线高层协议栈功能，并支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务功能，架构向基于IT平台的云化方向演进；DU主要负责物理层功能和实时性业务需求的层2功能，架构向专用或基于IT平台演进。为节省传输资源，DU部分物理层功能下移到RRU/AAU（Radio Remote Unit/Active Antenna Unit）。为便于4G/5G的融合，4G基站也可重构为CU和DU两个逻辑网元，部分核心网功能下沉至CU，eNB BBU部分功能下移至RRU/AAU[3-4]。重构后的5G网络架构，如图1所示。

图1 重构后的5G网络架构

根据场景和需求不同，重构后的CU/DU可合一部署，也可分开部署。CU通常基于云化部署在中心机房；DU可以基于集中式或分布式部署，多优先采用集中式部署方式，以降低花费，且易于协作，可为站间协同提供理想时延、易于实现CoMP、D-MIMO等功能。集中式部署还具有节能环保、动态调度资源、提高资源利用率、易于演进等特点[5-6]。考虑到uRLLC业务对时延最敏感，同时从站址和供电方面考虑，采用集中式部署时，DU集中规模不宜太大。为保证系统时延满足要求，网络架构组网设计时通常只设计一级前传网络，并对传输距离要求严格[7]。DU分布式部署则更适合高频基站形态，路径损耗大，基站形态小型化，应用在热点覆盖场景。同时，5G网络对容量要求高，采用分布式部署能降低对网络传输带宽的压力。在5G CU/DU部署时，需要同时满足eMBB和uRLLC的业务需求。为了达到uRLLC业务的时延要求，与uRLLC业务对应的CU功能必须与DU共址部署。当eMBB业务和uRLLC业务对应的CU不在一个地点时，两个CU之间需要准时地协同调度资源。此时，这对Midhaul时延有很高要求。

3 5G网络架构部署方案

5G网络架构部署方案不仅要考虑5G网络技术、频谱策略及其架构的特点，还要考虑与现有2G、3G、4G网络架构的融合[8-9]。

5G网络架构部署方案与5G频谱策略密切相关，5G网络频段基本确定采用低频和高频共存，其应用策略是6 GHz以下低频用于满足5G网络宏覆盖需求。3.5 GHz作为5G主流的低频频段，需要特别考虑与其他系统的共存问题，如无线电定位、卫星业务等。6 GHz以上高频用于满足5G网络容量及连续大带宽需求，如26 GHz、40 GHz频率等。各种频谱应用场景如表1所示。

表1 5G网络频段应用场景

在5G典型业务场景中，uRLLC对网络的时延敏感、可靠性要求高；mMTC要求网络能够接入海量终端，终端低功耗、低成本。针对uRLLC/mMTC场景特点，优先选择6 GHz以下低频，穿透能力强，路损小，实现了5G网络的连续广覆盖。eMBB要求超大容量、传输带宽要求高，在采用6 GHz以下低频段，结合5G低频新空口技术、实现5G网络宏覆盖的基础上，采用6 GHz以上高频段，满足热点及大容量区域需求，也可对已有2G、3G频段重耕，做深做厚5G网络。在采用5G高低频率进行混合网络部署时，需特别考虑高低频的协同[10]。

根据5G网络架构控制面锚点的不同及4G、5G网络架构的融合需求，5G网络架构部署方式可分为独立部署（Standalone：SA）和非独立部署（Nonstandalone：NSA）。SA以5G新无线接口（NR）做为控制面锚点接入下一代核心网（NGC），需要同时部署NR和NGC，对现有2G、3G、4G网络无影响，典型部署方式有Option2/4/4a。NSA将5G NR的部署以LTE eNB为控制面锚点接入EPC，或以LTE eNB为控制面锚点接入NGC，无需部署NR即可实现5G网络，但需要对现网LTE改造，典型部署方式有Option3/3a/7/7a。各种部署方式特点如表2所示。

5G网络架构部署方式的选择需根据产业成熟度和频谱情况综合考虑。拥有5G低频频谱，容易实现对NR连续覆盖场景。SA产业成熟，可优先采用Option2方式建网，引入简单，不影响现有网络，可快速验证5G性能。对于5G低频频谱获取困难，NR处于非连续覆盖场景，SA产业尚未成熟，建议采用Option7或Option3方式建网，Option7方式可实现5G功能，利于网络发展，适合在NGC产业成熟度高时引入，Option3无法实现5G新业务，适合建网初期引入。

4 结 语

5G网络架构中将控制面与转发面分离，进一步优化网络管理，以SDN（软件定义网络）驱动整个网络发展。面对CU云化、控制面集中网络架构特点及eMBB、mMTC、uRLLC等多样化应用场景，5G移动网络中连接的终端数量会大幅度提升，对网络时延也提出了更高要求，需要5G无线网络架构组网策略及方案具备智能化的自感知、自调整能力及高度的灵活性。5G无线网络架构组网方案基于5G网络频段的选择，针对不同应用场景，考虑4G、5G网络融合及运营商部署要求，选择合适的网络架构部署方式。随着5G RAN切分标准的不断进展，基于CU/DU的高层切分及DU/AAU的低层切分方案逐步明朗，后续需在实践中对CU、DU的最佳部署方案做进一步检验。

表2 各种5G网络架构部署方式特点

参考文献：

[1] Jonathan Rodriguez.5G开启移动网络新时代[M].北京:电子工业出版社,2016.Jonathan Rodriguez.Fundamentals of 5G Mobile Networks[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2016.

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