5G无线网络架构对传输网的影响

5G无线网络架构对传输网的影响

张瑞昌王淼淼

山东省邮电规划设计院有限公司山东省济南市250101

摘要：为了满足3种5G典型业务的覆盖和容量的需求，5G网络中引入了非独立和独立部署4G和5G组网架构以及集中单元（CU）/分布单元（DU）分离的设备形态。新的无线网络架构对于未来传输网的部署也提出了新的挑战。基于当前5G网络架构的标准进展，从无线网络的角度分析了5G网络架构对传输网的影响和需求。

关键词：5G无线网络架构；传输网；影响

引言

5G无线网络的设计目标是为多种不同类型的业务提供满意的服务。这些典型业务通常分为三大类：增强型移动宽带（eMBB）业务、面向垂直行业的大规模机器类通信（mMTC）业务、超可靠低时延（uRLLC）业务。

15G无线网络的设计差异

移动宽带业务。主要包括大带宽和低时延类业务，如交互式视频或者增强/虚拟现实（AR/VR）类业务，相对于3G/4G时代的典型业务而言，其对于用户体验带宽、时延等都有明显的差异。2）大规模机器通信连接业务。该类型业务是5G新拓展的场景，重点解决传统移动通信无法很好地支持物联网及垂直行业应用的问题。这类业务具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广、数量众多，不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力，满足105/km2连接数密度指标要求，而且还要保证终端的超低功耗和超低成本。当前5G下一代无线接入网（NG-RAN）中无线网络包括基于长期演进（LTE）空口的以及基于5G新空口的两种类型的基站。两种类型基站在覆盖、容量、时延、新业务支持等方面都存在较大的差异。（1）连接到5G核心网的下一代演进型节点（NG-eNB）：该类型基站是在现有的4G网络上进行升级以支持5G的相关特性，因此通常可以认为NG-eNB网络支持多数的业务的连续覆盖。由于该类型基站的物理结构（如天线、帧结构等）仍然采用4G空口，因此其无法支持超低时延、超高速率的业务，无法满足5G定义的全部关键绩效指标（KPI）指标的要求。这种类型的基站对于前传和回传网络的需求基本可以认为与当前的4G无线网络相同。（2）基于5G新空口的下一代节点（gNB）：理论上可以满足5G定义的所有关键绩效指标（KPI）需求及支持所有5G典型业务，相比于NG-eNB，gNB可以支持更高的空口速率，因此这种类型的基站对于前传和回传的带宽和时延都提出了更高的需求。因此针对3GPP新业务的需求以及现网实际情况，运营商在未来的5G部署时需要充分考虑两网的能力特点来选择业务的支撑方案。在标准中gNB的形态包括了类似于4GeNB的一体化基站以及集中单元（CU）/分布单元（DU）分离两种基站类型。

1SA/NSA标准进展

针对4G和5G网络之间的协作关系，3GPP在SI阶段定义了独立部署（SA）和非独立部署（NSA）等不同类型的架构，主要包括Option2、Option3/3a/3x、Option4/4a、Option5、Option7/7a/7x。其中NSA架构主要以3GPPRel-12/13标准中双链接方案为参考进行设计。

1.1Option2（NRSA）

该方案在标准中是一种新空口（NR）独立组网的方案，其架构的特点为：（1）5GNRgNB连接到5G的核心网；（2）NR基站连接到5G核心网。在与现有的4G网络混合部署时，Option1（LegacyLTE）+Option2形成了两张独立的网络，为了保持业务连续性现网LTE和分组核心网（EPC）需要升级去支持跨核心网的移动性。

1.2Option3/3a/3x

本架构在标准上是非独立组网方案之一，也被称为EN-DC方案，其特点是：（1）LTE基站作为控制面的锚点接入到EPC网络中，NR不需要支持S1-C接口和协议；（2）对于Option3，NR作为LTE的一个“新载波”类型接入；（3）3a/3x方案NR需要支持S1接口。该方案已经在2017年11月美国召开的会议中完成标准的冻结。该方案中存在3个子方案：在Option3中，用户面承载锚点位于LTE侧，采用类似于双链接3C方案，该方案通常也被称为主小区组（MCG）分离承载，其中该承载的分组数据汇聚协议（PDCP）采用NRPDCP协议以保证在承载转换过程中终端侧无需进行PDCP版本的变化；在Option3a中，用户面承载通过gNB进行发送，采用类似于双链接1A方案，该方案也被称为辅小区组（SCG）承载；对于Option3x的方案，用户面承载的锚点位于gNB，该方案也被称之为SCG分离承载。其在Rel-15中引入的原因主要有两个：（1）减少NR和LTE之间的Xn接口的前转流量（基站间传输带宽需要满足LTE的峰值流量需求，而MCG分离承载中基站间传输带宽需要支持5G的峰值需求）；（2）考虑到5G高频段（如毫米波）上信号存在不稳定的现象，在NR传输中一旦出现中断，可以利用LTE的覆盖的连续性和稳定性保证用户速率的快速恢复。

1.3Option7/7a/7x

Option7/7a/7x方案与Option3/3a/3x类似，都是一种非独立组网的方案，都采用LTE作为锚点进行控制面和用户面传输。在标准中被称为NGEN-DC方案，计划在2018年6月与Option2一起完成标准的冻结工作。与Option3系列的主要差异在于LTE需要连接到5G核心网，且LTE需要升级支持NG-eNB，包括协议栈上需要支持新的服务质量（QoS）协议层服务发现应用规范（SDAP）、支持NR的PDCP协议、NG/Xn协议等。

1.4Option5

本架构为NG-eNB独立连接到5G的核心网，本架构可以认为是Option7的一个子状态，无论是网络还是终端若要支持Option7系列必须要支持Option5。具体的架构特点为：（1）NG-eNB基站连接到无线接入（NR）核心网，5G终端通过NG-eNB连接到5G核心网；（2）NG-eNB同时连接到4G的EPC，传统4G终端通过NG-eNB连接到4G核心网；Option5需要升级现网LTE以支持其连接到5G核心网，基站协议栈改动相对Option2较多。

1.5Option4/4a

该架构的特点是NRgNB作为锚点接入到5G核心网中。LTE作为NRgNB的一个特殊的载波类型接入，其中对于4a方案LTE需要支持NG-U接口。Option4/4a采用了NR作为锚点，因此通常应用在NR已经连续覆盖的场景中。在当前的3GPPRel-15的标准研究过程中，Option4/4a被列为较低的优先级。

2CU/DU分离的标准进展

2.1分离的需求

对于5GgNB，当前标准中支持CU/DU合设和分离两种部署方案。在合设方案中，一个基站实体上实现的全部的协议栈功能。此架构可适用于密集城区和室内热点场景。对于CU/DU分离架构，5G协议栈中的上层功能位于CU中，而底层协议栈位于DU中。引入CU/DU分离的动机，在3GPP的标准研究过程中主要有如下几个方面：

（1）硬件实现灵活，可实现节省成本；（2）CU和DU分离的架构下可以实现性能和负荷管理的协调、实时性能优化，并易于实现SDN/NFV功能；（3）功能分割可配置能够满足不同应用场景的需求，如传输时延的多变性。在实际部署中采用合适或者分离部署，主要取决于网络部署场景、业务类型以及传输网性能等因素。此外5G网络高速、低时延的特点也对传输网提出了挑战：（1）前传接口带宽需求。考虑到毫米波将支持1GHz系统带宽以及256通道天线。根据现有射频拉远单元（BBU）/远端射频模块（RRU）的功能划分，前传接口带宽要求随着载频频率带宽以及天线通道数量成线性增长的关系。即便在考虑使用64通道、20MHz带宽，仍需要近64Gbit/s的前传接口带宽。（2）传输时延。考虑到当前LTE协议要求用户UE侧与系统侧的混合自动重传请求（HARQ）交互时间是固定的，若将CU/DU功能划分点仍放在HARQ过程中，对CU芯片处理时延和传输设备时延的挑战依然很大；若CU/DU功能切分点放置于HARQ以外，对CU芯片处理时延和传输设备时延的要求有所放宽，但会有过多功能前置于远端位置，将会影响多载波的协作化性能。

结语

5G无线网络为了满足不同业务以及运营商的部署需求，引入了NSA和SA两种4G和5G网络部署方案，以及CU/DU分离的基站架构。本文介绍了当前5G无线网络的标准进展，并结合现有架构分析了5G无线网络架构部署方案，特别针对传输网的需求进行了分析。分析结果表明：5G无线网络对于传输网的带宽和时延都提出了严苛的要求，后续在部署过程中需要根据业务需求和网络发展需要合理规划传输网络以保证5G用户的体验。

参考文献：

[1]许森.5G无线网络架构对传输网的影响.2015.