5G組網與部署探討

王敏 陸曉東 沈少艾

【摘? 要】5G即將正式商用，5G網絡部署與演進已經成為運營商迫切且需要認真思考的問題。分析了5G核心網絡和無線網絡的架構特點，通過綜合評估和分析，提出了中國電信5G網絡架構建議和以“省層面集中部署控制云、CU/DU合一”為核心的5G網絡部署建議。

【關鍵詞】5G-4G協同組網;5G覆蓋;5G部署;獨立組網

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.01.002? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）01-0007-08

引用格式：王敏，陸曉東，沈少艾. 5G組網與部署探討[J]. 移動通信， 2019，43（1）： 7-14.

Discussion on 5G Networking and Deployment

WANG Min， LU Xiaodong， SHEN Shaoai

（China Telecom Co.， Ltd.， Beijing 100140， China）

[Abstract]?The 5G commercial deployment is coming. The deployment and evolution of 5G networks are the problem that should be seriously considered by telecommunication operators. The architecture features of 5G core networks and radio networks are analyzed. By comprehensive evaluation and analysis， the suggestion on 5G network architecture for China Telecom and the suggestion on 5G network deployment based on “the province-level centralized deployment control cloud and CU/DU integration” are put forward.

[Key words]5G-4G cooperative networking; 5G coverage; 5G deployment; SA

1? ?引言

2020年5G即將在中國正式商用。目前，三大運營商都在積極地為5G商用與產業界開展合作，促進5G盡快成熟。5G網絡部署面臨來自頻譜、空口技術、業務場景、網絡架構等多方面的技術問題和挑戰。在頻譜方面，新頻譜將帶來覆蓋變小、成本升高等問題;在空口技術方面，如何配置靈活幀結構以及大規模天線波束規劃、優化是需要深入研究的重要問題;在業務場景方面，需要重點關注業務SLA以及速率、帶寬、時延、QoS問題;在網絡架構方面，明確適合的5G網絡架構以及制定合理的5G規劃部署策略是運營商需要慎重考慮的重大問題。中國電信在2018年上海世界移動大會上發布了《中國電信5G技術白皮書》，這是全球運營商首次發布全面闡述5G技術觀點和總體策略的白皮書。中國電信在白皮書中提出，5G網絡將優先選擇SA方案組網，通過核心網互操作實現4G和5G網絡的協同。

2? ?5G組網策略

2.1? 5G-4G協同組網策略

（1）SA組網與NSA組網分析

從長遠來看，5G系統與4G系統將長期共存，兩者協同提供移動通信服務。因此，5G與4G協同組網是5G時代的必然選擇。

3GPP已經提出了多種5G與4G協同組網方案，主要分為SA（Stand Alone）組網和NSA（Non-Stand Alone）組網兩種模式。其中，NSA組網是指5G控制信令錨定在LTE基站上，通過LTE基站接入EPC或5GC，其目的是借助4G廣覆蓋提供更加穩定的5G控制連接，5G空口只承載用戶數據;SA組網是指5G NR直接接入5GC，5G控制信令和用戶數據均獨立于LTE網絡。

SA組網和NSA組網是面向不同階段的運營商5G部署需求而設計的。NSA組網以成熟的4G商用網絡為基礎，在熱點地區引入5G系統作為容量補充，主要面向eMBB應用場景，是5G初期運營商快速、低成本引入5G系統的有效方式，AT&T、DoCoMo等運營商已經宣布將以NSA組網作為其5G網絡部署的起點。SA組網支持獨立、完整的5G無線接入網和核心網功能，可以提供更加豐富的網絡能力和業務能力，靈活適用eMBB、低時延、高可靠等多種應用場景，并進一步支持垂直行業的差異化需求，因此是5G成熟階段的最佳選擇，也是5G商用網絡未來演進的終極目標。

如圖1所示，依據5G與4G互操作層面的選擇，SA組網模式具體細分為Option2+Option1方案、Option2+Option5和雙連接Option4三種方案。在Option2+Option1方案中，5G系統與4G系統在核心網層面通過N26接口實現互通;在Option2+Option5方案中，5G系統與4G系統統一接入5GC核心網絡;在Option4方案中，5G系統NR是統一的無線控制錨點。

如圖2所示，依據核心網技術選擇，NSA組網模式具體細分為Option3方案和Option7方案。在Option3方案中，LTE基站接入EPC核心網絡;在Option7方案中，LTE基站接入5GC核心網絡。

不同5G與4G協同組網方案在網絡關鍵性能方面各有優劣勢。總體來說，在峰值速率性能方面，SA方案可以實現5G峰值速率，而NSA方案匯聚了4G和5G網絡資源，理論上可以實現4G+5G峰值速率;在切換性能方面，SA Option2+Option1方案需要通過N26接口完成5G-4G切換，其端到端切換時延約為200 ms，SA Option2+Option5方案通過核心網內部接口完成5G-4G切換，切換時延有所下降，而NSA方案通過無線網Xn接口完成5G-4G切換，可以實現更優的切換時延性能。

（2）5G-4G協同策略

5G-4G協同策略選擇需要以5G建網時間為基準點，綜合網絡業務能力、移動用戶綜合業務體驗、5G-4G組網復雜度、終端支持情況等諸多因素，同時參考現場試驗性能測試結果進行慎重規劃和選擇。

1）網絡與終端產業鏈：3GPP第一個NSA版本標準于2017年12月完成，基于高通Snapdragon X50和華為Balong 5G01芯片的NSA智能終端預計于2019年完成;3GPP第一個SA版本標準于2018年中期完成，Option2終端芯片預計于2019年上半年完成，SA終端預計于2019年下半年完成。

2）網絡性能與業務能力：如前文所述，NSA組網模式理論上可以達到4G+5G峰值速率，性能優于SA方案。然而，NSA組網要求5G/4G網絡設備和終端均支持雙連接技術，存在著較高的技術實現難度，其實際性能尚未得到現場測試驗證。同時，NSA終端要求采用雙射頻，支持4G與5G網絡同時連接和雙收雙發，射頻器件非線性等因素將可能導致終端自干擾問題，即上行雙發可能對下行接收產生諧波與互調干擾，造成接收端靈敏度下降，進而影響NSA組網模式的關鍵性能，而SA終端則只需采用單射頻連接4G或5G網絡，不存在自干擾問題。在網絡業務能力方面，提供穩定、高效、靈活、彈性的網絡服務能力是5G時代的核心要求，豐富、靈活的業務創新能力（如切片技術、邊緣計算等）將更有助于更好地提升用戶體驗，有效服務垂直行業，創新商業模式。因此，無論SA模式還是NSA模式，5GC是核心網絡部署的更優技術選擇。

3）投資成本與平滑演進：網絡成本是5G建網的關注重點。NSA組網可以最大化4G網絡價值，降低5G初期建網成本。然而，面向5G長期演進的終極目標網絡，NSA組網需歷經多次網絡升級，進而帶來后續網絡投資成本的持續增加，并可能存在潛在的網絡穩定性風險問題。此外，由于異廠家基站間實現4G/5G雙連接存在很大的難度，因此NSA組網還將不可避免地導致廠家捆綁的困局。

如果考慮2020年建設5G網絡，5G核心網設備已經基本成熟，建議優選5GC核心網方案。雖然Option2產業鏈略滯后于Option3，但考慮到Option3方案需要需要4G和5G基站緊耦合，且后期需要頻繁網絡升級和改動，終端亦不能平滑過渡，對網絡成本、穩定性和關鍵性能都存在潛在的風險，因此建議優先考慮SA Option2+Option1方案。同時，為了避免頻繁互操作，獨立組網應盡量連續覆蓋。

2.2? 5G覆蓋策略

2018年底，工信部向三家運營商發放了5G系統中低頻段試驗頻率許可。其中，中國移動獲得2 600 MHz和4 900 MHz頻段試驗頻率使用許可，中國電信、中國聯通獲得3 500 MHz頻段試驗頻率使用許可。因此，如果中國電信未來在3 500 MHz頻段部署5G商用網絡，需要考慮與1.8 GHz LTE系統的協同覆蓋問題。

5G基站覆蓋距離與電磁波在空間的傳播損耗相關。隨著頻率增加，傳播路徑損耗也隨著增大。在自由空間環境下，3.5 GHz傳播路徑損耗相比1.8 GHz增加約6 dB。在視距環境下，高頻傳輸的信號并不會隨著距離增大而加快衰落。然而，在非視距環境下，由于高頻信號反射與衍射特性增強，散射特性減弱，信號即使在近處也容易因障礙物的遮擋出現快速衰落。通過試驗發現，3.5 GHz信號相比1.8 GHz信號陰影衰落影響大4 dB ～7 dB。

相比基于1.8 GHz的LTE系統，基于3.5 GHz的5G系統的建筑穿透損耗更嚴重。通過試驗發現，基于3.5 GHz的5G系統在室內環境的接收信號強度RSRP弱于LTE系統約8 dB～10 dB，綜合考慮二者RS信號發射功率以及空間傳播損耗差異，實際建筑穿透損耗差值在5 dB～8 dB。

基于3.5 GHz的5G系統室內覆蓋測試數據如表2所示。

受終端發射功率限制等因素，5G覆蓋能力一般取決于上行鏈路。如表3所示，以上行邊緣速率1 Mbit·s-1作為覆蓋目標，通過鏈路預算進行評估，相比基于1.8 GHz的LTE系統，基于3.5 GHz 5G系統在農村區域最大允許路徑損耗差距在3 dB左右，而城區差距在7 dB左右。由此可見，如考慮室外環境，5G受益于多天線接收增益提升、終端發射功率增加以及接收機靈敏度的改善，其覆蓋能力與LTE系統相比差距不大，但室內覆蓋能力明顯下降，估算覆蓋半徑約為LTE的10%～35%。

鑒于上述分析，未來運營商如果在3.5 GHz乃至更高的4.9 GHz頻段進行5G組網覆蓋，需要考慮如下問題：

（1）針對城區等重點區域，建議進行基站增密、確保連續覆蓋。

（2）針對一般區域，總體可以采取與LTE 1：1共站建設，若干弱覆蓋區域采取加站補盲。

（3）在天面具備條件的前提下，優先考慮引入大規模天線，特別是在視距條件較好的郊區與農村區域，采取大規模天線可適當節約建站數量，節約投資。

（4）針對室內覆蓋，建議重點區域加強室內分布系統建設。針對不具備室分條件的樓宇，可考慮通過調整室外基站天線傾角與方位角，實現定向覆蓋，或適當增加基站發射功率，以彌補穿透損耗損失。

3? ?5G部署方案

3.1? 5G核心網部署方案

依照中國電信發布的“三朵云”5G網絡架構，5G網絡控制面將集中部署，用戶面可以依據需求靈活部署，具體考慮大區集中、省層面集中兩種部署方案。

（1）大區控制集中部署

在大區控制集中部署方案中，所有控制面功能集中部署于大區層面，用戶面UPF功能將依據需求靈活部署于省或者地市層面。

如圖4所示，大區控制集中部署的優勢在于集約和統一，具體包括核心控制網元統一部署與管理，信令處理資源共享和全國性業務統一制定發放。同時，控制網元高度集中還有助于減少UE移動過程中AMF/SMF重選帶來的性能影響。大區控制集中部署方案也存在不足和挑戰。首先，大區控制集中部署與4G網絡部署模式不同，將導致5G-4G協同復雜等規劃運營問題;其次，控制面高度集中將直接影響控制面時延性能，可能無法滿足低時延業務需求;最后，控制網元高度集中將消耗大量傳輸網絡資源，且對容災提出了較高的挑戰。

（2）省層面控制集中部署

如圖5所示，在省層面控制集中部署方案中，大部分控制面功能集中部署于省層面，大區層面只部署部分NRF和NEF功能節點，用于實現省際漫游和提供大區層面的網絡能力開放，用戶面UPF功能仍將依據需求靈活部署于省或者地市層面。

省層面控制集中部署方案與4G網絡部署模式一致，可以采用與4G相似的網絡規劃和運營模式，5G-4G協同更易于操作實現。此外，省層面控制集中部署還有助于各省靈活開展5G創新和差異化業務。省層面控制集中部署方案的不足在于網絡資源利用率不高，同時不利用統一集約管理。

3.2? 5G無線網部署方案

為了滿足5G網絡需求，運營商和主設備廠商等提出多種5G無線網絡架構。按照協議功能劃分方式，3GPP標準化組織提出了面向5G的無線接入網功能重構方案，引入CU-DU-AAU架構。在CU-DU-AAU架構下，5G BBU基帶部分拆分成CU和DU兩個邏輯單元，而射頻單元以及部分基帶物理層底層功能與天線共同構成AAU，如圖6所示。

5G無線接入網采取CU、DU、AAU三級架構具有如下優點：

（1）實現集中控制

超密集組網是5G支持超高速率業務的重要手段。根據預測，在5G網絡中，各種無線接入技術（如4G、Wi-Fi、5G）的小功率基站部署密度將達到現有站點密度的十倍以上，形成微微組網的超密集網絡，通過提高單位面積的網絡容量來滿足5G超高流量密度及超高用戶體驗速率的要求[3]。大量無線節點間的干擾協調復雜度將隨節點數量的增加呈指數型增長，通過CU與DU分離，利用CU實現無線資源的集中管理，便于對各節點進行干擾協調，保證網絡性能。

（2）降低傳輸需求

5G引入大帶寬以及多天線技術，如果采取傳統4G BBU與RRU的設備形態，會導致無線網與核心網之間的回傳鏈路以及BBU與RRU之間前傳鏈路對傳輸帶寬的要求大大提高，特別是前傳鏈路對帶寬的需求將對5G傳輸網建設提出嚴峻挑戰。如無線帶寬達到100 M，天線64通道配置，采取CPRI接口，前傳鏈路需要100 G帶寬才能保證5G性能。

5G無線網CU、DU以及AAU三種網元承擔的功能不同，在無線網協議架構中所處的層級也不同。采取Option6的切分方式，將部分物理層功能下沉至遠端，與射頻處理功能集成構建AAU網元，DU與AAU間前傳鏈路采取eCPRI接口，傳輸帶寬可下降至25 G，明顯降低5G大帶寬與多天線對前傳傳輸資源的需求。

5G無線網協議棧切分方式如圖7所示。

（3）實現靈活部署

5G應用場景豐富多樣，不同應用場景對網絡部署存在個性化的需求，需要5G無線網能夠實現針對不同應用場景的靈活部署。傳統4G LTE eNodeB網元形式比較單一，基站具有完整的控制面與用戶面功能，包含了高層無線資源處理協議、底層無線鏈路傳輸協議以及射頻處理功能，設備體積、重量、器件受環境限制較大，工程實施不易。通過將CU、DU乃至AAU分離，可以簡化網元功能，CU可以采用通用硬件平臺搭建，采取云化部署，DU可以采取C-RAN方式集中部署，也可以采取D-RAN方式分布部署，AAU與天線集成后可以上塔，增加了部署靈活性。

5G采取CU與DU分離的新架構形態也存在著一些亟待解決的問題。首先，CU與DU分離后，網絡層級增加，新的網元間需要增加新的接口，網絡復雜度提高，給網絡維護與運營增加了難度。其次，雖然CU與DU分離后，CU與DU承擔的功能減少，但是CU與DU的設備形態與傳統BBU相似，設備體積和功耗并沒有明顯減少，對設備的保障要求也沒有降低。而且，在CU與DU分離后，新增了CU與DU的中傳鏈路，增加了業務處理與傳輸時延，對網絡性能有一定影響。通過試驗發現，與CU/DU合一架構相比，CU/DU分離架構用戶面性能（如Connected狀態的PDCP下行單向傳輸時延）基本相當，但控制面時延受DU設備處理時延影響，時延性能明顯下降。

當前階段，由于DU對實時性能要求高，尚不具備虛擬化的條件，而CU虛擬化成本偏高，缺乏商業競爭力。因此，在5G無線網部署初期，建議優先考慮采取CU與DU合設部署的方案，充分利用CU/DU合設部署方案相對成熟、節省網元等優勢，降低網絡部署成本，減少時延，降低網絡規劃與運維復雜度，縮短建設周期，實現運營商快速建網。

CU與DU合設部署時，可以采用C-RAN，也可以采取D-RAN方式部署，具體包括以下三種場景：

1）C-RAN大集中：CU/DU集中部署在一般機樓/接入匯聚機房，一般位于中繼光纜匯聚層與接入光纜主干層的交界處，大集中點連接基站數可在10～60個范圍內。該場景適用于宏站機房匱乏、接入匯聚機房傳輸資源比較充裕的情況，可以減輕運營商的站址獲取難度，同時節省基站機房配套投資，減少能耗與租金等運營成本。

2）C-RAN小集中：CU/DU集中部署在接入局所（模塊局、PoP點等），一般位于接入光纜主干層與配線層的交界處，小集中點的連接基站數可在5～10個范圍內。該場景適用于部分接入局所具備一定傳輸資源條件，且接入局所在區宏站機房不足的情況。相比C-RAN大集中方式，適應面更廣，便于運營商快速部署，同時可節省基站機房配套投資，減少運營成本。

3）D-RAN：CU/DU分布部署在基站機房，接入基站數在1～3個范圍內。該場景適用于宏站機房資源相對充裕，或匯聚機房與接入局所機房空間或傳輸資源不足的情況。相比C-RAN方式，可以減輕對傳輸的壓力，但該方式對基站機房需求較大，配套投資與后期運營成本較高。

同時，為了有效滿足低時延應用對網絡性能的要求，可以在無線網層面進行優化。依據前期試驗測試結果，相比CU/DU分離方案，CU/DU合設部署方案能夠有效降低控制面時延，但用戶面時延并沒有明顯改善。如果前傳采取光纖直連方式，用戶面單向時延為4 ms左右，與3GPP標準要求基本相當;如果采取其他傳輸方式，就有可能會增大前傳傳輸延遲，難以保證滿足標準要求。因此，我們建議，在光纖資源充足或CU/DU分布式部署的場景，5G前傳方案以光纖直連為主，采用單纖雙向技術;如果光纖資源不足且CU/DU集中部署，可采用基于WDM技術的承載方案。

4? ?結論

本文詳細論述了SA和NSA兩種5G-4G協同組網模式的優劣勢，提出了2020年基于SA Option2+Option1方案建設5G網絡的組網策略建議。針對3.5 GHz頻譜覆蓋性能，綜合理論計算分析和試驗網測試數據，提出了基于3.5 GHz頻段的5G組網覆蓋策略建議。通過對比不同的5G核心網部署方案和5G無線網部署方案，提出了以“省層面集中部署控制云、CU/DU合一”為核心的5G網絡部署建議。

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