5G無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計探究

麻鵬程 張馨丹

【摘要】? ? 5G是在4G基礎(chǔ)上通過增強性能而產(chǎn)生的，能夠應(yīng)對當(dāng)前更多新的應(yīng)用場景，特別是IOT。為此基于5G的應(yīng)用場景及無線網(wǎng)絡(luò)的接入要求，針對5G無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了分析討論，指出設(shè)計中應(yīng)根據(jù)當(dāng)前技術(shù)實際，選擇合適的無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并預(yù)留充足的升級擴展空間，以便在技術(shù)進(jìn)步后可隨時進(jìn)行升級擴展。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G? ? 無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)? ? 設(shè)計

引言：

5G作為新一代的移動通信網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)速率可能達(dá)到4G的1000倍，這對于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的要求非常高。5G作為一個多場景應(yīng)用的多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，能夠容納已經(jīng)廣泛使用的無線接入技術(shù)和5G本身所具有的技術(shù)手段。隨著5G小規(guī)模商用以來，對5G無線接入網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究進(jìn)入一個新階段，對無線接入網(wǎng)路架構(gòu)設(shè)計、建設(shè)部署的研究成為主要方向。因此本文圍繞5G無線接入網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)，針對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計進(jìn)行著重分析，力圖探討出5G無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計方案。

一、無線接入網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)

5G的出現(xiàn)是移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷積累的產(chǎn)物，從1G開始，經(jīng)過2G、3G、4G和5G，每一代移動通信網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，都是從現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的結(jié)果。因此從1G開始到現(xiàn)在的5G，無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）的本質(zhì)并沒有發(fā)生較大變化。無線接入網(wǎng)絡(luò)部分的起始點是基站，由基站與UE連接，當(dāng)不同區(qū)域兩個UE要進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，信號走向是從UE端通過無線接入網(wǎng)，接入基站，由基站通過有線傳輸網(wǎng)絡(luò)向另一端的基站轉(zhuǎn)發(fā)信號，并由另一端的基站與所需聯(lián)系的UE建立連接。

簡化以下即終端→接入網(wǎng)→承載網(wǎng)→核心網(wǎng)→（另一端）承載網(wǎng)→接入網(wǎng)→終端。整個過程本質(zhì)是編解碼、調(diào)制解調(diào)以及加解密的一個過程，無論標(biāo)準(zhǔn)如何變、設(shè)備如何變、RAN的本質(zhì)不會變。

二、5G無線接入網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用場景

2.1 5G應(yīng)用場景

當(dāng)前是互聯(lián)網(wǎng)+時代，為了滿足互聯(lián)網(wǎng)+業(yè)務(wù)的快速發(fā)展需要，5G無線接入網(wǎng)絡(luò)不再是解決人與人的通信問題，而是要解決人、事、物的廣泛連接。因此5G最典型的應(yīng)用場景是IOT，即物聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)，即internet of things，要實現(xiàn)智能終端設(shè)備和管理平臺之間的廣泛連接，因而需要網(wǎng)絡(luò)具備可移動、靈活的、超大容量的連接能力，而這只有無線網(wǎng)絡(luò)才能實現(xiàn)。LPWA催生出了Lora，sigfox，NB-IOT，eMTC等多種廣域覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)。而這些在5G無線接入網(wǎng)絡(luò)中都是比較典型的技術(shù)手段。在Rel10及以后的標(biāo)準(zhǔn)中，一直在致力于通過聚焦降低設(shè)備成本來提高能夠使用IOT可能場景的數(shù)量，并逐步演化出大規(guī)模IOT和關(guān)鍵IOT。大規(guī)模IOT需要的是更大的容量，更廣的覆蓋，而關(guān)鍵IOT需求更低時延，比如自動駕駛。

更廣泛的連接帶來數(shù)據(jù)的幾何級增長，低功耗的數(shù)據(jù)采集非常關(guān)鍵，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，智慧城市建設(shè)，對數(shù)據(jù)的需求量不斷增大，但對數(shù)據(jù)采集的要求并不特殊，數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高，因此如何兼容低速率數(shù)據(jù)采集需求也是5G無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計需要關(guān)注的問題。

2.2 5G無線接入要求

5G是在4G基礎(chǔ)上擴展提高性能的產(chǎn)物，從應(yīng)用場景角度來講，5G必須具備更高的容量，更高的可靠性，更低的時延，因此強調(diào)無線接入網(wǎng)控制平面與用戶平面的分割，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上要立足網(wǎng)絡(luò)功能，并實現(xiàn)模塊化，進(jìn)而實現(xiàn)更高效的、靈活的調(diào)度能力。出于IOT需要，5G無線接入網(wǎng)要求在移動性、低時延、寬帶速率等方面更強。

移動性作為移動通行網(wǎng)絡(luò)的重要指標(biāo)，是要在滿足系統(tǒng)性能前提下，通信雙方之間能夠達(dá)到的最大移動速度，比如應(yīng)當(dāng)滿足飛機、高速公路、地鐵等超高速移動場景對網(wǎng)絡(luò)的需求，但也應(yīng)當(dāng)兼容非移動場景，如工業(yè)控制。

低時延強調(diào)5G必須要比4G具有更低的延時特性，時延是從發(fā)射端到接收端之間所用的數(shù)據(jù)流動時間間隔，4G時代扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)促使網(wǎng)絡(luò)時延大幅度降低，但依然無法滿足一些特殊應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)需求，比如自動駕駛、增強現(xiàn)實等。5G更低時延，在自動駕駛等低時延應(yīng)用場景中具備優(yōu)勢，最低空口時延要求1ms.而時延高低則主要受網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)模型、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、傳輸資源等的影響。

更快的速率方，5G要達(dá)到0.1～1Gbit/s的基本速率，最高速率至少20Gbit/s，帶寬需求是4G的1000倍以上。IOT的應(yīng)用，要求5G必須具備更大的容量，滿足超大規(guī)模設(shè)備數(shù)量的高速連接且不掉線。

2.3 5G無線接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進(jìn)

目前5G無線接入網(wǎng)絡(luò)是一個三層結(jié)構(gòu)，及CU、DU和AAU，相應(yīng)地網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有三個部分，即前傳、中傳和回傳。當(dāng)然由于無線接入的本質(zhì)依然是端到端的一個連接，基站本身的作用將非常突出，5G基站通常包含BBU、RRU、天線等部分，5G基站與傳統(tǒng)基站不同，主要區(qū)別點在于RRU拉遠(yuǎn)、大規(guī)模天線陣列，5G基站實際是分布式基站，RRU靠近天線，如此造就了D-RAN，分布式無線接入網(wǎng)。如此RRU與饋線的距離縮短，可以有效降低信號衰減問題，且可降低饋線成本，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃更靈活。

從運營商的角度來講，由于BBU集中布置，對機房需求較高，成本壓力大，因此C-RAN被提出，即集中化、云化、協(xié)作化、清潔化的4C集中化無線接入網(wǎng)。當(dāng)然技術(shù)的進(jìn)步還出現(xiàn)了H-CRAN，即異構(gòu)云集中無線接入，該技術(shù)將BBU池和大功率節(jié)點HPN連接，利用LTE宏基站實現(xiàn)無縫覆蓋，BBU池的集中控制功能被剝離出來，接入網(wǎng)利用HPN來實現(xiàn)與核心網(wǎng)的連接。隨著BBU和HPN集成，F(xiàn)-RAN成為另一種更為理想的無線接入網(wǎng)絡(luò)部署方式，在F-RAN中，HPN用來實現(xiàn)控制平面所有UE的控制信令和特定信號，BBU集成信號處理單元，共享信令、數(shù)據(jù)和信道狀態(tài)，若網(wǎng)絡(luò)負(fù)載升高，則只需要升級BBU即可。

從技術(shù)演化的角度看，5G實際上是一個超密集虛擬化網(wǎng)絡(luò)，即講5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在云端，實現(xiàn)核心、基站和終端、中繼轉(zhuǎn)發(fā)的虛擬化。要實現(xiàn)它們是規(guī)劃三朵云，即基于SDN的控制云，基于靈活無線接入的接入云和高性能低成本中繼轉(zhuǎn)發(fā)的轉(zhuǎn)發(fā)云。控制云方面SDN即軟件定義光網(wǎng)絡(luò)是目前公認(rèn)的5G智能化控制核心，SDN的優(yōu)勢非常顯著，特別是在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)虛擬化、流量優(yōu)化與管理方面。接入云方面重點是要支持多種場景應(yīng)用，實現(xiàn)接入資源協(xié)同管理與靈活網(wǎng)絡(luò)功能。轉(zhuǎn)發(fā)云方面由于SDN采取集中控制手段，控制和轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)了解耦，轉(zhuǎn)發(fā)更靠近基站，因此業(yè)務(wù)和轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)了融合。

三、5G無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

3.1設(shè)計原則

5G的應(yīng)用場景揭示各種與傳統(tǒng)無線接入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景完全不同的應(yīng)用形式，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)顯然不足以適應(yīng)新的應(yīng)用，因此根據(jù)前述分析，5G的RAN應(yīng)當(dāng)具備高度靈活性、擴展能力、定制能力，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源靈活調(diào)配和功能靈活部署。

要求，5G的RAN應(yīng)當(dāng)具備高度智能型，承載和控制必須分離，也即實現(xiàn)SDN，技術(shù)上SDN+OTN或SDN+PTN都是可行方案。應(yīng)具備靈活的網(wǎng)元和架構(gòu)配置，物理節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)功能解耦，網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計應(yīng)重點關(guān)注，物理網(wǎng)元采取多種手段靈活設(shè)計，按應(yīng)用場景靈活配置。5G大規(guī)模商用的先決條件是更低的成本而不是技術(shù)，目前來講5G技術(shù)已經(jīng)相對成熟，但成本很高，合理的經(jīng)濟型是設(shè)計方案能夠?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵，所以成本必須是RAN架構(gòu)設(shè)計的首要目標(biāo)。

3.2設(shè)計方案

根據(jù)前文分析，5G網(wǎng)絡(luò)有兩個部分一個部分是有線傳輸網(wǎng)絡(luò)，另一個部分即RAN，這是現(xiàn)有成功商用的典型網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案，在RAN方面則是基于現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)擴展演進(jìn)。由于IPv4地址池基本耗盡，IPv6可實現(xiàn)任意事物之間的連接，IOT的應(yīng)用場景中IPv6將扮演重要角色，而LTE支持IPv6，可以容納更多終端，因此考慮到成本因素，5G的RAN架構(gòu)部署應(yīng)基于現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而不是重新獨立組網(wǎng)。

因此基于D-RAN→C-RAN→H-CRAN→F-RAN的無線接入網(wǎng)演進(jìn)步驟，考慮5G的RAN架構(gòu)中應(yīng)當(dāng)滿足多種形式的無線設(shè)備節(jié)點連接形態(tài)，包括鏈狀連接，如relay，RRU基站級聯(lián)等;傘狀連接，如一個BBU和多個RRU的連接;網(wǎng)狀連接，如基站設(shè)備間的連接等;端到端連接，如D2D直通終端連接等。

在滿足RRU拉遠(yuǎn)，BBU集成云化的邏輯下，5G的RAN將增加新型網(wǎng)關(guān)、終端，設(shè)備平臺能力也將多樣化，在超級基站成本過高的情況下，可考慮D-RAN，也即最初級的5G無線接入網(wǎng)架構(gòu)或C-RAN架構(gòu)。當(dāng)然隨著大規(guī)模天線陣列技術(shù)的進(jìn)步，還可采用室外一體化基站、室內(nèi)微基站等。

在不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景中，承載介質(zhì)不同，承載方式也有差別，一般分有線承載和無線承載兩種，無線承載靈活，成本低，建設(shè)周期短，但是帶寬有限，易被干擾，有線承載穩(wěn)定性強，帶寬充足（SDN+OTN下，隨著OTN設(shè)備性能不斷增強，帶寬將進(jìn)一步增大，用以滿足5G無線接入需求），但建設(shè)成本很高、建設(shè)周期比較長。所以5G的RAN設(shè)計往往會采取有線+無線的方式。并且網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)多樣化，在匯聚網(wǎng)為環(huán)狀結(jié)構(gòu)的情況下，RAN可以靈活部署，考慮多種低功率即插即用基站的部署，能夠帶來更高的靈活性，但是隨著基站部署數(shù)量增加，接入UE增加，對環(huán)狀結(jié)構(gòu)匯聚網(wǎng)以及核心網(wǎng)帶來巨大壓力，例如架設(shè)一個站CIR/PUR速率分別為4Gbit/s和16Gbit/s，基站帶寬均值1Gbit/s，峰值20Gbit/s，若一個環(huán)接入6個站，且一個站達(dá)到峰值，則接入環(huán)需要40Fbit/s的帶寬均值才能滿足，考慮不可能只有6個站，因此至少100Gbit/s才能滿足，而在核心則至少T級別。所以在設(shè)計5G無線接入網(wǎng)時，還需要重點考慮有線網(wǎng)絡(luò)部分的承載能力。

為此，設(shè)計中最好還是考慮F-RAN架構(gòu)，在F-RAN中HPN實現(xiàn)控制品面，為UE提供控制指令與特定信號，BBU集成信號單元，共享信令、數(shù)據(jù)和信道狀態(tài)信息，負(fù)載增大則升級BBU。接入點F-AP基于前傳鏈路實現(xiàn)與BBU的連接，臨近UE基于中繼轉(zhuǎn)發(fā)模式或D2D模式直接連接，BBU集中大規(guī)模協(xié)同多點傳輸，傳輸網(wǎng)依靠PTN或PTN結(jié)合SDN進(jìn)行演進(jìn)，目前中興、華為都有相對成熟的方案可供參考，只需在設(shè)計規(guī)劃中考慮好合適的組網(wǎng)設(shè)備部署即可。

四、結(jié)束語

綜上所述，5G無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計應(yīng)當(dāng)按照當(dāng)前5G技術(shù)演進(jìn)步驟，考慮5G部署實際情況有的放矢地進(jìn)行設(shè)計，并且應(yīng)考慮后續(xù)升級需求，預(yù)留可擴展空間，畢竟當(dāng)前5G技術(shù)尚不是特別成熟，一些技術(shù)還在持續(xù)進(jìn)步。因而需要進(jìn)行超前的規(guī)劃設(shè)計，著重基于應(yīng)用場景的實際需求，考慮現(xiàn)有技術(shù)手段，特別是有線光纖網(wǎng)絡(luò)的承載能力、帶寬、成本等因素選擇最恰當(dāng)?shù)臒o線接入網(wǎng)架構(gòu)形式。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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