張 莉，羅新軍

（1.中國移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司中山分公司，廣東 中山 528405；2.江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

人們對(duì)移動(dòng)通信不斷增長的業(yè)務(wù)需求，推動(dòng)了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)從單一語音業(yè)務(wù)到多媒體業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，如超高清視頻體驗(yàn)、隨時(shí)隨刻在線游戲、VR/AR用戶體驗(yàn)、享受AI便捷、無處不在的穿戴設(shè)備、自動(dòng)駕駛、智能家居、智能交通、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程監(jiān)控、未來領(lǐng)域等。移動(dòng)通信市場及用戶業(yè)務(wù)需求的爆破式增長同當(dāng)前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能力無法達(dá)到之間的矛盾，是當(dāng)前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)。5G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具備高峰值速率、高頻譜效率、高速移動(dòng)性、高密度鏈接、大容量、低時(shí)延、低功耗等關(guān)鍵性能指標(biāo)；超高可靠低時(shí)延通信（uRLLC）適于物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)醫(yī)療等對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延及可靠性要求很高的場景；海量機(jī)器通信（mMTC）具有低功耗大連接等特點(diǎn)，適于車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、智慧城市、環(huán)境監(jiān)測、傳感器等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用；增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）適于熱點(diǎn)、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、超高清3D視頻、高清語音、云辦公、云游戲等高容量應(yīng)用[1]。5G網(wǎng)絡(luò)給用戶帶來的極致體驗(yàn)無處不在。面對(duì)萬物互聯(lián)需求及未來發(fā)展，需要不斷融合多種技術(shù)優(yōu)勢，以應(yīng)對(duì)不同應(yīng)用場景下的多樣化需求，這對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及組網(wǎng)建設(shè)提出了更高要求。

1 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

5G面臨更大容量需求和頻譜資源瓶頸等挑戰(zhàn)。為實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)高容量、低時(shí)延高可靠、低功耗大連接、連續(xù)廣覆蓋等關(guān)鍵指標(biāo)，5G無線網(wǎng)絡(luò)集成了多種關(guān)鍵技術(shù)，主要包括新型空口技術(shù)、場景技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)等[2]。

新型空口技術(shù)主要助力于頻譜效率的提升。大規(guī)模MIMO技術(shù)使用數(shù)量龐大的天線組成天線陣發(fā)送和接收信號(hào)，成倍提升系統(tǒng)頻譜效率，降低小區(qū)間干擾，提升系統(tǒng)性能及容量，動(dòng)態(tài)調(diào)整覆蓋范圍。增強(qiáng)型多載波技術(shù)通過克服OFDM的正交性和CP等的限制和不足，大幅提高了頻譜利用率。高級(jí)調(diào)制編碼技術(shù)通過波分編碼傳輸技術(shù)（OVTDM）、調(diào)頻QAM（FQAM）等提升頻譜效率，實(shí)現(xiàn)了高吞吐率、高頻譜效率和高服務(wù)質(zhì)量的無線傳輸。高級(jí)多址技術(shù)通過在正交資源基礎(chǔ)上疊加更多信息，實(shí)現(xiàn)了更多復(fù)用。

場景技術(shù)主要解決熱點(diǎn)高容量、低時(shí)延高可靠、低功耗大連接等無線組網(wǎng)演進(jìn)帶來的問題。超密集組網(wǎng)技術(shù)基于超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、宏微協(xié)同和高低頻段協(xié)作組網(wǎng)，關(guān)鍵是干擾識(shí)別技術(shù)、干擾控制技術(shù)、虛擬化技術(shù)、無線前傳/回傳（fronthaul/backhaul）技術(shù)、連接增強(qiáng)技術(shù)等。高頻段豐富的可用頻譜資源，傳播特性決定了其路徑損耗大，通過高頻通信技術(shù)滿足5G容量和傳輸速率的需求。終端直連技術(shù)（Device-to-Device，D2D）基于蜂窩系統(tǒng)近距離D2D數(shù)據(jù)直接傳輸，提升了系統(tǒng)頻譜效率，擴(kuò)大了覆蓋范圍，降低了終端功耗，關(guān)鍵是完成了近鄰的發(fā)現(xiàn)、同步、資源管理及調(diào)度等。

5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)獲得了廣泛認(rèn)同，接入網(wǎng)采用異構(gòu)接入混合組網(wǎng)方式，轉(zhuǎn)發(fā)面扁平化，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流從接入側(cè)就近轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）強(qiáng)調(diào)功能而非架構(gòu)，高度重用商用云網(wǎng)絡(luò)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）側(cè)重網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，核心特點(diǎn)是開放性、靈活性和可編程性。多RAT（無線接入技術(shù)）資源協(xié)調(diào)，5G設(shè)備需要多標(biāo)準(zhǔn)支持。網(wǎng)絡(luò)扁平化技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容和交換向網(wǎng)絡(luò)邊緣轉(zhuǎn)移，減小了匯聚節(jié)點(diǎn)的流量壓力，消除了網(wǎng)絡(luò)流量瓶頸。

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)確保了5G關(guān)鍵性能指標(biāo)，構(gòu)建了基于云化、虛擬化、平臺(tái)特性的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，并基于平臺(tái)可進(jìn)行簡單開發(fā)和適配，實(shí)現(xiàn)了各種紛繁復(fù)雜的應(yīng)用及快速部署。這些對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)帶來了新的挑戰(zhàn)，需要更加靈活可靠的無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案。

2 5G基站重構(gòu)及部署策略

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、eMBB、mMTC、uRLLC等多樣化的應(yīng)用場景及超大的前傳帶寬需求等，對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的靈活適應(yīng)能力提出了更高要求，驅(qū)動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展，需要對(duì)5G基站功能進(jìn)行切分和基站架構(gòu)重構(gòu)以應(yīng)對(duì)。根據(jù)5G基站功能處理內(nèi)容的實(shí)時(shí)性不同，基于云化、控制面集中、為多業(yè)務(wù)提供靈活的擴(kuò)展能力、為mMTC提供高效的處理能力、滿足uRLLC業(yè)務(wù)需求等特性，對(duì)5G基站功能進(jìn)行切分，將5G基站重構(gòu)為CU（Centralized Unit）和DU（Distributed Unit）兩個(gè)功能實(shí)體。CU主要負(fù)責(zé)非實(shí)時(shí)無線高層協(xié)議棧功能，并支持部分核心網(wǎng)功能下沉和邊緣應(yīng)用業(yè)務(wù)功能，架構(gòu)向基于IT平臺(tái)的云化方向演進(jìn)；DU主要負(fù)責(zé)物理層功能和實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)需求的層2功能，架構(gòu)向?qū)Ｓ没蚧贗T平臺(tái)演進(jìn)。為節(jié)省傳輸資源，DU部分物理層功能下移到RRU/AAU（Radio Remote Unit/Active Antenna Unit）。為便于4G/5G的融合，4G基站也可重構(gòu)為CU和DU兩個(gè)邏輯網(wǎng)元，部分核心網(wǎng)功能下沉至CU，eNB BBU部分功能下移至RRU/AAU[3-4]。重構(gòu)后的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 重構(gòu)后的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)場景和需求不同，重構(gòu)后的CU/DU可合一部署，也可分開部署。CU通?；谠苹渴鹪谥行臋C(jī)房；DU可以基于集中式或分布式部署，多優(yōu)先采用集中式部署方式，以降低花費(fèi)，且易于協(xié)作，可為站間協(xié)同提供理想時(shí)延、易于實(shí)現(xiàn)CoMP、D-MIMO等功能。集中式部署還具有節(jié)能環(huán)保、動(dòng)態(tài)調(diào)度資源、提高資源利用率、易于演進(jìn)等特點(diǎn)[5-6]。考慮到uRLLC業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延最敏感，同時(shí)從站址和供電方面考慮，采用集中式部署時(shí)，DU集中規(guī)模不宜太大。為保證系統(tǒng)時(shí)延滿足要求，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)通常只設(shè)計(jì)一級(jí)前傳網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)傳輸距離要求嚴(yán)格[7]。DU分布式部署則更適合高頻基站形態(tài)，路徑損耗大，基站形態(tài)小型化，應(yīng)用在熱點(diǎn)覆蓋場景。同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)容量要求高，采用分布式部署能降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的壓力。在5G CU/DU部署時(shí)，需要同時(shí)滿足eMBB和uRLLC的業(yè)務(wù)需求。為了達(dá)到uRLLC業(yè)務(wù)的時(shí)延要求，與uRLLC業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的CU功能必須與DU共址部署。當(dāng)eMBB業(yè)務(wù)和uRLLC業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的CU不在一個(gè)地點(diǎn)時(shí)，兩個(gè)CU之間需要準(zhǔn)時(shí)地協(xié)同調(diào)度資源。此時(shí)，這對(duì)Midhaul時(shí)延有很高要求。

3 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署方案

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署方案不僅要考慮5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、頻譜策略及其架構(gòu)的特點(diǎn)，還要考慮與現(xiàn)有2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的融合[8-9]。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署方案與5G頻譜策略密切相關(guān)，5G網(wǎng)絡(luò)頻段基本確定采用低頻和高頻共存，其應(yīng)用策略是6 GHz以下低頻用于滿足5G網(wǎng)絡(luò)宏覆蓋需求。3.5 GHz作為5G主流的低頻頻段，需要特別考慮與其他系統(tǒng)的共存問題，如無線電定位、衛(wèi)星業(yè)務(wù)等。6 GHz以上高頻用于滿足5G網(wǎng)絡(luò)容量及連續(xù)大帶寬需求，如26 GHz、40 GHz頻率等。各種頻譜應(yīng)用場景如表1所示。

表1 5G網(wǎng)絡(luò)頻段應(yīng)用場景

在5G典型業(yè)務(wù)場景中，uRLLC對(duì)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延敏感、可靠性要求高；mMTC要求網(wǎng)絡(luò)能夠接入海量終端，終端低功耗、低成本。針對(duì)uRLLC/mMTC場景特點(diǎn)，優(yōu)先選擇6 GHz以下低頻，穿透能力強(qiáng)，路損小，實(shí)現(xiàn)了5G網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)廣覆蓋。eMBB要求超大容量、傳輸帶寬要求高，在采用6 GHz以下低頻段，結(jié)合5G低頻新空口技術(shù)、實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)宏覆蓋的基礎(chǔ)上，采用6 GHz以上高頻段，滿足熱點(diǎn)及大容量區(qū)域需求，也可對(duì)已有2G、3G頻段重耕，做深做厚5G網(wǎng)絡(luò)。在采用5G高低頻率進(jìn)行混合網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)，需特別考慮高低頻的協(xié)同[10]。

根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)控制面錨點(diǎn)的不同及4G、5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的融合需求，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署方式可分為獨(dú)立部署（Standalone：SA）和非獨(dú)立部署（Nonstandalone：NSA）。SA以5G新無線接口（NR）做為控制面錨點(diǎn)接入下一代核心網(wǎng)（NGC），需要同時(shí)部署NR和NGC，對(duì)現(xiàn)有2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)無影響，典型部署方式有Option2/4/4a。NSA將5G NR的部署以LTE eNB為控制面錨點(diǎn)接入EPC，或以LTE eNB為控制面錨點(diǎn)接入NGC，無需部署NR即可實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)，但需要對(duì)現(xiàn)網(wǎng)LTE改造，典型部署方式有Option3/3a/7/7a。各種部署方式特點(diǎn)如表2所示。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署方式的選擇需根據(jù)產(chǎn)業(yè)成熟度和頻譜情況綜合考慮。擁有5G低頻頻譜，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)NR連續(xù)覆蓋場景。SA產(chǎn)業(yè)成熟，可優(yōu)先采用Option2方式建網(wǎng)，引入簡單，不影響現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，可快速驗(yàn)證5G性能。對(duì)于5G低頻頻譜獲取困難，NR處于非連續(xù)覆蓋場景，SA產(chǎn)業(yè)尚未成熟，建議采用Option7或Option3方式建網(wǎng)，Option7方式可實(shí)現(xiàn)5G功能，利于網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，適合在NGC產(chǎn)業(yè)成熟度高時(shí)引入，Option3無法實(shí)現(xiàn)5G新業(yè)務(wù)，適合建網(wǎng)初期引入。

4 結(jié) 語

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中將控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面分離，進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)管理，以SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）驅(qū)動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。面對(duì)CU云化、控制面集中網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特點(diǎn)及eMBB、mMTC、uRLLC等多樣化應(yīng)用場景，5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中連接的終端數(shù)量會(huì)大幅度提升，對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延也提出了更高要求，需要5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組網(wǎng)策略及方案具備智能化的自感知、自調(diào)整能力及高度的靈活性。5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組網(wǎng)方案基于5G網(wǎng)絡(luò)頻段的選擇，針對(duì)不同應(yīng)用場景，考慮4G、5G網(wǎng)絡(luò)融合及運(yùn)營商部署要求，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署方式。隨著5G RAN切分標(biāo)準(zhǔn)的不斷進(jìn)展，基于CU/DU的高層切分及DU/AAU的低層切分方案逐步明朗，后續(xù)需在實(shí)踐中對(duì)CU、DU的最佳部署方案做進(jìn)一步檢驗(yàn)。

表2 各種5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署方式特點(diǎn)

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