5G時(shí)代網(wǎng)絡(luò)部署的分析

摘要：5G相比4G對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接、帶寬、速率的提升達(dá)到空前的高度，滿足云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的飛速發(fā)展。為了把握5G發(fā)展的先機(jī)，從核心網(wǎng)側(cè)到無(wú)線側(cè)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、設(shè)備形態(tài)進(jìn)行深入研究，總結(jié)適用于運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)網(wǎng)情況的5G網(wǎng)絡(luò)部署建議及部署前期需求準(zhǔn)備。

前言

5G無(wú)線技術(shù)將促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)速度、容量、效率的提升，增加網(wǎng)絡(luò)的靈活性、智能化及開放程度。在ITU的報(bào)告中，5G明確支持增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、海量低功耗連接（mMTC）和低時(shí)延高可靠連接（uMTC）三大場(chǎng)景，三大場(chǎng)景中包含了多樣化、差異化的應(yīng)用。5G第1階段全功能標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)完成，5G的商用已箭在弦上。

5G的快速發(fā)展給運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)了發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。5G頻譜、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與4G網(wǎng)絡(luò)相比差異較大。傳統(tǒng)的部署模式已經(jīng)不能滿足5G的需求。本文從核心網(wǎng)側(cè)到無(wú)線側(cè)對(duì)5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行分析研究，同時(shí)調(diào)研設(shè)備廠家最新設(shè)備形態(tài)，結(jié)合4G現(xiàn)網(wǎng)站址情況給出5G網(wǎng)絡(luò)部署建議。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G組網(wǎng)功能元素可以分為4個(gè)層次（見(jiàn)圖1）。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

中心級(jí)：以控制、管理和調(diào)度職能為核心，例如虛擬化功能編排、廣域數(shù)據(jù)中心互連和BOSS系統(tǒng)等，可按需部署于全國(guó)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)總體的監(jiān)控和維護(hù)。

匯聚級(jí)：主要包括控制面網(wǎng)絡(luò)功能，移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、用戶數(shù)據(jù)和策略等。按需部署于省分一級(jí)網(wǎng)絡(luò)。

區(qū)域級(jí)：主要功能包括數(shù)據(jù)面網(wǎng)關(guān)功能，重點(diǎn)承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，可部署于地（市）一級(jí)。移動(dòng)邊緣計(jì)算功能、業(yè)務(wù)鏈功能和部分控制面網(wǎng)絡(luò)功能也可以下沉到這一級(jí)。

接入級(jí)：包括無(wú)線接入網(wǎng)的CU和DU功能，CU可部署在回傳網(wǎng)絡(luò)的接入層或者匯聚層；DU部署在用戶近端。CU和DU間通過(guò)增強(qiáng)的低時(shí)延傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)協(xié)作化功能，支持分離或一體化站點(diǎn)的靈活組網(wǎng)。

借助于模塊化的功能設(shè)計(jì)和高效的NFV/SDN平臺(tái)。在5G組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)中，上述組網(wǎng)功能元素部署位置無(wú)需與實(shí)際地理位置嚴(yán)格綁定，可以根據(jù)每個(gè)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、業(yè)務(wù)需求、流量?jī)?yōu)化、用戶體驗(yàn)和傳輸成本等因素綜合考慮，對(duì)不同層級(jí)的功能加以靈活整合，實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)中心和跨地理區(qū)域的功能部署。

5G核心網(wǎng)側(cè)部署分析

5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)原則：實(shí)現(xiàn)“融合化”“輕量化”“開放化”的全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（見(jiàn)圖2）。

圖2 5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變化

5G主要分為NSA與SA 2種組網(wǎng)模式。NSA組網(wǎng)架構(gòu)為4G+5G協(xié)同，可以利舊原有EPC，而SA組網(wǎng)架構(gòu)為新建5G機(jī)構(gòu)，需新建5G核心網(wǎng)。NSA具有一步規(guī)劃，分布實(shí)施，聚焦重點(diǎn)，投資可控的特點(diǎn)，使得NSA組網(wǎng)方成為首選。

目前3GPP規(guī)定的NSA的組網(wǎng)方式有Option 3、Option 4、Option 7共3種（見(jiàn)圖3）。核心網(wǎng)側(cè)首選Option 3對(duì)原有EPC進(jìn)行改造實(shí)現(xiàn)5G。

圖3 5GNSA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

EPC升級(jí)有3種路徑。

路徑1：加速虛擬化，3年實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)EPC虛擬化。升級(jí)融合4G的HSS與5G的UDM實(shí)現(xiàn)用戶簽約信息的存儲(chǔ)，4G的PCDF與5G的PCF實(shí)現(xiàn)QoS控制、額度管理、計(jì)費(fèi)功能。新增SMF網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)會(huì)話管理、UP選擇和控制，新增UPF網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)文路由、轉(zhuǎn)發(fā)、檢測(cè)及QoS處理功能（見(jiàn)圖4）。

圖4 EPC升級(jí)路徑一

路徑2：融合網(wǎng)元去耦合，EPC升級(jí)支持私有接口，5G NGC維持現(xiàn)有各省廠商格局按需部署。升級(jí)融合4G的HSS與5G的UDM、4G的PCDF與5G的PCF。原EPC中PGW網(wǎng)元引入私有接口連接5G核心網(wǎng)的SMF與UPF網(wǎng)元。從而規(guī)避異廠家4G、5G互操作（見(jiàn)圖5）。

圖5 5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

路徑3：對(duì)于ATCA MME升級(jí)支持DECOR，具備識(shí)別5G NR接入用戶自動(dòng)將用戶轉(zhuǎn)接到vEPC/NGC融合網(wǎng)元的能力，各省的NGC可僅與vEPC部分融合部署。

表1給出了EPC升級(jí)路徑的對(duì)比。結(jié)合5G的業(yè)務(wù)發(fā)展及節(jié)省投資搶占市場(chǎng)先機(jī)的策略，核心網(wǎng)側(cè)采用EPC升級(jí)5G的策略，同時(shí)選擇路徑2作為EPC演進(jìn)路徑。

表1 EPC升級(jí)路徑對(duì)比

5G傳送側(cè)部署分析

如圖6所示，5G傳送側(cè)架構(gòu)與4G有明顯區(qū)別，分為前傳、中傳、回傳3部分。

圖6 5G傳送網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

前傳采用eCPRI接口，IQ信號(hào)經(jīng)有效采樣，分組化，距離1~2 km以內(nèi)，時(shí)延要求高，傳輸時(shí)延小于 100 μs；中傳的帶寬與回傳相當(dāng)，時(shí)延要求不高，小于 3 ms；回傳距離在200 km之內(nèi)，時(shí)延與業(yè)務(wù)要求相關(guān)聯(lián)。

5G傳送側(cè)前傳：AAU—DU，以光層傳輸技術(shù)為主；中傳DU—CU、回傳CU—核心網(wǎng)，可以采用同樣的傳輸技術(shù)：Pe-OTN技術(shù)、UTN技術(shù)、WDM技術(shù)，這3種技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)可靠性、擴(kuò)展性、業(yè)務(wù)適應(yīng)性、業(yè)務(wù)資源管理以及成本實(shí)現(xiàn)難易程度幾個(gè)方面的對(duì)比如表2所示。結(jié)合G省聯(lián)通的實(shí)際情況，5G的傳送側(cè)選用100G Pe-OTN技術(shù)，省市聯(lián)動(dòng)，重構(gòu)OTN/MSTP網(wǎng)絡(luò)，適應(yīng)高帶寬、低時(shí)延的底層承載需求。

表2 傳輸技術(shù)對(duì)比

5G無(wú)線側(cè)部署分析

基站形態(tài)隨著基站架構(gòu)的演變經(jīng)歷了機(jī)柜式宏基站、分布式基站、多?；具@幾個(gè)階段。

5G眾多低時(shí)延業(yè)務(wù)、高流量本地業(yè)務(wù)要求網(wǎng)關(guān)功能下移，網(wǎng)關(guān)數(shù)量會(huì)大大增加，而傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)CU耦合，配置管理復(fù)雜，轉(zhuǎn)發(fā)效率低，業(yè)務(wù)時(shí)延大。采用CU-DU分離部署使得復(fù)雜控制邏輯與轉(zhuǎn)發(fā)分離，復(fù)雜控制邏輯與控制面功能融合集中部署，分布式轉(zhuǎn)發(fā)功能形成轉(zhuǎn)發(fā)模型支持可編程控制。CU是中央單元，負(fù)責(zé)處理高層協(xié)議功能并集中管理多個(gè)DU；DU是分布式接入點(diǎn)，負(fù)責(zé)完成部分底層基帶協(xié)議及射頻處理功能。CU、DU是邏輯功能實(shí)體，在5G基站設(shè)備實(shí)現(xiàn)中存在CU、DU分布在2個(gè)不同的設(shè)備實(shí)體上，也可能集中在1個(gè)設(shè)備實(shí)體上，這與4G設(shè)備存在顯著差異。同時(shí)5G設(shè)備將天面集成到AAU中，與獨(dú)立部署天面的4G設(shè)備相比設(shè)備更加簡(jiǎn)化、部署更為靈活（見(jiàn)圖7）。

圖7 4G與5G基站對(duì)比

對(duì)3個(gè)設(shè)備廠家進(jìn)行5G設(shè)備的調(diào)研如表3所示，從表3可以看出，受限于5G標(biāo)準(zhǔn)及運(yùn)營(yíng)商企標(biāo)的凍結(jié)時(shí)間，5G設(shè)備普遍存在功耗大、重量重等特點(diǎn)。

表3 主設(shè)備廠家5G設(shè)備參數(shù)

5G的設(shè)備參數(shù)導(dǎo)致5G部署在空間、動(dòng)力、承重方面都面臨挑戰(zhàn)。

空間方面主要是主設(shè)備放置的空間、備電蓄電池放置空間、天面架設(shè)物的空間。

動(dòng)力方面，CU/DU、AAU的典型功耗與現(xiàn)網(wǎng)4G設(shè)備的差異巨大，現(xiàn)網(wǎng)機(jī)房的供電都無(wú)法滿足當(dāng)前5G設(shè)備的需求；通過(guò)跟主設(shè)備廠家交流，預(yù)計(jì)AAU的功耗在后續(xù)的研發(fā)中能下降到1 000 W左右，CU/DU的典型功耗能下降到750 W左右，屆時(shí)機(jī)房的供電壓力將有所緩解。

承重方面主要考慮主設(shè)備的承重、備電蓄電池的承重和天面的承重（見(jiàn)表4和表5）。

表4 無(wú)線側(cè)空間承重需求

表5 無(wú)線側(cè)空間動(dòng)力需求

通過(guò)對(duì)目前5G主設(shè)備形態(tài)的收集研究，結(jié)合G市現(xiàn)網(wǎng)的站址情況及其對(duì)5G設(shè)備的滿足度進(jìn)行了分析（見(jiàn)表6），發(fā)現(xiàn)現(xiàn)網(wǎng)站址對(duì)5G設(shè)備滿足度低，5G部署建議提前搶占天面資源以及做相應(yīng)的電源改造。

表6 現(xiàn)網(wǎng)站址5G滿足情況

5G室分研究

G省聯(lián)通對(duì)現(xiàn)網(wǎng)DAS系統(tǒng)各年度的各類器件、饋線進(jìn)行抽查測(cè)試，評(píng)估在3.3~6 GHz頻段的網(wǎng)絡(luò)支持情況：現(xiàn)網(wǎng)1/2、7/8饋線基本可支持3.3~5 GHz頻段部署，但傳輸損耗大；現(xiàn)網(wǎng)功分器、耦合器、電橋、合路器、天線等無(wú)源器件無(wú)法支持3.3~5 GHz頻段部署。

存量室分站點(diǎn)業(yè)務(wù)量集中程度高，20%站點(diǎn)承載了約80%的流量，話務(wù)集中程度超過(guò)業(yè)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，存量室分站點(diǎn)絕大部分為單通道，各類器件、天線不支持3.3 GHz+頻段部署。

對(duì)目前的存量室分的改造，目前提出了3種方案。

方案1：合路部署3.3~3.6 GHz，部分站點(diǎn)雙路改造；替換原有不符要求的無(wú)源器件、天線，將3 GHz信源合路至現(xiàn)有分布系統(tǒng)；對(duì)于重要場(chǎng)所/高話務(wù)場(chǎng)所進(jìn)行雙路改造。

方案2：存量系統(tǒng)NSA部署，熱點(diǎn)區(qū)域疊加部署點(diǎn)狀NR；存量系統(tǒng)不變，通過(guò)NSA的架構(gòu)將原有系統(tǒng)接入NGC，4G室分搭建底層網(wǎng)絡(luò)；在高人流量高業(yè)務(wù)量高價(jià)值場(chǎng)景部署點(diǎn)狀NR，進(jìn)行熱點(diǎn)覆蓋。

方案3：存量系統(tǒng)SA部署，NR全覆蓋。

這3種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，方案2物業(yè)協(xié)調(diào)、工程實(shí)施難度低，建設(shè)成本低，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

綜合考慮物業(yè)協(xié)調(diào)難易程度、工程實(shí)施可行性、建設(shè)成本、技術(shù)復(fù)雜性，建議R15版本凍結(jié)后采用方案2。

總結(jié)

綜上所述，本文對(duì)目前5G 的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了探討，對(duì)5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)從核心網(wǎng)側(cè)、傳送網(wǎng)側(cè)、無(wú)線側(cè)與4G進(jìn)行了對(duì)比分析。在核心網(wǎng)側(cè)、傳送網(wǎng)側(cè)及室內(nèi)分布系統(tǒng)領(lǐng)域給出了網(wǎng)絡(luò)部署演進(jìn)的思路與方案。根據(jù)當(dāng)前調(diào)研的無(wú)線設(shè)備形態(tài)，給出了5G無(wú)線側(cè)部署的空間、動(dòng)力、承重需求。