5G网络架构有什么特点？对承载网有什么影响？

1 引言

3GPP（3rd Generation Partnership Project）提出了5G网络的无线接入网（RAN）和核心网的新架构，与LTE网络有较大的区别，RAN网络的功能重新划分及部署方式对承载网络的架构将产生较大影响，而5G网络的三大应用场景对网络性能要求的巨大差异，推动核心网切片及分布式部署，也对承载网的架构和性能有较大影响。

本文从承载网络的视角，对比LTE网络架构，对5G网络的架构特点和部署特点进行分析，提出了5G网络设备、部署方式等存在的不确定性，以及这些不确定性对承载网的影响。

2 5G网络架构特点

5G网络架构无论是RAN部分还是核心网部分，都与LTE网络有较大的区别，以下分别从承载网络的视角对LTE和5G的网络架构进行分析比较。

2.1 LTE网络架构特点

LTE RAN网络主要由2个网元组成，分别是RRU和BBU，如图1所示：

图1 LTE网络架构示意图

（1）每个RRU与一个BBU相连，RRU间没有直接连接；

（2）BBU之间的切换可以利用S1接口经核心网（EPC）实现；也可经BBU间的X2接口实现［4］。在实际LTE网络中基站间的切换主要通过S1接口，以简化网络的部署［3］。

根据CPRI接口规范，RAN部署方式有两种：1）分布部署方式，BBU和RRU部署在同一站点，前传属于站内连接；2）集中部署方式，BBU和RRU部署在不同的站点，前传属于站间连接。这两种方式都有比较广泛的应用。

LTE核心网主要包括MME和S-GW两类网元，国内运营商多采用按省集中部署的方式。

2.2 5G网络架构特点

5G RAN网络主要由3个网元组成，分别是AAU、DU、CU，如图2所示：

图2 5G网络架构示意图

（1）DU以星型方式连接多个AAU（也称为“前传”），AAU间没有直接连接需求，AAU和DU之间采用eCPRI接口。

（2）CU以星型方式连接多个DU（也称为“中传”），DU间没有直接连接需求，DU和CU间采用以太网接口。

（3）基站间的切换等功能通过CU间的Xn接口实现［7］。

5G网络RAN的部署方式主要有三种，如图3所示：

（1）分布式RAN （2）DU/CU集中RAN （3）DU、CU分别集中RAN

图3 5G RAN的三种部署方式

（1）分布式部署：AAU、DU和CU部署在相同的站点，前传和中传都属于站内连接。

（2）DU/CU集中部署：AAU与DU/CU部署在不同的站点，DU/CU集中部署在同一站点，前传属于站间连接，中传属于站内连接。

（3）DU和CU分别集中部署：AAU、DU、CU均在不同的站点，前传、中传都属于站间连接。

5G的核心网主要包括控制面（CP）和用户面（UP）两类网元：

（1）控制面（CP）采用云化集中部署，对时延的要求为10 ms［8］，流量也不大，国内运营商选择按省集中部署的方式可能性比较大。

（2）用户面将采用根据业务特点切片部署的方式［2］，根据不同类型的业务的功能、性能等进行网络切片，并分别进行部署，不同切片部署在网络的不同层级。

2.3 LTE和5G网络架构主要差异分析

LTE和5G网络架构的主要差异如表1所示。相比于LTE网络，5G网络部署方式更加多样化，这种多样化的部署方式对实际网络部署，存在较大的不确定性。

表1 LTE和5G网络架构

3 5G网络架构的不确定性及其对承载网的影响

5G网络的架构已经明确，典型5G网络部署的结构示意如图4所示，但落实到设备和部署策略上还有较多的不确定性。

图4 5G网络部署结构示意图

3.1 5G的前传要求与LTE兼容

国内运营商在LTE阶段普遍采用BBU小规模集中部署的方式，这种方式大大降低了网络部署成本，包括基站机房、电源、传输设备等，已经成为国内运营商LTE网络建设的发展趋势。在5G阶段，运营商将会继续采用DU集中部署的方式。

CPRI接口规范定义的前传距离不小于10 km［5］。eCPRI网络规范［6］没有明确前传的目标距离，但定义了前传的单向传输时延应小于100 μs，折算成在光纤上的传输距离应小于20 km。这两者的目标距离比较接近。国内运营商在LTE阶段较多地采用BBU小规模集中部署的方式，BBU-RRU间的距离普遍小于10 km。当5G网络采用图3所示的方式（2）、（3），进行DU集中部署时，DU集中的站点位置与LTE BBU集中的站点位置相同，现有LTE的前传光缆网络可以利用。前传的距离小于10 km，可以利用比较成熟的10 km标准的25 Gbit/s光接口，网络成本也比较低。

但工信部确定的5G网络工作频率是3.3 GHz—3.6 GHz和4.8 GHz—5.0 GHz频段［9］，远高于LTE的2.1 GHz/2.6 GHz频段，因此5G基站的密度预计将是LTE基站的1.5倍左右，运营商在5G部署时期采取何种部署策略（热点部署、区域性连续覆盖等），对前传光缆网络的影响较大，若采用连续覆盖部署的方式，运营商需要大量建设基站接入光缆。

3.2 CU/DU分离部署的不确定性

3GPP提出了CU/DU的分离功能架构，运营商也希望CU能够在更高层面部署（如本地网的汇聚节点，甚至核心节点），简化基站间协同的组织，提高协同效率，同时实现CU与DU的解耦。

目前设备供应商尚不能提供商用化的CU和DU设备，CU和DU是否能够实现分离部署、设备的容量和能力均不确定。

CU、DU能否分离部署将影响到在承载网络上是否存在中传段，基站间的连接数将会有上百倍的差异，对承载网络的结构和路由能力有较大的影响。例如：一个典型城市的汇聚节点数量约30个，POP点的数量约300个。若CU部署在汇聚节点，DU到CU的连接是汇聚型连接，CU间的连接是分布式连接，CU间全mesh连接需要的连接数为435个，在本地承载网的核心汇聚层采用IP网络技术，这种连接是比较容易满足的。若CU部署在POP点，所有POP点间CU分布式连接的数量将达到4.5万个；若每个基站都单独部署CU功能，CU间的连接数量将会更大。这将要求本地承载网的边缘层也必须采用IP网络技术，并且要具有很强的路由能力。

因此，从承载网的角度，也支持CU集中部署。根据上述典型城市的网络结构特点，平均每个汇聚点汇聚的基站数量在100~200个之间，CU可带的基站数量应在200个左右。

3.3 DU的不确定性

5G网络标准提出了DU设备池组化的目标，运营商希望采用DU池组化集中部署的方式，将来自多个基站的业务汇聚后统一传到CU上，可大大提高DU的效率，也有利于基站间协同策略的部署。但DU设备是否能够池组化还不明确，目前厂商能够提供的DU设备基本上还是每个基站一个DU，即便DU集中在一起，也是多台DU设备的堆叠，无法做到基带资源的共享。DU是否池组化，对中传的技术方案的选择将有较大的影响：

（1）池组化DU能够带的基站数量：运营商希望一个POP点的DU池能够将POP点覆盖的基站全部带起来，根据3.2节的典型城市POP点分布，平均每个POP点带的基站数量在10~20个之间（30~60个AAU），因此DU池应能够带20个左右的基站，或者可分成多档（比如5、10、20三档），根据不同POP点的覆盖范围，选择不同的DU池。但现在只有个别厂商有池组化的DU产品路标，池组化DU的容量目标业界尚未达成共识。

（2）DU中传接口的速率和数量：若DU能够池组化，一个带20个基站的DU池仅需2个25 Gbit/s的中传接口，将来自多个基站的业务汇聚收敛后统一传到CU上，每个中传接口的终期带宽利用率可达到60%以上。若DU不能池组化，每个DU仅能够带几个AAU（3~6个），每个DU至少需要一个10 Gbit/s中传接口，终期的带宽利用率将会在30%左右，该端口无法利用中传业务统计复用的特点，提高带宽利用率。DU中传端口数量将是池组化DU的10倍，中传的成本将远高于池组化DU方式。

从承载网的成本考虑，DU池组化对带宽进行汇聚和收敛是非常有价值的。

3.4 CU的不确定性

CU容量的大小决定了CU的数量和部署的位置，对承载网的性能需求也有较大的差异。3.2节提出每个CU应能够汇聚200个左右基站的业务，但业界尚未就CU的容量目标达成一致，这也给承载网的技术选择和方案带来较大的不确定性。

若CU的容量能够达到200个基站左右，则CU可以部署在典型城市的汇聚节点，并汇聚本汇聚节点下的所有基站的业务，DU到CU的中传业务属于典型的点到多点业务模型，可以采用较为简单的一层或二层网络技术，不必采用三层网络技术。若CU的容量较小，在典型城市的汇聚节点，需要部署多台CU才能汇聚本汇聚节点下的所有基站的业务，DU到CU的中传业务属于典型的多点到多点的业务模型，需要中传网络支持一定的三层功能，将提高中传网络的建设成本。

3.5 UP部署的不确定性

核心网UP根据不同的业务特点切片部署已经比较明确，但各个切片部署的位置尚未确定，在5G初期主要是eMBB和mMTC业务。uRLLC相关标准尚未完成，UP-eRLLC部署策略待研究。

eMBB业务单向时延小于10 ms［10］，同时也是5G网络流量最大的部分，基于时延和流量优化的目的，UP-eMBB会从LTE的省集中方式下沉到各个本地网，随着CDN网络的下沉，UP-eMBB甚至会下沉到本地网的汇聚层。目前，国内运营商尚未有UP-eMBB部署在本地网的核心层，依旧采用汇聚层的明确策略。UP-eMBB部署的位置决定UP节点的数量和单个UP网元的容量，同时也影响到5G核心网接入互联网的位置和方案，对承载网性能指标的要求也有较大差异。

mMTC业务对时延不敏感，因此UP-mMTC将在较高层面集中部署，如省集中或大区部署，需要承载网同时提供本地和骨干的承载能力。

4 5G网络部署的建议

业界尚未有全功能5G网络的商用部署案例，5G网络架构和设备形态、部署方式都存在较大的不确定性，这些不确定性将对5G网络的部署方案和成本有巨大影响。本文通过对5G网络部署中一些不确定性问题的分析，提出以下建议：

（1）基站应采用适度规模集中部署方式，充分利用现有LTE网络的前传光缆网络资源，在5G做连续覆盖时，新增基站前传光缆建设应充分利用现有光缆网资源。

（2）DU设备应支持池组化功能，部署在现有POP点，提高基站协同的效率，降低中传网络成本，并能够充分利用现网前传和回传光缆网络资源。建议设备供应商加快开发DU池产品，每个DU池可带的基站数量应在5~20个左右，可分成多档，比如5、10、20等多档，满足不同类型POP点的需要。

（3）CU与DU分离部署是5G网络架构的亮点，将CU部署在汇聚节点，可简化中传技术方案，降低网络成本，并能够大量减少基站间Xn接口的连接数量，降低对回传网络的性能要求。根据对典型城市的站点布局的分析，建议每个CU应能够汇聚200个左右个基站的业务。

（4）核心网用户面可采用切片部署的方式，UP-eMBB在业务质量可保证的情况下，尽量部署在城域核心，设备集中也有利于提高资源效率，减少对本地网数据中心机房数量的要求，同时也减少回传网络对骨干承载网的需求。

5G网络架构的变化，对本地承载网的边缘层（POP点到汇聚点间的网络层级）影响最大，按照上述网络部署架构的建议，仅需要在本地网的核心汇聚层采用三层承载技术，边缘层可以采用一层或二层传输设备（如PeOTN等）组织，降低网络的建设成本和维护成本。

在目前5G技术还存在如此多的不确定性情况下，在2020年进行全国性规模部署还存在以下风险：

（1）5G网络和设备的一些新技术、新功能难以在网络中实现；

（2）未来网络升级采用这些新技术、支持这些新功能的成本比较高，环境代价比较大。

中国几个运营商在3G和LTE阶段都是在其他运营商几年后部署，设备的成熟度和稳定性都比较高，不确定性小，建设成本低，因此运营商能够在2~3年基本建成一张全国连续覆盖的网络。因此，中国运营商若想在5G网络部署领先世界，必须考虑上述不确定性的风险因素，建议适度把握5G部署节奏，降低上述风险的负面影响。

5 结束语

本文通过对LTE和5G网络架构的对比，分析了5G网络架构的特点，对目前5G网络架构、部署方式、设备形态存在的不确定性进行了深入的分析，指出这些不确定性对承载网的影响，提出对这些不确定性因素的发展建议及相应的承载技术方案。