5G时代网络部署的分析

摘要：5G相比4G对网络连接、带宽、速率的提升达到空前的高度，满足云计算、大数据、人工智能、虚拟增强现实等技术的飞速发展。为了把握5G发展的先机，从核心网侧到无线侧对5G网络架构、设备形态进行深入研究，总结适用于运营商现网情况的5G网络部署建议及部署前期需求准备。

前言

5G无线技术将促进网络速度、容量、效率的提升，增加网络的灵活性、智能化及开放程度。在ITU的报告中，5G明确支持增强移动宽带（eMBB）、海量低功耗连接（mMTC）和低时延高可靠连接（uMTC）三大场景，三大场景中包含了多样化、差异化的应用。5G第1阶段全功能标准化工作已经完成，5G的商用已箭在弦上。

5G的快速发展给运营商带来了发展机遇和挑战。5G频谱、网络架构与4G网络相比差异较大。传统的部署模式已经不能满足5G的需求。本文从核心网侧到无线侧对5G的网络架构进行分析研究，同时调研设备厂家最新设备形态，结合4G现网站址情况给出5G网络部署建议。

5G网络架构

5G组网功能元素可以分为4个层次（见图1）。

图1   5G网络架构

中心级：以控制、管理和调度职能为核心，例如虚拟化功能编排、广域数据中心互连和BOSS系统等，可按需部署于全国节点，实现网络总体的监控和维护。

汇聚级：主要包括控制面网络功能，移动性管理、会话管理、用户数据和策略等。按需部署于省分一级网络。

区域级：主要功能包括数据面网关功能，重点承载业务数据流，可部署于地（市）一级。移动边缘计算功能、业务链功能和部分控制面网络功能也可以下沉到这一级。

接入级：包括无线接入网的CU和DU功能，CU可部署在回传网络的接入层或者汇聚层；DU部署在用户近端。CU和DU间通过增强的低时延传输网络实现多点协作化功能，支持分离或一体化站点的灵活组网。

借助于模块化的功能设计和高效的NFV/SDN平台。在5G组网实现中，上述组网功能元素部署位置无需与实际地理位置严格绑定，可以根据每个运营商的网络规划、业务需求、流量优化、用户体验和传输成本等因素综合考虑，对不同层级的功能加以灵活整合，实现多数据中心和跨地理区域的功能部署。

5G核心网侧部署分析

5G网络系统架构设计原则：实现“融合化”“轻量化”“开放化”的全新网络架构（见图2）。

图2   5G核心网网络架构变化

5G主要分为NSA与SA 2种组网模式。NSA组网架构为4G+5G协同，可以利旧原有EPC，而SA组网架构为新建5G机构，需新建5G核心网。NSA具有一步规划，分布实施，聚焦重点，投资可控的特点，使得NSA组网方成为首选。

目前3GPP规定的NSA的组网方式有Option 3、Option 4、Option 7共3种（见图3）。核心网侧首选Option 3对原有EPC进行改造实现5G。

图3   5GNSA网络架构

EPC升级有3种路径。

路径1：加速虚拟化，3年实现全网EPC虚拟化。升级融合4G的HSS与5G的UDM实现用户签约信息的存储，4G的PCDF与5G的PCF实现QoS控制、额度管理、计费功能。新增SMF网元实现会话管理、UP选择和控制，新增UPF网元实现数据报文路由、转发、检测及QoS处理功能（见图4）。

图4   EPC升级路径一

路径2：融合网元去耦合，EPC升级支持私有接口，5G NGC维持现有各省厂商格局按需部署。升级融合4G的HSS与5G的UDM、4G的PCDF与5G的PCF。原EPC中PGW网元引入私有接口连接5G核心网的SMF与UPF网元。从而规避异厂家4G、5G互操作（见图5）。

图5   5G核心网网络架构

路径3：对于ATCA MME升级支持DECOR，具备识别5G NR接入用户自动将用户转接到vEPC/NGC融合网元的能力，各省的NGC可仅与vEPC部分融合部署。

表1给出了EPC升级路径的对比。结合5G的业务发展及节省投资抢占市场先机的策略，核心网侧采用EPC升级5G的策略，同时选择路径2作为EPC演进路径。

表1   EPC升级路径对比

5G传送侧部署分析

如图6所示，5G传送侧架构与4G有明显区别，分为前传、中传、回传3部分。

图6  5G传送网网络架构

前传采用eCPRI接口，IQ信号经有效采样，分组化，距离1~2 km以内，时延要求高，传输时延小于 100 μs；中传的带宽与回传相当，时延要求不高，小于  3 ms；回传距离在200 km之内，时延与业务要求相关联。

5G传送侧前传：AAU—DU，以光层传输技术为主；中传DU—CU、回传CU—核心网，可以采用同样的传输技术：Pe-OTN技术、UTN技术、WDM技术，这3种技术在网络可靠性、扩展性、业务适应性、业务资源管理以及成本实现难易程度几个方面的对比如表2所示。结合G省联通的实际情况，5G的传送侧选用100G Pe-OTN技术，省市联动，重构OTN/MSTP网络，适应高带宽、低时延的底层承载需求。

表2 传输技术对比

5G无线侧部署分析

基站形态随着基站架构的演变经历了机柜式宏基站、分布式基站、多模基站这几个阶段。

5G众多低时延业务、高流量本地业务要求网关功能下移，网关数量会大大增加，而传统网关CU耦合，配置管理复杂，转发效率低，业务时延大。采用CU-DU分离部署使得复杂控制逻辑与转发分离，复杂控制逻辑与控制面功能融合集中部署，分布式转发功能形成转发模型支持可编程控制。CU是中央单元，负责处理高层协议功能并集中管理多个DU；DU是分布式接入点，负责完成部分底层基带协议及射频处理功能。CU、DU是逻辑功能实体，在5G基站设备实现中存在CU、DU分布在2个不同的设备实体上，也可能集中在1个设备实体上，这与4G设备存在显著差异。同时5G设备将天面集成到AAU中，与独立部署天面的4G设备相比设备更加简化、部署更为灵活（见图7）。

图7 4G与5G基站对比

对3个设备厂家进行5G设备的调研如表3所示，从表3可以看出，受限于5G标准及运营商企标的冻结时间，5G设备普遍存在功耗大、重量重等特点。

表3   主设备厂家5G设备参数

5G的设备参数导致5G部署在空间、动力、承重方面都面临挑战。

空间方面主要是主设备放置的空间、备电蓄电池放置空间、天面架设物的空间。

动力方面，CU/DU、AAU的典型功耗与现网4G设备的差异巨大，现网机房的供电都无法满足当前5G设备的需求；通过跟主设备厂家交流，预计AAU的功耗在后续的研发中能下降到1 000 W左右，CU/DU的典型功耗能下降到750 W左右，届时机房的供电压力将有所缓解。

承重方面主要考虑主设备的承重、备电蓄电池的承重和天面的承重（见表4和表5）。

表4   无线侧空间承重需求

表5   无线侧空间动力需求

通过对目前5G主设备形态的收集研究，结合G市现网的站址情况及其对5G设备的满足度进行了分析（见表6），发现现网站址对5G设备满足度低，5G部署建议提前抢占天面资源以及做相应的电源改造。

表6   现网站址5G满足情况

5G室分研究

G省联通对现网DAS系统各年度的各类器件、馈线进行抽查测试，评估在3.3~6 GHz频段的网络支持情况：现网1/2、7/8馈线基本可支持3.3~5 GHz频段部署，但传输损耗大；现网功分器、耦合器、电桥、合路器、天线等无源器件无法支持3.3~5 GHz频段部署。

存量室分站点业务量集中程度高，20%站点承载了约80%的流量，话务集中程度超过业内经验数据，存量室分站点绝大部分为单通道，各类器件、天线不支持3.3 GHz+频段部署。

对目前的存量室分的改造，目前提出了3种方案。

方案1：合路部署3.3~3.6 GHz，部分站点双路改造；替换原有不符要求的无源器件、天线，将3 GHz信源合路至现有分布系统；对于重要场所/高话务场所进行双路改造。

方案2：存量系统NSA部署，热点区域叠加部署点状NR；存量系统不变，通过NSA的架构将原有系统接入NGC，4G室分搭建底层网络；在高人流量高业务量高价值场景部署点状NR，进行热点覆盖。

方案3：存量系统SA部署，NR全覆盖。

这3种方案各有优缺点，方案2物业协调、工程实施难度低，建设成本低，具有明显优势。

综合考虑物业协调难易程度、工程实施可行性、建设成本、技术复杂性，建议R15版本冻结后采用方案2。

总结

综上所述，本文对目前5G 的发展现状进行了探讨，对5G的网络架构从核心网侧、传送网侧、无线侧与4G进行了对比分析。在核心网侧、传送网侧及室内分布系统领域给出了网络部署演进的思路与方案。根据当前调研的无线设备形态，给出了5G无线侧部署的空间、动力、承重需求。