無線接入網架構探討

劉亮　陳卓　金巴　黃學艷　劉光毅

為滿足5G多樣化的需求，如何設計靈活、魯棒且支持4G向5G平滑演進的接入網架構是5G需要解決的關鍵問題。從場景和關鍵能力指標出發，首先分析了5G無線接入網設計面臨的挑戰，指出了5G接入網應具備的主要技術特征，然后探討了面向標準化5G接入網架構相關的幾個關鍵功能應如何設計的問題，并針對CU-DU架構分析了各種切分選項的優/劣勢，為移動運營商制定5G網絡演進策略提供技術依據。

5G 接入網架構 集中式單元 分布式單元 前傳接口

1 引言

移動通信已經深刻地改變了人們的生活，但人們對更高性能移動通信的追求從未停止。為了應對未來爆炸性的移動數據流量增長、海量的設備連接以及不斷涌現的各類新業務和應用場景，第五代移動通信（5G）系統將應運而生[1]。

移動互聯網和物聯網是未來移動通信發展的兩大主要驅動力。移動互聯網顛覆了傳統的移動通信業務模式，將為用戶提供增強現實、虛擬現實、超高清（3D）視頻、移動云等更為身臨其境的極致業務體驗。移動互聯網的進一步發展將帶來未來移動流量的指數增長，據IMT-2020預測[2]，我國在2010年到2020年移動數據量將增長300倍以上，2010年到2030年將增長超4萬倍。其中發達城市及熱點地區的移動數據流量增速更快，2010年到2020年上海市的增長率可達600倍，北京熱點區域的增長率達1000倍。另一方面，物聯網擴展了移動通信的服務范圍，從人與人通信延伸到了物與物、人與物的智能互聯，使移動通信技術滲透至垂直行業，移動醫療、車聯網、智能家居、工業控制等將會推動物聯網應用的爆發式增長。根據預測，到2030年，包括物聯網設備在內的全球聯網設備總數將達到1000億量級，其中我國超過200億。

根據移動互聯網和物聯網的業務特征和使用場景，5G主要技術場景可進一步細分為增強移動寬帶（包含連續廣域覆蓋和熱點高容量，eMBB）、低時延高可靠通信（URLLC）和低功耗大連接（mMTC）。ITU和中國IMT-2020推進組針對5G典型的應用場景制定了關鍵能力，包括0.1～1 Gbps的用戶體驗速率，“數十Gbps”的峰值速率，“數十Tbps/km2”的流量密度，一百萬/每平方公里的連接數，毫秒級的端到端時延以及百倍以上能耗提升和單位比特成本降低。

ITU制定的5G典型應用場景和關鍵能力的需求滿足成為通信產業界面臨的關鍵問題。綜合考慮需求、技術發展趨勢以及網絡平滑演進等因素，5G應該同時存在新空口和4G演進空口兩條路線。一方面，LTE/LTE-A作為4G標準，已在全球范圍內大規模部署，中國移動近兩年也建成了世界上最大的TD-LTE網絡，為了保證投資和網絡平滑演進，4G空口將在現有4G框架基礎上持續演進和增強，在保證兼容性的同時實現現有系統性能的進一步提升，在一定程度上滿足5G場景與業務需求。比如，為了滿足eMBB需求，4G演進通過更多的載波聚合和多天線增強，如FD-MIMO、Massive MIMO等技術可實現更高的吞吐率；通過多連接、多RAT融合持續增強技術能帶來更好的異構組網和用戶體驗；為了滿足mMTC場景需求，基于4G的M2M特性，如NB-IoT、eMTC將在技術和能帶來上持續演進和增強，滿足一定場景的需要；為了滿足URLLC場景需求，可以基于現有4G演進LTE-V技術拓展車聯網等場景。但另一方面，受限于4G技術框架的約束，大規模天線、超密集組網、業務智能感知和分發、新波形和多址技術在現有技術框架和網絡架構下難以被采用而潛力未能發揮出來，4G演進無法以低復雜度滿足5G極致性能需求。因此，5G需要突破后向兼容的限制，設計全新的空口，全面滿足5G關鍵指標要求。綜合考慮，5G需要新空口和4G演進空口協同發展。

5G多業務場景需求和關鍵指標能力要求，以及4G演進空口和5G新空口協同發展的訴求給無線接入網設計帶來了諸多挑戰。本文首先從場景、需求和關鍵能力出發探討5G接入網面臨的挑戰，以及應對挑戰接入網應具備的關鍵技術特征，然后從標準化的角度探討5G接入網架構設計應考慮的因素、存在哪些技術路線以及優劣勢分析，主要聚焦接入網與核心網功能劃分，接入網與核心網接口以及接入網內部邏輯架構。

2 5G接入網面臨的挑戰和關鍵技術特征

5G接入網設計需要考慮關鍵能力指標、網絡運營能力和網絡演進要求這3個方面的因素。現有的4G網絡，在網絡運行和滿足5G所提出的業務和能力需求方面，都面臨著新的挑戰。主要包括以下幾個方面：

◆無法為用戶提供一致的良好體驗：在現有網絡架構中，基站之間的交互功能不強或者不夠靈活，無法通過基站間通信實現高效的無線資源調度、移動性管理和干擾協調等功能，導致現有網絡小區中心和邊緣用戶體驗速率差異較大，很難滿足廣域覆蓋下100 Mbps及熱點地區1 Gbps的用戶體驗速率。

◆數據路由和分發手段單一：現有網絡數據均通過核心網轉發，模式單一，由于核心網關部署位置很高，導致業務數據流量向網絡中心匯聚，特別是針對5G熱點區域“數十Tbps/km2”流量密度的場景，對移動回傳網絡造成較大的壓力。此外，現有端到端通信在控制面和數據面需要通過多跳網絡路由，傳輸路徑較長，時延難以有效降低，無法滿足低時延高可靠性業務場景需求。5G網絡需要支持多樣化的數據路由與分發功能、降低業務時延、支持多種回傳機制，優化數據路由，提高傳輸效率。

◆業務感知與開放能力不足：當前無線接入網一直作為“盲管道”存在，缺乏對用戶和業務的感知能力，無法實現精細化管理和最優匹配。

◆網絡協同能力有限：現有網絡只有核心網側的多網協同，由于不同接入技術采用不同的移動性管理、QoS控制，導致互操作中復雜的信令流程出現。另一方面，多制式無法在接入網側進行更緊密的協同，性能達不到最優，尤其未來5G接入網包含4G演進和5G新空口，接入網側協作將更為重要。

5G接入網架構可以通過增強協作控制、優化業務數據分發管理，支持多網融合與多連接，支撐靈活動態的網絡功能和拓撲分布，以及促進網絡能力開放等幾個方面，來提升網絡靈活性、數據轉發性能和用戶體驗、業務的有效結合度，如圖1所示。5G網絡架構會向更扁平、基于控制和轉發進一步分離、可以按照業務需求靈活動態組網的方向演進。運營商將可針對不同的業務、用戶需求，快速靈活按需地實現滿足不同質量業務需求的組網，使網絡整體的效率進一步得到提升。

3 面向標準化5G接入網設計探討

全球范圍內已普遍認為5G將在2020年全面商用，當前，制定全球統一的5G標準已成為業界共同的呼聲。國際電信聯盟（ITU）已經啟動了面向5G標準的研究工作，并明確了IMT-2020（5G）的工作計劃：2015年中完成IMT-2020國際標準前期研究，2016年開展5G技術性能需求和評估方法研究，2017年底啟動5G候選方案征集，2020年底完成標準制定。3GPP作為國際移動通信行業的主要標準組織，將承擔5G國際標準技術內容的制定工作。3GPP R14階段被認為是啟動5G標準研究的最佳時機，R15階段可啟動5G標準工作項目，R16及以后將對5G標準進行完善與增強。在2016年3月的3GPP第71次RAN全會上，會議通過了“Study on New Radio Access Technology”的研究課題，目的是研究面向5G的新無線系統。前面章節通過討論5G的場景和關鍵能力指標需求、5G接入網設計面臨的挑戰，分析了5G接入網架構應該具備的主要特征，本章將詳細探討這些主要特征和設計原則如何在標準化工作中體現。

3.1 接入網功能

5G新系統包含4G演進空口和5G新空口兩條路線，4G系統已在全球范圍內部署，接入網的功能設計比較穩定且具有可借鑒的價值，因此，5G接入網功能應以4G接入網功能作為基準，同時為了滿足5G系統新的場景和業務需求，考慮增加部分接入網新功能。

5G接入網應具備以下基本功能[3]：

◆用戶數據傳輸：提供接入網和核心網接口到空口的數據傳輸能力；

◆空口數據的加/解密：保障空口數據安全，防止信息被他人截獲；

◆完整性保護：用于保證信令在空口傳輸的完整性；

◆頭壓縮：用于減少IP流中報頭開銷；

◆移動性控制功能：管理RAN側切換和雙連接；

◆小區間干擾協調：提供多小區RRM功能，將小區間干擾控制在一定的范圍內；

◆承載建立與釋放：負責接入網連接建立、管理和釋放；

◆負載均衡：處理多小區間不均衡的業務負荷，使得各小區空口資源能夠充分利用；

◆NAS消息的分發：NAS的消息通過RRC消息和S1-AP在接入層進行透傳；

◆接入網共享：該功能使得多個PLMN可以共享接入網；

◆尋呼；

◆定位。

……

除了以上基本功能，為了應對本文提到的網絡所面臨的挑戰，接入網還應新增以下功能：

◆網絡切片服務：不同于傳統的所有場景通用一樣的網絡架構和流程，5G網絡將面向不同業務場景提供定制化的網絡服務，在滿足業務需求的基礎上，實現高的網絡效率。網絡服務的選擇和提供將通過一個通用的、可管可控的網絡基礎設施實現。這種設施可以實現軟件定義、可編程的網絡功能和網絡服務，從而可以幫助實現靈活和可擴展的網絡。網絡切片是端到端定義的，接入網為了支持端到端網絡切片需要具備切片功能以及核心網切片選擇功能。

◆LTE與NR緊互操作：該功能支持LTE和NR間接入網側更加緊密的互操作，如雙連接。

◆NR內多連接：支持終端同時連接NR制式內部多個節點。

◆基于LTE與NR之間接口的跨制式切換：支持通過LTE與NR間接口進行LTE與NR間的小區切換，類似于E-UTRAN基于X2的切換。

◆引入非激活狀態：該狀態是介于空閑態和連接態之間的中間態，主要特征是RAN側連接釋放，可以進行小區選擇/重選、測量等，但RAN側保留UE上下文，例如UE能力、無線側承載特征等，便于UE快速接入網絡。

3.2 接入網和核心網接口

在2020年5G商用之前，4G將會持續演進以滿足日益增長的容量需求。因此，4G演進系統和5G新系統將在很長一段時間內共存和互操作。此外，5G新空口NR如何引入也存在兩種典型的模式，一種是5G NR獨立組網，不依賴于4G eLTE工作；另一種模式是：首先，為了實現網絡快速部署和商用，5G新空口不獨立工作，僅具備數據面功能，依賴于4G eLTE組網，終端采用雙連接，然后網絡再進行二次升級至獨立組網工作。

4G演進系統包含eLTE和EPC，5G新系統包含NR和5G新核心網，考慮到4G和5G系統接入網和核心網的同時存在以及5G新空口引入模式的多樣性，5G接入網和核心網之間的接口具有多種選項，對應著不同的4G向5G的網絡演進路線。

（1）5G NR和eLTE均獨立組網場景下的接入網與核心網接口，如圖2所示。

在圖2（a）中，所有支持eLTE和NR的核心網組件均由EPC提供，因此需要EPC演進支持接入技術無關的功能。該選項雖然具有對既有接入網影響較小的優勢，但是為了支持增強移動寬帶、海量連接和低時延高可靠場景，EPC只能在現有技術框架下升級，具有很小的自由度且效率不高。此外，該選項下NR需要同時支持到EPC和5G新核心網的接口，復雜度較高。

在圖2（b）中，核心網的功能由EPC演進和5G新核心網提供，EPC演進僅支持eLTE，5G新核心網僅支持NR。該選項可以在不影響既有接入網的同時在核心網側引入網絡新技術，如控制面/轉發面分離、網絡功能虛擬化和網絡切片等，然而該優勢只有在存在NR覆蓋的范圍內才能得到體現。如果初期階段NR的覆蓋不好，比如采用較高的頻段，NR和LTE間的切換不可避免，則需要依賴EPC和5G新核心網間的接口實現，這將帶來該接口上較多的信令開銷。

在圖2（c）中，所有支持eLTE和NR的核心網組件均由5G新核心網提供，該選項具有后向兼容性，即僅支持LTE網絡的終端仍可以通過eLTE接入演進的EPC。更為重要的是，在該選項下，由于eLTE和NR均接入到5G新核心網，圖2（b）選項中移動性引起的信令開銷問題在該選項中可以得到很好的解決。但需要指出的是，該選項需要升級LTE eNB同時支持到EPC和5G核心網的連接。

（2）eLTE獨立組網，5G NR非獨立組網場景下的接入網與核心網接口，如圖3所示：

圖3（a）和（b）是eLTE獨立組網但5G NR非獨立組網場景，5G NR依賴于eLTE工作，這兩個選項的差別在于選項圖3（a）eLTE接入至EPC，而圖3（b）中eLTE接入至5G新核心網。終端采用雙連接工作，網絡側雙連接數據分流存在兩種方式，既可以通過基站分流也可以通過核心網側分流。

（3）5G NR獨立組網，eLTE非獨立組網場景下的接入網與核心網接口，如圖4所示：

不管5G NR初期引入采用獨立組網還是非獨立組網，從長期網絡演進角度來看，5G NR終將獨立工作，且5G NR由于具有性能優勢將會漸漸取代eLTE網絡，現有4G系統低頻段頻率也將逐漸翻頻用于5G NR，達到全網覆蓋。因此，當終端均通過5G NR提供控制面連接后，可將eLTE作為輔小區擴展數據通道以充分利用已有eLTE投資，直至eLTE網絡退網。

3.3 接入網邏輯架構

3G系統中接入網邏輯節點由NB和RNC組成，4G邏輯架構設計更加扁平化，僅包含eNB節點。2015年12月份3GPP RAN全會啟動了5G場景和需求研究項目，第71次RAN全會通過的5G場景和需求研究報告明確指出了對5G接入網架構的需求，其中區別于4G接入網的幾個典型需求如下：

◆接入網支持分布式遠端單元（RU，Remote Unit）和集中單元（CU，Central Unit）功能劃分，且支持協議棧功能在CU和DU之間遷移；

◆支持控制面和用戶面分離；

◆接入網內部接口需要開放，能夠支持異廠商間互操作；

◆支持終端同時連接至多個收/發信機節點（多連接）；

◆支持有效的跨基站間的協調調度。

根據上述RAN全會定義的對接入網架構的需求，5G接入網邏輯架構主要存在3種選項，如圖5所示。其中圖5（a）是一種扁平架構，類似于4G接入網架構，而圖5（b）將接入網分為CU和DU邏輯節點。CU是一個集中式節點，能夠控制和協調多個小區，包含協議棧高層控制和數據功能，也可能包含一部分基帶處理功能。DU是分布式單元，實現射頻前端（RRH）功能和其余基帶處理功能，CU和DU之間通過前傳接口連接。圖5（c）將CU的控制面功能和數據面功能進一步劃分，形成控制面節點和用戶面節點。相比于圖5（a）的扁平化架構，圖5（b）和（c）無線網兩級結構的好處在于能夠獲得小區間協作增益，實現集中負載管理；同時高效實現密集組網下的集中控制，比如多連接、密集切換，獲得池化增益，使能NFV/SDN，滿足運營商某些5G場景的部署需求。

3種邏輯架構選項的優缺點分析如表1所示。需要特別指出的是，上述接入網選項僅是邏輯架構，不應排除實際部署時既支持協議棧靈活部署，也需要支持一體化基站部署，以滿足不同場景的需求。

從圖5可以看出，接入網兩級架構CU和DU之間需要接口進行連接，業界廣泛地將其稱為下一代前傳接口（NGFI，Next Generation Fronthaul Interface）[4]。基站通常情況下包括射頻和基帶功能，而后者又由物理層、第二層（MAC、RLC、PDCP等子層）以及第三層（如RRC）等協議功能層構成。CU/DU具有多種切分方案，不同切分方案的適用場景和性能增益均不同，同時對NGFI接口的帶寬、傳輸時延、同步等參數要求也有很大差異。考慮到5G新無線系統的研究項目剛剛啟動，未來5G新空口協議棧如何設計仍不清晰，這里先以4G LTE協議棧作為例子分析各種切分方案的特點以及對傳輸網絡的需求。

圖6給出了CU/DU間的各種切分選項[5]，表2對其中主要幾種切分選項從性能增益、帶寬和時延要求、運維復雜度等方面進行了初步評估。從整體上看，切分越偏向協議棧，底層協作增益越大，運維復雜度越低，但對帶寬和時延的需求越高。

4 結束語

本文從5G場景和關鍵能力指標出發，首先分析了5G無線接入網設計面臨的挑戰，指出了5G接入網應具備的主要技術特征，然后探討了面向標準化5G接入網架構相關的幾個關鍵功能應如何設計，并分析了各種潛在技術路線的優/劣勢。

考慮到5G關鍵能力指標、網絡運營能力和網絡演進等因素，現有的4G網絡在網絡運行和滿足5G所提出的業務和能力需求方面，都面臨著新的挑戰，主要體現在無法為用戶提供一致的良好體驗，數據路由和分發手段單一，業務感知與開放能力不足以及網絡協同能力有限。為了彌補這些不足，5G接入網應具備智能感知和優化、本地數據處理、靈活功能和動態拓撲以及用戶無感知的接入與移動性等關鍵技術特征。

本文從面向標準化的角度分析了接入網功能設計，接入網與核心網接口以及接入網內部邏輯架構。5G接入網功能應以4G接入網功能為基準，并且需要新增部分功能包括LTE和NR緊互操作，支持網絡切片，非激活態狀態以及通過LTE和NR間接口實現跨RAT間移動性。考慮到4G和5G系統接入網和核心網的同時存在以及兩種5G新空口引入模式的選擇，5G接入網和核心網之間的接口具有多種選項，各有優/劣勢，未來將排除哪種選項有賴接入網和核心網相關工作組的進一步討論。3GPP 5G需求研究報告對5G接入網提出了新的需求，為了滿足這些需求，5G接入網邏輯架構可能會出現兩級架構，包含遠端節點和集中節點，且需要支持協議棧在兩個節點間靈活遷移，不同協議棧切分選項對前傳網絡的需求差異也較大，整體上看，切分越偏向協議棧，底層協作增益越大，運維復雜度越低，但對帶寬和時延的需求也越高。未來運營商網絡是否引入該架構，協議棧拆分方案分別適用于哪種場景，對傳輸有哪些需求仍待討論。目前在標準化層面關于集中節點和遠端節點的討論還處于初級階段，兩個節點間協議棧和功能如何劃分以及之間的接口是否需要標準化均是未來接入網架構設計方面需要關注的焦點。

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