5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展

曹亙++李佳俊++李軼群++李福昌

【摘 要】為了研究5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)升級(jí)演進(jìn)的影響，介紹了3GPP在5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展。根據(jù)5G系統(tǒng)典型部署場(chǎng)景和關(guān)鍵指標(biāo)，研究了5G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)和八種候選組網(wǎng)方案，分析了5G協(xié)議棧功能需求。探討了未來電信運(yùn)營商4G和5G網(wǎng)絡(luò)在無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)部署的策略及技術(shù)演進(jìn)路線。

【關(guān)鍵詞】5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 5G與LTE緊耦合 運(yùn)營商5G部署策略

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2017.02.007 中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-1010（2017）02-0032-06

引用格式：曹亙，李佳俊，李軼群，等. 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展[J]. 移動(dòng)通信， 2017，41（2）： 32-37.

1 引言

3GPP于2016年初啟動(dòng)5G標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)研究，5G標(biāo)準(zhǔn)劃分為兩個(gè)階段：2016年至2018年9月完成R15標(biāo)準(zhǔn)制定，滿足5G初期的韓國等地區(qū)迫切的商業(yè)部署需求；2020年3月，3GPP將完成R16標(biāo)準(zhǔn)制定，滿足全部IMT2020提出的5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展目標(biāo)和應(yīng)用用例需求。5G標(biāo)準(zhǔn)制定需要滿足4G系統(tǒng)的前向兼容性要求，特別是在5G網(wǎng)絡(luò)部署初期，4G核心網(wǎng)必須要支持5G基站接入。

全球運(yùn)營商對(duì)5G試商用/商用網(wǎng)絡(luò)部署有強(qiáng)烈訴求，韓國計(jì)劃于2018年平昌冬奧會(huì)，日本計(jì)劃于2020年東京奧運(yùn)會(huì)分別開通5G試商用/商用網(wǎng)絡(luò)。國內(nèi)由工信部牽頭，三大運(yùn)營商和主設(shè)備廠商推動(dòng)成立了IMT2020推進(jìn)組，共同推動(dòng)國內(nèi)5G關(guān)鍵技術(shù)研究和驗(yàn)證、產(chǎn)業(yè)合作等工作，加快國內(nèi)5G商用進(jìn)程。

2 5G典型部署場(chǎng)景及業(yè)務(wù)要求

2.1 5G部署場(chǎng)景及指標(biāo)需求

2015年12月3GPP RAN70次全會(huì)，通過了下一代無線接入技術(shù)的場(chǎng)景及需求的研究立項(xiàng)[1]。ITU-R IMT 2020 and beyond定義三種5G應(yīng)用場(chǎng)景，分別是移動(dòng)寬帶增強(qiáng)（eMBB，enhanced Mobile Broadband）、大連接的機(jī)器類型通信（mMTC，massive Machine Type Communications）、低時(shí)延高可靠通信（URLLC，Ultra-Reliable and Low Latency Communications）。上述三種業(yè)務(wù)不僅是現(xiàn)有移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的延續(xù)發(fā)展，也考慮了未來5G新業(yè)務(wù)需求。經(jīng)過大量討論和論證，5G系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注如下典型部署場(chǎng)景：室內(nèi)熱點(diǎn)、密集城區(qū)、郊區(qū)、城區(qū)、高鐵、超遠(yuǎn)覆蓋、大連接、高速公路、空地通信等。5G基站由于部署場(chǎng)景的差別，站間距考慮從20 m至5 km的覆蓋范圍，支持用戶移動(dòng)速率范圍從3 km/h至500 km/h。

5G部署頻段需要考慮低頻段（低于4 GHz）和高頻段（20 GHz）混合組網(wǎng)場(chǎng)景。為滿足不同傳輸帶寬、時(shí)延、移動(dòng)性等各典型場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需求，5G候選頻譜資源需要繼續(xù)挖掘低頻段頻譜資源的潛力，同時(shí)，向高頻段尋找更多可用頻譜資源，以支持高達(dá)200 MHz甚至1 GHz的頻帶需求。5G高頻段有利于多天線技術(shù)應(yīng)用，高頻段在多天線傳輸（高達(dá)256根天線）方面比低頻段有更大的傳播特性優(yōu)勢(shì)。

2.2 5G業(yè)務(wù)指標(biāo)需求

與4G相比，5G業(yè)務(wù)指標(biāo)要求有很大的提高。5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了滿足三大未來業(yè)務(wù)方向需求，數(shù)據(jù)峰值速率、頻譜效率、頻帶寬度、移動(dòng)性、業(yè)務(wù)能力等關(guān)鍵性能指標(biāo)都有大幅提高。同時(shí)，為了滿足mMTC、URLLC等新業(yè)務(wù)需求，制定了單位面積連接數(shù)、終端能耗、控制面/用戶面時(shí)延等新指標(biāo)要求。

為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)各種典型場(chǎng)景的需求，3GPP定義了相對(duì)完善的關(guān)鍵系統(tǒng)性能指標(biāo)。主要性能指標(biāo)如表1所示：

3 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及功能要求

3.1 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)總體要求

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)總體需求明確規(guī)定了支持多系統(tǒng)制式、統(tǒng)一鑒權(quán)架構(gòu)、終端多系統(tǒng)同時(shí)接入能力、無線與核心網(wǎng)獨(dú)立演進(jìn)、控制面和用戶面功能分離、IP/非IP/以太網(wǎng)傳輸、NFV/SDN等新技術(shù)，以提供更好的移動(dòng)業(yè)務(wù)體驗(yàn)、降低終端功耗、業(yè)務(wù)靈活配置等更高的業(yè)務(wù)服務(wù)能力[3]。5G網(wǎng)絡(luò)高層的參考設(shè)計(jì)架構(gòu)包括下一代終端（NG UE）、下一代無線接入網(wǎng)（NG RAN）、下一代核心網(wǎng)（NR Core）以及相應(yīng)的參考節(jié)點(diǎn)，具體如圖1所示：

其中，各參考節(jié)點(diǎn)定義如下：

（1）NG1：NG UE與NG Core之間控制面參考節(jié)點(diǎn)；

（2）NG2：NG RAN與NG Core之間控制面參考節(jié)點(diǎn)；

（3）NG3：NG RAN與NG Core之間用戶面參考節(jié)點(diǎn)；

（4）NG6：NG Core與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（Data network）之間的參考節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)可是公有或者專有數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)或者運(yùn)營商自營的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

5G核心網(wǎng)與接入網(wǎng)參考架構(gòu)如圖2所示[4]，5G核心網(wǎng)支持LTE演進(jìn)基站（eLTE eNB）和5G基站（gNB）接入，5G核心網(wǎng)和無線接入網(wǎng)之間的接口需要支持控制面和用戶面功能。eLTE eNB與gNB之間支持Xn接口，該接口也支持控制面和用戶面相關(guān)功能。

3.2 5G無線接入網(wǎng)組網(wǎng)場(chǎng)景

5G作為下一代通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，需要考慮與現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)（如LTE系統(tǒng)等）的共存與融合。3GPP根據(jù)5G與LTE網(wǎng)絡(luò)部署關(guān)系，提出了四種5G無線網(wǎng)絡(luò)的典型部署場(chǎng)景[5]：

（1）場(chǎng)景一：獨(dú)立部署場(chǎng)景

下一代基站（定義為gNB），LTE及其演進(jìn)的基站（定義為L(zhǎng)TE/eLTE eNB）都可以連接至核心網(wǎng)。gNB與LTE/eLTE eNB采用獨(dú)立部署方式，其中g(shù)NB可以是宏基站或者室內(nèi)熱點(diǎn)部署方式。gNB和LTE/eLTE eNB通過RAN-CN接口連接至核心網(wǎng)。gNB與gNB之間需要定義基站間接口。該部署場(chǎng)景，gNB基站具備完整的協(xié)議棧功能，具備獨(dú)立的組網(wǎng)能力。

（2）場(chǎng)景二：與LTE共站部署場(chǎng)景

此部署場(chǎng)景，5G基站（定義為NR）與LTE基站是共站址部署或者采用共基站設(shè)備的部署方式。在該部署場(chǎng)景下，5G和LTE系統(tǒng)可通過系統(tǒng)間負(fù)載均衡或者多系統(tǒng)連接等實(shí)現(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)更高效的頻譜利用率。

（3）場(chǎng)景三：集中式部署場(chǎng)景

集中式部署場(chǎng)景，中心單元（CU，Central Unit）具備協(xié)議棧高層功能，如圖3所示。而協(xié)議棧底層功能在分布單元（DU，Distributed Unit），即gNB基站具備協(xié)議棧的部分底層功能。由于CU和DU之間傳輸鏈路的差異性，集中式部署方案需要考慮高層協(xié)議棧分離和底層協(xié)議棧分離兩種實(shí)現(xiàn)方案[6]。例如：當(dāng)CU和DU之間傳輸性能較好時(shí)（如時(shí)延較小），可應(yīng)用CoMP增強(qiáng)等實(shí)現(xiàn)方案，從而優(yōu)化調(diào)度算法，提高系統(tǒng)容量。當(dāng)CU和DU之間傳輸鏈路時(shí)延較大時(shí)，集中式部署方式需要考慮高層協(xié)議棧分離方案（如PDCP或RLC層等），從而降低對(duì)傳輸鏈路的時(shí)延要求。

（4）場(chǎng)景四：共建共享部署場(chǎng)景

在共建共享部署場(chǎng)景，主要支持RAN側(cè)運(yùn)營商共享部署場(chǎng)景。該場(chǎng)景中，兩個(gè)運(yùn)營商可分別建設(shè)核心網(wǎng)，共享RAN側(cè)基站。共享基站可以使用共享頻譜或者使用每個(gè)運(yùn)營商分配的頻譜資源。

四種組網(wǎng)場(chǎng)景對(duì)基站設(shè)備功能、接口等產(chǎn)品設(shè)計(jì)有不同要求。獨(dú)立部署場(chǎng)景，gNB是獨(dú)立的基站設(shè)備，通過相應(yīng)接口連接至核心網(wǎng)和相鄰基站。在與LTE共站部署場(chǎng)景，gNB可以與現(xiàn)有LTE基站設(shè)備共享硬件、傳輸?shù)荣Y源進(jìn)行快速部署。而集中式部署場(chǎng)景與現(xiàn)有LTE網(wǎng)元功能差別較大，特別是無線接入網(wǎng)協(xié)議棧功能進(jìn)行切分，高層功能向中心節(jié)點(diǎn)集中以及底層功能下移至基站側(cè)，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和基站設(shè)備均有一定影響。而共建共享部署場(chǎng)景，5G基站必須具備接入不同運(yùn)營商核心網(wǎng)的能力。

3.3 5G無線接入網(wǎng)功能及協(xié)議棧架構(gòu)

5G無線接入網(wǎng)功能主要參考LTE系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并考慮未來5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。與LTE系統(tǒng)類似的功能主要包括：用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、無線信道加密與解密、完整性保護(hù)等功能。5G新增功能主要包括支持網(wǎng)絡(luò)切片能力、與E-UTRAN系統(tǒng)緊耦合的互操作、與非3GPP系統(tǒng)互操作、系統(tǒng)間移動(dòng)性管理等功能。而多連接、終端非激活態(tài)等功能還在技術(shù)方案討論中[8]。

5G系統(tǒng)在無線接入網(wǎng)控制面和用戶面協(xié)議棧設(shè)計(jì)方面借鑒4G協(xié)議棧設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，控制面沿用IP層和SCTP協(xié)議，保證控制面數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ谟脩裘鎱f(xié)議棧設(shè)計(jì)方面，已確定支持PDU分段隧道功能，用戶面協(xié)議?？梢詮?fù)用GTP-U/UDP/IP協(xié)議，也可考慮GRE/IP[9]和隱藏協(xié)議封裝（Protocol Oblivious Encapsulation，POE）[10]兩種實(shí)現(xiàn)方案。5G系統(tǒng)基站間接口（Xn）功能及協(xié)議棧設(shè)計(jì)參考LTE系統(tǒng)X2接口的設(shè)計(jì)思想。為了支持5G與LTE緊耦合的部署方式，5G系統(tǒng)需要標(biāo)準(zhǔn)化基站間的開放接口。

5G無線接入網(wǎng)協(xié)議棧優(yōu)先討論5G與LTE緊耦合技術(shù)方案的協(xié)議棧設(shè)計(jì)[11]。5G與LTE緊耦合技術(shù)方案主要沿用3GPP R12 LTE無線雙連接（DC，Dual Connectivity）設(shè)計(jì)思想[12-13]。核心網(wǎng)為EPC或者NR Core，基站包含LTE基站和NR基站。3GPP主要制定用戶面協(xié)議棧，集中討論承載分離相關(guān)三個(gè)技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，包括主小區(qū)組（MCG，Master Cell Group）承載分離、輔小區(qū)組（SCG，Secondary Cell Group）獨(dú)立承載、輔小區(qū)組承載分離方案。方案一和方案三的主要區(qū)別在于承載分離是由主小區(qū)（方案一）或輔小區(qū)（方案三）完成，而方案二主要是核心網(wǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)主小區(qū)和輔小區(qū)承載分離。

3.4 5G與E-UTRAN組網(wǎng)演進(jìn)方案

由于5G標(biāo)準(zhǔn)制定需要考慮兼容E-UTRAN系統(tǒng)，運(yùn)營商要根據(jù)無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)技術(shù)演進(jìn)和升級(jí)需求，選擇靈活的5G和4G組網(wǎng)方案。3GPP確定如下8種可能的組網(wǎng)方案[11]。其中4種方案為L(zhǎng)TE或者5G基站獨(dú)立組網(wǎng)方案，另外4種為L(zhǎng)TE與5G基站緊耦合組網(wǎng)方案。

（1）LTE或5G基站獨(dú)立組網(wǎng)方案

方案一（Option 1）為現(xiàn)有LTE系統(tǒng)部署方式，LTE基站連接至EPC核心網(wǎng)。這是從4G向5G演進(jìn)的一種初期部署場(chǎng)景。方案二（Option 2）是5G系統(tǒng)獨(dú)立部署方式，5G基站（定義為NR）連接到5G核心網(wǎng)（定義為NR Core）。方案五（Option 5）為L(zhǎng)TE基站連接到5G核心網(wǎng)的組網(wǎng)方案，而方案六（Option 6）為5G基站連接到EPC核心網(wǎng)的組網(wǎng)方案。

（2）LTE或5G基站緊耦合組網(wǎng)方案

LTE與5G基站緊耦合組網(wǎng)方案參考3GPP R12無線雙連接（DC，Dual Connectivity）設(shè)計(jì)方案[12-13]。圖4（Option 3/3a）和圖5（Option 7/7a）是以LTE基站為錨點(diǎn)的緊耦合部署方案，核心網(wǎng)分別連接LTE核心網(wǎng)EPC或者5G核心網(wǎng)。由于LTE基站作為與核心網(wǎng)控制面連接的錨點(diǎn)，全部控制面信令通過LTE基站下發(fā)，而用戶面數(shù)據(jù)可以通過LTE基站進(jìn)行承載分離（圖5方案）轉(zhuǎn)發(fā)給5G基站，或者核心網(wǎng)將LTE和5G基站的承載分離。若圖4和圖5中錨點(diǎn)改為5G基站，則分別對(duì)應(yīng)方案Option 4/4a和Option 8/8a。

上述8種LTE和5G（同NR）組網(wǎng)場(chǎng)景涵蓋了未來全球運(yùn)營商部署5G商用網(wǎng)絡(luò)在不同階段的組網(wǎng)需求。根據(jù)核心網(wǎng)和無線接入網(wǎng)不同的演進(jìn)策略，制定不同的組網(wǎng)方案。

4 運(yùn)營商對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)部署方案探討

全球運(yùn)營商根據(jù)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，提出了多種5G網(wǎng)絡(luò)部署演進(jìn)路線。按照無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)演進(jìn)歸納總結(jié)運(yùn)營商5G網(wǎng)絡(luò)部署策略如下所示。

4.1 無線接入網(wǎng)優(yōu)先部署，核心網(wǎng)后續(xù)升級(jí)

（1）階段一組網(wǎng)策略：升級(jí)至Option 3/3a

運(yùn)營商面臨盡快開通5G試商用/商用網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)壓力，利用現(xiàn)有LTE EPC核心網(wǎng)設(shè)備采用無線雙連接的組網(wǎng)架構(gòu)，快速開通5G試商用/商用網(wǎng)絡(luò)。典型組網(wǎng)演進(jìn)策略如圖4所示（Option 3/3a）。采用Option 3/3a方案需要考慮LTE基站升級(jí)成本，Option 3需要考慮LTE基站升級(jí)支持5G用戶面大數(shù)據(jù)量的轉(zhuǎn)發(fā)，Option 3a需要核心網(wǎng)支持兩個(gè)系統(tǒng)之間用戶承載的有效管理。

（2）階段二組網(wǎng)策略：升級(jí)至Option 7/7a

在5G部署第二階段，隨著5G無線網(wǎng)絡(luò)開通范圍增加，可將4G核心網(wǎng)逐步升級(jí)至5G核心網(wǎng)。此時(shí)，組網(wǎng)架構(gòu)將演變?yōu)閳D5（Option 7/7a）。4G基站和5G基站都可以連接至5G核心網(wǎng)。采用該升級(jí)方案，運(yùn)營商的4G核心網(wǎng)和5G核心網(wǎng)將共存。此時(shí)，5G基站需具備連接到4G核心網(wǎng)和5G核心網(wǎng)的能力。

（3）階段三組網(wǎng)策略：升級(jí)至Option 2和Option 5

隨著5G網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大部署至全網(wǎng)，在此階段，基于無線雙連接方式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)?G基站獨(dú)立建站的部署方式。Option 2和Option 5部署方式將成為主要的組網(wǎng)形式。隨著5G網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大部署和升級(jí)擴(kuò)容，4G網(wǎng)絡(luò)也將面臨減頻減配，部署規(guī)模逐步縮小的局面。

4.2 無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)同步部署

5G試商用/商用網(wǎng)絡(luò)部署也會(huì)存在比較激進(jìn)的部署方式，即同時(shí)部署5G核心網(wǎng)和無線基站，具備端到端5G商用能力。該部署策略，核心網(wǎng)將率先從4G升級(jí)支持5G。在核心網(wǎng)能力提高的同時(shí)，逐步建設(shè)5G基站，在組網(wǎng)方面還可以采用如下組網(wǎng)策略。

（1）階段一組網(wǎng)策略：先期部署Option 5和Option 7/7a

在此階段，核心網(wǎng)全面升級(jí)支持5G核心網(wǎng)，5G基站作為輔基站連接至5G核心網(wǎng)。而4G基站需要完成相應(yīng)升級(jí)支持連接5G核心網(wǎng)。在此階段將面臨核心網(wǎng)和無線側(cè)的軟硬件升級(jí)壓力。

（2）階段二組網(wǎng)策略：全網(wǎng)升級(jí)部署支持Option 2

隨著5G網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大部署規(guī)模，4G網(wǎng)絡(luò)逐步退網(wǎng)，5G網(wǎng)絡(luò)將作為主要的承載網(wǎng)絡(luò)。

4.3 基于LTE EPC架構(gòu)的5G部署策略

為了實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)快速部署，部分運(yùn)營商也提出基于LTE EPC架構(gòu)的5G快速部署策略，5G基站僅作為新增無線空口資源傳輸渠道，而協(xié)議棧設(shè)計(jì)等完全使用LTE協(xié)議棧。

（1）階段一組網(wǎng)策略：部署Option 3/3a

在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，5G基站作為L(zhǎng)TE網(wǎng)絡(luò)的輔基站部署，主要用于提高網(wǎng)絡(luò)容量。

（2）階段二組網(wǎng)策略：部署Option 6

隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，5G基站可以獨(dú)立連接至LTE核心網(wǎng)，具備獨(dú)立組網(wǎng)能力。

基于LTE EPC核心網(wǎng)組網(wǎng)方案，在5G初期快速組網(wǎng)階段，具備升級(jí)相對(duì)簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)部署快的優(yōu)點(diǎn)。但是，隨著5G業(yè)務(wù)的開展，LTE EPC在5G新業(yè)務(wù)方面支持能力不足的劣勢(shì)將逐步顯現(xiàn)。

5 結(jié)束語

2020年將是5G正式商用的元年，5G將成為全球矚目的通信技術(shù)的一次變革。全球運(yùn)營商、設(shè)備商等通信產(chǎn)業(yè)界各方都在努力推進(jìn)5G關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)制定。本文介紹5G系統(tǒng)典型部署場(chǎng)景、關(guān)鍵系統(tǒng)指標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及協(xié)議棧等5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究進(jìn)展。最后分析了國內(nèi)外運(yùn)營商在5G網(wǎng)絡(luò)部署和LTE系統(tǒng)演進(jìn)在無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的技術(shù)演進(jìn)策略。

3GPP將在R15完成第一階段的5G系列標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)2018年將具備初期試商用/商用網(wǎng)絡(luò)部署能力，后續(xù)需要密切跟進(jìn)5G關(guān)鍵技術(shù)研究，并根據(jù)5G設(shè)備成熟能力，適時(shí)開展關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證及內(nèi)外場(chǎng)試驗(yàn)，加快推進(jìn)國內(nèi)5G試商用/商用網(wǎng)絡(luò)部署。

參考文獻(xiàn)：

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