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专题
2018/12/11 16:18

5G RAN组网架构及演进分析

邮电设计技术  黄 蓉,王友祥,刘 珊

黄蓉,王友祥,刘珊(中国联通网络技术研究院,北京100048)

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摘要:3GPP在2018年9月冻结5G第1版本R15,包括非独立部署方式(NSA)和独立部署方式(SA)2种NR引入方式。另外,在R15版本中对基站协议栈功能也进行了重新划分。这些都将对运营商5G RAN组网架构产生较大的影响。首先分析5G基站的几种形态以及不同形态的适用建议,接下来从性能、语音业务和网络部署需求等出发,给出了几种5G RAN引入及演进方式的优劣势分析。

关键词:5G基站架构;独立部署;非独立部署

doi:10.12045/j.issn.1007-3043.2018.11.001

引言

随着互联网及各种智能终端的普及和发展,数据业务流量呈爆炸式增长。另外移动宽带业务逐步多样化并开始向各行业渗透。未来的5G网络需要通过一张网络向客户提供eMBB、uRLLC和mMTC三大类业务。2017年12月3GPP第78次全会正式宣布,基于NSA架构的5G R15版本主要功能完成,该版本仅支持依托LTE双连接方式接入NR的部署场景。后续3GPP将继续完善该版本,制定ASN.1。2018年9月3GPP将正式推出包含独立NR部署方式的完整的5G R15版本作为5G的第1个版本。2017年11月,中国工信部率先发布中频段5G系统频率使用规划,将3.5GHz(3400~3600MHz)和4.8GHz(4800~5000MHz)作为5G系统先期部署的主要频段,向产业链释放明确信号,加速产业链成熟。3GPP提出了多种引入5G NR的部署方式,并对5G基站进行了高层划分,这对5GRAN组网架构具有较大的影响。本文从部署成本、性能、演进路径等方面,对未来的5G基站以及组网架构进行了深入分析。如何结合自身现状,选择合理的部署方式及演进节奏,是运营商在5G初期需要迫切考虑的。

1)5G基站架构

不同于LTE基站,5G NR对基站架构进行了重新定义,以PDCP/RLC层为界,将基站分为集中单元(CU)和分布单元(DU)2个功能实体。CU承担RRC/PDCP层功能,DU承担RLC/MAC/PHY功能。一个CU可以携带多个DU。由于2个功能实体的重新划分,在协议上将对各层功能的设计有一定影响。由于功能的分离,在5G RAN侧增加CU和DU间F1接口,3GPP对该接口的定义和消息交互也进行了标准化。

图1 对LTE及NR基站架构进行了对比。

CU/DU功能的分离意味着未来基站将具备多种部署形态供运营商进行灵活选择。CU和DU可以根据不同的业务需求和网络条件部署在不同的位置,或以集成为同一设备的形式部署。具体主要取决于业务时延需求、前传和中传网络条件、机房安装条件、设备成本和功耗、可靠性要求、CU覆盖范围需求等方面。总体看有以下4种方案。

图2 5G RAN组网架构分类

方案1:CU、DU和RRU设备均独立部署,DU放置于综合业务接入点,CU放置于汇聚节点,主要适用于时延需求宽松业务,对前传和中传条件均有要求。CU可采用通用硬件实现,通过CU集中组网,连接多个DU,有利于实现多小区RRC统一管理和资源池组化,可和边缘计算相关功能结合部署在边缘云机房。

方案2:CU独立部署,DU和RRU同位置部署或集成在一个设备中,主要适用于时延需求宽松业务,中传不受限,前传受限的情况,适用于PoP机房条件受限或小站场景,CU优势同方案1。

方案3:CU和DU同位置部署或集成在一个设备中,部署在综合业务接入点,主要适用于时延需求高的业务,前传不受限,中传受限的情况,可实现小范围池组化。

方案4:CU/DU/AAU均同位置部署或集成在一个设备中,主要适用于对时延需求较高业务,前传和中传条件均有限的情况,受体积影响,适用于一体化小站,用于热点覆盖。

2) 5G RAN组网方式

5G RAN侧组网方式可总体上分为独立部署(SA——Standalone)和非独立部署(NSA——non-Standalone)。独立部署包括Option2和Option5。非独立部署包括Option3/3a/3x、Option4/4a和Option7/7a/7x。如图2所示。Option2和Option5为NRgNB或升级后LTE基站直接连接5GC。Option3/3a/3x和Option7/7a/7x均采用LTE作为控制面锚点,用户通过LTE基站接入EPC或5GC,而NR基站仅承担用户面转发功能,适用于LTE频段低、覆盖大于NR的场景。Option4/4a采用NR基站作为控制面锚点,而LTE基站仅承担用户面转发功能,适用于NR频段低于LTE的场景。Option2为NR基站独立于LTE,直接连接5GC。Option5为LTE基站直接连接5GC,从长远来看,有利于现有LTE网络直接翻频接入5GC完成向5G升级。目前3GPP完成的第1版本是指NSA下Option3系列,而SAOption2在2018年6月完成,之后整个R15版本将冻结。Option4/7系列目前优先级较低,可能完成时间会更加靠后。

如图3所示,除Option3系列沿用了EPC以外,其他组网方式均采用了5GC,5GC采用服务化架构及总线式设计,和EPC相比,优劣势如表1所示。显而易见,5GC在支持业务、性能、灵活性方面相对EPC有较明显提升,但相对EPC,其产品成熟时间有待确定,且由于5G不支持与2G/3G互操作,因此仅可能通过IMS开展语音业务。

图3 5GC(上)及EPC(下)功能及架构

表1 EPC及5GC优劣势对比

3) 5G RAN组网方式分析

3.1 非独立部署系列对比分析

为快速引入5G,提升自身竞争优势,全球大部分运营商,如日本Docomo、北美的Vodafone等,都首先选择了Option3方式作为为5G用户提供业务的切入口,即核心网沿用EPC,将NRgNB连接至LTEeNB,UE通过eNB作为控制面锚点接入网络,NR仅作为数据传输分支。而中国三大运营商,选择何种方式作为5G部署的首选还未确定。Option3/3a/3x由于其用户业务数据流的处理方式不同,对应着LTE和NR的3种双连接方式,协议栈结构如图4所示。Option3下仅eNB和EPC之间存在用户面连接,eNB收到来自EPC的数据后在PDCP层进行分流,并转发给NRgNB,用户收到来自eNB和gNB的数据,在PDCP层进行合并。Option3a下eNB和gNB均和EPC存在用户面连接,两条数据链路相对独立。Option3x下,增加了SCGsplitbearer,即NR也可以作为用户面数据转发点,gNB收到5GC的数据后在PDCP层进行分流,部分转发给LTEeNB,用户收到来自2个基站的数据,在PDCP层合并。

图4 Option3系列协议栈功能对比图

对于Option3/4/7,不同系列数据传输方式大致相同,这里重点从性能、对现网的影响角度分析Option3系列下不同组网架构的差异作为参考(见表2)。

表2 Option3系列优劣势对比

综上可以看到,为降低对现有LTE基站的改动,充分利用LTE和NR空口资源,目前全球大部分运营商选择了Option3x展开5G快速部署。但是Option3x仍然存在一些问题需要讨论,如在移动过程中承载的快速转移,这些是运营商在部署过程中需要关注的。

3.2 不同组网方式对比分析

3.2.1 系统性能分析

在引言中提到,中国5G首发频段为3.5和4.8GHz,这2段频率高于目前三大运营商拥有的所有频段,因此后续分析结论主要基于此前提条件。由于不同的组网架构,其核心网架构以及NR的引入方式不同,不同组网方式的系统性能存在一定程度的差异,具体见表3。

表3 不同组网方式性能分析

对于中国规划频段3.5GHz,存在一个不可忽视的问题,即1.8和3.5GHz之间的谐波和交调干扰问题,如图5所示。对于Option2来说,LTE和NR相互独立,基本无共存问题,仅在若语音业务VoLTE和NR数据业务同时存在时会存在该问题。Option3x/Option4x/Option7x由于采用了双连接方式,因此LTE和NR需要同时发送,谐波和交调干扰问题较为严重,目前3GPP正在研究通过TDM或FDM的方式解决该问题。但无论是采用哪种方式,都是以牺牲数据速率为代价的。

图5 1.8及3.5GHz谐波和交调干扰

从传输角度看,Option2架构下,5G独立部署,现有的传输网需要升级支持NR超高流量的需求。Op?tion3x/4/7x架构下,4G/5G融合部署,数据流量可以通过新部署的5GCU层分流给LTE,因此,在CU位置高于LTEBBU部署位置或和LTEBBU同位置部署时,现有传输网络可满足LTEeNB基站流量,同时需要扩容支持NR数据流量。因此4种方式均可沿用原有传输架构,扩容需求基本相同。而对于Option5,仅仅是将LTE基站进行了连接5GC的增强。从流量上来看,和原LTE网络基本相似。

3.2.2 语音业务支持分析

在现有4G网络中,终端可通过VoLTE或CSFB到2G/3G网络实现语音业务。但由于5G标准在设计时未考虑与2G/3G之间的互操作,只支持与4G网络互操作,因此针对不同组网方式,运营商需要结合现有4G网络的语音解决方案选择不同的5G语音解决方案。

对于Option3,由于终端锚定在LTE上接入EPC,因此采用语音解决方案可以和原有LTE网络保持一致,即若原有LTE网络支持VoLTE,则采用VoLTE,若原有LTE网络支持CSFB,则采用CSFB方式。且语音业务连续性可依赖原有良好的LTE覆盖得到保障。

对于Option2等其他部署方式,由于采用5GC,语 音方案则需要分情况进行讨论:

a)若未部署IMS,这些组网方式均无法完成语音 业务。

b)若5G网络已对接IMS,但不支持IMS语音,需 要从5G网络EPS回落到4G网络上发起语音业务,回 落到4G网络后的语音解决方案与原4G网络一致,对于移动用户来说也将沿用原4G方案。该方案可以作 为运营商在5G部署初期5G网络对语音业务的支持尚 不成熟情况下的备选方案。

c)若5G网络已对接IMS,且支持IMS语音,直接 通过VoNR完成语音业务。

d)对于采用VoNR的5G用户,从5G覆盖区域移 动到4G覆盖区域,可切换到4G上保证语音连续性,但 若从5G覆盖区域移动到2G/3G覆盖区域,由于5G目 前不支持切换到2G/3G,语音业务将中断,目前运营商 也在3GPP中推动5G到2G/3G的SRVCC,有望在R16 版本中进行标准化。

3.2.3 网络改造部署分析

对于不同的组网方式,其或需新建,或需对现有LTE网络进行升级。由于目前全球运营商主要关注Option2和Option3x,因此本文从无线侧、核心网、OMC等角度对Option2和Option3x对LTE网络改造需求和NR部署新的需求进行总结归纳。

a)从异厂家解耦角度看:由于Option2下LTE和NR完全独立,仅需通过重选或者切换进行互操作,因此易于实现互操作;对于Option3x,LTE和NR基站间需通过X2接口密切交互,严重依赖标准制定程度,异厂家部署难度非常大。

b)从无线侧角度看:对于Option2,仅需进行简单升级支持LTE与NR空口互操作;对于Option3x,理论上仅需原有LTE基站软件升级支持双连接、节点间流控等功能,但由于原有LTE基站硬件设备能力可能受限,因此实际的改造需求还要视LTE基站设备能力而定。

c)从核心网角度看:对于Option2,需部署新的5GC,且原有EPC需升级支持与5GC互操作;对于Op?tion3x需升级支持新增的NR大数据流量,以及与NR的用户面连接。

d)从各网元接口角度看:对于Option2,对原4G系统影响小,只需在EPC开通和5GC的互操作接口即可。对于Option3x,需建立eNB和gNB间X2-C和X2U接口,建立gNB和EPC间的S1-U。

e)从投资成本角度看:对于Option2,需新建5GC。同时由于中国首发5G频段较高,路损较大,独立组网达到连续覆盖所需站点数较多,虽可通过大规模天线波束赋形和SUL等方式进行覆盖增强,但这些技术能够带来的增强效率仍待验证,且大规模天线会导致单基站成本激增。对于Option3x,LTE和NR可协作组网,同时利用LTE的连续覆盖优势和NR的高速率优势,此种方式除需新建NR站点外,LTE现网面临较高成本的升级。因此2种方式的投资还需进行深入评估。

4) 5G RAN演进路径分析

虽然目前从全球范围看,目前大部分运营商均选择了Option3x作为初期部署方案,但随着4G用户的逐步迁移和5G网络的更大规模部署,后续5G将如何持续演进还取决于运营商的投资成本、业务和终端演进方案等,本文以Option3x和Option2为起点,对几种可能的演进路径进行了探讨。

路径1:Option3x→Option7x+Option5。4G网络中更多的eNB基站升级接入5GC,同时原有的Option3xeNB部分带频率迁移到5GC,eNB和gNB间双连接保留,gNB和EPC的用户面连接也迁移至5GC。在这种方式下,gNB一直作为eNB的辅站,为兼容原有的Option3x-only终端和4G终端,Option3x架构仍需保留。此种演进方式,可充分利用原有的LTE基站广覆盖优势,并且进行快速网络升级支持5GC下的多种业务类型。但对于独立接入5GC而没有与gNB进行双连接的eNB来说,其支持的速率将受到原LTE带宽的限制,同时由于进行了部分频率翻频,原有4G网络速率将降低,因此更适用于满足郊区或农村地区的5G业务需求。

路径2:Option3x→Option7x+Option2。原有的Op?tion3xeNB部分频率迁移到5GC,eNB和gNB间双连接保留,gNB和5GC间建立控制面和用户面连接,同时在其他区域新建gNB进行补热、补盲或广覆盖。同样地,在此种方式下,为兼容原有的Option3x-only终端和4G终端,Option3x架构仍需保留。此种演进方式,可充分利用原有已部署LTE和NR双连接并且支持NR用户的独立接入。但由于NR频率较高,更适于补热,在缺乏低频的情况下,独立部署为满足连续覆盖,后期投资较大。

路径3:Option3x→Option3x+Option2。在原有Op? tion3x网络下,gNB和5GC间建立控制面和用户面连 接,新建gNB进行补热、补盲或广覆盖。此种方式可 尽可能地保护初期投资,eNB无需进行二次翻频。但 由于NR频率较高,更适于补热,在缺乏低频的情况 下,独立部署为满足连续覆盖,后期投资较大。

路径4:Option2→Option2+Option5。以Option2为 起点,网络可逐步扩大Option2的覆盖范围,也可逐步 将原有4G网络部分翻频接入5GC。为保证4G终端后 向兼容性,原有4G网络需部分保留。此种方式适用 于,初期采用NR满足热点覆盖,后期通过部署更多 NR基站满足更多地区高速率需求,翻频LTE满足速率 要求较低的广覆盖区域的部署需求,可尽可能利用原 有4G网络来降低后期投资成本。此种演进方式在初 期建设即可保证网络中业务的多样性。

5) 结束语

未来5G面临多种基站设备形态和组网方式演进路径。在5G快速临近的当下,运营商根据自身基础设 施条件、系统性能、业务发展规划及投资成本等选择 合适的无线组网架构以及演进路径,可以说是运营商 最迫切需要评估并作出决策的。本文针对这些问题 进行了详细的分析

参考文献

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[6]雷秋燕.5G异构无线网络中Wi-Fi分流技术研究[D].重庆:重庆邮电大学,2016.

作者简介:

黄蓉,毕业于北京邮电大学,高级工程师,博士,主要从事无线移动通信相关技术研究及 标准化工作;

王友祥,高级工程师,博士,主要从事5G新技术研究及试验工作;

刘珊,毕 业于北京交通大学,硕士,主要从事5G网络架构及高层协议研究工作。

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