5G组网与部署探讨

王敏 陆晓东 沈少艾

【摘  要】5G即将正式商用，5G网络部署与演进已经成为运营商迫切且需要认真思考的问题。分析了5G核心网络和无线网络的架构特点，通过综合评估和分析，提出了中国电信5G网络架构建议和以“省层面集中部署控制云、CU/DU合一”为核心的5G网络部署建议。

【关键词】5G-4G协同组网;5G覆盖;5G部署;独立组网

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.01.002        中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2019）01-0007-08

引用格式：王敏，陆晓东，沈少艾. 5G组网与部署探讨[J]. 移动通信， 2019，43（1）： 7-14.

Discussion on 5G Networking and Deployment

WANG Min， LU Xiaodong， SHEN Shaoai

（China Telecom Co.， Ltd.， Beijing 100140， China）

[Abstract] The 5G commercial deployment is coming. The deployment and evolution of 5G networks are the problem that should be seriously considered by telecommunication operators. The architecture features of 5G core networks and radio networks are analyzed. By comprehensive evaluation and analysis， the suggestion on 5G network architecture for China Telecom and the suggestion on 5G network deployment based on “the province-level centralized deployment control cloud and CU/DU integration” are put forward.

[Key words]5G-4G cooperative networking; 5G coverage; 5G deployment; SA

1   引言

2020年5G即将在中国正式商用。目前，三大运营商都在积极地为5G商用与产业界开展合作，促进5G尽快成熟。5G网络部署面临来自频谱、空口技术、业务场景、网络架构等多方面的技术问题和挑战。在频谱方面，新频谱将带来覆盖变小、成本升高等问题;在空口技术方面，如何配置灵活帧结构以及大规模天线波束规划、优化是需要深入研究的重要问题;在业务场景方面，需要重点关注业务SLA以及速率、带宽、时延、QoS问题;在网络架构方面，明确适合的5G网络架构以及制定合理的5G规划部署策略是运营商需要慎重考虑的重大问题。中国电信在2018年上海世界移动大会上发布了《中国电信5G技术白皮書》，这是全球运营商首次发布全面阐述5G技术观点和总体策略的白皮书。中国电信在白皮书中提出，5G网络将优先选择SA方案组网，通过核心网互操作实现4G和5G网络的协同。

2   5G组网策略

2.1  5G-4G协同组网策略

（1）SA组网与NSA组网分析

从长远来看，5G系统与4G系统将长期共存，两者协同提供移动通信服务。因此，5G与4G协同组网是5G时代的必然选择。

3GPP已经提出了多种5G与4G协同组网方案，主要分为SA（Stand Alone）组网和NSA（Non-Stand Alone）组网两种模式。其中，NSA组网是指5G控制信令锚定在LTE基站上，通过LTE基站接入EPC或5GC，其目的是借助4G广覆盖提供更加稳定的5G控制连接，5G空口只承载用户数据;SA组网是指5G NR直接接入5GC，5G控制信令和用户数据均独立于LTE网络。

SA组网和NSA组网是面向不同阶段的运营商5G部署需求而设计的。NSA组网以成熟的4G商用网络为基础，在热点地区引入5G系统作为容量补充，主要面向eMBB应用场景，是5G初期运营商快速、低成本引入5G系统的有效方式，AT&T、DoCoMo等运营商已经宣布将以NSA组网作为其5G网络部署的起点。SA组网支持独立、完整的5G无线接入网和核心网功能，可以提供更加丰富的网络能力和业务能力，灵活适用eMBB、低时延、高可靠等多种应用场景，并进一步支持垂直行业的差异化需求，因此是5G成熟阶段的最佳选择，也是5G商用网络未来演进的终极目标。

如图1所示，依据5G与4G互操作层面的选择，SA组网模式具体细分为Option2+Option1方案、Option2+Option5和双连接Option4三种方案。在Option2+Option1方案中，5G系统与4G系统在核心网层面通过N26接口实现互通;在Option2+Option5方案中，5G系统与4G系统统一接入5GC核心网络;在Option4方案中，5G系统NR是统一的无线控制锚点。

如图2所示，依据核心网技术选择，NSA组网模式具体细分为Option3方案和Option7方案。在Option3方案中，LTE基站接入EPC核心网络;在Option7方案中，LTE基站接入5GC核心网络。

不同5G与4G协同组网方案在网络关键性能方面各有优劣势。总体来说，在峰值速率性能方面，SA方案可以实现5G峰值速率，而NSA方案汇聚了4G和5G网络资源，理论上可以实现4G+5G峰值速率;在切换性能方面，SA Option2+Option1方案需要通过N26接口完成5G-4G切换，其端到端切换时延约为200 ms，SA Option2+Option5方案通过核心网内部接口完成5G-4G切换，切换时延有所下降，而NSA方案通过无线网Xn接口完成5G-4G切换，可以实现更优的切换时延性能。

（2）5G-4G协同策略

5G-4G协同策略选择需要以5G建网时间为基准点，综合网络业务能力、移动用户综合业务体验、5G-4G组网复杂度、终端支持情况等诸多因素，同时参考现场试验性能测试结果进行慎重规划和选择。

1）网络与终端产业链：3GPP第一个NSA版本标准于2017年12月完成，基于高通Snapdragon X50和华为Balong 5G01芯片的NSA智能终端预计于2019年完成;3GPP第一个SA版本标准于2018年中期完成，Option2终端芯片预计于2019年上半年完成，SA终端预计于2019年下半年完成。

2）网络性能与业务能力：如前文所述，NSA组网模式理论上可以达到4G+5G峰值速率，性能优于SA方案。然而，NSA组网要求5G/4G网络设备和终端均支持双连接技术，存在着较高的技术实现难度，其实际性能尚未得到现场测试验证。同时，NSA终端要求采用双射频，支持4G与5G网络同时连接和双收双发，射频器件非线性等因素将可能导致终端自干扰问题，即上行双发可能对下行接收产生谐波与互调干扰，造成接收端灵敏度下降，进而影响NSA组网模式的关键性能，而SA终端则只需采用单射频连接4G或5G网络，不存在自干扰问题。在网络业务能力方面，提供稳定、高效、灵活、弹性的网络服务能力是5G时代的核心要求，丰富、灵活的业务创新能力（如切片技术、边缘计算等）将更有助于更好地提升用户体验，有效服务垂直行业，创新商业模式。因此，无论SA模式还是NSA模式，5GC是核心网络部署的更优技术选择。

3）投资成本与平滑演进：网络成本是5G建网的关注重点。NSA组网可以最大化4G网络价值，降低5G初期建网成本。然而，面向5G长期演进的终极目标网络，NSA组网需历经多次网络升级，进而带来后续网络投资成本的持续增加，并可能存在潜在的网络稳定性风险问题。此外，由于异厂家基站间实现4G/5G双连接存在很大的难度，因此NSA组网还将不可避免地导致厂家捆绑的困局。

如果考虑2020年建设5G网络，5G核心网设备已经基本成熟，建议优选5GC核心网方案。虽然Option2产业链略滞后于Option3，但考虑到Option3方案需要需要4G和5G基站紧耦合，且后期需要频繁网络升级和改动，终端亦不能平滑过渡，对网络成本、稳定性和关键性能都存在潜在的风险，因此建议优先考虑SA Option2+Option1方案。同时，为了避免频繁互操作，独立组网应尽量连续覆盖。

2.2  5G覆盖策略

2018年底，工信部向三家运营商发放了5G系统中低频段试验频率许可。其中，中国移动获得2 600 MHz和4 900 MHz频段试验频率使用许可，中国电信、中国联通获得3 500 MHz频段试验频率使用许可。因此，如果中国电信未來在3 500 MHz频段部署5G商用网络，需要考虑与1.8 GHz LTE系统的协同覆盖问题。

5G基站覆盖距离与电磁波在空间的传播损耗相关。随着频率增加，传播路径损耗也随着增大。在自由空间环境下，3.5 GHz传播路径损耗相比1.8 GHz增加约6 dB。在视距环境下，高频传输的信号并不会随着距离增大而加快衰落。然而，在非视距环境下，由于高频信号反射与衍射特性增强，散射特性减弱，信号即使在近处也容易因障碍物的遮挡出现快速衰落。通过试验发现，3.5 GHz信号相比1.8 GHz信号阴影衰落影响大4 dB ～7 dB。

相比基于1.8 GHz的LTE系统，基于3.5 GHz的5G系统的建筑穿透损耗更严重。通过试验发现，基于3.5 GHz的5G系统在室内环境的接收信号强度RSRP弱于LTE系统约8 dB～10 dB，综合考虑二者RS信号发射功率以及空间传播损耗差异，实际建筑穿透损耗差值在5 dB～8 dB。

基于3.5 GHz的5G系统室内覆盖测试数据如表2所示。

受终端发射功率限制等因素，5G覆盖能力一般取决于上行链路。如表3所示，以上行边缘速率1 Mbit·s-1作为覆盖目标，通过链路预算进行评估，相比基于1.8 GHz的LTE系统，基于3.5 GHz 5G系统在农村区域最大允许路径损耗差距在3 dB左右，而城区差距在7 dB左右。由此可见，如考虑室外环境，5G受益于多天线接收增益提升、终端发射功率增加以及接收机灵敏度的改善，其覆盖能力与LTE系统相比差距不大，但室内覆盖能力明显下降，估算覆盖半径约为LTE的10%～35%。

鉴于上述分析，未来运营商如果在3.5 GHz乃至更高的4.9 GHz频段进行5G组网覆盖，需要考虑如下问题：

（1）针对城区等重点区域，建议进行基站增密、确保连续覆盖。

（2）针对一般区域，总体可以采取与LTE 1：1共站建设，若干弱覆盖区域采取加站补盲。

（3）在天面具备条件的前提下，优先考虑引入大规模天线，特别是在视距条件较好的郊区与农村区域，采取大规模天线可适当节约建站数量，节约投资。

（4）针对室内覆盖，建议重点区域加强室内分布系统建设。针对不具备室分条件的楼宇，可考虑通过调整室外基站天线倾角与方位角，实现定向覆盖，或适当增加基站发射功率，以弥补穿透损耗损失。

3   5G部署方案

3.1  5G核心网部署方案

依照中国电信发布的“三朵云”5G网络架构，5G网络控制面将集中部署，用户面可以依据需求灵活部署，具体考虑大区集中、省层面集中两种部署方案。

（1）大区控制集中部署

在大区控制集中部署方案中，所有控制面功能集中部署于大区层面，用户面UPF功能将依据需求灵活部署于省或者地市层面。

如图4所示，大区控制集中部署的优势在于集约和统一，具体包括核心控制网元统一部署与管理，信令处理资源共享和全国性业务统一制定发放。同时，控制网元高度集中还有助于减少UE移动过程中AMF/SMF重选带来的性能影响。大区控制集中部署方案也存在不足和挑战。首先，大区控制集中部署与4G网络部署模式不同，将导致5G-4G协同复杂等规划运营问题;其次，控制面高度集中将直接影响控制面时延性能，可能无法满足低时延业务需求;最后，控制网元高度集中将消耗大量传输网络资源，且对容灾提出了较高的挑战。

（2）省层面控制集中部署

如图5所示，在省层面控制集中部署方案中，大部分控制面功能集中部署于省层面，大区层面只部署部分NRF和NEF功能节点，用于实现省际漫游和提供大区层面的网络能力开放，用户面UPF功能仍将依据需求灵活部署于省或者地市层面。

省层面控制集中部署方案与4G网络部署模式一致，可以采用与4G相似的网络规划和运营模式，5G-4G协同更易于操作实现。此外，省层面控制集中部署还有助于各省灵活开展5G创新和差异化业务。省层面控制集中部署方案的不足在于网络资源利用率不高，同时不利用统一集约管理。

3.2  5G无线网部署方案

为了满足5G网络需求，运营商和主设备厂商等提出多种5G无线网络架构。按照协议功能划分方式，3GPP标准化组织提出了面向5G的无线接入网功能重构方案，引入CU-DU-AAU架构。在CU-DU-AAU架构下，5G BBU基带部分拆分成CU和DU两个逻辑单元，而射频单元以及部分基带物理层底层功能与天线共同构成AAU，如图6所示。

5G无线接入网采取CU、DU、AAU三级架构具有如下优点：

（1）实现集中控制

超密集组网是5G支持超高速率业务的重要手段。根据预测，在5G网络中，各种无线接入技术（如4G、Wi-Fi、5G）的小功率基站部署密度将达到现有站点密度的十倍以上，形成微微组网的超密集网络，通过提高单位面积的网络容量来满足5G超高流量密度及超高用户体验速率的要求[3]。大量无线节点间的干扰协调复杂度将随节点数量的增加呈指数型增长，通过CU与DU分离，利用CU实现无线资源的集中管理，便于对各节点进行干扰协调，保证网络性能。

（2）降低传输需求

5G引入大带宽以及多天线技术，如果采取传统4G BBU与RRU的设备形态，会导致无线网与核心网之间的回传链路以及BBU与RRU之间前传链路对传输带宽的要求大大提高，特别是前传链路对带宽的需求将对5G传输网建设提出严峻挑战。如无线带宽达到100 M，天线64通道配置，采取CPRI接口，前传链路需要100 G带宽才能保证5G性能。

5G无线网CU、DU以及AAU三种网元承担的功能不同，在无线网协议架构中所处的层级也不同。采取Option6的切分方式，将部分物理层功能下沉至远端，与射频处理功能集成构建AAU网元，DU与AAU间前传链路采取eCPRI接口，传输带宽可下降至25 G，明显降低5G大带宽与多天线对前传传输资源的需求。

5G无线网协议栈切分方式如图7所示。

（3）实现灵活部署

5G应用场景丰富多样，不同应用场景对网络部署存在个性化的需求，需要5G无线网能够实现针对不同应用场景的灵活部署。传统4G LTE eNodeB网元形式比较单一，基站具有完整的控制面与用户面功能，包含了高层无线资源处理协议、底层无线链路传输协议以及射频处理功能，设备体积、重量、器件受环境限制较大，工程实施不易。通过将CU、DU乃至AAU分离，可以简化网元功能，CU可以采用通用硬件平台搭建，采取云化部署，DU可以采取C-RAN方式集中部署，也可以采取D-RAN方式分布部署，AAU与天线集成后可以上塔，增加了部署灵活性。

5G采取CU与DU分离的新架构形态也存在着一些亟待解决的问题。首先，CU与DU分离后，网络层级增加，新的网元间需要增加新的接口，网络复杂度提高，给网络维护与运营增加了难度。其次，虽然CU与DU分离后，CU与DU承担的功能减少，但是CU与DU的设备形态与传统BBU相似，设备体积和功耗并没有明显减少，对设备的保障要求也没有降低。而且，在CU与DU分离后，新增了CU与DU的中传链路，增加了业务处理与传输时延，对网络性能有一定影响。通过试验发现，与CU/DU合一架构相比，CU/DU分离架构用户面性能（如Connected状态的PDCP下行单向传输时延）基本相当，但控制面时延受DU设备处理时延影响，时延性能明显下降。

当前阶段，由于DU对实时性能要求高，尚不具备虚拟化的条件，而CU虚拟化成本偏高，缺乏商业竞争力。因此，在5G无线网部署初期，建议优先考虑采取CU与DU合设部署的方案，充分利用CU/DU合设部署方案相对成熟、节省网元等优势，降低网络部署成本，减少时延，降低网络规划与运维复杂度，缩短建设周期，实现运营商快速建网。

CU与DU合设部署时，可以采用C-RAN，也可以采取D-RAN方式部署，具体包括以下三种场景：

1）C-RAN大集中：CU/DU集中部署在一般機楼/接入汇聚机房，一般位于中继光缆汇聚层与接入光缆主干层的交界处，大集中点连接基站数可在10～60个范围内。该场景适用于宏站机房匮乏、接入汇聚机房传输资源比较充裕的情况，可以减轻运营商的站址获取难度，同时节省基站机房配套投资，减少能耗与租金等运营成本。

2）C-RAN小集中：CU/DU集中部署在接入局所（模塊局、PoP点等），一般位于接入光缆主干层与配线层的交界处，小集中点的连接基站数可在5～10个范围内。该场景适用于部分接入局所具备一定传输资源条件，且接入局所在区宏站机房不足的情况。相比C-RAN大集中方式，适应面更广，便于运营商快速部署，同时可节省基站机房配套投资，减少运营成本。

3）D-RAN：CU/DU分布部署在基站机房，接入基站数在1～3个范围内。该场景适用于宏站机房资源相对充裕，或汇聚机房与接入局所机房空间或传输资源不足的情况。相比C-RAN方式，可以减轻对传输的压力，但该方式对基站机房需求较大，配套投资与后期运营成本较高。

同时，为了有效满足低时延应用对网络性能的要求，可以在无线网层面进行优化。依据前期试验测试结果，相比CU/DU分离方案，CU/DU合设部署方案能够有效降低控制面时延，但用户面时延并没有明显改善。如果前传采取光纤直连方式，用户面单向时延为4 ms左右，与3GPP标准要求基本相当;如果采取其他传输方式，就有可能会增大前传传输延迟，难以保证满足标准要求。因此，我们建议，在光纤资源充足或CU/DU分布式部署的场景，5G前传方案以光纤直连为主，采用单纤双向技术;如果光纤资源不足且CU/DU集中部署，可采用基于WDM技术的承载方案。

4   结论

本文详细论述了SA和NSA两种5G-4G协同组网模式的优劣势，提出了2020年基于SA Option2+Option1方案建设5G网络的组网策略建议。针对3.5 GHz频谱覆盖性能，综合理论计算分析和试验网测试数据，提出了基于3.5 GHz频段的5G组网覆盖策略建议。通过对比不同的5G核心网部署方案和5G无线网部署方案，提出了以“省层面集中部署控制云、CU/DU合一”为核心的5G网络部署建议。

参考文献：

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