5G组网方案分析与运营商的选择

1 前言

5G网络虽然已经商用，但是组网方式与演进途径仍然是运营商及研究单位5G的永恒主题。随着车联网、物联网、工业互联网、医疗卫生等应用的发展与需求，5G已经开始改变社会行业能力的同时，也改变着人们的生活。能够为这些应用提供更高速率、更短时延、更多连接的移动宽带业务服务的，目前只有5G网络。因此摆在各大运营商面前的建网问题是头等大事，而如何面对5G组网问题更是运营商重中之重的首要任务，论文详细介绍了5G常规及各种演进途径的组网方案，以供各运营商及相关研究机构选择参考。同时阐述了5G语音业务的发展与演进，并且认真分析了运营商5G网络共建共享方案及联通和电信的共享案例。

2 5G组网方案的研究与分析

总体概括而言：5G独立组网(SA)就是从核心网、接入网、数据层、控制层、语音层都是基于5G-NR新标准端到端纯粹的5G全新网络。而5G非独立组网（SNA）的核心网、接入网、控制层、语音层是基于4G-LTE，只是数据层建立在5G- NR上的联合组网方式，大方案可以总结为以上两种。根据核心网的不同采用，双连接控制方案可以分为EPC（选项3系列）和NGC（选项7、4系列），而接口切换控制方案为NGC（选项2、5），具体组网方案及演进阶段细分如下。

2.1 非独立组网

非独立组网的演进过程可以分为3个阶段。

第一阶段；4G（eNB）和5G（gNB）的核心网共同采用EPC时，eNB为主站，gNB为从站，由EPC控制。承载上层用户数据的用户面能直接连到EPC，而为承载用户数据进行信令交互的控制面由eNB连接到EPC。由于用户面不同的分流方式，产生了对应选项3/3a/3x，其中选项3中，5G用户面经由LTE eNB连接到EPC ，4G/5G的用户面在LTE eNB的PDCP层分流和聚合；选项3a中，4G和5G的用户面各自直通核心网EPC，仅在控制面锚定于4G基站；选项3x中，LTE用户面经由5G用户面连接到EPC，4G/5G的用户面将数据迁移到gNB的PDCP层分流和聚合。选项3系列如图1所示。

图1 5G与LTE联合组网架构选项3系列示意图

选项3的优势是充分利用EPC，无需新建（NGC），快速实现5G业务与覆盖，缺陷是该选项双连接的LTE PDCP层受限，所以LTE PDCP层的原4G基站必须硬件升级到增强版的eLTE eNB，然后迁移入5G核心网。因此，该阶段主要是解决初期的5G覆盖。

第二阶段；4G（eNB）和5G（gNB）的核心网共同采用NGC时，eNB仍然为主站，gNB还是为从站，由NGC控制。选项7是直接连接5G核心网NGC，而LTE eNB只能是升级版的eLTE eNB才能连接到NGC。控制面信令由4G（eNB）走到5G（gNB）核心网，不同的控制面连接方式和分流方式，产生了不同的架构类型，其中包括7、7a和7x三个子选项，相对于选项3系列，它们则是后续升级版。5G gNB用户面经由eLTE eNB连接时对应选项7；5G gNB用户面直接连接到5G核心网且由核心网进行分流时，对应选项7a；5G gNB用户面直接连接到5G核心网且由5G gNB进行分流控制时，对应选项7x。选项7系列如图2所示。

图2 5G与LTE联合组网架构选项7系列示意图

选项7的优势是NGC替代了EPC，消除了核心网信令过载的隐患。该阶段主要解决初期的5G容量需求。

第三阶段；4G（eNB）和5G（gNB）的核心网共同采用NGC时，gNB为主站，eNB为从站，由NGC控制。5G gNB可以直接连接到NGC，而LTE eNB必需升级版到eLTE eNB后连接到NGC。不同的控制面连接方式，产生了不同的架构类型。控制面通过gNB连接时分为选项4、4a的两个子选项，eLTE eNB用户面经由5G gNB连接NGC时对应选项4；而eLTE eNB用户面直接连接到NGC时对应选项4a。选项4系列如图3所示。

图3 5G与LTE联合组网架构选项4系列示意图

选项4系列是5G全覆盖网络，适合小于1 GHz频段来部署5G的运营商，该阶段是面向5G增强型移动宽带场景、面向大规模和低时延高可靠的物联网，是面向5G物联网多样化业务的组网方式。

2.2 5G独立组网

5G独立组网无论从终端、无线新空口、核心网都是采用了5G相关新标准，支持5G各类接口，实现5G各项功能，提供5G各类服务，采用端到端的5G全新网络架构。核心网采用5GNGC，无线系统可以是5G gNB或者是增强版的eLTE eNB，分别对应选项2和选项5。其中选项2就是完全独立组网的方式与4G网络少有牵连，而选项5只需核心网演进到5G，无线网无需演进到5G的独立组网方式，但又能充分利用了5G的网络切片功能，两种组网架构方式的控制面和用户面都是直通核心网NGC。具体组网方式如图4所示。

选项2和选项5的优势是更能全面体现5G功能，缺陷是技术难度和投资额度都大。

2.3 运营商5G部署方案及演进

运营商5G部署方案及演进途径可以归纳成以下3种方式，如图5所示。

图4 5G独立组网架构选项2和选项5示意图

图5 5C组网方案部署方式示意图

（1）非独立部署（NSA）：LTE+5G NR毫米波

此种部署方式是在现有的LTE网络上部署5G NR毫米波来补充热点覆盖或部署5G无线网。

（2）非独立部署（NSA）：LTE+小于6 GHz NR频段

此种部署方式可快速实现更好的5G NR覆盖，但存在4G LTE和5G NR之间的接口和载波聚合等技术的复杂性。对于非独立部署，适合于FDD频谱资源丰富的运营商，具体演进途径分为以下几条。

途径①：先部署5G无线接入网后部署5G核心网，最终5G无线接入网迁移到5G核心网，形成选项3系列到选项2的演进途径。

途径②：先部署5G无线接入网后部署5G核心网，最终 4G/5G无线接入网统一迁移到5G核心网，形成选项3系列到（选项7或选项5）系列的演进途径。由于演进步骤繁多，运营商持保留态度。

途径③：从选项7+选项2，最终直接演进到选项2的演进途径。该路径是中国联通与中国电信非独立组网的最佳选择。

（3）独立部署（SA）

直接部署5G全新网络，简化了NSA向5G核心网迁移过程，在降低复杂性的同时要求完整成熟的5G标准与覆盖。对于Sub-6 GHz频谱资源丰富的中国移动选项2的独立组网方式是一个比较理想的选择。

3 5G语音业务的发展与演进

3.1 VoLTE与5G语音解决方案的关联

VoLTE、VoNR作为IMS语音的两种不同接入方式，即VoLTE由LTE接入，VoNR由NR接入。5G建网初期VoLTE成为保证用户高清语音的关键技术。为了解决5G商用后覆盖不足情况下对语音业务的影响，标准定义了EPS FB方案，也就是将语音业务回落到VoLTE网络来承载。而VoNR只能等5G网络覆盖完善到一定程度才能推出。目前VoLTE网络已经成为3家运营商5G语音基础网的必然选择，VoLTE网络也为5G平稳过渡奠定了基础。可以说在5G NSA阶段VoLTE是用户高清语音与运营商品牌的保证，因此中国移动网语音业务已经全面进入了VoLTE时代。图6是4G时代到5G时代语音的演进过程。

图6 4G到5G语音演进过程

3.2 SA组网语音解决方案

在5GSA组网初期，3GPP标准明确规定，5G语音业务不支持5G到2/3G的CSFB回落方式，只能通过EPS FB方式回落到LTE网络，通过VoLTE来完成语音业务的连接，EPS FB通话结束后再快速重选回到5G网络。新技术VoNR虽然可以提供更好的5G语音业务，但是5G网络覆盖一时根本无法达到要求，只能暂时停留在全场景测试已验收成功阶段，也标志着SA组网下的语音通话也正走向成熟阶段。

4 运营商5G网络共建共享

4.1 共建共享的根因

首先从三大运营商频段划分和覆盖距离上反映出了主要原因：移动的频段是2.6 G [2 515～2 675 MHz]160 M和4.9 G [频段4 800～4 900 MHz] 100 M的频谱，覆盖距离是424米；而电信和联通的频段是3.5G [3 400～3 500 MHz]和[频段3 500～3 600 MHz]，分别获得的100 M的频谱，覆盖距离是322米。很明显5G网络覆盖小区半径的缩小是基站数量增多的主因，更是建设成本翻倍的根因。

其次在5G已商用的建网初期，各产业链倒逼运营商加速5G网络建设步伐，而5G网络的统一制式，组网方式仅限于NSA和SA两种。为了短期内达到需求目标，运营商一般组网方式会选择NSA，但是随着5G技术的成熟与网络规模的扩大和市场需求，最终NSA建网模式逐步会转向SA的建网模式，这样凸显出5G网络的复杂性。

最后基站数量的翻倍造成新站选址难度极大，加之部分区域的覆盖需要从头开始，各小区物业与业主对有关移动通信基站的宣传与沟通力度不够，造成运营商无法有效覆盖，甚至基站进场建设被阻碍。

除了综上所述三大因素外，还有如果联通和电信拿各自的100 M带宽与移动的160 M带宽竞争明显处于弱势，因此以200 M载波共建共享的形式建设5G网络是最佳选择。在节省投资的同时达到了“事半功倍”的功效。

4.2 共建共享方案

联通和电信公告已经明确“5G网络共建共享采用接入网共享方式，核心网各自建设，5G频率资源共享”的原则。

4.2.1 共建共享方案

载波共享方案分为：独立载波or共享载波（图7独立载波or共享载波）独立载波：运营商A和运营商B各配置一个独立的载波，使用各自频点，以同频组网方式为主，各自独立载波只广播各自的PLMN，可以配置各自独立的小区级特性，终端都在各自独立载波作业，不需要考虑复杂的空口资源分配和控制算法。共享载波：运营商A和运营商B配置一个共享的载波，使用同一个频点，其中一方将引入异频切换，增加了网络的复杂度，降低了网络性能，同时广播两个运营商的PLMN，只能使用相同的小区级特性，部分参数可以按照PLMN配置，需要考虑空口资源分配策略。

4.2.2 联通与电信共建共享方案

图7 独立载波or共享载波

根据公告联通与电信采用接入网共享方案：共享部分采用独立或共享载波实现接入网共享，核心网两家运营商各自独立建网，两家实现在逻辑上是端到端可管可控安全的、各自的5G网络，而且具备从NSA共享逐步向SA共享的演进能力。其中网络架构是物理上一个基站，逻辑上配置为两个独立的基站。基站共享双上联接入各自的核心网，而核心网、IT系统却保持独立，通过OMC反牵终端提供基础支撑能力，逐步实现OMC双向或OSS一级对接。技术方案是承载网互通，基站配置双方运营商的网络号，用户体验和支持的业务与独立建网基本保持一致。图8接入网共享网络架构示意图、图9NSA阶段4G锚点方案。

图9 NSA阶段4G锚点方案

5G共建共享演进路径：NSA组网时4G/5G基站一起共享，分别接入各自4G核心网，SA组网时双方各自新建5G核心网，5G基站升级后继续共享。NSA/SA双模5G基站同时接入4G核心网和5G核心网后继续共享。SA单模5G基站仅连接5G核心网后继续共享。

4.2.3 共享区域内VoLTE业务承载

场景a：VoLTE语音承载在承建方的4G共享网络时，重点关注客户从共享区域到非共享区域VoLTE语音业务连续性的问题。承建方4G基站需要支持基于PLMN配置邻区列表、执行差异化切换策略等，针对共享方5G终端执行异频切换到共享方4G基站，确保业务连续性。而VoLTE业务建立流程和自建网络是一致的。

场景b:VoLTE语音承载在归属4G网络时，要求承建方共享4G锚点站支持基于PLMN配置邻区列表和PLMN+业务设置频率优先级的功能。在共享区域内，共享方5G终端驻留在承建方4G锚点站上，当承建方4G锚点站收到共享方5G终端发起VoLTE语音业务请求时，承建方4G锚点站触发共享方5G终端回归属的4G网络进行VoLTE业务。

5 结束语

论文详细分析了5G网络各种组网方案，种类虽多，固然演进途径也多各有特性，运营商只能按需所建灵活部署。文中还着重介绍了5G语音解决方案以及共建共享的理论支持和联通与电信的现实组网案例情况。通过全文的研究与分析，凸显出组网方案对于运营商在5G商用演进道路上和客户能早日享受到5G生活都有着极其的重要意义。