5G無線網絡架構對傳輸網的影響

許森+高程+卞宏梁

摘要：為了滿足3種5G典型業(yè)務的覆蓋和容量的需求，5G網絡中引入了非獨立和獨立部署4G和5G組網架構以及集中單元（CU）/分布單元（DU）分離的設備形態(tài)。新的無線網絡架構對于未來傳輸網的部署也提出了新的挑戰(zhàn)?；诋斍?G網絡架構的標準進展，從無線網絡的角度分析了5G網絡架構對傳輸網的影響和需求。

關鍵詞： 5G網絡；非獨立組網；CU/DU分離；傳輸網絡

Abstract： To satisfy the coverage and capacity for 5G typical traffic， the non-standalone and standalone deployment for 4G and 5G and a new base station type with centralized unit （CU） /distributed unit （DU） splitting have been introduced in future 5G network. The new wireless network architecture brings challenges to the transport network deployment. Based on the standardization progress of 5G network architecture， the impact and requirement of 5G wireless network architecture on transport network are analyzed from the perspective of wireless network.

Key words： 5G network； non-standalone deployment； CU/DU splitting； transport network

5G無線網絡的設計目標是為多種不同類型的業(yè)務提供滿意的服務。這些典型業(yè)務通常分為三大類：增強型移動寬帶（eMBB）業(yè)務、面向垂直行業(yè)的大規(guī)模機器類通信（mMTC）業(yè)務、超可靠低時延（uRLLC）[1]業(yè)務。不同的業(yè)務對于移動網絡空口能力、架構等存在一定的差異，這些差異主要體現在時延、空口傳輸以及回傳能力等方面：

（1）移動寬帶業(yè)務。主要包括大帶寬和低時延類業(yè)務，如交互式視頻或者增強/虛擬現實（AR/VR）類業(yè)務，相對于3G/4G時代的典型業(yè)務而言，其對于用戶體驗帶寬、時延等都有明顯的差異。

（2）大規(guī)模機器通信連接業(yè)務。該類型業(yè)務是5G新拓展的場景，重點解決傳統(tǒng)移動通信無法很好地支持物聯(lián)網及垂直行業(yè)應用的問題。這類業(yè)務具有小數據包、低功耗、海量連接等特點。這類終端分布范圍廣、數量眾多，不僅要求網絡具備超千億連接的支持能力，滿足105 /km2連接數密度指標要求，而且還要保證終端的超低功耗和超低成本。因此5G網絡中支持如此巨大的數目需要設計合理的網絡結構，以降低網絡部署成本。

（3）低時延高可靠需求。當前一些新興業(yè)務對于時延和可靠性都提出嚴苛的要求。這類業(yè)務最低要求支持小于1 ms的空口時延以及在一些場景里達到較高的傳輸可靠性。傳統(tǒng)的蜂窩網絡設計無法滿足為這些特殊場景通信的可靠性需求，因此為了滿足此類業(yè)務的需求，蜂窩網和傳輸網的可靠性和實時性都面臨著極大的挑戰(zhàn)

基于上述需求，第3代合作伙伴項目（3GPP）從2017年3月后正式展開了針對5G空口技術以及網絡架構的標準化工作，如圖1所示。當前5G 下一代無線接入網（NG-RAN）中無線網絡包括基于長期演進（LTE）空口的以及基于5G新空口的兩種類型的基站[2]。

兩種類型基站在覆蓋、容量、時延、新業(yè)務支持等方面都存在較大的差異。

（1）連接到5G核心網的下一代演進型節(jié)點（NG-eNB）：該類型基站是在現有的4G網絡上進行升級以支持5G的相關特性，因此通?？梢哉J為NG-eNB網絡支持多數的業(yè)務的連續(xù)覆蓋。由于該類型基站的物理結構（如天線、幀結構等）仍然采用4G空口，因此其無法支持超低時延、超高速率的業(yè)務，無法滿足5G定義的全部關鍵績效指標（KPI）指標的要求。這種類型的基站對于前傳和回傳網絡的需求基本可以認為與當前的4G無線網絡相同。

（2）基于5G新空口的下一代節(jié)點（gNB）：理論上可以滿足5G定義的所有關鍵績效指標（KPI）需求及支持所有5G典型業(yè)務，相比于NG-eNB，gNB可以支持更高的空口速率，因此這種類型的基站對于前傳和回傳的帶寬和時延都提出了更高的需求。

因此針對3GPP新業(yè)務的需求以及現網實際情況，運營商在未來的5G部署時需要充分考慮兩網的能力特點來選擇業(yè)務的支撐方案。

在標準中gNB的形態(tài)包括了類似于4G eNB的一體化基站以及集中單元（CU）/分布單元（DU）分離兩種基站類型。圖2給出了5G網絡中不同類型的無線網元之間的架構和相關接口。在實際網絡部署中，NR-gNB及CU/DU不同部署位置對于傳輸網絡都提出了不同的需求。

1 SA/NSA標準進展

針對4G和5G網絡之間的協(xié)作關系，3GPP在SI階段定義了獨立部署（SA）和非獨立部署（NSA） 等不同類型的架構，主要包括Option 2、Option 3/3a/3x、Option 4/4a、Option 5、Option 7/7a/7x。其中NSA架構主要以3GPP Rel-12/13標準中雙鏈接方案為參考進行設計。

1.1 Option 2（NR SA）

該方案在標準中是一種新空口（NR）獨立組網的方案，其架構的特點為：（1）5G NR gNB連接到5G的核心網；（2）NR基站連接到5G核心網。在與現有的4G網絡混合部署時，Option 1（Legacy LTE）+Option 2形成了兩張獨立的網絡，為了保持業(yè)務連續(xù)性現網LTE和分組核心網（EPC）需要升級去支持跨核心網的移動性。該方案計劃于2018年6月完成標準凍結工作。Option 2架構如圖3所示。endprint

1.2 Option 3/3a/3x

本架構在標準上是非獨立組網方案之一，也被稱為EN-DC方案，其特點是：（1）LTE基站作為控制面的錨點接入到EPC網絡中，NR不需要支持S1-C接口和協(xié)議；（2）對于Option 3，NR作為LTE的一個“新載波”類型接入；（3）3a/3x方案NR需要支持S1接口。該方案已經在2017年11月美國召開的會議中完成標準的凍結。Option 3/3a/3x架構如圖4所示。

該方案中存在3個子方案：在Option 3中，用戶面承載錨點位于LTE側，采用類似于雙鏈接3C方案，該方案通常也被稱為主小區(qū)組（MCG）分離承載，其中該承載的分組數據匯聚協(xié)議（PDCP）采用NR PDCP協(xié)議以保證在承載轉換過程中終端側無需進行PDCP版本的變化；在Option 3a中，用戶面承載通過gNB進行發(fā)送，采用類似于雙鏈接1A方案，該方案也被稱為輔小區(qū)組（SCG）承載；對于Option 3x的方案，用戶面承載的錨點位于gNB，該方案也被稱之為SCG分離承載。其在Rel-15中引入的原因主要有兩個：（1）減少NR和LTE之間的Xn接口的前轉流量（基站間傳輸帶寬需要滿足LTE的峰值流量需求，而MCG分離承載中基站間傳輸帶寬需要支持5G的峰值需求）；（2）考慮到5G高頻段（如毫米波）上信號存在不穩(wěn)定的現象，在NR傳輸中一旦出現中斷，可以利用LTE的覆蓋的連續(xù)性和穩(wěn)定性保證用戶速率的快速恢復。

1.3 Option 7/7a/7x

Option 7/7a/7x方案與Option 3/3a/3x類似，都是一種非獨立組網的方案，都采用LTE作為錨點進行控制面和用戶面?zhèn)鬏?。在標準中被稱為NG EN-DC方案，計劃在2018年6月與Option 2一起完成標準的凍結工作。與Option 3系列的主要差異在于LTE需要連接到5G核心網，且LTE需要升級支持NG-eNB，包括協(xié)議棧上需要支持新的服務質量（QoS）協(xié)議層服務發(fā)現應用規(guī)范（SDAP）、支持NR的PDCP協(xié)議、NG/Xn協(xié)議等。

1.4 Option 5

本架構為NG-eNB獨立連接到5G的核心網，本架構可以認為是Option 7的一個子狀態(tài)，無論是網絡還是終端若要支持Option 7系列必須要支持Option 5。具體的架構特點為：（1）NG-eNB基站連接到無線接入（NR）核心網，5G終端通過NG-eNB連接到5G核心網；（2）NG-eNB同時連接到4G的EPC，傳統(tǒng)4G終端通過NG-eNB連接到4G核心網；Option 5 需要升級現網LTE以支持其連接到5G核心網，基站協(xié)議棧改動相對Option 2較多。

1.5 Option 4/4a

該架構的特點是NR gNB作為錨點接入到5G核心網中，如圖5所示。LTE作為NR gNB的一個特殊的載波類型接入，其中對于4a方案LTE需要支持NG-U接口。Option 4/4a采用了NR作為錨點，因此通常應用在NR已經連續(xù)覆蓋的場景中。在當前的3GPP Rel-15的標準研究過程中，Option 4/4a被列為較低的優(yōu)先級。

2 CU/DU分離的標準進展

2.1 分離的需求

對于5G gNB，當前標準中支持CU/DU合設和分離的兩種部署方案。在合設方案中，一個基站實體上實現的全部的協(xié)議棧功能。這個架構可以適用于密集城區(qū)和室內熱點場景。對于CU/DU分離架構，5G協(xié)議棧中的上層功能位于CU中，而底層協(xié)議棧位于DU中。引入CU/DU分離的動機，在3GPP的標準研究過程中主要有如下幾個方面[3]：

（1）硬件實現靈活，可實現節(jié)省成本；

（2）CU和DU分離的架構下可以實現性能和負荷管理的協(xié)調、實時性能優(yōu)化，并易于實現SDN/NFV功能；

（3）功能分割可配置能夠滿足不同應用場景的需求，如傳輸時延的多變性。

在實際部署中采用合適或者分離部署，主要取決于網絡部署場景、業(yè)務類型以及傳輸網性能等因素。

此外5G網絡高速、低時延的特點也對傳輸網提出了挑戰(zhàn)：

（1）前傳接口帶寬需求?？紤]到毫米波將支持1 GHz系統(tǒng)帶寬以及256通道天線。根據現有射頻拉遠單元（BBU）/遠端射頻模塊（RRU）的功能劃分，前傳接口帶寬要求隨著載頻頻率帶寬以及天線通道數量成線性增長的關系。即便在考慮使用64通道、20 MHz帶寬，仍需要近64 Gbit/s的前傳接口帶寬。

（2）傳輸時延。考慮到當前LTE協(xié)議要求用戶UE側與系統(tǒng)側的混合自動重傳請求（HARQ）交互時間是固定的，若將CU/DU功能劃分點仍放在HARQ過程中，對CU芯片處理時延和傳輸設備時延的挑戰(zhàn)依然很大；若CU/DU功能切分點放置于HARQ以外，對CU芯片處理時延和傳輸設備時延的要求有所放寬，但會有過多功能前置于遠端位置，將會影響多載波的協(xié)作化性能。

在CU和DU之間新定義了一個F1的新接口，用于傳輸控制面配置信息、用戶信令以及用戶面數據等信息。在CU內部控制面和用戶面在部署時也可以分離，以滿足不同類型業(yè)務對于時延和集中管理的差異。標準中定義CU控制面（CU-CP）和 CU用戶面（CU-UP）之間的接口為E1。一個邏輯DU可以支撐多個物理小區(qū)，但是邏輯上只能屬于一個CU，為了可擴展性考慮能分別為CU-CP和CU-UP提供多個傳輸點。在5G的SI階段，針對CU/DU劃分共有8種大的劃分方案。其中Option 1—4被定義為高層劃分方案，而Option 5—8被定義為底層的劃分方案。這8種劃分方案從實現的角度來看都是可行的，但是為了減少后續(xù)開發(fā)的復雜度，無法同時支持上述8種方案，如圖6所示。因此在Rel-15 WI開始時確定了Option 2-1作為高層劃分方案的標準化對象；而對于底層切分方案，考慮到各個廠家在物理層實現上差異較大較為難以標準化，因此在2017年11月完成底層切換方案的研究中確定不會標準化任何一種劃分方案，由廠家在部署中實現決定。endprint

2.2 高層劃分方案（Option 2-1）

在Option 2-1中，CU完成無線資源控制（RRC）、PDCP層的功能和小區(qū)調度，在DU中完成無線鏈路層控制協(xié)議（RLC）、多媒體接入控制（MAC）、物理層（PHY）的功能和單小區(qū)調度。在標準討論過程中，高層劃分方案采用Option 2-1還是Option 3-1是存在爭議的。其中Option 3-1是基于自動重傳請求（ARQ）進行的劃分，其特點為：低RLC包含分段和拼接功能，位于DU；高RLC包含ARQ以及重排序功能，位于CU。其中Option 2-1的優(yōu)勢在于：

PDCP-RLC劃分方案可以復用3GPP Rel-12標準化方案中已有的LTE雙連接架構和接口；

LTE-NR緊互操作的對齊以及功能劃分至少在用戶面上對4G向5G的遷移有利；

與Option 3-1相比（ARQ在CU側），Option 2-1沒有RLC PDU重傳的時延。如圖7所示， CU/DU之間傳輸時延較大時，Option 2-1可以有效提升用戶吞吐量。

認為Option 3更優(yōu)的觀點如下：

在非理想傳輸條件下，由于ARQ和重排序在CU側，Option 3-1具有更好的傳輸可靠性；

ARQ在CU側可以提供集中化以及池化增益；

傳輸網絡的錯誤可以通過CU端到端的ARQ機制進行修復，這種機制可以給重要數據以及控制面信令提供保護；

由于沒有RLC狀態(tài)信息，因此沒有UE上下文，沒有RLC功能的DU可以處理更多連接態(tài)的UE；

由于沒有ARQ協(xié)議，DU可以減少運算和緩沖的需求。

最終3GPP選擇了標準化相對簡單且性能更佳的Option2-1方案作為高層劃分的最終方案。

2.3 底層劃分方案

底層劃分方案主要集中在Option 7，即物理層的劃分方案。標準討論初期根據實現方式的不同，又劃分出3個子方案，如圖8所示。其中允許對上下行分別使用不同的Option（如Option 7-1用于上行，Option 7-2可用于下行）。CU和DU間的傳輸帶寬可以使用一定的壓縮技術進行減少。在2017年11月的美國會議中根據RAN1的相關結論，標準中認為所有的劃分方案僅僅是一個參考方案，主要考慮到標準和實現上順序可能無法按照圖中所示進行設計，并且不同類型的業(yè)務如mMTC等其物理層處理功能和過程與eMBB可能會存在差異。

相對于其他劃分方案，物理層劃分方案的技術優(yōu)勢包括：

此Option能夠使得NR以及演進的UMTS陸面無線接入（E-UTRA）集中化的傳輸點獲得流量聚合。此外，此Option也能夠便于管理NR與E-UTRA之間的流量負載；

CU側可使用集中調度，如多點協(xié)作（CoMP）；

CU側可使用聯(lián)合處理。

同時該方案在實現和部署上也存在著一定的挑戰(zhàn)，如需要CU側PHY層和DU側PHY層子幀級別時間交互，對傳輸網絡時延也有著較高的要求。

3 對傳輸網的影響分析

3.1 SA/NSA架構對于Xn和NG接口

帶寬的影響

（1）Option 3/3a/3x

Option 3/3a是激進運營商急于部署5G業(yè)務時的過渡場景（如DoCoMo、AT&T等），其架構本質上仍然是一個4G+增強網絡，需要LTE硬件改造或升級EPC實現特殊的會話管理功能，和其他場景不兼容。當采用Option 3時，由于LTE側需要聚合LTE和NR的空口速率，因此S1的帶寬需要大幅度提升，并且LTE和NR之間若不采用合設部署方案，則基站接口之間的帶寬也需要大幅度提升，在LTE中X2接口通常用于傳輸X2信令以及切換時數據前傳，一般規(guī)劃帶寬為S1接口的5%～10%，因此一般也就是幾兆比特每秒到十幾兆比特每秒的量級。若支持Option 3則需要提升吉比特每秒的量級，因此該方案多數運營商缺乏足夠興趣。而3a/3x方案無需改變現有S1接口的傳輸帶寬，其中考慮到3x方案可以支持更好和更穩(wěn)定的用戶體驗，受到一些運營商和芯片商的支持，相對于現有X2帶寬需要升級基站間接口的帶寬至百兆比特每秒量級。

（2）Option 4/4a和Option 7/7a/7x

Option 7/7a利用LTE作為基礎覆蓋，當前計劃支持的運營商也較多；Option 4/4a利用5G作為錨點，通常應用在5G部署中后期，對于5G連續(xù)覆蓋有一定要求，支持的運營商相對7/7a較少。其中對于Option 4和7/7x而言有如下優(yōu)缺點。

優(yōu)點：用戶面匯聚效果好，針對5G高頻“閃斷”情況可以保持承載的連續(xù)發(fā)送；

缺點：Option 7用戶面錨定點在LTE，LTE的PDCP需要支持NR的大容量匯聚，提供大容量的buffer，從而要升級LTE硬件設備；Option 7需要增加NG、Xn的傳輸容量；不利于異廠家組網。

其中，對于Option 4a和7a而言有如下的優(yōu)缺點。

優(yōu)點：LTE硬件改造需求相對較小，利于異廠家組網；

缺點：LTE和NR之間用戶面切換的中斷時延較大。

其中Option 7/7a/7x對于傳輸帶寬的需求與Option 3/3a/3x類似。

（3）Option 2和Option 5

Option 2支持5G全業(yè)務，5G網絡演進的最終形態(tài)，在部署上有著如下結論：

非移動類超低時延和高容量業(yè)務可以考慮通過純5G網絡支持；為了改善部分低時延類業(yè)務的體驗，可以下沉部分核心網功能，減少基站與核心網之間的傳輸時延；

5G成規(guī)模連續(xù)覆蓋時，可以考慮采用純5G網絡支持；endprint

相比于4G網絡，NG接口傳輸帶寬需要提升至吉比特每秒量級以滿足5G高速空口的需求。

Option 5本身是Option 7/7a/7x的一個特例，從需求角度有如下結論：

純NG-eNB網絡難以支持5G全業(yè)務，特別是低時延類業(yè)務。為了改善部分低時延類業(yè)務的體驗，可以下沉部分核心網功能，減少基站與核心網之間的傳輸時延。

基站到核心網（4G和5G核心網）之間的總傳輸帶寬（S1+NG接口）與改造前相同。

3.2 CU/DU劃分對于前傳和中傳

帶寬的需求

我們把高層劃分中F1接口所需要的傳輸網稱之為中傳，把DU到有源天線系統(tǒng)（AAU）之間的接口所需的傳輸網稱之為前傳。

對于高層劃分方案（Option 2-1），其適用部署場景包括綜合業(yè)務接入區(qū)、室分系統(tǒng)等。綜合業(yè)務接入區(qū)場景下的下一代前傳接口應用是指以綜合業(yè)務接入區(qū)為單位，對區(qū)內的分布式基站，利用接入區(qū)內原有的光纜網連接，選擇合適的傳輸技術如波分復用（WDM）/光傳送網（OTN）/下一代無源光網絡（NG-PON）/分組傳送網（PTN），連接CU和DU，實現BBU的集中部署，原有光纜網承載中傳接口數據；在室分系統(tǒng)部署中，可以考慮利用樓內預先部署的豐富網線資源承載下一代前傳接口數據，實現CU與DU間的通信。對于中傳的帶寬和時延需要滿足如下條件：

（1）傳輸帶寬。對于5G情況，以6 GHz以下頻帶、100 MHz帶寬為例，假設在基站128天線配置下，上下行端口數為8，上行滿負載時最高調制階數為64 QAM，下行滿負載時最高調制階數為256 QAM，最大用戶數為1 000，上下行峰值速率為3 Gbit/s和4 Gbit/s。下行接口信息帶寬跟預選UE/Bearer的數量相關。根據前面假設每載波1 000個UE，假定10%的UE被預選，每UE一個無限承載，每個UE包含20 B信息。這樣所需的帶寬為1 000×10%×20 B×8 = 16 000 bit/ms， 即16 Mbit/s。上行接口信息帶寬與需要上報信息的用戶數量和上報的內容相關。前面假設每載波1 000個UE，假定10%的UE有信息上報，每個UE上報的信息為30 Bytes。這樣以來所需的帶寬為1 000×10%×30 B×8=24 000 bit/ms，即24 Mbit/s。因此，在基于調度的L2劃分方案下，每載波下行和上行總帶寬分別為：下行為4 016 Mbit/s，上行3 024 Mbit/s。

（2）傳輸時延。由于將HARQ部分處理放到DU側，本方案中的前傳接口傳輸將不受LTE最大混合自動重傳請求（HARQ）響應時間4 ms的時序限制?；诋斍癓TE業(yè)務端到端的時延要求，對FI接口的時延按照當前S1接口的傳輸時延要求即可。經初步仿真和評估，在只考慮CS/CB協(xié)作增益的情況下，FI接口最大單向端到端時延要求為1.5～10 ms。如果未來業(yè)務對端到端時延的要求變化，則此時延要求需要從新評估。

對于前傳接口的需求，本節(jié)以Option 7-2為例，從以下兩個維度進行分析：

（1）傳輸帶寬?？紤]到5G場景時，以6 GHz以下頻帶100 MHz帶寬、0.2 msTTI為例，假設在基站128天線配置下，上行端口數為32，下行為8。上行數據帶寬都將增至4G的20倍， 下行為20倍。下行控制信道按端口數4，上行按數據信道端口數進行帶寬需求計算。而根據MAC層信息相關假設，該方案所需的帶寬為：下行9.2 Gbit/s，上行60.4 Gbit/s。

（2）傳輸時延?；?G場景，該劃分方案在物理層進行劃分，受LTE最大單向時延4 ms（HARQ周期4 TTI）的時序限制，假設空口時延需要1 ms，其余部分將需要在剩下的3 ms完成。這其中主要包含DU的處理時延、CU上的處理時延（物理層和上層處理）和CU-DU之間的傳輸時延。因此刨除了兩端處理時延后，前傳接口傳輸最大單向端到端時延需要控制在250 us以內。由于5G將比4G有著更嚴格的端到端時延要求，比如在0.2 msTTI假設下，整個HARQ響應時間估計在600 us左右，留給數據傳輸的時間將進一步減小，因此對傳輸網絡時延和抖動的要求會更高。

4 結束語

5G無線網絡為了滿足不同業(yè)務以及運營商的部署需求，引入了NSA和SA兩種4G和5G網絡部署方案，以及CU/DU分離的基站架構。本文介紹了當前5G無線網絡的標準進展，并結合現有架構分析了5G無線網絡架構部署方案，特別針對傳輸網的需求進行了分析。分析結果表明：5G無線網絡對于傳輸網的帶寬和時延都提出了嚴苛的要求，后續(xù)在部署過程中需要根據業(yè)務需求和網絡發(fā)展需要合理規(guī)劃傳輸網絡以保證5G用戶的體驗。

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