5G網(wǎng)絡部署模式選擇及演進策略

楊旭，肖子玉，邵永平，宋小明

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5G網(wǎng)絡部署模式選擇及演進策略

楊旭，肖子玉，邵永平，宋小明

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

獨立部署（SA）和非獨立部署（NSA）是5G網(wǎng)絡引入初期必須考慮的關(guān)鍵問題。首先介紹了3GPP標準中的部署架構(gòu)選項并對重點部署架構(gòu)進行了深入分析和比較，然后在此基礎(chǔ)上提出了5G網(wǎng)絡部署的兩大演進線路，最后從核心網(wǎng)角度給出了5G核心網(wǎng)部署模式及演進策略，為5G網(wǎng)絡部署模式及演進路徑選擇提供參考。

5G；SA；NSA；5G核心網(wǎng)

1 引言

ITU-T定義了5G的“三大類應用場景”（eMBB（增強移動寬帶）、mMTC（海量機器類通信）、URLLC（超高可靠低時延通信））和“八大標志性能力指標”（體驗速率、峰值速率、流量密度、連接密度、網(wǎng)絡能效、頻譜效率、移動性、時延），5G多樣化的業(yè)務需求對網(wǎng)絡提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。3GPP標準第一個商用版本R15于2018年6月完成，主要滿足eMBB和部分URLLC業(yè)務場景需求。目前國際上多數(shù)主流運營商計劃在2020年正式開展5G網(wǎng)絡商用[1]。5G網(wǎng)絡建設(shè)采用何種部署模式及演進路徑是各運營商首先需要考慮的重要問題。

3GPP標準定義了獨立（standalone，SA）組網(wǎng)和非獨立（non-standalone，NSA）組網(wǎng)兩大類部署模式[1]。在2017年3月召開的3GPP RAN第75次全體大會上，3GPP正式通過了5G加速的提案，即計劃于2017年12月完成、2018年3月凍結(jié)非獨立5G新空口標準（option3），于2018年6月完成、9月凍結(jié)獨立5G新空口標準[2]。

本文在對于3GPP標準中提出的獨立部署和非獨立部署架構(gòu)充分分析的基礎(chǔ)上，對于5G網(wǎng)絡整體部署架構(gòu)、演進路徑選擇以及核心網(wǎng)部署模式等方面關(guān)鍵問題進行闡述。

2 5G組網(wǎng)部署模式架構(gòu)選項

3GPP TSG-RAN第72次全體大會上，RP-161266提出了12種5G系統(tǒng)整體架構(gòu)（涉及8類option）[3]，這些架構(gòu)選項是從核心網(wǎng)和無線角度相結(jié)合進行考慮的，部署場景涵蓋了未來全球運營商部署5G商用網(wǎng)絡在不同階段的部署需求。在3GPP TR23.799核心網(wǎng)標準中同樣提到了這8個option[4]，其中option1/option2/option5/option6為SA架構(gòu)（LTE與5G NR獨立部署架構(gòu)），option3/option4/option7/option8為NSA架構(gòu)（LTE與5G NR雙連接部署架構(gòu)）。部署架構(gòu)選項如圖1所示。

其中option1是傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡架構(gòu)，LTE連接EPC。option6是獨立5G NR僅連接到EPC，option8/option8a是非獨立5G NR僅連接到EPC，僅是理論存在的部署場景，不具有實際部署價值，標準中不予考慮。option2/option3/option4/ option5/option7是3GPP標準以及業(yè)界重點關(guān)注的5G候選組網(wǎng)部署方式，其中option3/option4/ option7是在3GPP TR38.801中重點介紹的LTE與NR雙連接的網(wǎng)絡部署架構(gòu)選項[5]。

2.1 非獨立部署架構(gòu)

圖1 3GPP標準的8個option架構(gòu)選項

3GPP R12中已經(jīng)提出了雙連接技術(shù)，與傳統(tǒng)LTE雙連接有3種承載類型（MCG（master cell group，主小區(qū)組）承載、SCG（secondary cell group，輔小區(qū)組）承載、MCG分離承載）相比，LTE-NR跨系統(tǒng)雙連接新增了SCG分離承載。

MCG承載是協(xié)議棧都位于MN（master node，主節(jié)點）且僅使用MN資源的承載；SCG承載是協(xié)議棧都位于SN（secondary node，輔節(jié)點）且僅使用SN資源的承載；分離承載是指協(xié)議棧同時位于MN和SN節(jié)點且同時使用MN和SN資源的承載，MCG分離承載是指僅MN與核心網(wǎng)數(shù)據(jù)面相連，數(shù)據(jù)由MN分流至SN；SCG分離承載是指僅SN與核心網(wǎng)數(shù)據(jù)面相連，數(shù)據(jù)由SN分流至MN。具體如圖2所示。

MCG分離承載、SCG承載、SCG分離承載分別對應option3/option3a/option3x的3個部署選項以及option7/option7a/option7x的3個部署選項，MCG分離承載、SCG承載分別對應option4/option4a兩個部署選項（不存在option4x部署選項）。

候選的非獨立部署架構(gòu)option3/option7/ option4具體介紹及優(yōu)劣勢分析如下。

圖2 雙連接4種承載類別示意

圖3 option3/option3a/option3x部署架構(gòu)

圖4 option3/option3a/option3x協(xié)議架構(gòu)[6]

（1）option3/option3a/option3x

option3/option3a/option3x部署架構(gòu)如圖3所示。

LTE作為MN提供連續(xù)覆蓋（LTE作為控制面錨點），NR作為SN熱點區(qū)域部署，升級EPC核心網(wǎng)，實現(xiàn)增強的業(yè)務體驗。opiton3、opiton3a和opiton3x的主要區(qū)別在于用戶面路徑不同，用戶面分別經(jīng)由LTE eNB、EPC、NR進行分流。

協(xié)議架構(gòu)如圖4所示。

優(yōu)勢：NSA option3/option3a/option3x標準化完成時間最早，可較早提供5G高速率，有利于市場宣傳；對NR覆蓋無要求，支持5G NR和LTE雙連接，可以帶來流量增益；網(wǎng)絡改動小，建網(wǎng)速度快，投資相對少。

劣勢：該方案可能需要新建5G NR與現(xiàn)有LTE基站的設(shè)備廠商強綁定；由于連接到EPC核心網(wǎng)，無法支持5G核心網(wǎng)引入的相關(guān)新功能和新業(yè)務。

適用場景：LTE eNB作為MN，NR gNB作為SN，適合于5G商用初期熱點部署，能夠?qū)崿F(xiàn)5G快速商用。

（2）option7/option7a/option7x

option7/option7a/option 7x部署架構(gòu)如圖5所示。

eLTE作為MN提供連續(xù)覆蓋（eLTE作為控制面錨點），NR作為SN在熱點區(qū)域部署；LTE基站升級改造為eLTE接入5G核心網(wǎng)。opiton7、option7a和option7x的主要區(qū)別在于用戶面路徑不同，用戶面分別經(jīng)由LTE eNB、5GC、NR進行分流。

優(yōu)勢：對NR覆蓋無要求，能夠有效利用現(xiàn)有大規(guī)模LTE資源；支持5G NR和LTE雙連接，帶來流量增益；引入5G核心網(wǎng)，支持5GC新功能和新業(yè)務。

劣勢：eLTE是指通過升級改造連接到5G核心網(wǎng)的演進LTE基站，涉及LTE基站的改造較大，并可能涉及硬件的改造或替換（需提升容量及峰值速率、降低時延，并需要升級協(xié)議棧、支持5G QoS等），且產(chǎn)業(yè)成熟時間可能會相對較晚；新建5G NR可能需要與升級的eLTE設(shè)備廠商綁定。

適用場景：eLTE作為MN，NR作為SN，適合于5G部署初期及中期場景，由升級后的eLTE基站提供連續(xù)覆蓋、NR作為熱點覆蓋提高容量。

圖5 option7/option7a/option7x部署架構(gòu)

（3）option4/option4a

option4/option4a部署架構(gòu)如圖6所示。

NR作為MN提供連續(xù)覆蓋（NR作為控制面錨點），eLTE作為SN提供流量補充；引入5G核心網(wǎng)。opiton4、option4a的主要區(qū)別在于用戶面路徑不同，用戶面分別經(jīng)由gNB、NGC進行分流。因NR作為MN且NR帶寬大于eLTE，因此標準架構(gòu)中沒有考慮option4x架構(gòu)選項。

優(yōu)勢：支持5G NR和LTE雙連接，帶來流量增益；引入5G 核心網(wǎng)，支持5G新功能和新業(yè)務。

劣勢：eLTE涉及現(xiàn)網(wǎng)LTE無線的改造量較大，且產(chǎn)業(yè)成熟時間可能會相對較晚；新建5G NR可能需要與升級的eLTE設(shè)備廠商綁定。

適用場景：NR作為MN，eLTE作為SN，由NR提供連續(xù)覆蓋，適合于5G商用中后期部署場景。

2.2 獨立部署架構(gòu)

候選的獨立部署架構(gòu)選項包括option2和option5，如圖7所示。

圖6 option4/ option4a部署架構(gòu)

圖7 option2和option5部署架構(gòu)

（1）option2

option2通過部署NR接入5GC，是獨立5G架構(gòu)，也是業(yè)界公認的5G目標架構(gòu)。

優(yōu)勢：一步到位引入NR和5GC，不依賴于現(xiàn)有4G網(wǎng)絡，演進路徑最短；全新的NR和5GC，能夠?qū)崿F(xiàn)全部的5G新特性，能夠支持5G網(wǎng)絡引入的所有相關(guān)新功能和新業(yè)務。

劣勢：5G頻點相對LTE較高，初期部署難以實現(xiàn)連續(xù)覆蓋，會存在大量的NR與LTE系統(tǒng)間切換；初期部署成本相對較高，無法有效利用現(xiàn)有LTE基站資源。

適用場景：該架構(gòu)作為5G系統(tǒng)的目標架構(gòu)和最終形態(tài)，適合在整個5G商用周期內(nèi)進行部署。

（2）option5

option5方案中，LTE需要升級改造為eLTE，接入5G核心網(wǎng)。

優(yōu)勢：能夠有效利用現(xiàn)有大規(guī)模LTE資源。

劣勢：eLTE涉及現(xiàn)網(wǎng)LTE無線的改造量相對較大；升級現(xiàn)網(wǎng)LTE為eLTE，廠商綁定。

option 2與option 5比較：兩者主要差別在空口層面，5G NR采用新型波形和多址、新幀結(jié)構(gòu)、新信道編碼等技術(shù)，能實現(xiàn)更高速率、更低時延和更高效率，改造后的eLTE與NR相比在峰值速率、時延、容量等方面依然有明顯差別。NR底層的優(yōu)化和后續(xù)的演進，eLTE都不一定支持。因此不推薦現(xiàn)網(wǎng)部署option5架構(gòu)。

2.3 非獨立部署架構(gòu)與獨立部署綜合比較

從包括核心網(wǎng)和無線連接、覆蓋方式、提供的業(yè)務和功能、互操作和切換、終端和協(xié)議等多個方面，對于重點部署架構(gòu)選項option3/option7/ option4/option2進行歸納總結(jié)，具體見表1。

對于非獨立部署的3種數(shù)據(jù)承載方式，MCG分離承載、SCG承載和SCG分離承載的分析總結(jié)如下。

（1）MCG承載

采用option3、option4、option7部署架構(gòu)是通過MN在PDCP層進行數(shù)據(jù)分流，由MN控制在SN和MN之間進行動態(tài)分流，同一承載可以通過MN和SN進行傳送。對于MN有額外的容量處理需求以及數(shù)據(jù)緩存需求（尤其是option3和option7是以LTE和eLTE作為MN，要求較高），對于MN和SN之間的回傳鏈路有一定吞吐量和時延要求。

（2）SCG承載

采用option3a、option4a、option7a部署架構(gòu)是通過核心網(wǎng)進行數(shù)據(jù)分流，對于同一承載只能分別從MN或SN進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，MN和SN之間無數(shù)據(jù)鏈路和傳送需求，當僅有一個承載或兩個承載數(shù)據(jù)流量差異較大時增益較低（如CMNet APN和CM-IMS承載）。

（3）SCG分離承載

由于LTE與NR相比帶寬差距較大，采用option3x以及option7x架構(gòu)是通過NR（SN）在PDCP層進行數(shù)據(jù)分流，由SN控制在SN和MN之間進行動態(tài)分流，同一承載可以通過SN和MN進行傳送。將容量更大、性能更高的NR作為分流節(jié)點，可以降低對于LTE/eLTE基站的網(wǎng)絡容量處理需求以及數(shù)據(jù)緩存需求，無需對現(xiàn)有LTE無線進行大量的升級改造。對于MN和SN之間的回傳鏈路有一定吞吐量和時延要求。

表1 5G NSA和SA重點架構(gòu)選項比較

因此當需要考慮部署option3/option3a/option3x、option4/option4a、option7/option7a/option7x時，建議分別選擇option3x、option4、option7x架構(gòu)選項。

3 5G網(wǎng)絡部署路線選擇分析及建議

根據(jù)運營商5G商用部署進度計劃、可用頻譜資源、終端和產(chǎn)業(yè)鏈成熟情況、總體建網(wǎng)成本等，運營商可以選擇不同的組網(wǎng)部署演進路線。由于NSA標準化完成時間早于獨立部署，因此運營商可以選擇優(yōu)先部署5G無線網(wǎng)絡，或SA成熟時直接部署NR和5GC。SA option2部署架構(gòu)作為5G部署的終極目標架構(gòu)，總體可以歸納為兩大類部署演進路線[2]，如圖8所示，每大類又可以細分為多個典型的遷移路徑供選擇。

（1）5G商用初期直接選擇獨立部署架構(gòu)

遷移路徑一（一步走方案）：option1→option 2。

option1→option2，如5G建設(shè)初期具備直接部署option2的條件，則可以一步到位新建NR接入新建5GC，能夠體現(xiàn)5G網(wǎng)絡全部性能優(yōu)勢；不需要改動現(xiàn)網(wǎng)LTE/EPC（需要支持N26接口互操作）。

5G建網(wǎng)初期實現(xiàn)5G NR連續(xù)覆蓋難度較大，成本較高。

（2）5G商用初期選擇非獨立部署架構(gòu)，再向獨立部署架構(gòu)演進：

圖8 5G網(wǎng)絡部署模式遷移路徑示意

遷移路徑路徑二（分步走方案）：option1→ option3x→(option7x)→(option4)→option 2。

采用非獨立部署可以有option3/option7/option4共3種部署方式，不同組合方式下的遷移路徑可能有多種選擇，可以根據(jù)運營商具體情況進行合理選擇，最終演進到option2目標架構(gòu)。

5G NR優(yōu)先引入，基于NSA option3開始部署，升級EPC為EPC+；后續(xù)引入5GC，可選部署option7x/option4；可同時部署多個option，如option3x（滿足eMBB需求）+option2（熱點部署，滿足部分垂直行業(yè)需求）；終端形態(tài)較多，需要支持多種制式。

部署option3x：5G商用部署的頻率（6 GHz以下頻段主要是3.5 GHz和4.8 GHz）相比LTE頻率（2.6 GHz頻段）會高，因此NR覆蓋范圍相比LTE會有所減小。5G商用初期主要為了滿足eMBB業(yè)務需求，可以充分利用現(xiàn)有LTE無線和EPC實現(xiàn)連續(xù)覆蓋和移動性，NR覆蓋提升用戶面容量。

可選部署option7/option7a/option7x；可以在option3/option3a/option3x部署后遷移到option7/ option7a/option7x，將LTE升級到eLTE，新建5G核心網(wǎng)；也可以直接在5G商用初期跳過option3/3a/3x直接部署option7/option7a/option7x。該方案優(yōu)勢在于，在利用eLTE廣覆蓋優(yōu)勢的同時，可以使用5G核心網(wǎng)的相關(guān)高級特性。

可選部署option4/option4a：option4/option4a部署架構(gòu)較大可能在5G部署中后期采用，隨著5G NR逐漸實現(xiàn)連續(xù)覆蓋，同時又可以將現(xiàn)網(wǎng)eLTE利用起來作為容量補充。

由非獨立部署架構(gòu)演技到獨立部署架構(gòu)的可選路徑示意如圖9所示，5G NR逐步由熱點覆蓋演進到5G NR連續(xù)覆蓋，實現(xiàn)5G獨立組網(wǎng)架構(gòu)。

圖9 option3/option7/option4/option2部署路線演進示意

SA架構(gòu)option2是5G網(wǎng)絡建設(shè)的終極目標，能夠體現(xiàn)5G的全部技術(shù)優(yōu)勢并提供全部的5G網(wǎng)絡服務，NSA架構(gòu)作為5G部署的演進過程，最大優(yōu)勢是能夠在演進過程中充分利用現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡資源，并能夠?qū)崿F(xiàn)快速部署。但在建網(wǎng)過程中也應盡量避免過長的5G整體演進路線，需要對網(wǎng)絡進行頻繁升級和改造才到SA，整體投資成本也會更高。各運營商應根據(jù)自身情況進行選擇，并推動產(chǎn)業(yè)鏈的成熟。

4 5G核心網(wǎng)部署模式及演進策略

基于5G整體網(wǎng)絡部署演進路線選擇，核心網(wǎng)有兩種部署方式選擇：如果采用option3/option3a/option3x部署架構(gòu)，需要將現(xiàn)網(wǎng)EPC升級為5G NSA；如果采用其他部署架構(gòu)選項（option2、option4/option4a、option5、option7/option7a/ option7x），則均需要新建5G核心網(wǎng)。

（1）EPC升級為5G NSA

如果采用option3/option3a/option3x作為5G商用初期的重點可選部署方式，則建議選擇option3x。需要對EPC進行軟件升級（含MME、SAE-GW、PCRF、HSS、CG等網(wǎng)元），主要包含支持雙連接、QoS擴展、5G簽約擴展、NR接入限制、計費擴展等方面。

圖10 核心網(wǎng)部署方式及演進路徑

為實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理和策略管理，需要對于現(xiàn)網(wǎng)全部HSS、PCRF進行升級；為盡量減少對于現(xiàn)網(wǎng)無線LTE基站的升級改造，建議升級pool內(nèi)全部MME設(shè)備；可按需升級改造部分SAE-GW設(shè)備（MME和DNS根據(jù)UE-NR-capability為5G-enabled的UE選擇NSA-GW）支持5G NSA功能及5G大數(shù)據(jù)帶寬，并按需升級部分CG設(shè)備。

云化的5G NSA核心網(wǎng)后續(xù)可進一步平滑演進到5G核心網(wǎng)。

（2）引入5G核心網(wǎng)

5G核心網(wǎng)采用服務化架構(gòu)、支持網(wǎng)絡切片、分布式部署[7]，需基于NFV云化形式部署?；谠苹陆ǚ绞郊皏EPC向上升級方式，部署AMF、SMF、PCF、UPF、UDM、NEF、NRF、NSSF等5GC網(wǎng)絡功能，如圖10所示。

? 基于不換卡不換號原則，為實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理和策略控制，5G核心網(wǎng)引入之初需要首先考慮實現(xiàn)融合UDM/HSS、融合PCF/PCRF，涉及現(xiàn)網(wǎng)存量HSS和PCRF設(shè)備。

? 部署融合SMF/PGW-C實現(xiàn)統(tǒng)一會話管理錨點，部署融合UPF/PGW-U，實現(xiàn)統(tǒng)一用戶面錨點保證業(yè)務連續(xù)性。AMF和MME之間通過N26接口進行控制面互通，傳遞上下文等互操作信息，以實現(xiàn)5G核心網(wǎng)與EPC的互操作。

（3）5G核心網(wǎng)與EPC融合演進，實現(xiàn)統(tǒng)一核心網(wǎng)

5G部署中后期，隨著5G業(yè)務發(fā)展及傳統(tǒng)EPC設(shè)備的老舊退網(wǎng)，核心網(wǎng)逐步實現(xiàn)全云化，EPC逐步向5G核心網(wǎng)遷移。EPC和5G核心網(wǎng)能夠部署在相同的云化基礎(chǔ)設(shè)施上，vEPC向上升級支持相應5G核心網(wǎng)功能，新建5G核心網(wǎng)向下兼容相應EPC網(wǎng)元功能，最終實現(xiàn)統(tǒng)一融合核心網(wǎng)，通過網(wǎng)絡切片滿足三大業(yè)務場景需求。5G與EPC融合核心網(wǎng)同時支持NSA和SA多種接入方式，具體如圖11所示。

圖11 融合核心網(wǎng)統(tǒng)一支持多接入

5 結(jié)束語

3GPP R15標準作為5G商用的第一個版本于2018年中完成，2018年下半年各運營商可基于R15正式標準開展5G網(wǎng)絡試點驗證。5G網(wǎng)絡選擇獨立部署還是非獨立部署及演進路線，是各運營商在引入5G網(wǎng)絡時必須面臨的關(guān)鍵問題。各運營商應根據(jù)自身網(wǎng)絡情況、5G商用部署時間計劃、終端及芯片產(chǎn)業(yè)鏈支持情況、頻率資源和覆蓋策略、建網(wǎng)成本等多方面關(guān)鍵因素進行權(quán)衡考慮，選擇適合自身的5G整體演進路線，為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡服務。

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Deployment mode selection and evolution strategy of 5G network

YANG Xu, XIAO Ziyu, SHAO Yongping, SONG Xiaoming

China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China

Standalone (SA) deployment and non-standalone (NSA) deployment are the key issues considered in the early stage of 5G network introduction. Firstly, the deployment architecture options in 3GPP standard were introduced and the key deployment architectures were analyzed and compared. Then two evolution routes of 5G network deployment were put forward. At last, the deployment mode and evolution strategy of 5G core network were given, which provided references for the deployment mode and evolution path selection of 5G network.

5G, standalone, non-standalone, 5G core network

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018188

楊旭（1985?），男，中國移動通信集團設(shè)計院有限公司工程師，主要研究方向為5G核心網(wǎng)、NFV、分組域核心網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等。

肖子玉（1969?），女，中國移動通信集團設(shè)計院有限公司教授級高級工程師，中國通信學會高級會員，主要研究方向為NFV/SDN、5G、IMS、網(wǎng)絡安全和信息安全等。

邵永平（1978?），男，中國移動通信集團設(shè)計院有限公司高級工程師，主要研究方向為移動通信核心網(wǎng)、NFV、網(wǎng)絡和信息安全等。

宋小明（1985?），女，中國移動通信集團設(shè)計院有限公司工程師，主要研究方向為移動通信核心網(wǎng)、信令網(wǎng)、NFV等。

2018?04?08；

2018?05?30