5G組網(wǎng)方案分析與運營商的選擇

1 前言

5G網(wǎng)絡雖然已經(jīng)商用，但是組網(wǎng)方式與演進途徑仍然是運營商及研究單位5G的永恒主題。隨著車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療衛(wèi)生等應用的發(fā)展與需求，5G已經(jīng)開始改變社會行業(yè)能力的同時，也改變著人們的生活。能夠為這些應用提供更高速率、更短時延、更多連接的移動寬帶業(yè)務服務的，目前只有5G網(wǎng)絡。因此擺在各大運營商面前的建網(wǎng)問題是頭等大事，而如何面對5G組網(wǎng)問題更是運營商重中之重的首要任務，論文詳細介紹了5G常規(guī)及各種演進途徑的組網(wǎng)方案，以供各運營商及相關(guān)研究機構(gòu)選擇參考。同時闡述了5G語音業(yè)務的發(fā)展與演進，并且認真分析了運營商5G網(wǎng)絡共建共享方案及聯(lián)通和電信的共享案例。

2 5G組網(wǎng)方案的研究與分析

總體概括而言：5G獨立組網(wǎng)(SA)就是從核心網(wǎng)、接入網(wǎng)、數(shù)據(jù)層、控制層、語音層都是基于5G-NR新標準端到端純粹的5G全新網(wǎng)絡。而5G非獨立組網(wǎng)（SNA）的核心網(wǎng)、接入網(wǎng)、控制層、語音層是基于4G-LTE，只是數(shù)據(jù)層建立在5G- NR上的聯(lián)合組網(wǎng)方式，大方案可以總結(jié)為以上兩種。根據(jù)核心網(wǎng)的不同采用，雙連接控制方案可以分為EPC（選項3系列）和NGC（選項7、4系列），而接口切換控制方案為NGC（選項2、5），具體組網(wǎng)方案及演進階段細分如下。

2.1 非獨立組網(wǎng)

非獨立組網(wǎng)的演進過程可以分為3個階段。

第一階段；4G（eNB）和5G（gNB）的核心網(wǎng)共同采用EPC時，eNB為主站，gNB為從站，由EPC控制。承載上層用戶數(shù)據(jù)的用戶面能直接連到EPC，而為承載用戶數(shù)據(jù)進行信令交互的控制面由eNB連接到EPC。由于用戶面不同的分流方式，產(chǎn)生了對應選項3/3a/3x，其中選項3中，5G用戶面經(jīng)由LTE eNB連接到EPC ，4G/5G的用戶面在LTE eNB的PDCP層分流和聚合；選項3a中，4G和5G的用戶面各自直通核心網(wǎng)EPC，僅在控制面錨定于4G基站；選項3x中，LTE用戶面經(jīng)由5G用戶面連接到EPC，4G/5G的用戶面將數(shù)據(jù)遷移到gNB的PDCP層分流和聚合。選項3系列如圖1所示。

圖1 5G與LTE聯(lián)合組網(wǎng)架構(gòu)選項3系列示意圖

選項3的優(yōu)勢是充分利用EPC，無需新建（NGC），快速實現(xiàn)5G業(yè)務與覆蓋，缺陷是該選項雙連接的LTE PDCP層受限，所以LTE PDCP層的原4G基站必須硬件升級到增強版的eLTE eNB，然后遷移入5G核心網(wǎng)。因此，該階段主要是解決初期的5G覆蓋。

第二階段；4G（eNB）和5G（gNB）的核心網(wǎng)共同采用NGC時，eNB仍然為主站，gNB還是為從站，由NGC控制。選項7是直接連接5G核心網(wǎng)NGC，而LTE eNB只能是升級版的eLTE eNB才能連接到NGC?？刂泼嫘帕钣?G（eNB）走到5G（gNB）核心網(wǎng)，不同的控制面連接方式和分流方式，產(chǎn)生了不同的架構(gòu)類型，其中包括7、7a和7x三個子選項，相對于選項3系列，它們則是后續(xù)升級版。5G gNB用戶面經(jīng)由eLTE eNB連接時對應選項7；5G gNB用戶面直接連接到5G核心網(wǎng)且由核心網(wǎng)進行分流時，對應選項7a；5G gNB用戶面直接連接到5G核心網(wǎng)且由5G gNB進行分流控制時，對應選項7x。選項7系列如圖2所示。

圖2 5G與LTE聯(lián)合組網(wǎng)架構(gòu)選項7系列示意圖

選項7的優(yōu)勢是NGC替代了EPC，消除了核心網(wǎng)信令過載的隱患。該階段主要解決初期的5G容量需求。

第三階段；4G（eNB）和5G（gNB）的核心網(wǎng)共同采用NGC時，gNB為主站，eNB為從站，由NGC控制。5G gNB可以直接連接到NGC，而LTE eNB必需升級版到eLTE eNB后連接到NGC。不同的控制面連接方式，產(chǎn)生了不同的架構(gòu)類型?？刂泼嫱ㄟ^gNB連接時分為選項4、4a的兩個子選項，eLTE eNB用戶面經(jīng)由5G gNB連接NGC時對應選項4；而eLTE eNB用戶面直接連接到NGC時對應選項4a。選項4系列如圖3所示。

圖3 5G與LTE聯(lián)合組網(wǎng)架構(gòu)選項4系列示意圖

選項4系列是5G全覆蓋網(wǎng)絡，適合小于1 GHz頻段來部署5G的運營商，該階段是面向5G增強型移動寬帶場景、面向大規(guī)模和低時延高可靠的物聯(lián)網(wǎng)，是面向5G物聯(lián)網(wǎng)多樣化業(yè)務的組網(wǎng)方式。

2.2 5G獨立組網(wǎng)

5G獨立組網(wǎng)無論從終端、無線新空口、核心網(wǎng)都是采用了5G相關(guān)新標準，支持5G各類接口，實現(xiàn)5G各項功能，提供5G各類服務，采用端到端的5G全新網(wǎng)絡架構(gòu)。核心網(wǎng)采用5GNGC，無線系統(tǒng)可以是5G gNB或者是增強版的eLTE eNB，分別對應選項2和選項5。其中選項2就是完全獨立組網(wǎng)的方式與4G網(wǎng)絡少有牽連，而選項5只需核心網(wǎng)演進到5G，無線網(wǎng)無需演進到5G的獨立組網(wǎng)方式，但又能充分利用了5G的網(wǎng)絡切片功能，兩種組網(wǎng)架構(gòu)方式的控制面和用戶面都是直通核心網(wǎng)NGC。具體組網(wǎng)方式如圖4所示。

選項2和選項5的優(yōu)勢是更能全面體現(xiàn)5G功能，缺陷是技術(shù)難度和投資額度都大。

2.3 運營商5G部署方案及演進

運營商5G部署方案及演進途徑可以歸納成以下3種方式，如圖5所示。

圖4 5G獨立組網(wǎng)架構(gòu)選項2和選項5示意圖

圖5 5C組網(wǎng)方案部署方式示意圖

（1）非獨立部署（NSA）：LTE+5G NR毫米波

此種部署方式是在現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡上部署5G NR毫米波來補充熱點覆蓋或部署5G無線網(wǎng)。

（2）非獨立部署（NSA）：LTE+小于6 GHz NR頻段

此種部署方式可快速實現(xiàn)更好的5G NR覆蓋，但存在4G LTE和5G NR之間的接口和載波聚合等技術(shù)的復雜性。對于非獨立部署，適合于FDD頻譜資源豐富的運營商，具體演進途徑分為以下幾條。

途徑①：先部署5G無線接入網(wǎng)后部署5G核心網(wǎng)，最終5G無線接入網(wǎng)遷移到5G核心網(wǎng)，形成選項3系列到選項2的演進途徑。

途徑②：先部署5G無線接入網(wǎng)后部署5G核心網(wǎng)，最終 4G/5G無線接入網(wǎng)統(tǒng)一遷移到5G核心網(wǎng)，形成選項3系列到（選項7或選項5）系列的演進途徑。由于演進步驟繁多，運營商持保留態(tài)度。

途徑③：從選項7+選項2，最終直接演進到選項2的演進途徑。該路徑是中國聯(lián)通與中國電信非獨立組網(wǎng)的最佳選擇。

（3）獨立部署（SA）

直接部署5G全新網(wǎng)絡，簡化了NSA向5G核心網(wǎng)遷移過程，在降低復雜性的同時要求完整成熟的5G標準與覆蓋。對于Sub-6 GHz頻譜資源豐富的中國移動選項2的獨立組網(wǎng)方式是一個比較理想的選擇。

3 5G語音業(yè)務的發(fā)展與演進

3.1 VoLTE與5G語音解決方案的關(guān)聯(lián)

VoLTE、VoNR作為IMS語音的兩種不同接入方式，即VoLTE由LTE接入，VoNR由NR接入。5G建網(wǎng)初期VoLTE成為保證用戶高清語音的關(guān)鍵技術(shù)。為了解決5G商用后覆蓋不足情況下對語音業(yè)務的影響，標準定義了EPS FB方案，也就是將語音業(yè)務回落到VoLTE網(wǎng)絡來承載。而VoNR只能等5G網(wǎng)絡覆蓋完善到一定程度才能推出。目前VoLTE網(wǎng)絡已經(jīng)成為3家運營商5G語音基礎網(wǎng)的必然選擇，VoLTE網(wǎng)絡也為5G平穩(wěn)過渡奠定了基礎。可以說在5G NSA階段VoLTE是用戶高清語音與運營商品牌的保證，因此中國移動網(wǎng)語音業(yè)務已經(jīng)全面進入了VoLTE時代。圖6是4G時代到5G時代語音的演進過程。

圖6 4G到5G語音演進過程

3.2 SA組網(wǎng)語音解決方案

在5GSA組網(wǎng)初期，3GPP標準明確規(guī)定，5G語音業(yè)務不支持5G到2/3G的CSFB回落方式，只能通過EPS FB方式回落到LTE網(wǎng)絡，通過VoLTE來完成語音業(yè)務的連接，EPS FB通話結(jié)束后再快速重選回到5G網(wǎng)絡。新技術(shù)VoNR雖然可以提供更好的5G語音業(yè)務，但是5G網(wǎng)絡覆蓋一時根本無法達到要求，只能暫時停留在全場景測試已驗收成功階段，也標志著SA組網(wǎng)下的語音通話也正走向成熟階段。

4 運營商5G網(wǎng)絡共建共享

4.1 共建共享的根因

首先從三大運營商頻段劃分和覆蓋距離上反映出了主要原因：移動的頻段是2.6 G [2 515～2 675 MHz]160 M和4.9 G [頻段4 800～4 900 MHz] 100 M的頻譜，覆蓋距離是424米；而電信和聯(lián)通的頻段是3.5G [3 400～3 500 MHz]和[頻段3 500～3 600 MHz]，分別獲得的100 M的頻譜，覆蓋距離是322米。很明顯5G網(wǎng)絡覆蓋小區(qū)半徑的縮小是基站數(shù)量增多的主因，更是建設成本翻倍的根因。

其次在5G已商用的建網(wǎng)初期，各產(chǎn)業(yè)鏈倒逼運營商加速5G網(wǎng)絡建設步伐，而5G網(wǎng)絡的統(tǒng)一制式，組網(wǎng)方式僅限于NSA和SA兩種。為了短期內(nèi)達到需求目標，運營商一般組網(wǎng)方式會選擇NSA，但是隨著5G技術(shù)的成熟與網(wǎng)絡規(guī)模的擴大和市場需求，最終NSA建網(wǎng)模式逐步會轉(zhuǎn)向SA的建網(wǎng)模式，這樣凸顯出5G網(wǎng)絡的復雜性。

最后基站數(shù)量的翻倍造成新站選址難度極大，加之部分區(qū)域的覆蓋需要從頭開始，各小區(qū)物業(yè)與業(yè)主對有關(guān)移動通信基站的宣傳與溝通力度不夠，造成運營商無法有效覆蓋，甚至基站進場建設被阻礙。

除了綜上所述三大因素外，還有如果聯(lián)通和電信拿各自的100 M帶寬與移動的160 M帶寬競爭明顯處于弱勢，因此以200 M載波共建共享的形式建設5G網(wǎng)絡是最佳選擇。在節(jié)省投資的同時達到了“事半功倍”的功效。

4.2 共建共享方案

聯(lián)通和電信公告已經(jīng)明確“5G網(wǎng)絡共建共享采用接入網(wǎng)共享方式，核心網(wǎng)各自建設，5G頻率資源共享”的原則。

4.2.1 共建共享方案

載波共享方案分為：獨立載波or共享載波（圖7獨立載波or共享載波）獨立載波：運營商A和運營商B各配置一個獨立的載波，使用各自頻點，以同頻組網(wǎng)方式為主，各自獨立載波只廣播各自的PLMN，可以配置各自獨立的小區(qū)級特性，終端都在各自獨立載波作業(yè)，不需要考慮復雜的空口資源分配和控制算法。共享載波：運營商A和運營商B配置一個共享的載波，使用同一個頻點，其中一方將引入異頻切換，增加了網(wǎng)絡的復雜度，降低了網(wǎng)絡性能，同時廣播兩個運營商的PLMN，只能使用相同的小區(qū)級特性，部分參數(shù)可以按照PLMN配置，需要考慮空口資源分配策略。

4.2.2 聯(lián)通與電信共建共享方案

圖7 獨立載波or共享載波

根據(jù)公告聯(lián)通與電信采用接入網(wǎng)共享方案：共享部分采用獨立或共享載波實現(xiàn)接入網(wǎng)共享，核心網(wǎng)兩家運營商各自獨立建網(wǎng)，兩家實現(xiàn)在邏輯上是端到端可管可控安全的、各自的5G網(wǎng)絡，而且具備從NSA共享逐步向SA共享的演進能力。其中網(wǎng)絡架構(gòu)是物理上一個基站，邏輯上配置為兩個獨立的基站?；竟蚕黼p上聯(lián)接入各自的核心網(wǎng)，而核心網(wǎng)、IT系統(tǒng)卻保持獨立，通過OMC反牽終端提供基礎支撐能力，逐步實現(xiàn)OMC雙向或OSS一級對接。技術(shù)方案是承載網(wǎng)互通，基站配置雙方運營商的網(wǎng)絡號，用戶體驗和支持的業(yè)務與獨立建網(wǎng)基本保持一致。圖8接入網(wǎng)共享網(wǎng)絡架構(gòu)示意圖、圖9NSA階段4G錨點方案。

圖9 NSA階段4G錨點方案

5G共建共享演進路徑：NSA組網(wǎng)時4G/5G基站一起共享，分別接入各自4G核心網(wǎng)，SA組網(wǎng)時雙方各自新建5G核心網(wǎng)，5G基站升級后繼續(xù)共享。NSA/SA雙模5G基站同時接入4G核心網(wǎng)和5G核心網(wǎng)后繼續(xù)共享。SA單模5G基站僅連接5G核心網(wǎng)后繼續(xù)共享。

4.2.3 共享區(qū)域內(nèi)VoLTE業(yè)務承載

場景a：VoLTE語音承載在承建方的4G共享網(wǎng)絡時，重點關(guān)注客戶從共享區(qū)域到非共享區(qū)域VoLTE語音業(yè)務連續(xù)性的問題。承建方4G基站需要支持基于PLMN配置鄰區(qū)列表、執(zhí)行差異化切換策略等，針對共享方5G終端執(zhí)行異頻切換到共享方4G基站，確保業(yè)務連續(xù)性。而VoLTE業(yè)務建立流程和自建網(wǎng)絡是一致的。

場景b:VoLTE語音承載在歸屬4G網(wǎng)絡時，要求承建方共享4G錨點站支持基于PLMN配置鄰區(qū)列表和PLMN+業(yè)務設置頻率優(yōu)先級的功能。在共享區(qū)域內(nèi)，共享方5G終端駐留在承建方4G錨點站上，當承建方4G錨點站收到共享方5G終端發(fā)起VoLTE語音業(yè)務請求時，承建方4G錨點站觸發(fā)共享方5G終端回歸屬的4G網(wǎng)絡進行VoLTE業(yè)務。

5 結(jié)束語

論文詳細分析了5G網(wǎng)絡各種組網(wǎng)方案，種類雖多，固然演進途徑也多各有特性，運營商只能按需所建靈活部署。文中還著重介紹了5G語音解決方案以及共建共享的理論支持和聯(lián)通與電信的現(xiàn)實組網(wǎng)案例情況。通過全文的研究與分析，凸顯出組網(wǎng)方案對于運營商在5G商用演進道路上和客戶能早日享受到5G生活都有著極其的重要意義。