5G無線接入網絡架構的設計探究

麻鵬程 張馨丹

【摘要】? ? 5G是在4G基礎上通過增強性能而產生的，能夠應對當前更多新的應用場景，特別是IOT。為此基于5G的應用場景及無線網絡的接入要求，針對5G無線接入網絡架構進行了分析討論，指出設計中應根據當前技術實際，選擇合適的無線接入網絡架構，并預留充足的升級擴展空間，以便在技術進步后可隨時進行升級擴展。

【關鍵詞】? ? 5G? ? 無線接入網絡架構? ? 設計

引言：

5G作為新一代的移動通信網絡，其網絡速率可能達到4G的1000倍，這對于網絡架構的要求非常高。5G作為一個多場景應用的多層異構網絡，能夠容納已經廣泛使用的無線接入技術和5G本身所具有的技術手段。隨著5G小規(guī)模商用以來，對5G無線接入網絡的相關研究進入一個新階段，對無線接入網路架構設計、建設部署的研究成為主要方向。因此本文圍繞5G無線接入網絡的相關技術，針對網絡架構設計進行著重分析，力圖探討出5G無線接入網絡架構的設計方案。

一、無線接入網絡的本質

5G的出現是移動通信網絡技術不斷積累的產物，從1G開始，經過2G、3G、4G和5G，每一代移動通信網絡的演進，都是從現有網絡架構上進行技術創(chuàng)新的結果。因此從1G開始到現在的5G，無線接入網絡（RAN）的本質并沒有發(fā)生較大變化。無線接入網絡部分的起始點是基站，由基站與UE連接，當不同區(qū)域兩個UE要進行聯絡，信號走向是從UE端通過無線接入網，接入基站，由基站通過有線傳輸網絡向另一端的基站轉發(fā)信號，并由另一端的基站與所需聯系的UE建立連接。

簡化以下即終端→接入網→承載網→核心網→（另一端）承載網→接入網→終端。整個過程本質是編解碼、調制解調以及加解密的一個過程，無論標準如何變、設備如何變、RAN的本質不會變。

二、5G無線接入網絡及其應用場景

2.1 5G應用場景

當前是互聯網+時代，為了滿足互聯網+業(yè)務的快速發(fā)展需要，5G無線接入網絡不再是解決人與人的通信問題，而是要解決人、事、物的廣泛連接。因此5G最典型的應用場景是IOT，即物聯網，物聯網，即internet of things，要實現智能終端設備和管理平臺之間的廣泛連接，因而需要網絡具備可移動、靈活的、超大容量的連接能力，而這只有無線網絡才能實現。LPWA催生出了Lora，sigfox，NB-IOT，eMTC等多種廣域覆蓋的物聯網新技術。而這些在5G無線接入網絡中都是比較典型的技術手段。在Rel10及以后的標準中，一直在致力于通過聚焦降低設備成本來提高能夠使用IOT可能場景的數量，并逐步演化出大規(guī)模IOT和關鍵IOT。大規(guī)模IOT需要的是更大的容量，更廣的覆蓋，而關鍵IOT需求更低時延，比如自動駕駛。

更廣泛的連接帶來數據的幾何級增長，低功耗的數據采集非常關鍵，隨著大數據技術的應用，智慧城市建設，對數據的需求量不斷增大，但對數據采集的要求并不特殊，數據傳輸速率要求不高，因此如何兼容低速率數據采集需求也是5G無線接入網絡架構設計需要關注的問題。

2.2 5G無線接入要求

5G是在4G基礎上擴展提高性能的產物，從應用場景角度來講，5G必須具備更高的容量，更高的可靠性，更低的時延，因此強調無線接入網控制平面與用戶平面的分割，在網絡架構上要立足網絡功能，并實現模塊化，進而實現更高效的、靈活的調度能力。出于IOT需要，5G無線接入網要求在移動性、低時延、寬帶速率等方面更強。

移動性作為移動通行網絡的重要指標，是要在滿足系統性能前提下，通信雙方之間能夠達到的最大移動速度，比如應當滿足飛機、高速公路、地鐵等超高速移動場景對網絡的需求，但也應當兼容非移動場景，如工業(yè)控制。

低時延強調5G必須要比4G具有更低的延時特性，時延是從發(fā)射端到接收端之間所用的數據流動時間間隔，4G時代扁平化的網絡結構促使網絡時延大幅度降低，但依然無法滿足一些特殊應用的網絡需求，比如自動駕駛、增強現實等。5G更低時延，在自動駕駛等低時延應用場景中具備優(yōu)勢，最低空口時延要求1ms.而時延高低則主要受網絡拓撲結構、業(yè)務模型、網絡負載、傳輸資源等的影響。

更快的速率方，5G要達到0.1～1Gbit/s的基本速率，最高速率至少20Gbit/s，帶寬需求是4G的1000倍以上。IOT的應用，要求5G必須具備更大的容量，滿足超大規(guī)模設備數量的高速連接且不掉線。

2.3 5G無線接入網絡技術演進

目前5G無線接入網絡是一個三層結構，及CU、DU和AAU，相應地網絡架構有三個部分，即前傳、中傳和回傳。當然由于無線接入的本質依然是端到端的一個連接，基站本身的作用將非常突出，5G基站通常包含BBU、RRU、天線等部分，5G基站與傳統基站不同，主要區(qū)別點在于RRU拉遠、大規(guī)模天線陣列，5G基站實際是分布式基站，RRU靠近天線，如此造就了D-RAN，分布式無線接入網。如此RRU與饋線的距離縮短，可以有效降低信號衰減問題，且可降低饋線成本，網絡規(guī)劃更靈活。

從運營商的角度來講，由于BBU集中布置，對機房需求較高，成本壓力大，因此C-RAN被提出，即集中化、云化、協作化、清潔化的4C集中化無線接入網。當然技術的進步還出現了H-CRAN，即異構云集中無線接入，該技術將BBU池和大功率節(jié)點HPN連接，利用LTE宏基站實現無縫覆蓋，BBU池的集中控制功能被剝離出來，接入網利用HPN來實現與核心網的連接。隨著BBU和HPN集成，F-RAN成為另一種更為理想的無線接入網絡部署方式，在F-RAN中，HPN用來實現控制平面所有UE的控制信令和特定信號，BBU集成信號處理單元，共享信令、數據和信道狀態(tài)，若網絡負載升高，則只需要升級BBU即可。

從技術演化的角度看，5G實際上是一個超密集虛擬化網絡，即講5G網絡架構在云端，實現核心、基站和終端、中繼轉發(fā)的虛擬化。要實現它們是規(guī)劃三朵云，即基于SDN的控制云，基于靈活無線接入的接入云和高性能低成本中繼轉發(fā)的轉發(fā)云?？刂圃品矫鍿DN即軟件定義光網絡是目前公認的5G智能化控制核心，SDN的優(yōu)勢非常顯著，特別是在數據中心網絡虛擬化、流量優(yōu)化與管理方面。接入云方面重點是要支持多種場景應用，實現接入資源協同管理與靈活網絡功能。轉發(fā)云方面由于SDN采取集中控制手段，控制和轉發(fā)實現了解耦，轉發(fā)更靠近基站，因此業(yè)務和轉發(fā)實現了融合。

三、5G無線接入網絡架構設計

3.1設計原則

5G的應用場景揭示各種與傳統無線接入網絡應用場景完全不同的應用形式，傳統的網絡架構顯然不足以適應新的應用，因此根據前述分析，5G的RAN應當具備高度靈活性、擴展能力、定制能力，實現網絡資源靈活調配和功能靈活部署。

要求，5G的RAN應當具備高度智能型，承載和控制必須分離，也即實現SDN，技術上SDN+OTN或SDN+PTN都是可行方案。應具備靈活的網元和架構配置，物理節(jié)點與網絡功能解耦，網絡功能設計應重點關注，物理網元采取多種手段靈活設計，按應用場景靈活配置。5G大規(guī)模商用的先決條件是更低的成本而不是技術，目前來講5G技術已經相對成熟，但成本很高，合理的經濟型是設計方案能夠實現的關鍵，所以成本必須是RAN架構設計的首要目標。

3.2設計方案

根據前文分析，5G網絡有兩個部分一個部分是有線傳輸網絡，另一個部分即RAN，這是現有成功商用的典型網絡規(guī)劃方案，在RAN方面則是基于現有LTE網絡實現擴展演進。由于IPv4地址池基本耗盡，IPv6可實現任意事物之間的連接，IOT的應用場景中IPv6將扮演重要角色，而LTE支持IPv6，可以容納更多終端，因此考慮到成本因素，5G的RAN架構部署應基于現有LTE網絡架構，而不是重新獨立組網。

因此基于D-RAN→C-RAN→H-CRAN→F-RAN的無線接入網演進步驟，考慮5G的RAN架構中應當滿足多種形式的無線設備節(jié)點連接形態(tài)，包括鏈狀連接，如relay，RRU基站級聯等;傘狀連接，如一個BBU和多個RRU的連接;網狀連接，如基站設備間的連接等;端到端連接，如D2D直通終端連接等。

在滿足RRU拉遠，BBU集成云化的邏輯下，5G的RAN將增加新型網關、終端，設備平臺能力也將多樣化，在超級基站成本過高的情況下，可考慮D-RAN，也即最初級的5G無線接入網架構或C-RAN架構。當然隨著大規(guī)模天線陣列技術的進步，還可采用室外一體化基站、室內微基站等。

在不同的網絡應用場景中，承載介質不同，承載方式也有差別，一般分有線承載和無線承載兩種，無線承載靈活，成本低，建設周期短，但是帶寬有限，易被干擾，有線承載穩(wěn)定性強，帶寬充足（SDN+OTN下，隨著OTN設備性能不斷增強，帶寬將進一步增大，用以滿足5G無線接入需求），但建設成本很高、建設周期比較長。所以5G的RAN設計往往會采取有線+無線的方式。并且網拓撲結構應當多樣化，在匯聚網為環(huán)狀結構的情況下，RAN可以靈活部署，考慮多種低功率即插即用基站的部署，能夠帶來更高的靈活性，但是隨著基站部署數量增加，接入UE增加，對環(huán)狀結構匯聚網以及核心網帶來巨大壓力，例如架設一個站CIR/PUR速率分別為4Gbit/s和16Gbit/s，基站帶寬均值1Gbit/s，峰值20Gbit/s，若一個環(huán)接入6個站，且一個站達到峰值，則接入環(huán)需要40Fbit/s的帶寬均值才能滿足，考慮不可能只有6個站，因此至少100Gbit/s才能滿足，而在核心則至少T級別。所以在設計5G無線接入網時，還需要重點考慮有線網絡部分的承載能力。

為此，設計中最好還是考慮F-RAN架構，在F-RAN中HPN實現控制品面，為UE提供控制指令與特定信號，BBU集成信號單元，共享信令、數據和信道狀態(tài)信息，負載增大則升級BBU。接入點F-AP基于前傳鏈路實現與BBU的連接，臨近UE基于中繼轉發(fā)模式或D2D模式直接連接，BBU集中大規(guī)模協同多點傳輸，傳輸網依靠PTN或PTN結合SDN進行演進，目前中興、華為都有相對成熟的方案可供參考，只需在設計規(guī)劃中考慮好合適的組網設備部署即可。

四、結束語

綜上所述，5G無線接入網絡架構設計應當按照當前5G技術演進步驟，考慮5G部署實際情況有的放矢地進行設計，并且應考慮后續(xù)升級需求，預留可擴展空間，畢竟當前5G技術尚不是特別成熟，一些技術還在持續(xù)進步。因而需要進行超前的規(guī)劃設計，著重基于應用場景的實際需求，考慮現有技術手段，特別是有線光纖網絡的承載能力、帶寬、成本等因素選擇最恰當的無線接入網架構形式。

參? 考? 文? 獻

[1]曹亙，李佳俊，李軼群等.5G網絡架構的標準研究進展[J].移動通信，2017，41（2）：32-37.

[2]王海軍，王光全，鄭波等.5G網絡架構及其對承載網的影響[J].移動通信，2018，42（1）：33-38.

[3]林穎奇.5G網絡架構基于軟件定義網絡的分析[J].電子測試，2017，（15）：57，56.

[4]趙軍輝，楊麗華，張子揚等.5G高低頻無線協作組網及關鍵技術[J].中興通訊技術，2018，24（3）：1-9.