基于控制与承载分离的5G无线网架构研究

【摘 要】针对未来5G多网元、多频段、多制式、多技术的组网特点，分析了现有4G控制承载合一的无线网架构在实现5G多样化组网手段中存在的诸多挑战，提出基于控制与承载分离的5g新型无线网架构。分析表明，基于该新型架构，可以针对不同应用场景实现5G无线网功能的灵活部署与组网。

【关键词】无线网架构 控制与承载分离 灵活部署

[Abstract] 5G network is characterized by multi-component， multi-band， multi-RAT and mixed technologies. In this paper， the challenge to support the 5G networking by the present 4G wireless network featured by integrated C-U was analyzed. A new type of 5G RAN architecture based on C-U split was put forward. This new architecture will benefit the 5G deployment with great flexibility for different application scenarios.

[Key words]RAN architecture C-U split flexible deployment

1 引言

面向2020年，随着智能终端显示、计算等能力的不断提升，增强现实等新型移动互联网应用将大量涌现。未来移动互联网用户要求5G具有媲美光纤的接入速率、享受本地操作的实时体验、随时随地的宽带无线接入能力。而在物联网领域，未来的物联网服务对象将扩展至移动医疗、车联网、智能家居、工业控制等各个行业，物联网终端数量将大幅激增，应用无所不在[1]。

根据ITU的研究报告，未来5G应用场景主要包括了eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增强移动宽带）、uRLLC（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，低时延高可靠）以及mMTC（massive Machine Type Communications，低功耗大连接）等三类典型场景[2]。根据不同应用场景的要求，5G需满足多项关键能力指标。相比于现有的LTE网络，5G需要支持高达20 Gbps的峰值数据速率、毫秒级的端到端时延、100万/km2的超高连接密度、数十Tbps/km2的超高流量密度、近三倍的频谱效率提升、近百倍的能效提升[2]。

为了满足5G的各项关键能力，与现有移动通信技术相比，5G需要采取更加灵活与多样的空口与组网技术。如为了满足超高吞吐率需求，采用大规模天线、高频大带宽组网、超密集组网、多种RAT（Radio Access Technologies，无线接入技术）融合等技术来实现更高吞吐率；为了满足低时延要求，采用新型帧结构设计、D2D（Device to Device，端到端）终端直连通信以及MEC（Mobile Edge Computing，边缘计算）等技术来降低端到端传输时延；为了满足大连接要求，采用新波形、新型多址等技术来提高单位面积支持的连接数密度。

5G灵活多样的网络技术需求给无线接入网设计带来诸多挑战。文章首先分析了现有4G架构在面对5G网络需求时面临的挑战。然后提出基于控制与承载分离的5G无线网架构设计思路与方案，最后探讨了基于新型架构实现对5G不同应用场景的灵活组网能力。

2 5G无线网架构设计挑战

5G为了支持超高速率业务，除了通过大规模天线、新型多址等多种手段来改善频谱效率，还需要借助频谱资源以及多种组网手段来满足需要。当前6 GHz以下的中低频谱资源十分紧张，需要考虑在6 GHz以上高频段进行组网。高频信道传播特性相比低频有很大差异，传播衰减较大，因此多作为固定无线接入手段以解决最后一公里的传输带宽问题，或者是作为小小区（Small Cell）与宏小区（Macro cell）形成HetNet（Heterogeneous Network，异构组网），在利用宏小区解决覆盖的同时，改善低频宏小区容量不足的缺点。

超密集组网也是5G支持超高速率业务的重要手段，据预测，5G网络中各种无线接入技术（如4G、Wi-Fi、5G）的小功率基站部署密度将达到现有站点密度的十倍以上，形成微微组网的超密集网络，通过提高单位面积的网络容量来满足5G超高流量密度及超高用户体验速率的要求[3]。

5G为了支持低时延与大连接业务，在采取新型帧结构、新型多址等空口技术的同时，在组网手段上也需要采取针对性的网元部署，如通过将核心网业务网关功能下沉，结合边缘计算能力，实现本地业务的快速分流与加速；通过部署信令汇聚节点以及提供灵活的网络协议裁剪能力，支持大规模的物联网终端并发连接。

可以看到，未来5G网络将是一个集合多种网元、多种频段、多种技术以及多种组网方式的复杂网络，给无线网络架构的设计带来了诸多挑战。

（1）网元功能灵活部署的问题

5G需要根据不同应用场景的需要，基于同一系统架构在网络中灵活部署相适应的网元功能。如果采取如LTE控制承载合一的eNodeB节点作为主要网元形式，则网元功能形式比较单一。特别是超密集组网场景下，需要通过简化网元功能降低站址条件要求，实现网元即插即用快速部署，如果以eNodeB作为超密集组网的主要网元，就很难保证有足够多满足条件的站址资源，而且从成本角度来看，投资巨大，运营商将难以承受。

（2）多接入技术融合协同的问题

5G希望能够实现多接入技术融合，提供用户无感知的一致性体验，这就要求在无线网实现统一的控制面。4G主要是通过核心网实现对多种无线接入的统一控制，不同接入技术在无线网侧拥有各自独立的控制面，难以提供用户一致的体验，同时差异化的信令流程导致终端切换与互操作过程复杂，影响了网络协同控制能力。

（3）覆盖与容量有效兼顾的问题

5G不同场景对网络覆盖与容量的需求有较大的差异，比如eMBB中的移动广覆盖场景要求网络重点实现用户随时随地的快速接入，可以采取低频高功率宏基站组网，利用低频通信无线衰落小的传播特性以及宏蜂窝大功率的设备特性，提供广覆盖服务。而eMBB中的热点高容量场景更加强调网络容量满足高密度用户的需要，倾向采取高频低功率节点密集组网，单个节点覆盖用户少，控制面带宽需求也相对较低。如果节点采取控制面与用户面合一的设计，广覆盖场景下为了改善覆盖而增加的宏基站，就有相当部分投资浪费在用户面的扩容上，同样热点场景下的基站扩容，就有部分投资被浪费在控制面。同时因为缺少一个整体集中的控制面管理，网络整体优化难度越来越大。

为了应对上述诸多难题，5G需要设计全新的无线接入网架构，摆脱传统4G采取的控制承载合一的架构形式，将5G无线网控制与承载功能相分离，实现控制功能与承载功能的独立设计与灵活部署，构建统一的控制面，满足灵活多样的5G组网场景需求。

3 基于控制与承载分离的5G无线网架构

3.1 设计思路

基于控制与承载分离的5G无线网架构设计思路就是将5G无线网络的控制面与用户面相分离，分别由不同的网络节点承载，形成独立的两个功能平面。针对控制面与用户面不同的要求与特点，可以分别进行优化设计与独立扩展，满足不同组网场景对5G网络性能的需求。如分离后的无线网控制面传输将针对控制信令对可靠性与覆盖的需求，采取低频大功率传输以及低阶调制编码等方式，实现控制平面的高可靠以及广覆盖。而无线网用户面传输将针对数据承载对不同业务质量与特性的要求，采取相适应的无线传输带宽，并根据无线环境的变化动态调整传输方式以匹配信道质量，满足用户平面传输的差异化需求。

随着无线网控制面与用户面的分离，5G无线网元功能可以根据业务场景与部署的需要灵活设置。按照提供的网络功能以及承载对象的不同，5G无线网元可划分为信令基站、数据基站两类网元功能类型。信令基站负责接入网控制平面的功能处理，提供移动性管理、寻呼、系统广播等接入层控制服务。数据基站负责接入网用户平面的功能处理，提供用户业务数据的承载与传输。信令基站、数据基站均属于功能逻辑概念，在具体实现上，二者可共存于同一物理实体或独立部署。

根据承载的网元功能，5G无线网架构可以划分为控制网络层与数据网络层，如图1所示。控制网络层由信令基站组成，实现统一的控制面，提供多网元的集中控制。数据网络层由数据基站组成，接受控制网络层的统一管理，由于仅提供用户面功能，可简化网元设计，降低成本，实现即插即用与灵活部署。

控制网络层与数据网络层共同组成5G无线接入网，并作为5G接入平面与5G控制平面、5G转发平面共同构成5G网络总体视图[3]。

3.2 功能逻辑架构

通过对无线网功能的分离，无线网架构可划分为两大功能域，高层接入网功能域与低层无线功能域。其中高层接入网功能域集中了非无线相关以及非实时性的功能，低层无线功能域集中了无线相关以及实时性要求较高的功能。5G无线接入网功能逻辑架构如图2所示。

基于控制与承载分离的设计思路，高层接入网功能域可进一步分为高层接入网控制面功能与高层接入网用户面功能。这些功能既可以是通用的也可以是与特定接入技术相关的。通过将通用功能与特定功能分离，可以支持下一代网络灵活扩展，如扩容或引入新的空口技术或新的RAT。通用的功能用于组成一个公共的网络汇聚子层，实现多连接、QoS增强、数据加密、完整性保护等，能够支持不同的层三协议如IP或以太网。通用功能与特定功能配合以支持不同空口之间的协作与控制，来实现移动性优化、负载均衡等。

按照模块化设计的要求，各功能由一系列相对独立的功能组件组成。其中高层接入网控制面功能包含了无线资源管理、小区级移动性管理、多RAT管理、连接管理等功能组件，特别是针对未来5G无线网络切片以及智能感知能力，还需要提供切片控制以及无线QoS控制功能组件，实现基于无线网的网络切片选择以及上下文智能感知控制等功能。

高层接入网用户面功能主要包含了数据分组处理、分配、用户面移动性锚点等用户面功能组件，用于实现用户面分组数据的处理，如信道加解密、头压缩、完整性保护，以及作为数据锚点负责用户数据的缓存、分配与转发等功能。

低层无线功能与无线相关，对实时性要求较高，可以针对具体的接入技术或空口协议进行优化与参数配置。低层无线功能包含的功能组件主要有基带处理功能组件以及射频处理功能组件，负责实现如动态资源调度、与物理过程相关的同步、小区搜索、功率控制功能，以及与物理信道处理相关的复用、信道编码、调制等功能。

4 灵活功能部署与组网分析

基于上述控制与承载分离的无线网架构，可以看到，信令基站功能逻辑主要包含了架构中的高层控制面功能以及相应的低层无线功能，而数据基站功能逻辑主要由高层接入网用户面功能以及相应的低层无线功能构成。针对5G不同应用场景，信令基站与数据基站功能将伴随无线网控制面与用户面的不同配置灵活分布于各类网元，构建不同功能特性的无线网元节点，实现多种网络拓扑与功能部署方式。

4.1 eMBB场景

针对eMBB中的热点高容量应用场景，5G无线网可以采用：

（1）部署方式一（CU+DU分层组网架构）：通过将控制面与用户面分离，高层控制面功能与高层用户面功能集中部署，低层无线功能分布部署，形成CU（Central Unit，中心单元）与DU（Distributed Unit，分布单元）两类网元分层组网的网络拓扑架构。CU+DU分层组网架构如图3所示：

CU集中部署：根据用户面锚点的不同，CU还可以细分为两类：一类包含控制面功能+用户面锚点功能，一类仅包含控制面功能。DU分布部署：DU可按前传能力支持射频处理、物理层全部或部分功能、层二全部或部分功能[4]。

通过在热点地区超密集部署DU，可以解决热点高容量场景下单位面积的高吞吐率需求。CU集中部署形成统一的控制面，负责对区域内同一CU下多个DU的统一无线资源管理、移动性管理等控制面操作。由于有CU作为信令基站完成集中控制，DU可以仅作为数据基站，简化了配置并可以实现即插即用，降低了对部署条件的要求，为大规模超密集部署提供了可能。

（2）部署方式二（基于控制面虚拟化的超密集组网架构）：对于不具备集中部署条件的热点高容量场景，需要采用集成了控制面以及用户面功能的基站分布部署并超密集组网。在这种情况下，为了解决缺少统一控制面带来的问题，可以通过控制与承载分离，将各基站的部分资源抽取用于承载统一虚拟控制面，构建一个虚拟信令基站。在同一虚拟信令基站控制下，由多个基站作为数据基站负责用户面承载，形成控制面虚拟化的超密集小区组网[5]。

通过构建虚拟信令基站，5G用户可以驻留在虚拟信令基站提供的虚拟小区上，利用虚拟小区ID来解扰获取各个数据基站小区发送的参考信号、广播信息、寻呼信息以及公共控制信令。当用户收到系统发送的寻呼消息后，再接入目标数据基站小区进行数据传输。由于用户与虚拟信令基站及各个数据基站的无线资源控制都是通过虚拟小区统一协调调度，因此用户在虚拟小区内移动时不会发生小区重选与切换，同时可以避免同一虚拟小区内的无线干扰问题，保证超密集网络的整体性能。基于控制面虚拟化的超密集组网架构如图4所示：

4.2 uRLLC场景

针对低时延高可靠的应用场景，5G无线网可以采用部署方式三（本地化网络部署架构）：将核心网部分控制功能如会话管理、移动性管理功能下沉至无线网，与无线网控制面功能集成部署；另一方面，通过将用户面数据网关与内容缓存下沉至接入网侧部署，与无线网用户面功能集成部署，构建以全功能基站为主的本地化的网络拓扑架构，使基站具备智能感知、业务控制、本地路由与内容快速分发能力。

通过将与特定业务相关的控制功能贴近接入网侧部署，可以减少核心网功能部署层级偏高带来的回传时延。同时根据应用场景的需要，将区域性的移动性管理功能下沉至接入网侧，这样当用户在局部区域内移动时，可以减少切换信令交互产生的延迟。还可以通过在全功能基站中设置的统一控制面功能，针对用户行为进行分析预测，提前进行目标小区的资源预留与预操作，来保证切换成功率提高通信的可靠性。

另外，通过将数据网关与内容缓存功能下沉至全功能基站，可以进一步减少回传时延，同时全功能基站下也可采取CU+DU的分层部署形式，由全功能基站的中心单元CU作为统一的数据锚点，可以实现用户的无缝切换，进一步改善用户体验。

低时延本地化网络部署如图5所示：

4.3 mMTC场景

针对低功耗大连接的应用场景，基于控制与承载分离的网络架构，5G无线网可以通过增加控制面无线资源，满足海量连接对控制信令资源的需求。此外还可以采取部署方式四（分簇分层部署架构）：针对物联网用户多为小数据量、低功率、移动性低且局部集中的业务特点，在无线网部署时，可以根据业务与用户分布，采取分簇设置簇集中控制中心，由簇控制中心提供局部用户的接入控制与连接管理，用户数据经簇控制中心汇聚后转发至上层数据基站，各个簇控制中心同时接受上层信令基站的统一控制，保证簇间无线资源协同与移动性控制。通过分簇分层部署实现网络接入、信令与数据的压缩与汇聚。

分簇分层网络部署如图6所示：

如上所述，基于控制与承载分离的新型接入网架构通过对无线网功能的组件化，实现5G无线网元功能的灵活组合与部署。特别是未来5G可以基于网络虚拟化NFV技术，将底层物理资源映射为虚拟化资源构造VM（Virtual Machine，虚拟机），并在其上将高层接入网控制面以及用户面功能组件加载，构造VNF（Virtual Network Function，虚拟网元功能），结合对低层无线功能组件的模块化设计与加速，从而可在同一基站平台上同时承载多个不同类型的无线接入方案，并能完成5G无线网各网元实体的实时动态功能迁移与资源伸缩，为保证5G无线网根据不同应用场景需求灵活功能部署与组网奠定了基础。

5 结论

本文首先分析了5G无线网架构设计面临的挑战，提出了基于控制与承载分离的新型无线网架构设计思路与架构方案，并分析了基于新型架构下5G灵活组网能力的实现。分析表明，基于控制与承载分离的5G新型无线网架构，可以针对5G不同应用场景实现无线网络功能的灵活部署与组网，为5G架构后续研究提供参考。

参考文献：

[1] IMT-2020（5G）推进组. 5G愿景与需求[R]. 2014.

[2] Recommendation ITU-R M.2083 IMT Vision. Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond[R]. 2015.

[3] IMT-2020（5G）推进组. 5G网络技术架构[R]. 2015.

[4] 3GPP TR 38.801 V0.2.0. Study on New Radio Access Technology；Radio Access Architecture and Interfaces （Release 14）[S]. 2016.

[5] IMT-2020_TECH_UDN_15053. 超密集网络虚拟层技术[R]. 2015.

[6] 段晓东，孙滔，陈炜，等. 5G网络架构设计的5个重要问题[J]. 电信科学， 2014（10）： 129-133.

[7] 月球，王晓周，杨小乐. 5G网络新技术及核心网架构探讨[J]. 现代电信科技， 2014（12）： 27-31.

[8] 杨峰义，张建敏，谢伟良，等. 5G蜂窝网络架构分析[J]. 电信科学， 2015（5）： 52-62.

[9] 韩芸. 5G网络的核心网络架构和关键技术探讨[J]. 安徽电子信息职业技术学院学报， 2015（5）： 26-28.

[10] 阳旭艳，李海涛. 5G网络架构的探讨[J]. 无线互联科技， 2016（6）： 35-37.