5G时代传输网络建设策略探讨

【摘 要】2015年9月，3GPP召开了5G专门会议，确立了其5G工作的计划和安排。从此次会议开始，3GPP在6GHz以上频谱的5G信道建模、新一代接入技术的场景和需求、系统架构和关键技术等方面启动了相关研究工作。与此同时，主要的移动运营商和设备商在深入理解产业需求和关键技术的基础上，纷纷推出其5G接入网设想和方案雏形。在跟踪业内标准和技术发展的基础上，从未来5G接入网架构和性能两方面进行了分析论述。

【关键词】5G接入网需求 5G接入网架构 5G接入网关键技术

[Abstract] On September 2015， 3GPP organization held the #69 plenary conference to discuss the study items on 5G scenario and confirm the timeline for 5G research progress. From this conference， 3GPP has start the study item on the channel model over 6GHz spectrum， 5G communication scenario and requirement together with the RAN structure and key technique. Meanwhile， the operators and suppliers actively demonstrate the future 5G RAN proposal based on the inter-site understanding of the wireless communication industry development. Following the newest standard progress and technique development， this article will display a survey on future 5G RAN structure and key technique.

[Key words]5G RAN requirement 5G RAN structure 5G key technique

1 无线通信接入网RAN侧结构历史回顾

图1左侧揭示了3G网络架构，包括主要网元和接口。从图1可以看出，在3G RAN架构中，一个RNS（Radio Network Subsystem，无线网络子系统）跟其下若干基站组成接入网络，NodeB通过RNC（Radio Network Controller，无线网络控制器）接入CS域和PS域。CS域主要处理电路型数据，例如64K语音业务、传真业务等；PS域主要处理数据业务，如流媒体业务、VoIP等[1]。

相比3G网络，LTE的RAN网络架构进行了很大的调整。首先取消RNC，eNodeB通过S1接口直接连入核心网，可以大幅度降低时延；其次eNodeB之间通过新设计的X2口进行相互通信，可以实现动态负载均衡和转发分组数据等；最后LTE不再支持CS域业务[2]。

LTE网络随着业务的规模的扩大，遇到了自身的瓶颈，主要表现在[3-5]：

（1）控制面比较分散：LTE架构不利于无线资源集中管理，无法实现移动性管理等网络功能最优化。

（2）数据面不够独立，不利于新的业务和虚拟运营商的灵活添加和管理。

（3）各个厂商基站间的接口部分有时会由于功能和实现理解的不一致，制约不同厂商设备间的互操作性，严重制约网络扩展，影响到网络性能和用户体验。

为了适应未来的通信场景需求，移动通信运营商及设备商纷纷对5G接入网架构和功能进行了展望，并且投入大量资源进行前期的研究开发。本文将在简要阐述5G接入网关键技术的基础上，进一步介绍业界提出的主流的5G RAN架构及相应功能，分析各自的优劣，并最终提出5G RAN网络架构可能的演进方向。

2 5G RAN研究进展与核心需求

2.1 5G 3GPP标准组织研究进度时间表

图2是IMT-2020和3GPP标准组织的5G工作计划表[6]。5G在IMT-2020阶段规划很清晰，从去年开始的全会到2017年底都是5G通信场景描述和5G需求分析阶段。2018年起开始正式提交技术仿真报告，计划到2020年形成IMT-2020行业标准。

3GPP组织安排得更为周密，重点关注了从LET-A到5G技术的过渡和衔接。在这个计划表里，已经结束的Release 13主要研究LTE-A的演进技术，包括高阶MIMO、载波聚合、双联接等关键技术。5G的研究将从2016年的Release 14开始，主要研究内容包括5G的信道模型、通信场景、功能需求、网络架构以及LET-A向5G的演进技术。从2018年Release 15开始，3GPP组织将会逐渐接收5G核心技术文档提案和仿真报告，预计到2020年Release 16形成正式的3GPP行业标准。

可以看出，当前正处于整理需求和规划通信场景的阶段，同时也是4G向5G过渡的一个时期。在今后的5年内，5G将会迎来自己的核心技术和行业规范。

2.2 3GPP 5G RAN侧关键技术需求一览

3GPP标准组织目前对于5G RAN网络架构仍持开放态度，但是其架构功能必须包括并支持以下的主要移动通信业务需求[6-7]：

（1）必须支持新的5G制式，向下只能兼容LTE制式，3G及以下制式不再支持。

（2）接入网的来源多样化，重点提出要支持非认证可信网络，支持非3GPP标准的WLAN网络接入，支持固定网络接入。

（3）UE侧一定要支持多点连接，一个UE可以同时以不同的RAT（Radio Access Technologies，无线接入技术）接入多个基站。

（4）控制层面和用户层面必须分离。

（5）采用新型的技术（例如NFV网络功能虚拟化技术、SDN技术）来实现资源复用，节能减排，以及快速响应新型业务需求。

从上述主要技术业务需求来看，5G对于用户终端，接入网性能要求有了大幅度的提升。

3 5G RAN架构的实现

各大通信厂商根据自身5G接入网的理解，依托现有的研发实力和市场条件，纷纷提出了各具特色RAN的演化路线。目前主流的架构有三种[8-9]：

（1）延续现有LTE基础上的分布式基站架构D-RAN；

（2）以云接入和高度资源整合为特征的C-RAN；

（3）以通信场景为导向的灵活布置配属的S-RAN。

3.1 5G D-RAN架构

图3显示的是5G版本D-RAN架构一个示意图，可以看出，D-RAN整体基本结构没有发生重大变化，从4G升级到5G沿用传统的增加和开发新性能的思路。5G-NB是网络中的节点；MSM是用户移动管理和信息缓存单元，类似于LTE的MME；UGW是用户层面的网关；MNC类似于3G中的RNC，用来实现5G-NB的双连接[10]。

图4和图5分别介绍了5G用户层面和数据层面的信令数据流程。NCS代表网络集合层，主要功能和传输层类似；RCS代表无线信号控制层，功能和连接层类似。其余层都可以对应LTE网络相应的层次[11]。

从图4和图5可以看出，D-RAN的设计思路和LTE网络一脉相承，采取的是用开发新性能升级设备的思路来从4G过渡到5G。这种结构过渡平稳、延续性好，只是现有结构能否支持5G通信需求有着很大的技术挑战。

3.2 5G C-RAN架构

图6是C-RAN架构一种典型的实现方式。C-RAN是第一次实现云接入网概念的一种接入网架构，主要设计思想是将基带资源集中形成基带资源池，将整个基带资源池资源按照不同的业务需求进行统一管理和动态分配，从而能够提升资源利用率、降低功耗，在统一的平台上支持多个基站相互协作技术。

相比于传统的4G-LTE接入网络，云接入网的特征非常明显，具体表现在[12-13]：

（1）BBU（Building Baseband Unit，室内基带处理单元）集中：大规模BBU通过光纤互联统一的部署在中央机房内部；

（2）BBU协同：在统一的操作平台下，BBU单元之间可以相互协同共享资源；

（3）RRH（Remote Radio Head，射频拉远头）拉远：BBU可以拉远RRH来扩展覆盖范围，实现盲点覆盖；

（4）给予资源池上的基站虚拟化技术容易实现：C-RAN的基带资源不属于单独的BBU，所有的用户业务需求都可以通过基带池资源统一分贝调度来完成，因此系统可以通过实际的负载来动态调度BBU按需分配，此举可以灵活因对各种业务，大大提高资源利用率，也使得虚拟化技术有了硬件上的保障；

（5）在基站虚拟化技术的基础上，C-RAN可以灵活的接受不同的制式信号，使得多RAT，多连接连接成为可能。

正是由于C-RAN的理念比较好的契合了5G接入网的关键技术要求，因此各大厂商按照自己的技术储备和对于5G的理解，作出了各自有特色的C-RAN原型机。今后将会有更多的、更强大的以C-RAN为架构的超级基站池。

3.3 5G S-RAN架构

5G S-RAN架构如图7所示：

S-RAN以虚拟化技术为依托，将基站的控制层面和数据层面分别集成在相应的操作平台来统一处理。C-RAN可以看作是物理实体资源的集中整合来达到优化接入网的效果； S-RAN 就是把逻辑功能和实体资源彻底分离，以逻辑功能为核心来组织相应的接入网架构。这种构想彻底解构原有的接入网架构，是现有技术演进中最具有颠覆性的一种方案[13[14]。

S-RAN的特点总结起来有如下几点：

（1）接入层面、控制层面、数据层面、接入层面彻底分离，每一个层面都有独立的核心操作台与相应辅助操作台。

（2）接入网可以根据通信场景的不同情况灵活布网。正是由于接入数据控制层面完全独立，每一个接入子网都可以做到按需布网，从而能够在布网设计上实现最优化布局。

（3）S-RAN以虚拟化技术为基础，善于处理快速响应新型业务需求和多制式信号处理的需求，同时也可以方便的支持多连接结构。

（4）S-RAN以虚拟化技术更容易实现快速开发新型能订制新业务需求。

S-RAN是一种很超前的构想，实现这种架构最核心的挑战有两个：一是能否保障三个层面数据的动态实时性；二是在实时性的约束下如何拓宽上网络覆盖范围的问题。S-RAN对于组网、硬件性能、相应方式以及算法实现都有极高的要求，更多的是一种能概念上的提出和构想。当软硬件和算法达到相关要求后，S-RAN是一种非常竞争力的接入网结构[15]。

3.4 三种RAN架构比较

从表1可以看出D-RAN对于LTE网络有着良好的延续性，在原来的架构上改动最小，但是支持用户数据面分离和网络切盼技术比较困难。C-RAN集中了物理运算资源，使得该架构可以很好地支持多制式信号、UE多连接和网络切片技术，但是对于用户数据层分离需要仔细设计考量。S-RAN是概念上满足所有5G需求的一种接入网络架构，但是它由于受到实时性的限制，只能在未来软硬件性能提高后加以考虑。

4 5G接入网RAN核心技术

上一节比较了三种架构各自的优势和挑战，可以看出，虚拟化技术在每一种架构里都有着十分重要的地位，因此5G接入网虚拟化技术（NFV技术和SDN技术）将是5G接入网一个重要的核心技术。此外，由于每种架构有自身的独特性，本章会列出一些专门架构特有的核心技术。