无线接入网架构探讨

刘亮　陈卓　金巴　黄学艳　刘光毅

为满足5G多样化的需求，如何设计灵活、鲁棒且支持4G向5G平滑演进的接入网架构是5G需要解决的关键问题。从场景和关键能力指标出发，首先分析了5G无线接入网设计面临的挑战，指出了5G接入网应具备的主要技术特征，然后探讨了面向标准化5G接入网架构相关的几个关键功能应如何设计的问题，并针对CU-DU架构分析了各种切分选项的优/劣势，为移动运营商制定5G网络演进策略提供技术依据。

5G 接入网架构 集中式单元 分布式单元 前传接口

1 引言

移动通信已经深刻地改变了人们的生活，但人们对更高性能移动通信的追求从未停止。为了应对未来爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接以及不断涌现的各类新业务和应用场景，第五代移动通信（5G）系统将应运而生[1]。

移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大主要驱动力。移动互联网颠覆了传统的移动通信业务模式，将为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清（3D）视频、移动云等更为身临其境的极致业务体验。移动互联网的进一步发展将带来未来移动流量的指数增长，据IMT-2020预测[2]，我国在2010年到2020年移动数据量将增长300倍以上，2010年到2030年将增长超4万倍。其中发达城市及热点地区的移动数据流量增速更快，2010年到2020年上海市的增长率可达600倍，北京热点区域的增长率达1000倍。另一方面，物联网扩展了移动通信的服务范围，从人与人通信延伸到了物与物、人与物的智能互联，使移动通信技术渗透至垂直行业，移动医疗、车联网、智能家居、工业控制等将会推动物联网应用的爆发式增长。根据预测，到2030年，包括物联网设备在内的全球联网设备总数将达到1000亿量级，其中我国超过200亿。

根据移动互联网和物联网的业务特征和使用场景，5G主要技术场景可进一步细分为增强移动宽带（包含连续广域覆盖和热点高容量，eMBB）、低时延高可靠通信（URLLC）和低功耗大连接（mMTC）。ITU和中国IMT-2020推进组针对5G典型的应用场景制定了关键能力，包括0.1～1 Gbps的用户体验速率，“数十Gbps”的峰值速率，“数十Tbps/km2”的流量密度，一百万/每平方公里的连接数，毫秒级的端到端时延以及百倍以上能耗提升和单位比特成本降低。

ITU制定的5G典型应用场景和关键能力的需求满足成为通信产业界面临的关键问题。综合考虑需求、技術发展趋势以及网络平滑演进等因素，5G应该同时存在新空口和4G演进空口两条路线。一方面，LTE/LTE-A作为4G标准，已在全球范围内大规模部署，中国移动近两年也建成了世界上最大的TD-LTE网络，为了保证投资和网络平滑演进，4G空口将在现有4G框架基础上持续演进和增强，在保证兼容性的同时实现现有系统性能的进一步提升，在一定程度上满足5G场景与业务需求。比如，为了满足eMBB需求，4G演进通过更多的载波聚合和多天线增强，如FD-MIMO、Massive MIMO等技术可实现更高的吞吐率；通过多连接、多RAT融合持续增强技术能带来更好的异构组网和用户体验；为了满足mMTC场景需求，基于4G的M2M特性，如NB-IoT、eMTC将在技术和能带来上持续演进和增强，满足一定场景的需要；为了满足URLLC场景需求，可以基于现有4G演进LTE-V技术拓展车联网等场景。但另一方面，受限于4G技术框架的约束，大规模天线、超密集组网、业务智能感知和分发、新波形和多址技术在现有技术框架和网络架构下难以被采用而潜力未能发挥出来，4G演进无法以低复杂度满足5G极致性能需求。因此，5G需要突破后向兼容的限制，设计全新的空口，全面满足5G关键指标要求。综合考虑，5G需要新空口和4G演进空口协同发展。

5G多业务场景需求和关键指标能力要求，以及4G演进空口和5G新空口协同发展的诉求给无线接入网设计带来了诸多挑战。本文首先从场景、需求和关键能力出发探讨5G接入网面临的挑战，以及应对挑战接入网应具备的关键技术特征，然后从标准化的角度探讨5G接入网架构设计应考虑的因素、存在哪些技术路线以及优劣势分析，主要聚焦接入网与核心网功能划分，接入网与核心网接口以及接入网内部逻辑架构。

2 5G接入网面临的挑战和关键技术特征

5G接入网设计需要考虑关键能力指标、网络运营能力和网络演进要求这3个方面的因素。现有的4G网络，在网络运行和满足5G所提出的业务和能力需求方面，都面临着新的挑战。主要包括以下几个方面：

◆无法为用户提供一致的良好体验：在现有网络架构中，基站之间的交互功能不强或者不够灵活，无法通过基站间通信实现高效的无线资源调度、移动性管理和干扰协调等功能，导致现有网络小区中心和边缘用户体验速率差异较大，很难满足广域覆盖下100 Mbps及热点地区1 Gbps的用户体验速率。

◆数据路由和分发手段单一：现有网络数据均通过核心网转发，模式单一，由于核心网关部署位置很高，导致业务数据流量向网络中心汇聚，特别是针对5G热点区域“数十Tbps/km2”流量密度的场景，对移动回传网络造成较大的压力。此外，现有端到端通信在控制面和数据面需要通过多跳网络路由，传输路径较长，时延难以有效降低，无法满足低时延高可靠性业务场景需求。5G网络需要支持多样化的数据路由与分发功能、降低业务时延、支持多种回传机制，优化数据路由，提高传输效率。

◆业务感知与开放能力不足：当前无线接入网一直作为“盲管道”存在，缺乏对用户和业务的感知能力，无法实现精细化管理和最优匹配。

◆网络协同能力有限：现有网络只有核心网侧的多网协同，由于不同接入技术采用不同的移动性管理、QoS控制，导致互操作中复杂的信令流程出现。另一方面，多制式无法在接入网侧进行更紧密的协同，性能达不到最优，尤其未来5G接入网包含4G演进和5G新空口，接入网侧协作将更为重要。

5G接入网架构可以通过增强协作控制、优化业务数据分发管理，支持多网融合与多连接，支撑灵活动态的网络功能和拓扑分布，以及促进网络能力开放等几个方面，来提升网络灵活性、数据转发性能和用户体验、业务的有效结合度，如图1所示。5G网络架构会向更扁平、基于控制和转发进一步分离、可以按照业务需求灵活动态组网的方向演进。运营商将可针对不同的业务、用户需求，快速灵活按需地实现满足不同质量业务需求的组网，使网络整体的效率进一步得到提升。

3 面向标准化5G接入网设计探讨

全球范围内已普遍认为5G将在2020年全面商用，当前，制定全球统一的5G标准已成为业界共同的呼声。国际电信联盟（ITU）已经启动了面向5G标准的研究工作，并明确了IMT-2020（5G）的工作计划：2015年中完成IMT-2020国际标准前期研究，2016年开展5G技术性能需求和评估方法研究，2017年底启动5G候选方案征集，2020年底完成标准制定。3GPP作为国际移动通信行业的主要标准组织，将承担5G国际标准技术内容的制定工作。3GPP R14阶段被认为是启动5G标准研究的最佳时机，R15阶段可启动5G标准工作项目，R16及以后将对5G标准进行完善与增强。在2016年3月的3GPP第71次RAN全会上，会议通过了“Study on New Radio Access Technology”的研究课题，目的是研究面向5G的新无线系统。前面章节通过讨论5G的场景和关键能力指标需求、5G接入网设计面临的挑战，分析了5G接入网架构应该具备的主要特征，本章将详细探讨这些主要特征和设计原则如何在标准化工作中体现。

3.1 接入网功能

5G新系统包含4G演进空口和5G新空口两条路线，4G系统已在全球范围内部署，接入网的功能设计比较稳定且具有可借鉴的价值，因此，5G接入网功能应以4G接入网功能作为基准，同时为了满足5G系统新的场景和业务需求，考虑增加部分接入网新功能。

5G接入网应具备以下基本功能[3]：

◆用户数据传输：提供接入网和核心网接口到空口的数据传输能力；

◆空口数据的加/解密：保障空口数据安全，防止信息被他人截获；

◆完整性保护：用于保证信令在空口传输的完整性；

◆头压缩：用于减少IP流中报头开销；

◆移动性控制功能：管理RAN侧切换和双连接；

◆小区间干扰协调：提供多小区RRM功能，将小区间干扰控制在一定的范围内；

◆承载建立与释放：负责接入网连接建立、管理和释放；

◆负载均衡：处理多小区间不均衡的业务负荷，使得各小区空口资源能够充分利用；

◆NAS消息的分发：NAS的消息通过RRC消息和S1-AP在接入层进行透传；

◆接入网共享：该功能使得多个PLMN可以共享接入网；

◆寻呼；

◆定位。

……

除了以上基本功能，为了应对本文提到的网络所面临的挑战，接入网还应新增以下功能：

◆网络切片服务：不同于传统的所有场景通用一样的网络架构和流程，5G网络将面向不同业务场景提供定制化的网络服务，在满足业务需求的基础上，实现高的网络效率。网络服务的选择和提供将通过一个通用的、可管可控的网络基础设施实现。这种设施可以实现软件定义、可编程的网络功能和网络服务，从而可以帮助实现灵活和可扩展的网络。网络切片是端到端定义的，接入網为了支持端到端网络切片需要具备切片功能以及核心网切片选择功能。

◆LTE与NR紧互操作：该功能支持LTE和NR间接入网侧更加紧密的互操作，如双连接。

◆NR内多连接：支持终端同时连接NR制式内部多个节点。

◆基于LTE与NR之间接口的跨制式切换：支持通过LTE与NR间接口进行LTE与NR间的小区切换，类似于E-UTRAN基于X2的切换。

◆引入非激活状态：该状态是介于空闲态和连接态之间的中间态，主要特征是RAN侧连接释放，可以进行小区选择/重选、测量等，但RAN侧保留UE上下文，例如UE能力、无线侧承载特征等，便于UE快速接入网络。

3.2 接入网和核心网接口

在2020年5G商用之前，4G将会持续演进以满足日益增长的容量需求。因此，4G演进系统和5G新系统将在很长一段时间内共存和互操作。此外，5G新空口NR如何引入也存在两种典型的模式，一种是5G NR独立组网，不依赖于4G eLTE工作；另一种模式是：首先，为了实现网络快速部署和商用，5G新空口不独立工作，仅具备数据面功能，依赖于4G eLTE组网，终端采用双连接，然后网络再进行二次升级至独立组网工作。

4G演进系统包含eLTE和EPC，5G新系统包含NR和5G新核心网，考虑到4G和5G系统接入网和核心网的同时存在以及5G新空口引入模式的多样性，5G接入网和核心网之间的接口具有多种选项，对应着不同的4G向5G的网络演进路线。

（1）5G NR和eLTE均独立组网场景下的接入网与核心网接口，如图2所示。

在图2（a）中，所有支持eLTE和NR的核心网组件均由EPC提供，因此需要EPC演进支持接入技术无关的功能。该选项虽然具有对既有接入网影响较小的优势，但是为了支持增强移动宽带、海量连接和低时延高可靠场景，EPC只能在现有技术框架下升级，具有很小的自由度且效率不高。此外，该选项下NR需要同时支持到EPC和5G新核心网的接口，复杂度较高。

在图2（b）中，核心网的功能由EPC演进和5G新核心网提供，EPC演进仅支持eLTE，5G新核心网仅支持NR。该选项可以在不影响既有接入网的同时在核心网侧引入网络新技术，如控制面/转发面分离、网络功能虚拟化和网络切片等，然而该优势只有在存在NR覆盖的范围内才能得到体现。如果初期阶段NR的覆盖不好，比如采用较高的频段，NR和LTE间的切换不可避免，则需要依赖EPC和5G新核心网间的接口实现，这将带来该接口上较多的信令开销。

在图2（c）中，所有支持eLTE和NR的核心网组件均由5G新核心网提供，该选项具有后向兼容性，即仅支持LTE网络的终端仍可以通过eLTE接入演进的EPC。更为重要的是，在该选项下，由于eLTE和NR均接入到5G新核心网，图2（b）选项中移动性引起的信令开销问题在该选项中可以得到很好的解决。但需要指出的是，该选项需要升级LTE eNB同时支持到EPC和5G核心网的连接。

（2）eLTE独立组网，5G NR非独立组网场景下的接入网与核心网接口，如图3所示：

图3（a）和（b）是eLTE独立组网但5G NR非独立组网场景，5G NR依赖于eLTE工作，这两个选项的差别在于选项图3（a）eLTE接入至EPC，而图3（b）中eLTE接入至5G新核心网。终端采用双连接工作，网络侧双连接数据分流存在两种方式，既可以通过基站分流也可以通过核心网侧分流。

（3）5G NR独立组网，eLTE非独立组网场景下的接入网与核心网接口，如图4所示：

不管5G NR初期引入采用独立组网还是非独立组网，从长期网络演进角度来看，5G NR终将独立工作，且5G NR由于具有性能优势将会渐渐取代eLTE网络，现有4G系统低频段频率也将逐渐翻频用于5G NR，达到全网覆盖。因此，当终端均通过5G NR提供控制面连接后，可将eLTE作为辅小区扩展数据通道以充分利用已有eLTE投资，直至eLTE网络退网。

3.3 接入网逻辑架构

3G系统中接入网逻辑节点由NB和RNC组成，4G逻辑架构设计更加扁平化，仅包含eNB节点。2015年12月份3GPP RAN全会启动了5G场景和需求研究项目，第71次RAN全会通过的5G场景和需求研究报告明确指出了对5G接入网架构的需求，其中区别于4G接入网的几个典型需求如下：

◆接入网支持分布式远端单元（RU，Remote Unit）和集中单元（CU，Central Unit）功能划分，且支持协议栈功能在CU和DU之间迁移；

◆支持控制面和用户面分离；

◆接入网内部接口需要开放，能够支持异厂商间互操作；

◆支持终端同时连接至多个收/发信机节点（多连接）；

◆支持有效的跨基站间的协调调度。

根据上述RAN全会定义的对接入网架构的需求，5G接入网逻辑架构主要存在3种选项，如图5所示。其中图5（a）是一种扁平架构，类似于4G接入网架构，而图5（b）将接入网分为CU和DU逻辑节点。CU是一个集中式节点，能够控制和协调多个小区，包含协议栈高层控制和数据功能，也可能包含一部分基带处理功能。DU是分布式单元，实现射频前端（RRH）功能和其余基带处理功能，CU和DU之间通过前传接口连接。图5（c）将CU的控制面功能和数据面功能进一步划分，形成控制面节点和用户面节点。相比于图5（a）的扁平化架构，图5（b）和（c）无线网两级结构的好处在于能够获得小区间协作增益，实现集中负载管理；同时高效实现密集组网下的集中控制，比如多连接、密集切换，获得池化增益，使能NFV/SDN，满足运营商某些5G场景的部署需求。

3种逻辑架构选项的优缺点分析如表1所示。需要特别指出的是，上述接入网选项仅是逻辑架构，不应排除实际部署时既支持协议栈灵活部署，也需要支持一体化基站部署，以满足不同场景的需求。

从图5可以看出，接入网两级架构CU和DU之间需要接口进行连接，业界广泛地将其称为下一代前传接口（NGFI，Next Generation Fronthaul Interface）[4]。基站通常情况下包括射频和基带功能，而后者又由物理层、第二层（MAC、RLC、PDCP等子层）以及第三层（如RRC）等协议功能层构成。CU/DU具有多种切分方案，不同切分方案的适用场景和性能增益均不同，同时对NGFI接口的带宽、传输时延、同步等参数要求也有很大差异。考虑到5G新无线系统的研究项目刚刚启动，未来5G新空口协议栈如何设计仍不清晰，这里先以4G LTE协议栈作为例子分析各种切分方案的特点以及对传输网络的需求。

图6给出了CU/DU间的各种切分选项[5]，表2对其中主要几种切分选项从性能增益、带宽和时延要求、运维复杂度等方面进行了初步评估。从整体上看，切分越偏向协议栈，底层协作增益越大，运维复杂度越低，但对带宽和时延的需求越高。

4 结束语

本文从5G场景和关键能力指标出发，首先分析了5G无线接入网设计面临的挑战，指出了5G接入网应具备的主要技术特征，然后探讨了面向标准化5G接入网架构相关的几个关键功能应如何设计，并分析了各种潜在技术路线的优/劣势。

考虑到5G关键能力指标、网络运营能力和网络演进等因素，现有的4G网络在网络运行和满足5G所提出的业务和能力需求方面，都面临着新的挑战，主要体现在无法为用户提供一致的良好体验，数据路由和分发手段单一，业务感知与开放能力不足以及网絡协同能力有限。为了弥补这些不足，5G接入网应具备智能感知和优化、本地数据处理、灵活功能和动态拓扑以及用户无感知的接入与移动性等关键技术特征。

本文从面向标准化的角度分析了接入网功能设计，接入网与核心网接口以及接入网内部逻辑架构。5G接入网功能应以4G接入网功能为基准，并且需要新增部分功能包括LTE和NR紧互操作，支持网络切片，非激活态状态以及通过LTE和NR间接口实现跨RAT间移动性。考虑到4G和5G系统接入网和核心网的同时存在以及两种5G新空口引入模式的选择，5G接入网和核心网之间的接口具有多种选项，各有优/劣势，未来将排除哪种选项有赖接入网和核心网相关工作组的进一步讨论。3GPP 5G需求研究报告对5G接入网提出了新的需求，为了满足这些需求，5G接入网逻辑架构可能会出现两级架构，包含远端节点和集中节点，且需要支持协议栈在两个节点间灵活迁移，不同协议栈切分选项对前传网络的需求差异也较大，整体上看，切分越偏向协议栈，底层协作增益越大，运维复杂度越低，但对带宽和时延的需求也越高。未来运营商网络是否引入该架构，协议栈拆分方案分别适用于哪种场景，对传输有哪些需求仍待讨论。目前在标准化层面关于集中节点和远端节点的讨论还处于初级阶段，两个节点间协议栈和功能如何划分以及之间的接口是否需要标准化均是未来接入网架构设计方面需要关注的焦点。

参考文献：

[1] IMT-2020（5G）推进组. 5G愿景与需求白皮书[Z]. 2015.

[2] IMT-2020（5G）推进组频谱组. 频谱需求预测白皮书[Z]. 2015.

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[4] IMT-2020（5G）推进组. 5G网络架构设计白皮书[Z]. 2016.

[5] 3GPP TS 36.401. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）： Architecture description[S]. 2012.

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[10] 3GPP TR 38.801 v1.0.0. Study on Radio Access Technology： Radio Access Architecture and Interface[S]. 2016. ★