5G网络架构有什么特点？对承载网有什么影响？
1 引言
3gpp（3rd generation partnership project）提出了5g网络的无线接入网（ran）和核心网的新架构，与lte网络有较大的区别，ran网络的功能重新划分及部署方式对承载网络的架构将产生较大影响，而5g网络的三大应用场景对网络性能要求的巨大差异，推动核心网切片及分布式部署，也对承载网的架构和性能有较大影响。
本文从承载网络的视角，对比lte网络架构，对5g网络的架构特点和部署特点进行分析，提出了5g网络设备、部署方式等存在的不确定性，以及这些不确定性对承载网的影响。
2 5g网络架构特点 5g网络架构无论是ran部分还是核心网部分，都与lte网络有较大的区别，以下分别从承载网络的视角对lte和5g的网络架构进行分析比较。
2.1 lte网络架构特点 lte ran网络主要由2个网元组成，分别是rru和bbu，如图1所示：
图1 lte网络架构示意图
（1）每个rru与一个bbu相连，rru间没有直接连接；
（2）bbu之间的切换可以利用s1接口经核心网（epc）实现；也可经bbu间的x2接口实现［4］。在实际lte网络中基站间的切换主要通过s1接口，以简化网络的部署［3］。
根据cpri接口规范，ran部署方式有两种：1）分布部署方式，bbu和rru部署在同一站点，前传属于站内连接；2）集中部署方式，bbu和rru部署在不同的站点，前传属于站间连接。这两种方式都有比较广泛的应用。
lte核心网主要包括mme和s-gw两类网元，国内运营商多采用按省集中部署的方式。
2.2 5g网络架构特点 5g ran网络主要由3个网元组成，分别是aau、du、cu，如图2所示：
图2 5g网络架构示意图
（1）du以星型方式连接多个aau（也称为“前传”），aau间没有直接连接需求，aau和du之间采用ecpri接口。
（2）cu以星型方式连接多个du（也称为“中传”），du间没有直接连接需求，du和cu间采用以太网接口。
（3）基站间的切换等功能通过cu间的xn接口实现［7］。
5g网络ran的部署方式主要有三种，如图3所示：
（1）分布式ran （2）du/cu集中ran （3）du、cu分别集中ran
图3 5g ran的三种部署方式
（1）分布式部署：aau、du和cu部署在相同的站点，前传和中传都属于站内连接。
（2）du/cu集中部署：aau与du/cu部署在不同的站点，du/cu集中部署在同一站点，前传属于站间连接，中传属于站内连接。
（3）du和cu分别集中部署：aau、du、cu均在不同的站点，前传、中传都属于站间连接。
5g的核心网主要包括控制面（cp）和用户面（up）两类网元：
（1）控制面（cp）采用云化集中部署，对时延的要求为10 ms［8］，流量也不大，国内运营商选择按省集中部署的方式可能性比较大。
（2）用户面将采用根据业务特点切片部署的方式［2］，根据不同类型的业务的功能、性能等进行网络切片，并分别进行部署，不同切片部署在网络的不同层级。
2.3 lte和5g网络架构主要差异分析 lte和5g网络架构的主要差异如表1所示。相比于lte网络，5g网络部署方式更加多样化，这种多样化的部署方式对实际网络部署，存在较大的不确定性。
表1 lte和5g网络架构
3 5g网络架构的不确定性及其对承载网的影响 5g网络的架构已经明确，典型5g网络部署的结构示意如图4所示，但落实到设备和部署策略上还有较多的不确定性。
图4 5g网络部署结构示意图
3.1 5g的前传要求与lte兼容 国内运营商在lte阶段普遍采用bbu小规模集中部署的方式，这种方式大大降低了网络部署成本，包括基站机房、电源、传输设备等，已经成为国内运营商lte网络建设的发展趋势。在5g阶段，运营商将会继续采用du集中部署的方式。
cpri接口规范定义的前传距离不小于10 km［5］。ecpri网络规范［6］没有明确前传的目标距离，但定义了前传的单向传输时延应小于100 μs，折算成在光纤上的传输距离应小于20 km。这两者的目标距离比较接近。国内运营商在lte阶段较多地采用bbu小规模集中部署的方式，bbu-rru间的距离普遍小于10 km。当5g网络采用图3所示的方式（2）、（3），进行du集中部署时，du集中的站点位置与lte bbu集中的站点位置相同，现有lte的前传光缆网络可以利用。前传的距离小于10 km，可以利用比较成熟的10 km标准的25 gbit/s光接口，网络成本也比较低。
但工信部确定的5g网络工作频率是3.3 ghz—3.6 ghz和4.8 ghz—5.0 ghz频段［9］，远高于lte的2.1 ghz/2.6 ghz频段，因此5g基站的密度预计将是lte基站的1.5倍左右，运营商在5g部署时期采取何种部署策略（热点部署、区域性连续覆盖等），对前传光缆网络的影响较大，若采用连续覆盖部署的方式，运营商需要大量建设基站接入光缆。
3.2 cu/du分离部署的不确定性 3gpp提出了cu/du的分离功能架构，运营商也希望cu能够在更高层面部署（如本地网的汇聚节点，甚至核心节点），简化基站间协同的组织，提高协同效率，同时实现cu与du的解耦。
目前设备供应商尚不能提供商用化的cu和du设备，cu和du是否能够实现分离部署、设备的容量和能力均不确定。
cu、du能否分离部署将影响到在承载网络上是否存在中传段，基站间的连接数将会有上百倍的差异，对承载网络的结构和路由能力有较大的影响。例如：一个典型城市的汇聚节点数量约30个，pop点的数量约300个。若cu部署在汇聚节点，du到cu的连接是汇聚型连接，cu间的连接是分布式连接，cu间全mesh连接需要的连接数为435个，在本地承载网的核心汇聚层采用ip网络技术，这种连接是比较容易满足的。若cu部署在pop点，所有pop点间cu分布式连接的数量将达到4.5万个；若每个基站都单独部署cu功能，cu间的连接数量将会更大。这将要求本地承载网的边缘层也必须采用ip网络技术，并且要具有很强的路由能力。
因此，从承载网的角度，也支持cu集中部署。根据上述典型城市的网络结构特点，平均每个汇聚点汇聚的基站数量在100~200个之间，cu可带的基站数量应在200个左右。
3.3 du的不确定性 5g网络标准提出了du设备池组化的目标，运营商希望采用du池组化集中部署的方式，将来自多个基站的业务汇聚后统一传到cu上，可大大提高du的效率，也有利于基站间协同策略的部署。但du设备是否能够池组化还不明确，目前厂商能够提供的du设备基本上还是每个基站一个du，即便du集中在一起，也是多台du设备的堆叠，无法做到基带资源的共享。du是否池组化，对中传的技术方案的选择将有较大的影响：
（1）池组化du能够带的基站数量：运营商希望一个pop点的du池能够将pop点覆盖的基站全部带起来，根据3.2节的典型城市pop点分布，平均每个pop点带的基站数量在10~20个之间（30~60个aau），因此du池应能够带20个左右的基站，或者可分成多档（比如5、10、20三档），根据不同pop点的覆盖范围，选择不同的du池。但现在只有个别厂商有池组化的du产品路标，池组化du的容量目标业界尚未达成共识。
（2）du中传接口的速率和数量：若du能够池组化，一个带20个基站的du池仅需2个25 gbit/s的中传接口，将来自多个基站的业务汇聚收敛后统一传到cu上，每个中传接口的终期带宽利用率可达到60%以上。若du不能池组化，每个du仅能够带几个aau（3~6个），每个du至少需要一个10 gbit/s中传接口，终期的带宽利用率将会在30%左右，该端口无法利用中传业务统计复用的特点，提高带宽利用率。du中传端口数量将是池组化du的10倍，中传的成本将远高于池组化du方式。
从承载网的成本考虑，du池组化对带宽进行汇聚和收敛是非常有价值的。
3.4 cu的不确定性 cu容量的大小决定了cu的数量和部署的位置，对承载网的性能需求也有较大的差异。3.2节提出每个cu应能够汇聚200个左右基站的业务，但业界尚未就cu的容量目标达成一致，这也给承载网的技术选择和方案带来较大的不确定性。
若cu的容量能够达到200个基站左右，则cu可以部署在典型城市的汇聚节点，并汇聚本汇聚节点下的所有基站的业务，du到cu的中传业务属于典型的点到多点业务模型，可以采用较为简单的一层或二层网络技术，不必采用三层网络技术。若cu的容量较小，在典型城市的汇聚节点，需要部署多台cu才能汇聚本汇聚节点下的所有基站的业务，du到cu的中传业务属于典型的多点到多点的业务模型，需要中传网络支持一定的三层功能，将提高中传网络的建设成本。
3.5 up部署的不确定性 核心网up根据不同的业务特点切片部署已经比较明确，但各个切片部署的位置尚未确定，在5g初期主要是embb和mmtc业务。urllc相关标准尚未完成，up-erllc部署策略待研究。
embb业务单向时延小于10 ms［10］，同时也是5g网络流量最大的部分，基于时延和流量优化的目的，up-embb会从lte的省集中方式下沉到各个本地网，随着cdn网络的下沉，up-embb甚至会下沉到本地网的汇聚层。目前，国内运营商尚未有up-embb部署在本地网的核心层，依旧采用汇聚层的明确策略。up-embb部署的位置决定up节点的数量和单个up网元的容量，同时也影响到5g核心网接入互联网的位置和方案，对承载网性能指标的要求也有较大差异。
mmtc业务对时延不敏感，因此up-mmtc将在较高层面集中部署，如省集中或大区部署，需要承载网同时提供本地和骨干的承载能力。
4 5g网络部署的建议 业界尚未有全功能5g网络的商用部署案例，5g网络架构和设备形态、部署方式都存在较大的不确定性，这些不确定性将对5g网络的部署方案和成本有巨大影响。本文通过对5g网络部署中一些不确定性问题的分析，提出以下建议：
（1）基站应采用适度规模集中部署方式，充分利用现有lte网络的前传光缆网络资源，在5g做连续覆盖时，新增基站前传光缆建设应充分利用现有光缆网资源。
（2）du设备应支持池组化功能，部署在现有pop点，提高基站协同的效率，降低中传网络成本，并能够充分利用现网前传和回传光缆网络资源。建议设备供应商加快开发du池产品，每个du池可带的基站数量应在5~20个左右，可分成多档，比如5、10、20等多档，满足不同类型pop点的需要。
（3）cu与du分离部署是5g网络架构的亮点，将cu部署在汇聚节点，可简化中传技术方案，降低网络成本，并能够大量减少基站间xn接口的连接数量，降低对回传网络的性能要求。根据对典型城市的站点布局的分析，建议每个cu应能够汇聚200个左右个基站的业务。
（4）核心网用户面可采用切片部署的方式，up-embb在业务质量可保证的情况下，尽量部署在城域核心，设备集中也有利于提高资源效率，减少对本地网数据中心机房数量的要求，同时也减少回传网络对骨干承载网的需求。
5g网络架构的变化，对本地承载网的边缘层（pop点到汇聚点间的网络层级）影响最大，按照上述网络部署架构的建议，仅需要在本地网的核心汇聚层采用三层承载技术，边缘层可以采用一层或二层传输设备（如peotn等）组织，降低网络的建设成本和维护成本。
在目前5g技术还存在如此多的不确定性情况下，在2020年进行全国性规模部署还存在以下风险：
（1）5g网络和设备的一些新技术、新功能难以在网络中实现；
（2）未来网络升级采用这些新技术、支持这些新功能的成本比较高，环境代价比较大。
中国几个运营商在3g和lte阶段都是在其他运营商几年后部署，设备的成熟度和稳定性都比较高，不确定性小，建设成本低，因此运营商能够在2~3年基本建成一张全国连续覆盖的网络。因此，中国运营商若想在5g网络部署领先世界，必须考虑上述不确定性的风险因素，建议适度把握5g部署节奏，降低上述风险的负面影响。
5 结束语 本文通过对lte和5g网络架构的对比，分析了5g网络架构的特点，对目前5g网络架构、部署方式、设备形态存在的不确定性进行了深入的分析，指出这些不确定性对承载网的影响，提出对这些不确定性因素的发展建议及相应的承载技术方案。
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本文从承载网络的视角，对比lte网络架构，对5g网络的架构特点和部署特点进行分析，提出了5g网络设备、部署方式等存在的不确定性，以及这些不确定性对承载网的影响。
2 5g网络架构特点 5g网络架构无论是ran部分还是核心网部分，都与lte网络有较大的区别，以下分别从承载网络的视角对lte和5g的网络架构进行分析比较。
2.1 lte网络架构特点 lte ran网络主要由2个网元组成，分别是rru和bbu，如图1所示：
图1 lte网络架构示意图
（1）每个rru与一个bbu相连，rru间没有直接连接；
（2）bbu之间的切换可以利用s1接口经核心网（epc）实现；也可经bbu间的x2接口实现［4］。在实际lte网络中基站间的切换主要通过s1接口，以简化网络的部署［3］。
根据cpri接口规范，ran部署方式有两种：1）分布部署方式，bbu和rru部署在同一站点，前传属于站内连接；2）集中部署方式，bbu和rru部署在不同的站点，前传属于站间连接。这两种方式都有比较广泛的应用。
lte核心网主要包括mme和s-gw两类网元，国内运营商多采用按省集中部署的方式。
2.2 5g网络架构特点 5g ran网络主要由3个网元组成，分别是aau、du、cu，如图2所示：
图2 5g网络架构示意图
（1）du以星型方式连接多个aau（也称为“前传”），aau间没有直接连接需求，aau和du之间采用ecpri接口。
（2）cu以星型方式连接多个du（也称为“中传”），du间没有直接连接需求，du和cu间采用以太网接口。
（3）基站间的切换等功能通过cu间的xn接口实现［7］。
5g网络ran的部署方式主要有三种，如图3所示：
（1）分布式ran （2）du/cu集中ran （3）du、cu分别集中ran
图3 5g ran的三种部署方式
（1）分布式部署：aau、du和cu部署在相同的站点，前传和中传都属于站内连接。
（2）du/cu集中部署：aau与du/cu部署在不同的站点，du/cu集中部署在同一站点，前传属于站间连接，中传属于站内连接。
（3）du和cu分别集中部署：aau、du、cu均在不同的站点，前传、中传都属于站间连接。
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（1）控制面（cp）采用云化集中部署，对时延的要求为10 ms［8］，流量也不大，国内运营商选择按省集中部署的方式可能性比较大。
（2）用户面将采用根据业务特点切片部署的方式［2］，根据不同类型的业务的功能、性能等进行网络切片，并分别进行部署，不同切片部署在网络的不同层级。
2.3 lte和5g网络架构主要差异分析 lte和5g网络架构的主要差异如表1所示。相比于lte网络，5g网络部署方式更加多样化，这种多样化的部署方式对实际网络部署，存在较大的不确定性。
表1 lte和5g网络架构
3 5g网络架构的不确定性及其对承载网的影响 5g网络的架构已经明确，典型5g网络部署的结构示意如图4所示，但落实到设备和部署策略上还有较多的不确定性。
图4 5g网络部署结构示意图
3.1 5g的前传要求与lte兼容 国内运营商在lte阶段普遍采用bbu小规模集中部署的方式，这种方式大大降低了网络部署成本，包括基站机房、电源、传输设备等，已经成为国内运营商lte网络建设的发展趋势。在5g阶段，运营商将会继续采用du集中部署的方式。
cpri接口规范定义的前传距离不小于10 km［5］。ecpri网络规范［6］没有明确前传的目标距离，但定义了前传的单向传输时延应小于100 μs，折算成在光纤上的传输距离应小于20 km。这两者的目标距离比较接近。国内运营商在lte阶段较多地采用bbu小规模集中部署的方式，bbu-rru间的距离普遍小于10 km。当5g网络采用图3所示的方式（2）、（3），进行du集中部署时，du集中的站点位置与lte bbu集中的站点位置相同，现有lte的前传光缆网络可以利用。前传的距离小于10 km，可以利用比较成熟的10 km标准的25 gbit/s光接口，网络成本也比较低。
但工信部确定的5g网络工作频率是3.3 ghz—3.6 ghz和4.8 ghz—5.0 ghz频段［9］，远高于lte的2.1 ghz/2.6 ghz频段，因此5g基站的密度预计将是lte基站的1.5倍左右，运营商在5g部署时期采取何种部署策略（热点部署、区域性连续覆盖等），对前传光缆网络的影响较大，若采用连续覆盖部署的方式，运营商需要大量建设基站接入光缆。
3.2 cu/du分离部署的不确定性 3gpp提出了cu/du的分离功能架构，运营商也希望cu能够在更高层面部署（如本地网的汇聚节点，甚至核心节点），简化基站间协同的组织，提高协同效率，同时实现cu与du的解耦。
目前设备供应商尚不能提供商用化的cu和du设备，cu和du是否能够实现分离部署、设备的容量和能力均不确定。
cu、du能否分离部署将影响到在承载网络上是否存在中传段，基站间的连接数将会有上百倍的差异，对承载网络的结构和路由能力有较大的影响。例如：一个典型城市的汇聚节点数量约30个，pop点的数量约300个。若cu部署在汇聚节点，du到cu的连接是汇聚型连接，cu间的连接是分布式连接，cu间全mesh连接需要的连接数为435个，在本地承载网的核心汇聚层采用ip网络技术，这种连接是比较容易满足的。若cu部署在pop点，所有pop点间cu分布式连接的数量将达到4.5万个；若每个基站都单独部署cu功能，cu间的连接数量将会更大。这将要求本地承载网的边缘层也必须采用ip网络技术，并且要具有很强的路由能力。
因此，从承载网的角度，也支持cu集中部署。根据上述典型城市的网络结构特点，平均每个汇聚点汇聚的基站数量在100~200个之间，cu可带的基站数量应在200个左右。
3.3 du的不确定性 5g网络标准提出了du设备池组化的目标，运营商希望采用du池组化集中部署的方式，将来自多个基站的业务汇聚后统一传到cu上，可大大提高du的效率，也有利于基站间协同策略的部署。但du设备是否能够池组化还不明确，目前厂商能够提供的du设备基本上还是每个基站一个du，即便du集中在一起，也是多台du设备的堆叠，无法做到基带资源的共享。du是否池组化，对中传的技术方案的选择将有较大的影响：
（1）池组化du能够带的基站数量：运营商希望一个pop点的du池能够将pop点覆盖的基站全部带起来，根据3.2节的典型城市pop点分布，平均每个pop点带的基站数量在10~20个之间（30~60个aau），因此du池应能够带20个左右的基站，或者可分成多档（比如5、10、20三档），根据不同pop点的覆盖范围，选择不同的du池。但现在只有个别厂商有池组化的du产品路标，池组化du的容量目标业界尚未达成共识。
（2）du中传接口的速率和数量：若du能够池组化，一个带20个基站的du池仅需2个25 gbit/s的中传接口，将来自多个基站的业务汇聚收敛后统一传到cu上，每个中传接口的终期带宽利用率可达到60%以上。若du不能池组化，每个du仅能够带几个aau（3~6个），每个du至少需要一个10 gbit/s中传接口，终期的带宽利用率将会在30%左右，该端口无法利用中传业务统计复用的特点，提高带宽利用率。du中传端口数量将是池组化du的10倍，中传的成本将远高于池组化du方式。
从承载网的成本考虑，du池组化对带宽进行汇聚和收敛是非常有价值的。
3.4 cu的不确定性 cu容量的大小决定了cu的数量和部署的位置，对承载网的性能需求也有较大的差异。3.2节提出每个cu应能够汇聚200个左右基站的业务，但业界尚未就cu的容量目标达成一致，这也给承载网的技术选择和方案带来较大的不确定性。
若cu的容量能够达到200个基站左右，则cu可以部署在典型城市的汇聚节点，并汇聚本汇聚节点下的所有基站的业务，du到cu的中传业务属于典型的点到多点业务模型，可以采用较为简单的一层或二层网络技术，不必采用三层网络技术。若cu的容量较小，在典型城市的汇聚节点，需要部署多台cu才能汇聚本汇聚节点下的所有基站的业务，du到cu的中传业务属于典型的多点到多点的业务模型，需要中传网络支持一定的三层功能，将提高中传网络的建设成本。
3.5 up部署的不确定性 核心网up根据不同的业务特点切片部署已经比较明确，但各个切片部署的位置尚未确定，在5g初期主要是embb和mmtc业务。urllc相关标准尚未完成，up-erllc部署策略待研究。
embb业务单向时延小于10 ms［10］，同时也是5g网络流量最大的部分，基于时延和流量优化的目的，up-embb会从lte的省集中方式下沉到各个本地网，随着cdn网络的下沉，up-embb甚至会下沉到本地网的汇聚层。目前，国内运营商尚未有up-embb部署在本地网的核心层，依旧采用汇聚层的明确策略。up-embb部署的位置决定up节点的数量和单个up网元的容量，同时也影响到5g核心网接入互联网的位置和方案，对承载网性能指标的要求也有较大差异。
mmtc业务对时延不敏感，因此up-mmtc将在较高层面集中部署，如省集中或大区部署，需要承载网同时提供本地和骨干的承载能力。
4 5g网络部署的建议 业界尚未有全功能5g网络的商用部署案例，5g网络架构和设备形态、部署方式都存在较大的不确定性，这些不确定性将对5g网络的部署方案和成本有巨大影响。本文通过对5g网络部署中一些不确定性问题的分析，提出以下建议：
（1）基站应采用适度规模集中部署方式，充分利用现有lte网络的前传光缆网络资源，在5g做连续覆盖时，新增基站前传光缆建设应充分利用现有光缆网资源。
（2）du设备应支持池组化功能，部署在现有pop点，提高基站协同的效率，降低中传网络成本，并能够充分利用现网前传和回传光缆网络资源。建议设备供应商加快开发du池产品，每个du池可带的基站数量应在5~20个左右，可分成多档，比如5、10、20等多档，满足不同类型pop点的需要。
（3）cu与du分离部署是5g网络架构的亮点，将cu部署在汇聚节点，可简化中传技术方案，降低网络成本，并能够大量减少基站间xn接口的连接数量，降低对回传网络的性能要求。根据对典型城市的站点布局的分析，建议每个cu应能够汇聚200个左右个基站的业务。
（4）核心网用户面可采用切片部署的方式，up-embb在业务质量可保证的情况下，尽量部署在城域核心，设备集中也有利于提高资源效率，减少对本地网数据中心机房数量的要求，同时也减少回传网络对骨干承载网的需求。
5g网络架构的变化，对本地承载网的边缘层（pop点到汇聚点间的网络层级）影响最大，按照上述网络部署架构的建议，仅需要在本地网的核心汇聚层采用三层承载技术，边缘层可以采用一层或二层传输设备（如peotn等）组织，降低网络的建设成本和维护成本。
在目前5g技术还存在如此多的不确定性情况下，在2020年进行全国性规模部署还存在以下风险：
（1）5g网络和设备的一些新技术、新功能难以在网络中实现；
（2）未来网络升级采用这些新技术、支持这些新功能的成本比较高，环境代价比较大。
中国几个运营商在3g和lte阶段都是在其他运营商几年后部署，设备的成熟度和稳定性都比较高，不确定性小，建设成本低，因此运营商能够在2~3年基本建成一张全国连续覆盖的网络。因此，中国运营商若想在5g网络部署领先世界，必须考虑上述不确定性的风险因素，建议适度把握5g部署节奏，降低上述风险的负面影响。
5 结束语 本文通过对lte和5g网络架构的对比，分析了5g网络架构的特点，对目前5g网络架构、部署方式、设备形态存在的不确定性进行了深入的分析，指出这些不确定性对承载网的影响，提出对这些不确定性因素的发展建议及相应的承载技术方案。
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