5G网络架构的标准研究进展

曹亘++李佳俊++李轶群++李福昌

【摘 要】为了研究5G网络架构演进对无线网络升级演进的影响，介绍了3GPP在5G系统设计的标准研究进展。根据5G系统典型部署场景和关键指标，研究了5G系统的网络架构设计和八种候选组网方案，分析了5G协议栈功能需求。探讨了未来电信运营商4G和5G网络在无线接入网和核心网部署的策略及技术演进路线。

【关键词】5G网络架构 5G与LTE紧耦合 运营商5G部署策略

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2017.02.007 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2017）02-0032-06

引用格式：曹亘，李佳俊，李轶群，等. 5G网络架构的标准研究进展[J]. 移动通信， 2017，41（2）： 32-37.

1 引言

3GPP于2016年初启动5G标准立项研究，5G标准划分为两个阶段：2016年至2018年9月完成R15标准制定，满足5G初期的韩国等地区迫切的商业部署需求；2020年3月，3GPP将完成R16标准制定，满足全部IMT2020提出的5G网络发展目标和应用用例需求。5G标准制定需要满足4G系统的前向兼容性要求，特别是在5G网络部署初期，4G核心网必须要支持5G基站接入。

全球运营商对5G试商用/商用网络部署有强烈诉求，韩国计划于2018年平昌冬奥会，日本计划于2020年东京奥运会分别开通5G试商用/商用网络。国内由工信部牵头，三大运营商和主设备厂商推动成立了IMT2020推进组，共同推动国内5G关键技术研究和验证、产业合作等工作，加快国内5G商用进程。

2 5G典型部署场景及业务要求

2.1 5G部署场景及指标需求

2015年12月3GPP RAN70次全会，通过了下一代无线接入技术的场景及需求的研究立项[1]。ITU-R IMT 2020 and beyond定义三种5G应用场景，分别是移动宽带增强（eMBB，enhanced Mobile Broadband）、大连接的机器类型通信（mMTC，massive Machine Type Communications）、低时延高可靠通信（URLLC，Ultra-Reliable and Low Latency Communications）。上述三种业务不仅是现有移动蜂窝网络业务的延续发展，也考虑了未来5G新业务需求。经过大量讨论和论证，5G系统重点关注如下典型部署场景：室内热点、密集城区、郊区、城区、高铁、超远覆盖、大连接、高速公路、空地通信等。5G基站由于部署场景的差别，站间距考虑从20 m至5 km的覆盖范围，支持用户移动速率范围从3 km/h至500 km/h。

5G部署頻段需要考虑低频段（低于4 GHz）和高频段（20 GHz）混合组网场景。为满足不同传输带宽、时延、移动性等各典型场景的业务需求，5G候选频谱资源需要继续挖掘低频段频谱资源的潜力，同时，向高频段寻找更多可用频谱资源，以支持高达200 MHz甚至1 GHz的频带需求。5G高频段有利于多天线技术应用，高频段在多天线传输（高达256根天线）方面比低频段有更大的传播特性优势。

2.2 5G业务指标需求

与4G相比，5G业务指标要求有很大的提高。5G系统设计为了满足三大未来业务方向需求，数据峰值速率、频谱效率、频带宽度、移动性、业务能力等关键性能指标都有大幅提高。同时，为了满足mMTC、URLLC等新业务需求，制定了单位面积连接数、终端能耗、控制面/用户面时延等新指标要求。

为了满足5G网络各种典型场景的需求，3GPP定义了相对完善的关键系统性能指标。主要性能指标如表1所示：

3 5G网络架构及功能要求

3.1 5G网络架构设计总体要求

5G网络架构总体需求明确规定了支持多系统制式、统一鉴权架构、终端多系统同时接入能力、无线与核心网独立演进、控制面和用户面功能分离、IP/非IP/以太网传输、NFV/SDN等新技术，以提供更好的移动业务体验、降低终端功耗、业务灵活配置等更高的业务服务能力[3]。5G网络高层的参考设计架构包括下一代终端（NG UE）、下一代无线接入网（NG RAN）、下一代核心网（NR Core）以及相应的参考节点，具体如图1所示：

其中，各参考节点定义如下：

（1）NG1：NG UE与NG Core之间控制面参考节点；

（2）NG2：NG RAN与NG Core之间控制面参考节点；

（3）NG3：NG RAN与NG Core之间用户面参考节点；

（4）NG6：NG Core与数据网络（Data network）之间的参考节点，数据网络可是公有或者专有数据网络或者运营商自营的数据网络。

5G核心网与接入网参考架构如图2所示[4]，5G核心网支持LTE演进基站（eLTE eNB）和5G基站（gNB）接入，5G核心网和无线接入网之间的接口需要支持控制面和用户面功能。eLTE eNB与gNB之间支持Xn接口，该接口也支持控制面和用户面相关功能。

3.2 5G无线接入网组网场景

5G作为下一代通信技术标准，需要考虑与现有无线通信系统（如LTE系统等）的共存与融合。3GPP根据5G与LTE网络部署关系，提出了四种5G无线网络的典型部署场景[5]：

（1）场景一：独立部署场景

下一代基站（定义为gNB），LTE及其演进的基站（定义为LTE/eLTE eNB）都可以连接至核心网。gNB与LTE/eLTE eNB采用独立部署方式，其中gNB可以是宏基站或者室内热点部署方式。gNB和LTE/eLTE eNB通过RAN-CN接口连接至核心网。gNB与gNB之间需要定义基站间接口。该部署场景，gNB基站具备完整的协议栈功能，具备独立的组网能力。

（2）场景二：与LTE共站部署场景

此部署场景，5G基站（定义为NR）与LTE基站是共站址部署或者采用共基站设备的部署方式。在该部署场景下，5G和LTE系统可通过系统间负载均衡或者多系统连接等实现方式，实现更高效的频谱利用率。

（3）场景三：集中式部署场景

集中式部署场景，中心单元（CU，Central Unit）具备协议栈高层功能，如图3所示。而协议栈底层功能在分布单元（DU，Distributed Unit），即gNB基站具备协议栈的部分底层功能。由于CU和DU之间传输链路的差异性，集中式部署方案需要考虑高层协议栈分离和底层协议栈分离两种实现方案[6]。例如：当CU和DU之间传输性能较好时（如时延较小），可应用CoMP增强等实现方案，从而优化调度算法，提高系统容量。当CU和DU之间传输链路时延较大时，集中式部署方式需要考虑高层协议栈分离方案（如PDCP或RLC层等），从而降低对传输链路的时延要求。

（4）场景四：共建共享部署场景

在共建共享部署场景，主要支持RAN侧运营商共享部署场景。该场景中，两个运营商可分别建设核心网，共享RAN侧基站。共享基站可以使用共享频谱或者使用每个运营商分配的频谱资源。

四种组网场景对基站设备功能、接口等产品设计有不同要求。独立部署场景，gNB是独立的基站设备，通过相应接口连接至核心网和相邻基站。在与LTE共站部署场景，gNB可以与现有LTE基站设备共享硬件、传输等资源进行快速部署。而集中式部署场景与现有LTE网元功能差别较大，特别是无线接入网协议栈功能进行切分，高层功能向中心节点集中以及底层功能下移至基站侧，对现有网络架构和基站设备均有一定影响。而共建共享部署场景，5G基站必须具备接入不同运营商核心网的能力。

3.3 5G无线接入网功能及协议栈架构

5G无线接入网功能主要参考LTE系统设计，并考虑未来5G核心网关键技术。与LTE系统类似的功能主要包括：用户数据转发、无线信道加密与解密、完整性保护等功能。5G新增功能主要包括支持网络切片能力、与E-UTRAN系统紧耦合的互操作、与非3GPP系统互操作、系统间移动性管理等功能。而多连接、终端非激活态等功能还在技术方案讨论中[8]。

5G系统在无线接入网控制面和用户面协议栈设计方面借鉴4G协议栈设计结构，控制面沿用IP层和SCTP协议，保证控制面数据传输的可靠性。在用户面协议栈设计方面，已确定支持PDU分段隧道功能，用户面协议栈可以复用GTP-U/UDP/IP协议，也可考虑GRE/IP[9]和隐藏协议封装（Protocol Oblivious Encapsulation，POE）[10]两种实现方案。5G系统基站间接口（Xn）功能及协议栈设计参考LTE系统X2接口的设计思想。为了支持5G与LTE紧耦合的部署方式，5G系统需要标准化基站间的开放接口。

5G无线接入网协议栈优先讨论5G与LTE紧耦合技术方案的协议栈设计[11]。5G与LTE紧耦合技术方案主要沿用3GPP R12 LTE无线双连接（DC，Dual Connectivity）设计思想[12-13]。核心网为EPC或者NR Core，基站包含LTE基站和NR基站。3GPP主要制定用户面协议栈，集中讨论承载分离相关三个技术方案实现，包括主小区组（MCG，Master Cell Group）承载分离、辅小区组（SCG，Secondary Cell Group）独立承载、辅小区组承载分离方案。方案一和方案三的主要区别在于承载分离是由主小区（方案一）或辅小区（方案三）完成，而方案二主要是核心網侧实现主小区和辅小区承载分离。

3.4 5G与E-UTRAN组网演进方案

由于5G标准制定需要考虑兼容E-UTRAN系统，运营商要根据无线接入网和核心网技术演进和升级需求，选择灵活的5G和4G组网方案。3GPP确定如下8种可能的组网方案[11]。其中4种方案为LTE或者5G基站独立组网方案，另外4种为LTE与5G基站紧耦合组网方案。

（1）LTE或5G基站独立组网方案

方案一（Option 1）为现有LTE系统部署方式，LTE基站连接至EPC核心网。这是从4G向5G演进的一种初期部署场景。方案二（Option 2）是5G系统独立部署方式，5G基站（定义为NR）连接到5G核心网（定义为NR Core）。方案五（Option 5）为LTE基站连接到5G核心网的组网方案，而方案六（Option 6）为5G基站连接到EPC核心网的组网方案。

（2）LTE或5G基站紧耦合组网方案

LTE与5G基站紧耦合组网方案参考3GPP R12无线双连接（DC，Dual Connectivity）设计方案[12-13]。图4（Option 3/3a）和图5（Option 7/7a）是以LTE基站为锚点的紧耦合部署方案，核心网分别连接LTE核心网EPC或者5G核心网。由于LTE基站作为与核心网控制面连接的锚点，全部控制面信令通过LTE基站下发，而用户面数据可以通过LTE基站进行承载分离（图5方案）转发给5G基站，或者核心网将LTE和5G基站的承载分离。若图4和图5中锚点改为5G基站，则分别对应方案Option 4/4a和Option 8/8a。

上述8种LTE和5G（同NR）组网场景涵盖了未来全球运营商部署5G商用网络在不同阶段的组网需求。根据核心网和无线接入网不同的演进策略，制定不同的组网方案。

4 运营商对5G网络部署方案探讨

全球运营商根据网络现状，提出了多种5G网络部署演进路线。按照无线接入网和核心网演进归纳总结运营商5G网络部署策略如下所示。

4.1 无线接入网优先部署，核心网后续升级

（1）階段一组网策略：升级至Option 3/3a

运营商面临尽快开通5G试商用/商用网络的竞争压力，利用现有LTE EPC核心网设备采用无线双连接的组网架构，快速开通5G试商用/商用网络。典型组网演进策略如图4所示（Option 3/3a）。采用Option 3/3a方案需要考虑LTE基站升级成本，Option 3需要考虑LTE基站升级支持5G用户面大数据量的转发，Option 3a需要核心网支持两个系统之间用户承载的有效管理。

（2）阶段二组网策略：升级至Option 7/7a

在5G部署第二阶段，随着5G无线网络开通范围增加，可将4G核心网逐步升级至5G核心网。此时，组网架构将演变为图5（Option 7/7a）。4G基站和5G基站都可以连接至5G核心网。采用该升级方案，运营商的4G核心网和5G核心网将共存。此时，5G基站需具备连接到4G核心网和5G核心网的能力。

（3）阶段三组网策略：升级至Option 2和Option 5

随着5G网络扩大部署至全网，在此阶段，基于无线双连接方式的网络架构将逐步转变为5G基站独立建站的部署方式。Option 2和Option 5部署方式将成为主要的组网形式。随着5G网络扩大部署和升级扩容，4G网络也将面临减频减配，部署规模逐步缩小的局面。

4.2 无线接入网和核心网同步部署

5G试商用/商用网络部署也会存在比较激进的部署方式，即同时部署5G核心网和无线基站，具备端到端5G商用能力。该部署策略，核心网将率先从4G升级支持5G。在核心网能力提高的同时，逐步建设5G基站，在组网方面还可以采用如下组网策略。

（1）阶段一组网策略：先期部署Option 5和Option 7/7a

在此阶段，核心网全面升级支持5G核心网，5G基站作为辅基站连接至5G核心网。而4G基站需要完成相应升级支持连接5G核心网。在此阶段将面临核心网和无线侧的软硬件升级压力。

（2）阶段二组网策略：全网升级部署支持Option 2

随着5G网络扩大部署规模，4G网络逐步退网，5G网络将作为主要的承载网络。

4.3 基于LTE EPC架构的5G部署策略

为了实现5G系统快速部署，部分运营商也提出基于LTE EPC架构的5G快速部署策略，5G基站仅作为新增无线空口资源传输渠道，而协议栈设计等完全使用LTE协议栈。

（1）阶段一组网策略：部署Option 3/3a

在5G网络建设初期，5G基站作为LTE网络的辅基站部署，主要用于提高网络容量。

（2）阶段二组网策略：部署Option 6

随着5G网络建设规模的扩大，5G基站可以独立连接至LTE核心网，具备独立组网能力。

基于LTE EPC核心网组网方案，在5G初期快速组网阶段，具备升级相对简单，网络部署快的优点。但是，随着5G业务的开展，LTE EPC在5G新业务方面支持能力不足的劣势将逐步显现。

5 结束语

2020年将是5G正式商用的元年，5G将成为全球瞩目的通信技术的一次变革。全球运营商、设备商等通信产业界各方都在努力推进5G关键技术研发和标准制定。本文介绍5G系统典型部署场景、关键系统指标、网络架构及协议栈等5G系统设计研究进展。最后分析了国内外运营商在5G网络部署和LTE系统演进在无线接入网和核心网的技术演进策略。

3GPP将在R15完成第一阶段的5G系列标准，预计2018年将具备初期试商用/商用网络部署能力，后续需要密切跟进5G关键技术研究，并根据5G设备成熟能力，适时开展关键技术验证及内外场试验，加快推进国内5G试商用/商用网络部署。

参考文献：

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[10] 3GPP R3-163113. NG-U Protocol Oblivious Encapsulation Design[Z]. Huawei， 2016.

[11] 3GPP TR 36.804. Study on New Radio Access Technology； Radio Interface Protocol Aspects V0.4.0[R]. 2016.

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