5G无线接入网络架构的设计探究

麻鹏程 张馨丹

【摘要】    5G是在4G基础上通过增强性能而产生的，能够应对当前更多新的应用场景，特别是IOT。为此基于5G的应用场景及无线网络的接入要求，针对5G无线接入网络架构进行了分析讨论，指出设计中应根据当前技术实际，选择合适的无线接入网络架构，并预留充足的升级扩展空间，以便在技术进步后可随时进行升级扩展。

【关键词】    5G    无线接入网络架构    设计

引言：

5G作为新一代的移动通信网络，其网络速率可能达到4G的1000倍，这对于网络架构的要求非常高。5G作为一个多场景应用的多层异构网络，能够容纳已经广泛使用的无线接入技术和5G本身所具有的技术手段。随着5G小规模商用以来，对5G无线接入网络的相关研究进入一个新阶段，对无线接入网路架构设计、建设部署的研究成为主要方向。因此本文围绕5G无线接入网络的相关技术，针对网络架构设计进行着重分析，力图探讨出5G无线接入网络架构的设计方案。

一、无线接入网络的本质

5G的出现是移动通信网络技术不断积累的产物，从1G开始，经过2G、3G、4G和5G，每一代移动通信网络的演进，都是从现有网络架构上进行技术创新的结果。因此从1G开始到现在的5G，无线接入网络（RAN）的本质并没有发生较大变化。无线接入网络部分的起始点是基站，由基站与UE连接，当不同区域两个UE要进行联络，信号走向是从UE端通过无线接入网，接入基站，由基站通过有线传输网络向另一端的基站转发信号，并由另一端的基站与所需联系的UE建立连接。

简化以下即终端→接入网→承载网→核心网→（另一端）承载网→接入网→终端。整个过程本质是编解码、调制解调以及加解密的一个过程，无论标准如何变、设备如何变、RAN的本质不会变。

二、5G无线接入网络及其应用场景

2.1 5G应用场景

当前是互联网+时代，为了满足互联网+业务的快速发展需要，5G无线接入网络不再是解决人与人的通信问题，而是要解决人、事、物的广泛连接。因此5G最典型的应用场景是IOT，即物联网，物联网，即internet of things，要实现智能终端设备和管理平台之间的广泛连接，因而需要网络具备可移动、灵活的、超大容量的连接能力，而这只有无线网络才能实现。LPWA催生出了Lora，sigfox，NB-IOT，eMTC等多种广域覆盖的物联网新技术。而这些在5G无线接入网络中都是比较典型的技术手段。在Rel10及以后的标准中，一直在致力于通过聚焦降低设备成本来提高能够使用IOT可能场景的数量，并逐步演化出大规模IOT和关键IOT。大规模IOT需要的是更大的容量，更广的覆盖，而关键IOT需求更低时延，比如自动驾驶。

更广泛的连接带来数据的几何级增长，低功耗的数据采集非常关键，随着大数据技术的应用，智慧城市建设，对数据的需求量不断增大，但对数据采集的要求并不特殊，数据传输速率要求不高，因此如何兼容低速率数据采集需求也是5G无线接入网络架构设计需要关注的问题。

2.2 5G无线接入要求

5G是在4G基础上扩展提高性能的产物，从应用场景角度来讲，5G必须具备更高的容量，更高的可靠性，更低的时延，因此强调无线接入网控制平面与用户平面的分割，在网络架构上要立足网络功能，并实现模块化，进而实现更高效的、灵活的调度能力。出于IOT需要，5G无线接入网要求在移动性、低时延、宽带速率等方面更强。

移动性作为移动通行网络的重要指标，是要在满足系统性能前提下，通信双方之间能够达到的最大移动速度，比如应当满足飞机、高速公路、地铁等超高速移动场景对网络的需求，但也应当兼容非移动场景，如工业控制。

低时延强调5G必须要比4G具有更低的延时特性，时延是从发射端到接收端之间所用的数据流动时间间隔，4G时代扁平化的网络结构促使网络时延大幅度降低，但依然无法满足一些特殊应用的网络需求，比如自动驾驶、增强现实等。5G更低时延，在自动驾驶等低时延应用场景中具备优势，最低空口时延要求1ms.而时延高低则主要受网络拓扑结构、业务模型、网络负载、传输资源等的影响。

更快的速率方，5G要达到0.1～1Gbit/s的基本速率，最高速率至少20Gbit/s，带宽需求是4G的1000倍以上。IOT的应用，要求5G必须具备更大的容量，满足超大规模设备数量的高速连接且不掉线。

2.3 5G无线接入网络技术演进

目前5G无线接入网络是一个三层结构，及CU、DU和AAU，相应地网络架构有三个部分，即前传、中传和回传。当然由于无线接入的本质依然是端到端的一个连接，基站本身的作用将非常突出，5G基站通常包含BBU、RRU、天线等部分，5G基站与传统基站不同，主要区别点在于RRU拉远、大规模天线阵列，5G基站实际是分布式基站，RRU靠近天线，如此造就了D-RAN，分布式无线接入网。如此RRU与馈线的距离缩短，可以有效降低信号衰减问题，且可降低馈线成本，网络规划更灵活。

从运营商的角度来讲，由于BBU集中布置，对机房需求较高，成本压力大，因此C-RAN被提出，即集中化、云化、协作化、清洁化的4C集中化无线接入网。当然技术的进步还出现了H-CRAN，即异构云集中无线接入，该技术将BBU池和大功率节点HPN连接，利用LTE宏基站实现无缝覆盖，BBU池的集中控制功能被剥离出来，接入网利用HPN来实现与核心网的连接。随着BBU和HPN集成，F-RAN成为另一种更为理想的无线接入网络部署方式，在F-RAN中，HPN用来实现控制平面所有UE的控制信令和特定信号，BBU集成信号处理单元，共享信令、数据和信道状态，若网络负载升高，则只需要升级BBU即可。

从技术演化的角度看，5G实际上是一个超密集虚拟化网络，即讲5G网络架构在云端，实现核心、基站和终端、中继转发的虚拟化。要实现它们是规划三朵云，即基于SDN的控制云，基于灵活无线接入的接入云和高性能低成本中继转发的转发云。控制云方面SDN即软件定义光网络是目前公认的5G智能化控制核心，SDN的优势非常显著，特别是在数据中心网络虚拟化、流量优化与管理方面。接入云方面重点是要支持多种场景应用，实现接入资源协同管理与靈活网络功能。转发云方面由于SDN采取集中控制手段，控制和转发实现了解耦，转发更靠近基站，因此业务和转发实现了融合。

三、5G无线接入网络架构设计

3.1设计原则

5G的应用场景揭示各种与传统无线接入网络应用场景完全不同的应用形式，传统的网络架构显然不足以适应新的应用，因此根据前述分析，5G的RAN应当具备高度灵活性、扩展能力、定制能力，实现网络资源灵活调配和功能灵活部署。

要求，5G的RAN应当具备高度智能型，承载和控制必须分离，也即实现SDN，技术上SDN+OTN或SDN+PTN都是可行方案。应具备灵活的网元和架构配置，物理节点与网络功能解耦，网络功能设计应重点关注，物理网元采取多种手段灵活设计，按应用场景灵活配置。5G大规模商用的先决条件是更低的成本而不是技术，目前来讲5G技术已经相对成熟，但成本很高，合理的经济型是设计方案能够实现的关键，所以成本必须是RAN架构设计的首要目标。

3.2设计方案

根据前文分析，5G网络有两个部分一个部分是有线传输网络，另一个部分即RAN，这是现有成功商用的典型网络规划方案，在RAN方面则是基于现有LTE网络实现扩展演进。由于IPv4地址池基本耗尽，IPv6可实现任意事物之间的连接，IOT的应用场景中IPv6将扮演重要角色，而LTE支持IPv6，可以容纳更多终端，因此考虑到成本因素，5G的RAN架构部署应基于现有LTE网络架构，而不是重新独立组网。

因此基于D-RAN→C-RAN→H-CRAN→F-RAN的无线接入网演进步骤，考虑5G的RAN架构中应当满足多种形式的无线设备节点连接形态，包括链状连接，如relay，RRU基站级联等;伞状连接，如一个BBU和多个RRU的连接;网状连接，如基站设备间的连接等;端到端连接，如D2D直通终端连接等。

在满足RRU拉远，BBU集成云化的逻辑下，5G的RAN将增加新型网关、终端，设备平台能力也将多样化，在超级基站成本过高的情况下，可考虑D-RAN，也即最初级的5G无线接入网架构或C-RAN架构。当然随着大规模天线阵列技术的进步，还可采用室外一体化基站、室内微基站等。

在不同的网络应用场景中，承载介质不同，承载方式也有差别，一般分有线承载和无线承载两种，无线承载灵活，成本低，建设周期短，但是带宽有限，易被干扰，有线承载稳定性强，带宽充足（SDN+OTN下，随着OTN设备性能不断增强，带宽将进一步增大，用以满足5G无线接入需求），但建设成本很高、建设周期比较长。所以5G的RAN设计往往会采取有线+无线的方式。并且网拓扑结构应当多样化，在汇聚网为环状结构的情况下，RAN可以灵活部署，考虑多种低功率即插即用基站的部署，能够带来更高的灵活性，但是随着基站部署数量增加，接入UE增加，对环状结构汇聚网以及核心网带来巨大压力，例如架设一个站CIR/PUR速率分别为4Gbit/s和16Gbit/s，基站带宽均值1Gbit/s，峰值20Gbit/s，若一个环接入6个站，且一个站达到峰值，则接入环需要40Fbit/s的带宽均值才能满足，考虑不可能只有6个站，因此至少100Gbit/s才能满足，而在核心则至少T级别。所以在设计5G无线接入网时，还需要重点考虑有线网络部分的承载能力。

为此，设计中最好还是考虑F-RAN架构，在F-RAN中HPN实现控制品面，为UE提供控制指令与特定信号，BBU集成信号单元，共享信令、数据和信道状态信息，负载增大则升级BBU。接入点F-AP基于前传链路实现与BBU的连接，临近UE基于中继转发模式或D2D模式直接连接，BBU集中大规模协同多点传输，传输网依靠PTN或PTN结合SDN进行演进，目前中兴、华为都有相对成熟的方案可供参考，只需在设计规划中考虑好合适的组网设备部署即可。

四、结束语

综上所述，5G无线接入网络架构设计应当按照当前5G技术演进步骤，考虑5G部署实际情况有的放矢地进行设计，并且应考虑后续升级需求，预留可扩展空间，毕竟当前5G技术尚不是特别成熟，一些技术还在持续进步。因而需要进行超前的规划设计，着重基于应用场景的实际需求，考虑现有技术手段，特别是有线光纤网络的承载能力、带宽、成本等因素选择最恰当的无线接入网架构形式。

参  考  文  献

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