3GPP(3rd Generation Partnership Project)提出了5G網絡的無線接入網(RAN)和核心網的新架構，與LTE網絡有較大的區別，RAN網絡的功能重新劃分及部署方式對承載網絡的架構將產生較大影響，而5G網絡的三大應用場景對網絡性能要求的巨大差異，推動核心網切片及分布式部署，也對承載網的架構和性能有較大影響。
本文從承載網絡的視角，對比LTE網絡架構，對5G網絡的架構特點和部署特點進行分析，提出了5G網絡設備、部署方式等存在的不確定性，以及這些不確定性對承載網的影響。
2 5G網絡架構特點
5G網絡架構無論是RAN部分還是核心網部分，都與LTE網絡有較大的區別，以下分別從承載網絡的視角對LTE和5G的網絡架構進行分析比較。
2.1 LTE網絡架構特點
LTE RAN網絡主要由2個網元組成，分別是RRU和BBU，如圖1所示：
圖1 LTE網絡架構示意圖
(1)每個RRU與一個BBU相連，RRU間沒有直接連接;
(2)BBU之間的切換可以利用S1接口經核心網(EPC)實現;也可經BBU間的X2接口實現[4]。在實際LTE網絡中基站間的切換主要通過S1接口，以簡化網絡的部署[3]。
根據CPRI接口規范，RAN部署方式有兩種：1)分布部署方式，BBU和RRU部署在同一站點，前傳屬于站內連接;2)集中部署方式，BBU和RRU部署在不同的站點，前傳屬于站間連接。這兩種方式都有比較廣泛的應用。
LTE核心網主要包括MME和S-GW兩類網元，國內運營商多采用按省集中部署的方式。
2.2 5G網絡架構特點
5G RAN網絡主要由3個網元組成，分別是AAU、DU、CU，如圖2所示：
圖2 5G網絡架構示意圖
(1)DU以星型方式連接多個AAU(也稱為“前傳”)，AAU間沒有直接連接需求，AAU和DU之間采用eCPRI接口。
(2)CU以星型方式連接多個DU(也稱為“中傳”)，DU間沒有直接連接需求，DU和CU間采用以太網接口。
(3)基站間的切換等功能通過CU間的Xn接口實現[7]。
5G網絡RAN的部署方式主要有三種，如圖3所示：
(1)分布式RAN (2)DU/CU集中RAN (3)DU、CU分別集中RAN
圖3 5G RAN的三種部署方式
(1)分布式部署：AAU、DU和CU部署在相同的站點，前傳和中傳都屬于站內連接。
(2)DU/CU集中部署：AAU與DU/CU部署在不同的站點，DU/CU集中部署在同一站點，前傳屬于站間連接，中傳屬于站內連接。
(3)DU和CU分別集中部署：AAU、DU、CU均在不同的站點，前傳、中傳都屬于站間連接。
5G的核心網主要包括控制面(CP)和用戶面(UP)兩類網元：
(1)控制面(CP)采用云化集中部署，對時延的要求為10 ms[8]，流量也不大，國內運營商選擇按省集中部署的方式可能性比較大。
(2)用戶面將采用根據業務特點切片部署的方式[2]，根據不同類型的業務的功能、性能等進行網絡切片，并分別進行部署，不同切片部署在網絡的不同層級。
2.3 LTE和5G網絡架構主要差異分析
LTE和5G網絡架構的主要差異如表1所示。相比于LTE網絡，5G網絡部署方式更加多樣化，這種多樣化的部署方式對實際網絡部署，存在較大的不確定性。
表1 LTE和5G網絡架構
3 5G網絡架構的不確定性及其對承載網的影響
5G網絡的架構已經明確，典型5G網絡部署的結構示意如圖4所示，但落實到設備和部署策略上還有較多的不確定性。
圖4 5G網絡部署結構示意圖
3.1 5G的前傳要求與LTE兼容
國內運營商在LTE階段普遍采用BBU小規模集中部署的方式，這種方式大大降低了網絡部署成本，包括基站機房、電源、傳輸設備等，已經成為國內運營商LTE網絡建設的發展趨勢。在5G階段，運營商將會繼續采用DU集中部署的方式。
CPRI接口規范定義的前傳距離不小于10 km[5]。eCPRI網絡規范[6]沒有明確前傳的目標距離，但定義了前傳的單向傳輸時延應小于100 μs，折算成在光纖上的傳輸距離應小于20 km。這兩者的目標距離比較接近。國內運營商在LTE階段較多地采用BBU小規模集中部署的方式，BBU-RRU間的距離普遍小于10 km。當5G網絡采用圖3所示的方式(2)、(3)，進行DU集中部署時，DU集中的站點位置與LTE BBU集中的站點位置相同，現有LTE的前傳光纜網絡可以利用。前傳的距離小于10 km，可以利用比較成熟的10 km標準的25 Gbit/s光接口，網絡成本也比較低。
但工信部確定的5G網絡工作頻率是3.3 GHz—3.6 GHz和4.8 GHz—5.0 GHz頻段[9]，遠高于LTE的2.1 GHz/2.6 GHz頻段，因此5G基站的密度預計將是LTE基站的1.5倍左右，運營商在5G部署時期采取何種部署策略(熱點部署、區域性連續覆蓋等)，對前傳光纜網絡的影響較大，若采用連續覆蓋部署的方式，運營商需要大量建設基站接入光纜。
3.2 CU/DU分離部署的不確定性
3GPP提出了CU/DU的分離功能架構，運營商也希望CU能夠在更高層面部署(如本地網的匯聚節點，甚至核心節點)，簡化基站間協同的組織，提高協同效率，同時實現CU與DU的解耦。
目前設備供應商尚不能提供商用化的CU和DU設備，CU和DU是否能夠實現分離部署、設備的容量和能力均不確定。
CU、DU能否分離部署將影響到在承載網絡上是否存在中傳段，基站間的連接數將會有上百倍的差異，對承載網絡的結構和路由能力有較大的影響。例如：一個典型城市的匯聚節點數量約30個，POP點的數量約300個。若CU部署在匯聚節點，DU到CU的連接是匯聚型連接，CU間的連接是分布式連接，CU間全mesh連接需要的連接數為435個，在本地承載網的核心匯聚層采用IP網絡技術，這種連接是比較容易滿足的。若CU部署在POP點，所有POP點間CU分布式連接的數量將達到4.5萬個;若每個基站都單獨部署CU功能，CU間的連接數量將會更大。這將要求本地承載網的邊緣層也必須采用IP網絡技術，并且要具有很強的路由能力。
因此，從承載網的角度，也支持CU集中部署。根據上述典型城市的網絡結構特點，平均每個匯聚點匯聚的基站數量在100~200個之間，CU可帶的基站數量應在200個左右。
3.3 DU的不確定性
5G網絡標準提出了DU設備池組化的目標，運營商希望采用DU池組化集中部署的方式，將來自多個基站的業務匯聚后統一傳到CU上，可大大提高DU的效率，也有利于基站間協同策略的部署。但DU設備是否能夠池組化還不明確，目前廠商能夠提供的DU設備基本上還是每個基站一個DU，即便DU集中在一起，也是多臺DU設備的堆疊，無法做到基帶資源的共享。DU是否池組化，對中傳的技術方案的選擇將有較大的影響：
(1)池組化DU能夠帶的基站數量：運營商希望一個POP點的DU池能夠將POP點覆蓋的基站全部帶起來，根據3.2節的典型城市POP點分布，平均每個POP點帶的基站數量在10~20個之間(30~60個AAU)，因此DU池應能夠帶20個左右的基站，或者可分成多檔(比如5、10、20三檔)，根據不同POP點的覆蓋范圍，選擇不同的DU池。但現在只有個別廠商有池組化的DU產品路標，池組化DU的容量目標業界尚未達成共識。
(2)DU中傳接口的速率和數量：若DU能夠池組化，一個帶20個基站的DU池僅需2個25 Gbit/s的中傳接口，將來自多個基站的業務匯聚收斂后統一傳到CU上，每個中傳接口的終期帶寬利用率可達到60%以上。若DU不能池組化，每個DU僅能夠帶幾個AAU(3~6個)，每個DU至少需要一個10 Gbit/s中傳接口，終期的帶寬利用率將會在30%左右，該端口無法利用中傳業務統計復用的特點，提高帶寬利用率。DU中傳端口數量將是池組化DU的10倍，中傳的成本將遠高于池組化DU方式。
從承載網的成本考慮，DU池組化對帶寬進行匯聚和收斂是非常有價值的。
3.4 CU的不確定性
CU容量的大小決定了CU的數量和部署的位置，對承載網的性能需求也有較大的差異。3.2節提出每個CU應能夠匯聚200個左右基站的業務，但業界尚未就CU的容量目標達成一致，這也給承載網的技術選擇和方案帶來較大的不確定性。
若CU的容量能夠達到200個基站左右，則CU可以部署在典型城市的匯聚節點，并匯聚本匯聚節點下的所有基站的業務，DU到CU的中傳業務屬于典型的點到多點業務模型，可以采用較為簡單的一層或二層網絡技術，不必采用三層網絡技術。若CU的容量較小，在典型城市的匯聚節點，需要部署多臺CU才能匯聚本匯聚節點下的所有基站的業務，DU到CU的中傳業務屬于典型的多點到多點的業務模型，需要中傳網絡支持一定的三層功能，將提高中傳網絡的建設成本。
3.5 UP部署的不確定性
核心網UP根據不同的業務特點切片部署已經比較明確，但各個切片部署的位置尚未確定，在5G初期主要是eMBB和mMTC業務。uRLLC相關標準尚未完成，UP-eRLLC部署策略待研究。
eMBB業務單向時延小于10 ms[10]，同時也是5G網絡流量最大的部分，基于時延和流量優化的目的，UP-eMBB會從LTE的省集中方式下沉到各個本地網，隨著CDN網絡的下沉，UP-eMBB甚至會下沉到本地網的匯聚層。目前，國內運營商尚未有UP-eMBB部署在本地網的核心層，依舊采用匯聚層的明確策略。UP-eMBB部署的位置決定UP節點的數量和單個UP網元的容量，同時也影響到5G核心網接入互聯網的位置和方案，對承載網性能指標的要求也有較大差異。
mMTC業務對時延不敏感，因此UP-mMTC將在較高層面集中部署，如省集中或大區部署，需要承載網同時提供本地和骨干的承載能力。
4 5G網絡部署的建議
業界尚未有全功能5G網絡的商用部署案例，5G網絡架構和設備形態、部署方式都存在較大的不確定性，這些不確定性將對5G網絡的部署方案和成本有巨大影響。本文通過對5G網絡部署中一些不確定性問題的分析，提出以下建議：
(1)基站應采用適度規模集中部署方式，充分利用現有LTE網絡的前傳光纜網絡資源，在5G做連續覆蓋時，新增基站前傳光纜建設應充分利用現有光纜網資源。
(2)DU設備應支持池組化功能，部署在現有POP點，提高基站協同的效率，降低中傳網絡成本，并能夠充分利用現網前傳和回傳光纜網絡資源。建議設備供應商加快開發DU池產品，每個DU池可帶的基站數量應在5~20個左右，可分成多檔，比如5、10、20等多檔，滿足不同類型POP點的需要。
(3)CU與DU分離部署是5G網絡架構的亮點，將CU部署在匯聚節點，可簡化中傳技術方案，降低網絡成本，并能夠大量減少基站間Xn接口的連接數量，降低對回傳網絡的性能要求。根據對典型城市的站點布局的分析，建議每個CU應能夠匯聚200個左右個基站的業務。
(4)核心網用戶面可采用切片部署的方式，UP-eMBB在業務質量可保證的情況下，盡量部署在城域核心，設備集中也有利于提高資源效率，減少對本地網數據中心機房數量的要求，同時也減少回傳網絡對骨干承載網的需求。
5G網絡架構的變化，對本地承載網的邊緣層(POP點到匯聚點間的網絡層級)影響最大，按照上述網絡部署架構的建議，僅需要在本地網的核心匯聚層采用三層承載技術，邊緣層可以采用一層或二層傳輸設備(如PeOTN等)組織，降低網絡的建設成本和維護成本。
在目前5G技術還存在如此多的不確定性情況下，在2020年進行全國性規模部署還存在以下風險：
(1)5G網絡和設備的一些新技術、新功能難以在網絡中實現;
(2)未來網絡升級采用這些新技術、支持這些新功能的成本比較高，環境代價比較大。
中國幾個運營商在3G和LTE階段都是在其他運營商幾年后部署，設備的成熟度和穩定性都比較高，不確定性小，建設成本低，因此運營商能夠在2~3年基本建成一張全國連續覆蓋的網絡。因此，中國運營商若想在5G網絡部署領先世界，必須考慮上述不確定性的風險因素，建議適度把握5G部署節奏，降低上述風險的負面影響。
5 結束語
本文通過對LTE和5G網絡架構的對比，分析了5G網絡架構的特點，對目前5G網絡架構、部署方式、設備形態存在的不確定性進行了深入的分析，指出這些不確定性對承載網的影響，提出對這些不確定性因素的發展建議及相應的承載技術方案。
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