5G无线接入网络架构设计


5G接入网将是一个满足多场景的多层异构网络,能够容纳已广泛应用的各种无线接入技术和5G新空口多种接入技术。本文首先分析了5G网络四种典型覆盖场景:室外广域覆盖、室内热点覆盖、低功耗数据采集、低时延物联网控制。其次分析了5G无线网络关键性能指标:移动性、时延性、接入速率、流量密度、连接数密度、能源效率;提出了5G无线网络架构设计原则,既要保证网络具有高度的智能性、网元和架构配置的灵活性,又要保证建设和运维成本的高效性。最后,我们给出了一个具体的5G无线接入网络架构设计方案。


引言


移动通信系统从1G发展到4G,现有网络是一个2G/3G/4G共存,包含多种无线制式的复杂网络。5G接入网将会是一个满足多场景的多层异构网络,能够容纳已广泛应用的各种无线接入技术和5G新空口多种接入技术。5G网线网络架构将具有更加灵活的网络拓扑,以及更智能高效的资源协同能力。本文首先分析了5G的典型四种覆盖场景:室外广域覆盖、室内热点覆盖、低功耗数据采集、低时延物联网控制;根据5G典型覆盖场景的要求,分析了5G无线网络的关键性能指标。根据5G网络的主要功能及性能需求,结合5G无线网络的新技术,提出了5G无线网络架构设计原则。最后,结合现有4G网络商用情况,提出了一个5G无线网络架构设计方案。


1、5G网络典型覆盖场景


为了满足互联网+业务快速发展需求,5G无线通信网络不再仅仅解决人与人的通信问题,而是包含了人和机器、机器和机器之间的生态信息系统。根据5G网络业务特点,5G典型覆盖场景包括室外广域覆盖、室内热点覆盖、低功耗数据采集、低时延物联网控制。


(1)室外广域覆盖


室外广域覆盖是移动通信系统最基本的覆盖方式,即为移动用户提供连续的、无缝的移动业务,以用户的移动性和业务的连续性作为基本目标。该种场景在5G网络中最大的挑战在于为用户提供100Mbps以上无线速率如何保证大范围的连续覆盖,这要求无线基站的站间距更小,需要建设更多的5G基站。


(2)室内热点覆盖


室内热点覆盖主要指城市区域高档写字楼、星际酒店、大型商务娱乐场所等,以提供高速数据传输速率和大流量密度为目标。该种场景在5G中的挑战主要在于如何在较小的区域内为众多用户提供高速的数据速率。


(3)低功耗数据采集


低功耗数据采集是4G向5G演进新拓展的场景,主要是基于大数据、云计算、智慧城市、智能农业、智慧水务、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用需求。在该种应用场景下,需要接入的设备终端数量众多、分布范围广泛,但对数据的传输速率要求不高,主要是小数据包发送,发射功率也较低,对其他终端的干扰较小。


(4)低时延物联网控制


低时延物联网控制也是5G新拓展的场景,主要基于工业4.0的应用需求,如无人驾驶汽车、无人工厂等。在该场景下业务应用对时延和可靠性要求很高。


2、5G无线网络关键性能指标


根据对5G典型覆盖场景分析,5G移动通信系统需要在移动性、时延性、接入速率等方面较3G/4G网络有显著的提升。其次,在流量密度、连接数密度、能源效率等指标方面,也提出来新的要求,具体性能如下。


(1)移动性


移动性历代移动通信系统重要的性能指标,指在满足一定系统性能的前提下,通信双方最大相对移动速度。5G移动通信系统需要支持飞机、高速公路、城市地铁等超高速移动场景,同时也需要支持数据采集、工业控制低速移动或非移动场景。因此,5G移动通信系统的设计需要支持更广泛的移动性。


(2)时延


时延采用OTT或RTT来衡量,前者是指发送端到接收端接收数据之间的间隔,后者是指发送端到发送端数据从发送到确认的时间间隔。在4G时代,网络架构扁平化设计大大提升了系统时延性能。在5G时代,车辆通信、工业控制、增强现实等业务应用场景,对时延提出了更高的要求,最低空口时延要求达到了1ms。在网络架构设计中,时延与网络拓扑结构、网络负荷、业务模型、传输资源等因素密切相关。


(3)用户感知速率


5G时代将构建以用户为中心的移动生态信息系统,首次将用户感知速率作为网络性能指标。用户感知速率是指单位时间内用户获得MAC层用户面数据传送量。实际网络应用中,用户感知速率受到众多因素的影响,包括网络覆盖环境、网络负荷、用户规模和分布范围、用户位置、业务应用等因素,一般采用期望平均值和统计方法进行评估分析。


(4)峰值速率


峰值速率是指用户可以获得的最大业务速率,相比4G网络,5G移动通信系统将进一步提升峰值速率,可以达到数十Gbps。


(5)连接数密度


在5G时代存在大量物联网应用需求,网络要求具备超千亿设备连接能力。连接数密度是指单位面积内可以支持的在线设备总和,是衡量5G移动网络对海量规模终端设备的支持能力的重要指标,一般不低于十万/平方公里。


(6)流量密度


流量密度是单位面积内的总流量数,是衡量移动网络在一定区域范围内数据传输能力。在5G时代需要支持一定局部区域的超高数据传输,网络架构应该支持每平方公里能提供数十Tbps的流量。在实际网络中,流量密度与多个因素相关,包括网络拓扑结构、用户分布、业务模型等因素。


(7)能源效率


能源效率是指每消耗单位能量可以传送的数据量。在移动通信系统中,能源消耗主要指基站和移动终端的发送功率,以及整个移动通信系统设备所消耗的功率。在5G移动通信系统架构设计中,为了降低功率消耗,采取了一系列新型接入技术,如低功率基站、D2D技术、流量均衡技术、移动中继等。


3、5G无线网络架构设计原则


传统的移动通信无线接入网络架构秉承着高度一致的网络架构设计原则,包括集中核心域提供控制与管理、分散无线域提供移动接入,用户面与控制面紧密耦合、网元实体与网元功能高度耦合。在5G时代,随着各种新的业务和应用场景出现,传统网络架构在灵活性和适应性方面就显得不足。根据5G业务典型覆盖场景和关键性能指标分析,5G无线接入网架构应具有高度的灵活性、扩展能力和定制能力的新型移动接入网架构,实现网络资源灵活调配和网络功能灵活部署,达到兼顾功能、成本、能耗的综合目标。5G微信公众平台(ID:angmobile)了解到,本文作者进一步指出,因此,5G无线网络架构设计需遵循以下几点原则。


(1)高度的智能性。实现承载和控制相分离,支持用户面和控制面独立扩展和演进,基于集中控制功能,实现多种无线网络覆盖场景下的无线网络智能优化和高效管理。


(2)网元和架构配置的灵活性。物理节点和网络功能解耦,重点关注网络功能的设计,物理网元配置则可灵活采取多种手段,根据网络应用场景进行灵活配置。


(3)建设和运维成本的高效性。5G网络建设和运维成本是一个庞大的数目,只有在成本方面具有高效性的设计方案才能得到商用,成本目标是5G无线网络架构设计首要考虑目标。


根据5G无线网络架构设计原则,在实际5G无线网络架构设计过程中,需要依次考虑5G无线逻辑架构、5G无线部署架构两个层面。5G无线逻辑架构是指根据业务应用特性和需求,灵活选取网络功能集合,明确无线网络功能模块之间的逻辑关系和接口设计。5G无线部署架构是指从5G无线逻辑架构到物理网络节点的映射实现。


4、5G无线网络架构设计方案


4G网络的峰值速度达到100Mbps/50Mbps,时延在50ms~100ms,这决定了在5G时代,4G网络依然是移动互联网业务的主要承载者。由于无线频谱资源非常有限,留给5G的频谱资源并不具备优势,未来5G无线网络将集中解决室内热点覆盖、低时延物联网控制、低功耗数据采集等特定业务应用场景。传统的3G/4G网络仍将是承载移动通信语音和大多数数据业务的骨干网络,5G网络和4G网络将共同构建未来移动通信网络。未来5G无线网络架构是一个多拓扑形态、多层次类型、动态变化的网络,具有连接形态多样化、平台多样化、承载方式多样化、拓扑结构多样化等特点。


(1)连接形态多样化


在5G无线网络架构中,无线设备节点连接形态将兼容多种形式,包括链状连接,如中继通信(Relay),RRU基站级联;网状连接,如基站设备之间的连接;伞状连接,如一个BBU与多个RRU之间的连接;点对点连接,如基站与物联网关之间的连接、D2D直通终端之间的连接等。


(2)平台多样化


在5G无线网络架构中,将增加各种新型网关、终端,设备平台能力将更加多样化。根据功能的不同,5G无线设备包括BBU+RRU分布式基站、室外一体化基站、室内微基站、承载用户和控制功能的各种网关设备等。5G微信公众平台(ID:angmobile)了解到,本文作者进一步指出,根据设备平台能力的不同,包括专业平台设备和虚拟化平台设备。根据功率的不同,包括大功率的BBU+RRU分布式基站、低功率的微基站、RRU视频模块,超低功率的物联网传感节点、智能终端等。根据距离用户远近的不同,包括智能终端、聚合网关、无源天线、有源天线、小功率微基站、射频拉远RRU、BBU资源池基站等。


(3)承载方式的多样化


在5G无线网络架构中,传输承载技术更加多样化,不同的传输承载技术将用在不同的网络场景中。根据承载介质的不同,传输承载包括无线承载和有线承载。无线承载技术具有应用灵活,成本较低、建设周期短等优点,但也存在带宽有限,干扰较大等缺点。有线承载技术具有稳定性好,带宽充足等优点,但也存在建设成本高、建设周期长等不足。在5G无线网络架构设计方案中,往往会综合考虑多种承载技术。


(4)拓扑结构多样化


随着5G无线接入网络采用的频段向更高的频段发展,以及多种新型接入技术的商用、低功率即插即用基站的部署,5G无线网络架构将呈现出更高的灵活性,在同一地点的不同时间段表现出较大差异的网络架构和节点间的层级关系。


综上分析,我们提出了一个5G无线接入网架构设计方案,如图1所示。


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图1  5G无线接入网架构设计方案


5、结论


5G无线接入网络架构设计需要综合考虑业务应用属性、网络功能时延要求、特殊业务属性等。热点业务只在局部热点范围部署,尽量贴近于基站部署;本地业务相关功能尽量贴近本地接入网部署;全局业务则需从全程全网角度统筹考虑。5G微信公众平台(ID:angmobile)了解到,本文作者进一步指出,对无线网络时延敏感的功能主要集中在L1和L2层中,建议尽量贴近于用户侧节点部署;对无线网络时延不敏感的功能主要指L3层,可依据需求部署于接入高层节点或汇聚中间层节点。对于物联网应用业务,大规模传感节点的信息上报将消耗大量的系统信令资源,导致网络资源利用率不高,系统信令负荷过重,在实际网络部署设计中,可以考虑将一部分用户面和控制面功能下沉到静态网关或临时网关中,由静态网关或临时网关进行周期性测量信息收集,然后统一发送给网络侧服务器。



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