5G网络部署模式选择及演进策略

wangjun19870530

5G网络部署模式选择及演进策略

1. 引言

ITU-T定义了5G的“三大类应用场景”(eMBB (增强移动宽带)、mMTC(海量机器类通信)、URLLC(超高可靠低时延通信))和“八大标志性能力指标”(体验速率、峰值速率、流量密度、连接密度、网络能效、频谱效率、移动性、时延)， 5G 多样化的业务需求对网络提出了严峻的挑战。3GPP标准第一个商用版本R15于2018年6月完成，主要满足eMBB和部分URLLC业务场景需求。目前国际上多数主流运营商计划在 2020 年正式开展5G网络商用[1]。5G网络建设采用何种部署模式及演进路径是各运营商首先需要考虑的重要问题。

3GPP 标准定义了独立(standalone，SA)组网和非独立(non-standalone，NSA)组网两大类部署模式[1]。在 2017年 3月召开的 3GPP RAN第 75 次全体大会上，3GPP正式通过了5G加速的提案，即计划于2017年12月完成、2018年3月冻结非独立5G新空口标准(option3)，于2018年6月完成、9月冻结独立5G新空口标准[2]。

本文在对于 3GPP 标准中提出的独立部署和非独立部署架构充分分析的基础上，对于5G网络整体部署架构、演进路径选择以及核心网部署模式等方面关键问题进行阐述。

2. 5G组网部署模式架构选项

3GPP TSG-RAN 第 72 次全体大会上， RP-161266提出了12种5G系统整体架构(涉及8类option)[3]，这些架构选项是从核心网和无线角度相结合进行考虑的，部署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部署需求。在3GPP TR23.799核心网标准中同样提到了这8个option[4]，其中 option1/option2/option5/option6 为SA 架构(LTE 与 5G NR 独立部署架构)， option3/option4/option7/option8为NSA架构(LTE与5G NR双连接部署架构)。部署架构选项如图1所示。

图1 3GPP标准的8个option架构选项

其中option1是传统4G网络架构，LTE连接EPC。option6 是独立 5G NR 仅连接到 EPC， option8/option8a是非独立5G NR仅连接到EPC，仅是理论存在的部署场景，不具有实际部署价值，标准中不予考虑。option2/option3/option4/option5/option7是3GPP标准以及业界重点关注的5G 候选组网部署方式，其中 option3/option4/option7 是在 3GPP TR38.801 中重点先容的 LTE与NR双连接的网络部署架构选项[5]。

2.1 非独立部署架构

3GPP R12中已经提出了双连接技术，与传统LTE双连接有3 种承载类型(MCG(master cell group，主小区组)承载、SCG(secondary cell group，辅小区组)承载、MCG分离承载)相比，LTE-NR跨系统双连接新增了SCG分离承载。

MCG承载是协议栈都位于MN(master node，主节点)且仅使用MN资源的承载;SCG承载是协议栈都位于 SN(secondary node，辅节点)且仅使用 SN 资源的承载;分离承载是指协议栈同时位于MN和SN节点且同时使用MN和SN资源的承载，MCG分离承载是指仅MN与核心网数据面相连，数据由 MN 分流至 SN;SCG 分离承载是指仅SN与核心网数据面相连，数据由SN分流至MN。具体如图2所示。

图2 双连接4种承载类别示意

MCG 分离承载、SCG 承载、SCG 分离承载分别对应option3/option3a/option3x的3个部署选项以及option7/option7a/option7x的3个部署选项， MCG分离承载、SCG承载分别对应option4/option4a 两个部署选项(不存在 option4x部署选项)。 候选的非独立部署架构 option3/option7/option4具体先容及优劣势分析如下。

(1)option3/option3a/option3x

option3/option3a/option3x部署架构如图3所示。

图3 option3/option3a/option3x部署架构

LTE作为MN提供连续覆盖(LTE作为控制面锚点)，NR作为SN热点区域部署，升级EPC核心网，实现增强的业务体验。opiton3、opiton3a和opiton3x的主要区别在于用户面路径不同，用户面分别经由LTE eNB、EPC、NR进行分流。

协议架构如图4所示。

图4 option3/option3a/option3x协议架构[6]

优势:NSA option3/option3a/option3x标准化完成时间最早，可较早提供5G高速率，有利于市场宣传;对NR覆盖无要求，支撑5G NR和LTE双连接，可以带来流量增益;网络改动小，建网速度快，投资相对少。

劣势:该方案可能需要新建 5G NR 与现有LTE基站的设备厂商强绑定;由于连接到EPC核心网，无法支撑5G核心网引入的相关新功能和新业务。

适用场景TE eNB作为MN，NR gNB作为SN，适合于5G商用初期热点部署，能够实现5G快速商用。

(2)option7/option7a/option7x

option7/option7a/option 7x部署架构如图5所示。

图5 option7/option7a/option7x部署架构

eLTE作为MN提供连续覆盖(eLTE作为控制面锚点)，NR作为SN在热点区域部署;LTE基站升级改造为eLTE接入5G核心网。opiton7、option7a 和 option7x 的主要区别在于用户面路径不同，用户面分别经由LTE eNB、5GC、NR进行分流。

优势:对 NR 覆盖无要求，能够有效利用现有大规模LTE资源;支撑5G NR和LTE双连接，带来流量增益;引入5G核心网，支撑5GC新功能和新业务。

劣势:eLTE是指通过升级改造连接到5G核心网的演进LTE基站，涉及LTE基站的改造较大，并可能涉及硬件的改造或替换(需提升容量及峰值速率、降低时延，并需要升级协议栈、支撑5G QoS等)，且产业成熟时间可能会相对较晚;新建5G NR可能需要与升级的eLTE设备厂商绑定。

适用场景:eLTE作为MN，NR作为SN，适合于5G部署初期及中期场景，由升级后的eLTE基站提供连续覆盖、NR作为热点覆盖提高容量。

(3)option4/option4a

option4/option4a部署架构如图6所示。

图6 option4/ option4a部署架构

NR作为MN提供连续覆盖(NR作为控制面锚点)，eLTE作为SN提供流量补充;引入5G核心网。opiton4、option4a 的主要区别在于用户面路径不同，用户面分别经由gNB、NGC进行分流。因NR作为MN且NR带宽大于eLTE，因此标准架构中没有考虑option4x架构选项。

优势:支撑5G NR和LTE双连接，带来流量增益;引入5G 核心网，支撑5G新功能和新业务。

劣势:eLTE 涉及现网 LTE 无线的改造量较大，且产业成熟时间可能会相对较晚;新建5G NR可能需要与升级的eLTE设备厂商绑定。

适用场景:NR 作为MN，eLTE 作为SN，由NR提供连续覆盖，适合于5G商用中后期部署场景。

2.2 独立部署架构

候选的独立部署架构选项包括 option2 和option5，如图7所示。

图7 option2和option5部署架构(1)option2

option2通过部署NR接入5GC，是独立5G架构，也是业界公认的5G目标架构。

优势:一步到位引入NR和5GC，不依赖于现有4G网络，演进路径最短;全新的NR和5GC，能够实现全部的5G新特性，能够支撑5G网络引入的所有相关新功能和新业务。

劣势:5G 频点相对 LTE 较高，初期部署难以实现连续覆盖，会存在大量的NR与LTE系统间切换;初期部署成本相对较高，无法有效利用现有LTE基站资源。

适用场景:该架构作为5G系统的目标架构和最终形态，适合在整个5G商用周期内进行部署。

(2)option5

option5方案中，LTE需要升级改造为eLTE，接入5G核心网。

优势:能够有效利用现有大规模LTE资源。

劣势:eLTE涉及现网LTE无线的改造量相对较大;升级现网LTE为eLTE，厂商绑定。

option 2与option 5比较:两者主要差别在空口层面，5G NR采用新型波形和多址、新帧结构、新信道编码等技术，能实现更高速率、更低时延和更高效率，改造后的eLTE与NR相比在峰值速率、时延、容量等方面依然有明显差别。NR底层的优化和后续的演进，eLTE都不一定支撑。因此不推荐现网部署option5架构。

2.3 非独立部署架构与独立部署综合比较

从包括核心网和无线连接、覆盖方式、提供的业务和功能、互操作和切换、终端和协议等多个方面，对于重点部署架构选项 option3/option7/option4/option2进行归纳总结，具体见表1。

对于非独立部署的3种数据承载方式，MCG分离承载、SCG承载和SCG分离承载的分析总结如下。

(1)MCG承载

采用option3、option4、option7部署架构是通过MN在PDCP层进行数据分流，由MN控制在SN和MN之间进行动态分流，同一承载可以通过MN和SN进行传送。对于MN有额外的容量处理需求以及数据缓存需求(尤其是option3和option7是以LTE和eLTE作为MN，要求较高)，对于MN 和 SN 之间的回传链路有一定吞吐量和时延要求。

(2)SCG承载

采用 option3a、option4a、option7a 部署架构是通过核心网进行数据分流，对于同一承载只能分别从MN或SN进行数据转发，MN和SN之间无数据链路和传送需求，当仅有一个承载或两个承载数据流量差异较大时增益较低(如 CMNet APN和CM-IMS承载)。

(3)SCG分离承载

由于 LTE 与 NR 相比带宽差距较大，采用option3x 以及 option7x 架构是通过 NR(SN)在PDCP层进行数据分流，由SN控制在SN和MN之间进行动态分流，同一承载可以通过SN和MN进行传送。将容量更大、性能更高的 NR 作为分流节点，可以降低对于 LTE/eLTE 基站的网络容量处理需求以及数据缓存需求，无需对现有 LTE无线进行大量的升级改造。对于MN和SN之间的回传链路有一定吞吐量和时延要求。

因此当需要考虑部署option3/option3a/ option3x、option4/option4a、option7/option7a/option7x时，建议分别选择 option3x、option4、option7x 架构选项。

3. 5G网络部署路线选择分析及建议

根据运营商5G商用部署进度计划、可用频谱资源、终端和产业链成熟情况、总体建网成本等，运营商可以选择不同的组网部署演进路线。由于NSA标准化完成时间早于独立部署，因此运营商可以选择优先部署5G无线网络，或SA成熟时直接部署NR和5GC。SA option2部署架构作为5G部署的终极目标架构，总体可以归纳为两大类部署演进路线[2]，如图8 所示，每大类又可以细分为多个典型的迁移路径供选择。

图8 5G网络部署模式迁移路径示意(1)5G商用初期直接选择独立部署架构

迁移路径一(一步走方案)ption1→option 2。

option1→option2，如 5G 建设初期具备直接部署option2的条件，则可以一步到位新建NR接入新建 5GC，能够体现 5G 网络全部性能优势;不需要改动现网LTE/EPC(需要支撑N26接口互操作)。

5G建网初期实现5G NR连续覆盖难度较大，成本较高。

(2)5G商用初期选择非独立部署架构，再向独立部署架构演进:

迁移路径路径二(分步走方案)ption1→option3x→(option7x)→(option4)→option 2。

采用非独立部署可以有 option3/option7/ option4共3种部署方式，不同组合方式下的迁移路径可能有多种选择，可以根据运营商具体情况进行合理选择，最终演进到option2目标架构。

5G NR优先引入，基于NSA option3开始部署，升级EPC为EPC ;后续引入5GC，可选部署 option7x/option4;可同时部署多个 option，如option3x(满足eMBB需求) option2(热点部署，满足部分垂直行业需求);终端形态较多，需要支撑多种制式。

部署option3x:5G商用部署的频率(6 GHz以下频段主要是3.5 GHz和4.8 GHz)相比LTE频率(2.6 GHz频段)会高，因此NR覆盖范围相比 LTE 会有所减小。5G 商用初期主要为了满足eMBB 业务需求，可以充分利用现有 LTE 无线和EPC实现连续覆盖和移动性，NR覆盖提升用户面容量。

可选部署 option7/option7a/option7x;可以在option3/option3a/option3x 部署后迁移到 option7/option7a/option7x，将LTE升级到eLTE，新建5G核心网;也可以直接在 5G 商用初期跳过option3/3a/3x 直接部署 option7/option7a/option7x。该方案优势在于，在利用 eLTE 广覆盖优势的同时，可以使用5G核心网的相关高级特性。

可选部署 option4/option4aption4/option4a部署架构较大可能在 5G 部署中后期采用，随着5G NR 逐渐实现连续覆盖，同时又可以将现网eLTE利用起来作为容量补充。

由非独立部署架构演技到独立部署架构的可选路径示意如图9所示，5G NR逐步由热点覆盖演进到5G NR连续覆盖，实现5G独立组网架构。

图9 option3/option7/option4/option2部署路线演进示意

SA架构option2是5G网络建设的终极目标，能够体现5G的全部技术优势并提供全部的5G网络服务，NSA架构作为5G部署的演进过程，最大优势是能够在演进过程中充分利用现有LTE网络资源，并能够实现快速部署。但在建网过程中也应尽量避免过长的5G整体演进路线，需要对网络进行频繁升级和改造才到SA，整体投资成本也会更高。各运营商应根据自身情况进行选择，并推动产业链的成熟。

4. 5G核心网部署模式及演进策略

基于5G整体网络部署演进路线选择，核心网有两种部署方式选择:如果采用option3/option3a/option3x 部署架构，需要将现网EPC升级为5G NSA;如果采用其他部署架构选项(option2、option4/option4a、option5、option7/option7a/option7x)，则均需要新建5G核心网。

(1)EPC升级为5G NSA

如果采用option3/option3a/option3x作为5G商用初期的重点可选部署方式，则建议选择option3x。需要对EPC进行App升级(含MME、SAE-GW、PCRF、HSS、CG 等网元)，主要包含支撑双连接、QoS扩展、5G签约扩展、NR接入限制、计费扩展等方面。

为实现统一的数据管理和策略管理，需要对于现网全部 HSS、PCRF 进行升级;为尽量减少对于现网无线 LTE 基站的升级改造，建议升级pool 内全部 MME 设备;可按需升级改造部分SAE-GW 设 备(MME 和 DNS 根 据UE-NR-capability 为 5G-enabled 的 UE 选择NSA-GW)支撑5G NSA功能及5G大数据带宽，并按需升级部分CG设备。

云化的5G NSA核心网后续可进一步平滑演进到5G核心网。

(2)引入5G核心网

5G核心网采用服务化架构、支撑网络切片、分布式部署[7]，需基于NFV云化形式部署。基于云化新建方式及vEPC向上升级方式，部署AMF、SMF、PCF、UPF、UDM、NEF、NRF、NSSF等5GC网络功能，如图10所示。

图10 核心网部署方式及演进路径

• 基于不换卡不换号原则，为实现统一的数据管理和策略控制，5G核心网引入之初需要首先考虑实现融合 UDM/HSS、融合PCF/PCRF，涉及现网存量 HSS 和 PCRF设备。

• 部署融合 SMF/PGW-C 实现统一会话管理锚点，部署融合UPF/PGW-U，实现统一用户面锚点保证业务连续性。AMF 和MME之间通过N26接口进行控制面互通，传递上下文等互操作信息，以实现5G核心网与EPC的互操作。

(3)5G 核心网与 EPC 融合演进，实现统一核心网

5G 部署中后期，随着 5G 业务发展及传统EPC 设备的老旧退网，核心网逐步实现全云化， EPC逐步向5G核心网迁移。EPC和5G核心网能够部署在相同的云化基础设施上，vEPC向上升级支撑相应5G核心网功能，新建5G核心网向下兼容相应EPC网元功能，最终实现统一融合核心网，通过网络切片满足三大业务场景需求。5G与EPC融合核心网同时支撑NSA和SA多种接入方式，具体如图11所示。

图11 融合核心网统一支撑多接入5结束语

3GPP R15标准作为5G商用的第一个版本于2018 年中完成，2018 年下半年各运营商可基于R15正式标准开展5G网络试点验证。5G网络选择独立部署还是非独立部署及演进路线，是各运营商在引入5G网络时必须面临的关键问题。各运营商应根据自身网络情况、5G 商用部署时间计划、终端及芯片产业链支撑情况、频率资源和覆盖策略、建网成本等多方面关键因素进行权衡考虑，选择适合自身的5G整体演进路线，为用户提供更优质的网络服务。