2.3 5G无线网络架构设计

2.3.1 以用户为中心的5G无线网络架构

5G无线接入网改变了传统以基站为中心的设计思路，突出“网随人动”的新要求，具体能力包括灵活的无线控制、无线智能感知和业务优化、接入网络协议定制化部署。以用户为中心的5G无线网络架构如图2.10所示。

以用户为中心的5G无线网络架构特征如下：

（1）灵活的无线控制。

按照“网随人动”的接入网设计理念，通过重新定义信令功能和控制流程，实现灵活高效的空口控制和简洁稳健的链路管理机制。通过将UE的上下文和无线通信链路与为该UE提供无线资源的小区解耦，5G新型接入网协议栈以UE为单位管理无线通信链路和上下文，并将该UE的服务小区作为一种空口无线资源池，灵活调度时域、频域、空域等多维无线资源。在系统每次进行资源授权时，先确定UE可用的空口传输时间，然后确定UE可用的小区，最后确定UE在这些可用的小区内频率域、码域、功率域及空间域无线资源。协议栈功能可根据UE对空口信道质量的要求，对服务于UE的多种不同的物理层空口传输技术进行灵活控制。

（2）无线智能感知和业务优化。

为了更充分地利用无线信道资源，可以通过引入接入网和应用服务器的双向交互，实现无线信道与业务的动态匹配。双向交互体现在两方面：一方面接入网可以向应用服务器提供接入网状态信息，另一方面应用服务器可以向接入网传递相关应用信息。通过无线智能感知功能增强，可提高业务感知和路由决策效率，实现业务的灵活分发和跨网关的业务平滑迁移。

（3）接入网协议定制化部署。

在无线智能感知的基础上，接入网协议栈可以针对业务需求类型提供差异化配置，即软件定义协议技术。通过动态定义的、适配不同业务需求的协议栈功能集合，为多样化的业务场景提供差异化服务，使得单个接入网物理节点能充分满足多种业务的接入需求。当业务流到达时，接入网首先对业务流进行识别，并将其导向相应的协议栈功能集合进行处理。RAN根据业务的不同场景需求和差异化特性采用不同的协议栈功能集合，针对自动驾驶高实时性及移动性要求场景，其协议栈功能集合需要支持专用的移动性管理功能和承载管理功能，同时通过简化部分协议栈功能，如采用稳健性报头压缩（Robust Header Compression, ROHC）算法以延低时延。

2.3.2 NSA架构与SA架构

在5G网络规划过程中，主要采用非独立组网（None Stand Alone, NSA）和独立组网（Stand Alone, SA）两种无线网络架构。3GPP NSA架构协议冻结早，标准规范相对成熟，是5G网络发展初期快速引入宽带业务能力的过渡方案。SA架构针对4G现网改动较小，业务能力更灵活，终端成本相对较低，能够实现与垂直行业的跨界融合，为行业应用开拓巨大的价值增长空间。SA是运营商5G网络部署的最终目标方案。在5G产业链发展的初级阶段，运营商主要采用NSA架构进行组网，在2020年逐步采取基于SA架构的规模化组网部署。

（1）5G NSA/SA组网方案。

根据3GPP规范定义，5G新空口（New Radio, NR）主要采用NSA和SA两种方案。为实现快速建网，满足市场发展的迫切需求，初级阶段5G运营商主要采用NSA方式进行部署，但NSA网络在核心网、无线接入网方面的性能存在不足。在核心网方面，NSA基于现有4G核心网通过软件升级方式进行部署，仍然保留原先核心网硬件架构，无法实现5G新提出的网络切片和移动边缘计算等新技术、新功能。在无线接入网方面，NSA需要通过4G锚点来传输5G控制面信令，需要基站侧同时部署锚点和5G NR两套基站设备，将会大幅增加网络部署难度和成本。终端侧需要同时工作在4G和5G两个频段，一方面会增加终端复杂度，另一方面会降低终端的上行覆盖性能。

NSA/SA架构如图2.11所示，SA采用全新的5G核心网架构，基于x86通用硬件服务器，通过网络功能虚拟化和软件定义网络的方式实现核心网的网元功能，全面支撑5G各种新型网络技术应用。在无线接入网方面，SA不再需要4G信令锚点，控制面和用户面信息全部通过5G核心网传输。相比于NSA网络，SA在覆盖、时延、吞吐量等方面均有明显提升。

（2）5G NSA/SA组网方案对比分析。

NSA和SA组网方案对比主要从两个方面、7个维度展开，如表2.2所示。在建设部署方面，NSA相比SA而言，在语音方案和核心网部署两个维度具有优势，在5G网络初期快速建网时优先采用NSA组网方案。在网络性能方面，SA相比NSA在服务场景、端到端时延和终端吞吐量这三个维度具有明显优势，在5G网络建设的中后期将会考虑采用SA作为主流的组网方案。

在建设部署方面，5G网络提供的语音方案包括3种：在NSA方案中语音主要通过4G长期演进语音承载（Voice over Long Term Evolution, VoLTE）提供；在SA方案中采用新空口语音承载（Voice over New Radio, VoNR）时，需要对接IP多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem, IMS），随后回落4G VoLTE。5G语音方案对比如表2.3所示。

在VoLTE方案中，5G终端支持双连接，控制面锚定于LTE，通过LTE注册到IMS来提供语音业务。

在EPC回落方案中，5G单待终端（同时仅能驻留一种制式网络的终端）平时驻留5G，当其发起语音呼叫时切换回落到LTE，通过LTE承载提供语音业务。

在VoNR方案中，面向5G单待终端，5G NR接入5G核心网，LTE终端接入演进的分组核心网（Evolved Packet Core, EPC），两者可以进行语音切换。

在5G NSA无线网络部署方案中，需要同时部署信令锚点和5G两套无线网，建设难度大，成本高。NSA网络需要配置复杂的邻区关系及5G网络驻留参数，进一步增加了部署维护成本。新建频分双工（Frequency Division Duplexing, FDD）1800MHz小区作为控制面锚点，针对现网LTE容量进行补充，后期还可以对5G上行覆盖进行补充，弥补5G毫米波频段的上行覆盖劣势。

在5G SA无线网络部署方案中，只需要部署5G一套无线网，部署成本及难度小于NSA。SA只需要配置系统内邻区关系，目前不涉及系统间切换，无须制定复杂的驻留策略。SA前期站点较少，无法形成连续覆盖，在小区边缘的用户容易因弱覆盖而掉线脱网，严重影响用户感知。

2.3.3 CU-DU分离架构

（1）5G基站架构。

在4G无线网络架构演进的基础上，5G基站系统设计需要针对各项功能进行重构。首先把原先基带单元（Base Band Unit, BBU）的一部分物理层处理功能下沉到射频拉远单元（Remote Radio Unit, RRU），并和天线结合成为有源天线处理单元（Active Antenna Unit, AAU），接着将BBU拆分成集中单元（Centralized Unit, CU）和分布单元（Distributed Unit, DU）。每个基站都有一套DU，多个DU站点共用同一个CU进行集中式管理。4G和5G无线网络架构如图2.12所示。

（2）5G无线协议。

5G网络架构主要包括5G终端（UE）、5G基站（gNB）和5G核心网（5GC）。5G的网络架构及各个接口由3GPP相关的技术规范定义，其中无线技术部分主要参考3GPP 38系列协议，围绕5G终端及5G基站来进行设计。5G无线部分协议内容主要包括终端及基站之间的空口：NR的规范（含终端、基站的发送和接收、无线业务流程、协议栈等），基站之间、基站内部（CU和DU之间）各个5G网络接口相关的规范，以及终端和基站对协议符合性相关的测试规范。图2.13描述了5G基站协议栈，以及各个基站内部及基站间的接口。

与4G十分类似，5G基站支持的空口协议栈包含物理层（Physical, PHY），媒体访问控制（Media Access Control, MAC），无线链路控制（Radio Link Control, RLC），分组数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocol, PDCP）等基本协议层，其中无线资源控制（Radio Resource Control, RRC）层为控制面（Control Plane, CP）专有，用户面（User Plane, UP）则增加了用于处理QoS相关的SDAP层。

5G基站在逻辑上可分为CU和DU，它们之间采用F1接口。如果把CU的控制面和用户面分开部署为CU-CP和CU-UP，则它们之间又增加多个E1接口。5G基站间的接口即gNB和gNB之间Xn接口，基站跟核心网之间是NG接口。上述接口大多分为控制面（接口后面加“-C”）和用户面（接口后面加“-U”）两部分。在5G实际网络部署中一般采用CU-DU一体化或CU-DU分离架构。

（3）CU-DU分离。

5G CU-DU协议分层如图2.14所示，CU和DU的切分规则需要根据不同协议层的实时性要求进行处理。BBU中的物理低层（PHY-low）被下沉到AAU中处理，针对实时性要求高的物理高层（PHY-high）、MAC、RLC层由DU处理，而把对实时性要求不高的PDCP和RRC层放到CU中处理。

CU-DU分离提高了5G无线网络架构的灵活性，其技术优势如下：

①实现基带资源共享；

②有利于实现无线接入的切片和云化；

③满足在5G复杂组网情况下的站点协同问题。

（4）CU-DU部署方案。

在5G商业部署中，可以采用CU和DU合设与分离两种架构。针对eMBB和mMTC业务，可以把CU和DU分开部署在不同的地方，若要支持uRLLC，就必须采用CU和DU合设方案。不同业务的CU位置不同，大大增加了网络本身的复杂度，管理的复杂度也随之提高。所以说，CU和DU虽然可以在逻辑上分离，但在物理上是否要分开部署，还要取决于具体业务的需求。对于5G的终极网络，CU和DU必然是合设与分离这两种架构共存。5G初期只进行CU和DU的逻辑划分，实际二者还都是运行在同一个基站上的，后续随着5G的发展和新业务的拓展，将会逐步进行CU与DU的物理分离。

CU-DU部署方式的选择需要同时综合考虑多种因素，以适应5G网络多样化的部署需求，保证业务性能、数据传输和运维成本均衡。例如，当前传网络为理想传输网络，具备足够大的带宽和极低时延时，可以将协议栈高实时性功能集中，将CU和DU部署在同一个集中点，获得最大的协作化增益。若前传网络为非理想传输网络，传输网络的带宽和时延有限，CU可以集中协议栈低实时性功能，采用集中部署方式，DU集中协议栈高实时性功能，采用分布式部署方式。CU作为集中节点，部署位置可以根据不同业务的需求进行按需灵活调整。

根据5G无线网络的具体演进策略，5G发展初期基于SA组网架构，采用部署成本低、业务时延低、建设周期短的CU-DU合设方案；中远期实时引入CU-DU分离架构。CU是中央单元，实现PDCP层及以上的无线协议功能，DU实现PDCP层以下的无线协议功能。CU既可以与多个DU分离相连，实现对DU统一和集中化管理，降低总成本；也可以与DU整合实现协议栈全部功能，以降低时延，满足特殊场景需求。

虽然CU-DU分离架构优势显著，但也存在一定问题。例如，单个基站功率容量有限、网络规划及管理更复杂及存在时延问题等。运营商在5G建设初期会以CU-DU合设部署方案为主，未来将视技术发展和业务需求选择是否向分离架构部署方案演进。

（5）5G C-RAN网络架构。

C-RAN的基本定义是基于云计算的无线接入网架构，5G C-RAN将所有或者部分基带处理资源进行集中，形成一个基带资源池并对其进行统一管理与动态分配，在提升资源利用率、降低能耗的同时，通过对协作化技术的有效支持而提升网络性能。针对5G高频段、大带宽、多天线、海量连接和低时延等需求，C-RAN引入CU-DU的功能重构及下一代前传网络接口（Next Generation Fronthaul Interface, NGFI）前传架构。

C-RAN网络架构首先需要解决CU和DU如何进行功能分割的问题。5G C-RAN网络架构如图2.15所示，5G的BBU功能将被重构为CU和DU两个功能实体。CU和DU功能切分原则以处理内容的实时性进行区分。CU主要执行非实时性的无线高层协议栈功能，同时支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务的部署；DU主要处理物理层功能和实时性需求的层2（L2）功能。考虑到节省RRU和DU之间的传输资源，部分物理层功能可上移至RRU实现。在具体物理实现上CU设备主要采用通用平台实现，具备支持核心网和边缘应用能力。DU设备采用专用设备平台或通用+专用混合平台实现，支持高密度数学运算能力。5G核心网引入网络功能虚拟化（NFV）框架后，在MANO的统一管理和编排下，配合网络SDN控制器和传统的操作维护中心（Operation and Maintenance Center, OMC）功能组件，实现包括CU-DU在内的端到端灵活资源编排能力和配置能力，满足运营商快速按需部署的需求。

2.3.4 无线云化演进

（1）无线云化概念。

C-RAN基于CU-DU两级协议架构、NGFI传输架构和NFV实现架构，形成面向5G的灵活部署两级网络云架构，也成为5G及未来网络架构演进的重要方向。无线云化和虚拟化使得网络具有灵活可编排能力。随着CD-DU两级网络云架构的引入，CU具备了云化和虚拟化基础。CU设备首先实现基于功能软件、虚拟化层、通用硬件三层解耦，在此基础上引入NFV框架，通过MANO编排层使得无线网具有可编排能力。

云化的核心思想是功能抽象，实现资源应用的解耦。无线云化有两层含义：一方面，全部处理资源可属于一个完整的逻辑资源池，资源分配不再像传统网络那样在单独的基站内部进行，而是采用基于NFV架构的资源池分配方案，可以最大限度地实现资源的复用共享（如潮汐效应），降低系统整体成本，实现功能灵活部署。可将移动边缘计算视为无线云化带来的灵活部署应用场景之一。另一方面，空口的无线资源可以抽象为一类资源，实现无线资源与无线空口技术解耦，支持灵活无线网络能力调整，满足特定客户的定制化要求，例如，为集团客户配置专有无线资源，实现特定区域覆盖等。在C-RAN无线云架构中，系统可以根据实际业务负载、用户分布、业务需求等实际情况动态实时调整处理资源和空口资源，实现按需部署的无线网络能力。

在5G无线云网络架构中可以引入网络切片技术。端到端网络切片基于同一个物理网络设施提供多个逻辑网络服务，实现业务快速上线与灵活扩容，有助于新业务拓展。网络切片既能提供传统的移动宽带业务，也能满足垂直行业差异化的数据传输需求，同时还可以支撑差异化的网络应用相关服务。端到端的网络切片至少应具备选择核心网、选择接入网、隔离和资源管理等功能。C-RAN采用CU-DU两级架构，支持端到端网络切片。其中，CU支持切片隔离中的控制功能，DU支持差异化配置、空口资源的灵活调度和定制化的切片策略，运维支持自动化切片管理。基于C-RAN架构实现网络切片的快速创建与部署，使得垂直行业之间的多种业务能够同时运行在同一个物理网络中，确保业务间的隔离性。

（2）无线网络虚拟化部署。

5G网络需要采用无线网络虚拟化满足不同虚拟运营商、用户的差异化定制需求，如图2.16所示。通过将网络底层的时、频、码、空、功率等资源抽象成虚拟无线网络资源，进行虚拟无线网络资源切片管理。依据虚拟运营商、用户的定制化需求，实现虚拟无线资源灵活分配与控制（隔离与共享），充分适应和满足未来移动通信网络经营模式对移动通信网络提出的网络能力开放和可编程性需求。

（3）构建以用户为中心的虚拟小区。

针对多制式、多频段、多层次的密集移动通信网络，将无线接入网络的控制信令传输与业务承载功能解耦，依照移动网络的整体覆盖与传输要求，分别构建虚拟无线控制信息传输服务和无线数据承载服务，进而减少不必要的频繁切换和信令开销，实现无线接入数据承载资源的汇聚整合。依据业务、终端和用户类别，灵活选择接入节点和智能业务分流，构建以用户为中心的虚拟小区（如图2.17所示），提升用户一致性业务体验。