孫嘉琪+李玉娟+楊廣銘+尹遠(yuǎn)陽

編者按

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)重構(gòu)是一場顛覆性變革，而不是縫縫補(bǔ)補(bǔ)式的改良，其顛覆性變革有五大表現(xiàn)：（1）在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，運(yùn)營商顛覆了沿用上百年的垂直一體化封閉電信架構(gòu)，轉(zhuǎn)向開放的水平集成架構(gòu)；（2）從網(wǎng)元的角度來看，運(yùn)營商過去沿用了很長時(shí)間的軟硬件一體化封閉設(shè)備架構(gòu)，將轉(zhuǎn)向軟硬件解耦的開放架構(gòu)；（3）網(wǎng)絡(luò)的軟化會顛覆以硬件為中心的格局；（4）顛覆運(yùn)營商傳統(tǒng)煙囪式的架構(gòu)，改變傳統(tǒng)的思維和生產(chǎn)流程；（5）改變整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，顛覆傳統(tǒng)的以運(yùn)營商和設(shè)備商為中心的電信產(chǎn)業(yè)鏈架構(gòu)。

——中國電信科技委主任韋樂平

【摘 要】

為了探討5G承載網(wǎng)演進(jìn)方案，從5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)架構(gòu)及5G承載網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)關(guān)鍵需求入手，分析其對5G承載網(wǎng)的影響，提出了以業(yè)務(wù)為驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)觀點(diǎn)，最后對基于IP RAN的4G/5G統(tǒng)一承載解決方案進(jìn)行了研究，給出了5G承載網(wǎng)演進(jìn)方案建議，為運(yùn)營商5G承載網(wǎng)的演進(jìn)提供了參考。

【關(guān)鍵詞】

5G承載；CU-DU；IP RAN；eCPRI

Discussion on Evolution Schemes of 5G Carrying Network

SUN Jiaqi1， LI Yujuan2， YANG Guangming1， YIN Yuanyang1

（1. Guangzhou Research Institute of China Telecom Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China；

2. China Telecom， Beijing 100010， China）

[Abstract]

The discussion on evolution schemes of 5G carrying network was carried out in this paper. Firstly， the impact on 5G carrying network was analyzed in the light of the evolution architecture of 5G network and the key requirements according to the 5G carrying network indicators. Then， a service-driven network evolution was proposed. Finally， the solutions to 4G/5G unified carrying based on IP RAN were investigated. The evolution proposal of 5G carrying network was given to provide a reference for operators.

[Key words]5G carrying； CU-DU； IP RAN； eCPRI

1 引言

目前移動通信已逐步走向5G時(shí)代，2020年5G正式商用進(jìn)程正在快速推進(jìn)中。在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，由于頻段較高、傳播損耗較大等原因，很難做到全覆蓋，存在NSA（Non-standalone）/SA（Standalone）多種組網(wǎng)架構(gòu)選擇。NSA非獨(dú)立組網(wǎng)采用LTE與5G聯(lián)合組網(wǎng)方式，利用現(xiàn)有覆蓋良好的4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)5G NR（New Radio，新空口）的快速引入，而SA獨(dú)立組網(wǎng)則可以更好地體現(xiàn)出5G技術(shù)優(yōu)勢以提高服務(wù)質(zhì)量，但對5G NR連續(xù)覆蓋要求更高，引入周期長。目前3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織優(yōu)先考慮非獨(dú)立組網(wǎng)模式，預(yù)計(jì)2017年底將首先完成非獨(dú)立組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，隨后在2018年7月完成5G獨(dú)立組網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1]。相應(yīng)地，5G承載網(wǎng)的演進(jìn)不僅需考慮帶寬、時(shí)延等相關(guān)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的滿足，還需考慮5G承載的靈活組網(wǎng)、4G/5G共站承載及與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的銜接等實(shí)際需求，4G/5G共存組網(wǎng)的統(tǒng)一承載是5G承載網(wǎng)演進(jìn)中的關(guān)鍵問題。

本文首先對5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)架構(gòu)及5G承載網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)需求進(jìn)行了介紹，然后分析其對5G承載網(wǎng)的影響，提出了以業(yè)務(wù)為驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)觀點(diǎn)及基于IP RAN的4G/5G統(tǒng)一承載方案，最后對5G承載網(wǎng)演進(jìn)方案進(jìn)行了建議。

2 5G架構(gòu)演進(jìn)

2.1 核心網(wǎng)架構(gòu)演進(jìn)

4G時(shí)代，核心網(wǎng)大多采用省集中部署方式，面對5G多樣化的業(yè)務(wù)需求，5G核心網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)云化演進(jìn)，根據(jù)低時(shí)延uRRLC（超可靠、低延遲通信）、eMBB（增強(qiáng)移動寬帶）、mMTC（大型機(jī)器類型通信）等不同業(yè)務(wù)需求集中部署或部分下沉（如圖1所示），實(shí)現(xiàn)更加靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具體為應(yīng)用網(wǎng)關(guān)下移、協(xié)同就近轉(zhuǎn)發(fā)、流量本地終結(jié)及去中心化趨勢明顯。

2.2 基站架構(gòu)演進(jìn)

（1）架構(gòu)變化

5G時(shí)代對4G BBU與RRU功能進(jìn)行了重新切分，RAN劃分為AAU（Active Antenna Unit，有源天線處理單元）、DU（Distribute Unit，分布單元）和CU（Centralized Unit，集中單元）部分。CU功能靈活部署，可與DU共址部署，也可集中云化部署在X86服務(wù)器上。

目前3GPP已完成AAU與DU、DU與CU之間切分接口的標(biāo)準(zhǔn)化，BBU的部分物理層處理功能與原RRU合并為AAU，BBU非實(shí)時(shí)部分分割出來，重新定義為CU，負(fù)責(zé)處理非實(shí)時(shí)協(xié)議和服務(wù)，BBU剩余功能重新定義為DU，負(fù)責(zé)處理物理層協(xié)議和實(shí)時(shí)服務(wù)[2]，如圖2所示：

（2）5G新型前傳接口-eCPRI

在架構(gòu)演進(jìn)的基礎(chǔ)上，5G對基帶處理功能與遠(yuǎn)端射頻處理功能之間前傳接口進(jìn)行了新的定義。

4G時(shí)代前傳接口基于CPRI協(xié)議，5G時(shí)代在大帶寬、多流、Massive MIMO等技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動下，傳統(tǒng)前傳CPRI接口對傳輸帶寬要求太高，根據(jù)計(jì)算，5G CPRI流量在低頻100 M/64T64R配置下將達(dá)到400 G，CPRI聯(lián)盟為此對前傳接口重新定義eCPRI標(biāo)準(zhǔn)，以降低帶寬要求，eCPRI接口（5G AAU與DU/CU間接口）預(yù)計(jì)最大采用25 G接口，支持以太封裝、分組承載和統(tǒng)計(jì)復(fù)用[3]。endprint

2.3 5G架構(gòu)演進(jìn)對承載網(wǎng)影響

根據(jù)以上架構(gòu)的演進(jìn)，5G演進(jìn)過程中，對承載網(wǎng)帶來了以下變化：

（1）無線核心網(wǎng)云化帶來流量流向的多元化，4G時(shí)代，業(yè)務(wù)流量只有S1、X2兩種類型，且S1流向固定，5G時(shí)代還將出現(xiàn)DC間流量，S1流量根據(jù)核心網(wǎng)部署位置的不同，存在多流向，承載網(wǎng)需實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一承載。

（2）5G RAN的部署方式，由于CU、DU功能的分離，帶來多種組網(wǎng)方式，包括傳統(tǒng)的D-RAN部署方式、BBU集中的C-RAN部署[4]方式及CU云化部署的Cloud-RAN（如圖3所示）。當(dāng)采用Cloud-RAN部署方式時(shí)，5G承載網(wǎng)被分割為前傳（Fronthaul，AAU到DU）、中傳（Midhaul，DU到CU）和回傳（Backhaul，CU到核心網(wǎng)）三部分。相對于4G承載網(wǎng)，5G承載網(wǎng)增加了中傳網(wǎng)絡(luò)。

3 5G承載網(wǎng)關(guān)鍵需求分析

3.1 4G、5G關(guān)鍵指標(biāo)對比分析

承載網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)包括帶寬、時(shí)延、時(shí)鐘同步等關(guān)鍵需求，表1對4G、5G關(guān)鍵指標(biāo)需求進(jìn)行了對比：

從承載網(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)延、同步等網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)來看（表1），5G網(wǎng)絡(luò)相對于4G網(wǎng)絡(luò)主要變化體現(xiàn)為：

（1）基站帶寬需求大幅提升，預(yù)計(jì)為4G帶寬的10～100倍；

（2）端到端時(shí)延需求縮短，主要體現(xiàn)在uRLLC超低時(shí)延業(yè)務(wù)，eMBB及mMTC業(yè)務(wù)相對于4G變化不大。

3.2 5G承載網(wǎng)建設(shè)接入環(huán)帶寬需求分析

如表1所示，4G單基站理論峰值帶寬為150 Mbit·s-1～

300 Mbit·s-1，現(xiàn)有4G業(yè)務(wù)通過IP RAN承載，接入環(huán)以GE環(huán)為主進(jìn)行建設(shè)，每接入環(huán)6～8個(gè)基站接入。如表2所示，根據(jù)廣州、深圳現(xiàn)網(wǎng)典型接入環(huán)2016年1月至2017年8月的實(shí)際流量情況，一個(gè)接入環(huán)實(shí)際最大帶寬為183 Mbit·s-1，遠(yuǎn)小于理論值，接入環(huán)帶寬利用率較低。

因此，承載網(wǎng)演進(jìn)建設(shè)的帶寬需求除了理論需求值，還與用戶行為、用戶滲透率等存在較大關(guān)聯(lián)，需綜合考慮分析用戶行為、用戶滲透率及新業(yè)務(wù)引入速度等相關(guān)因素。5G承載網(wǎng)帶寬的建設(shè)應(yīng)以業(yè)務(wù)驅(qū)動為主，按實(shí)際流量增長建網(wǎng)，而非理論帶寬，預(yù)測在很長一段時(shí)間，10 GE接入環(huán)可滿足絕大多數(shù)5G業(yè)務(wù)場景，對于一些高密集熱點(diǎn)地區(qū)或BBU資源池堆疊場景，根據(jù)流量情況可引入25 GE/50 GE環(huán)，接入設(shè)備以10 GE接口為主，具備25 GE/50 GE演進(jìn)能力。

3.3 5G承載網(wǎng)建設(shè)對時(shí)延需求考慮

5G承載另一關(guān)鍵需求變化為超低時(shí)延業(yè)務(wù)的低時(shí)延需求，根據(jù)2.1節(jié)內(nèi)容，可通過按需網(wǎng)關(guān)下沉等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)調(diào)整降低網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延。

目前現(xiàn)網(wǎng)通過儀表發(fā)包測試，4G IP RAN承載網(wǎng)雙向時(shí)延城域內(nèi)小于1 ms，典型省份（500 km基本覆蓋大部分區(qū)域，包括光纖傳輸時(shí)延）雙向時(shí)延控制在8 ms以內(nèi)，從指標(biāo)上看可滿足5G承載時(shí)延需求，對于時(shí)延要求嚴(yán)格的業(yè)務(wù)，可通過網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的調(diào)整解決承載業(yè)務(wù)低時(shí)延需求。

4 5G承載網(wǎng)解決方案

本節(jié)對5G承載網(wǎng)解決方案進(jìn)行探討，在第2節(jié)5G架構(gòu)演進(jìn)分析中提到，5G承載網(wǎng)絡(luò)分為前傳、中傳及回傳三部分。中傳網(wǎng)絡(luò)由于CU的云化部署引入，目前中傳單DU帶寬與回傳網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)，從流量上看，CU/DU分離對承載網(wǎng)無影響，且從簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與運(yùn)維角度考慮，中傳方案應(yīng)與回傳方案應(yīng)保持一致。

因此本節(jié)從前傳承載及中傳、回傳承載兩部分對5G承載網(wǎng)解決方案進(jìn)行了介紹。

4.1 前傳承載

5G時(shí)代，前傳接口從CPRI向eCPRI演進(jìn)，前傳承載要求大帶寬（單RRU帶寬25 G）、低時(shí)延（<100 μs）等需求，對于前傳網(wǎng)絡(luò)承載，本文認(rèn)為應(yīng)主要采用光纖直驅(qū)為主，在光纖資源不足情況下，可少量引入波分方案或WPON。前傳承載方案對比分析如表3所示。

4.2 中傳、回傳承載

目前4G回傳網(wǎng)絡(luò)通過IP RAN承載[7-8]，根據(jù)第3節(jié)對5G承載網(wǎng)關(guān)鍵需求的分析，本文認(rèn)為通過現(xiàn)有IP RAN設(shè)備的升級，可滿足5G網(wǎng)絡(luò)承載的更大帶寬、更低時(shí)延的通信需求，且IP網(wǎng)絡(luò)天生具備靈活多連接等特性，同時(shí)從投資保護(hù)及4G/5G共站址的角度，通過IP RAN實(shí)現(xiàn)4G/5G的統(tǒng)一承載（如圖4所示）是快速實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)承載的方案。

（1）大容量帶寬演進(jìn)：具備10 GE、25 GE、50 GE、100 GE、200 GE、400 GE能力；

（2）SDN技術(shù)應(yīng)用：通過SDN技術(shù)[9]，提升網(wǎng)絡(luò)智能運(yùn)營和智能維護(hù)能力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力開放；

（3）新技術(shù)的引入：引入Segment Rtouting[10]、FlexEth等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)承載能力的提升。

4.3 5G承載現(xiàn)網(wǎng)演進(jìn)方案建議

最后，按照5G建設(shè)進(jìn)程，將5G承載網(wǎng)演進(jìn)分為5G試點(diǎn)、5G商用及5G規(guī)模商用三個(gè)階段，從業(yè)務(wù)需求、帶寬需求及網(wǎng)路演進(jìn)等方面對5G承載網(wǎng)演進(jìn)方案進(jìn)行了建議，如表4所示。

5 結(jié)束語

應(yīng)對未來5G時(shí)代的海量連接和流量劇增，承載網(wǎng)絡(luò)如何快速經(jīng)濟(jì)的部署和演進(jìn)，是運(yùn)營商搶占5G先機(jī)發(fā)揮商用價(jià)值的關(guān)鍵。2017年隨著各大運(yùn)營商5G外場測試的開展，對5G承載技術(shù)的研究和設(shè)備演進(jìn)進(jìn)入了關(guān)鍵論證期，本文從5G架構(gòu)演進(jìn)對承載網(wǎng)的影響入手分析，同時(shí)分析了5G承載網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵指標(biāo)，提出5G承載網(wǎng)的帶寬需求及架構(gòu)演進(jìn)應(yīng)以業(yè)務(wù)發(fā)展為主要驅(qū)動，同時(shí)，需要考慮4G/5G的共站承載及現(xiàn)網(wǎng)銜接等關(guān)鍵問題，最后對5G承載網(wǎng)解決方案進(jìn)行了探討，給出了5G承載網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)建議。

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