5G承載網(wǎng)方案探討

0 引言

從2G時代的跟隨，到4G時代逐漸趕上，5G時代中國有望成為領跑者。三大運營商計劃在2018年于全國十幾個城市開展5G試驗網(wǎng)的建設。

5G帶來的不僅僅是更高的帶寬，更重要的是容量的提升和時延的降低，這使得更多的業(yè)務應用成為可能。根據(jù)3GPP的定義，主要包括增強移動寬帶（eMBB）、超大規(guī)模機器連接（mMTC）、超高可靠超低時延連接（URLLC）三大典型應用場景。

1 5G網(wǎng)絡的架構變化

1.1 核心網(wǎng)架構變化

5G核心網(wǎng)分離成控制面（CP）與用戶面（UP），其中控制面采用基于服務的架構（SBA），如圖1所示。

相比4G核心網(wǎng)，5G最突出的變化是控制與承載徹底分離，并采用了全面云化的部署模式。用戶面功能（UPF）采用分布式設計，可根據(jù)不同業(yè)務特性及對時延的需求，結合移動邊緣計算技術（MEC），把部分功能下沉至更靠近用戶的網(wǎng)絡位置。

以三大典型業(yè)務場景為例，eMTC業(yè)務對帶寬和時延的要求較低，可集中部署在網(wǎng)絡較高層面，eMBB業(yè)務對帶寬和時延要求較高，可適當下沉，URLLC業(yè)務對網(wǎng)絡時延要求非常高，則下沉至靠近用戶的位置，具體部署如表1所示。

表1 核心網(wǎng)網(wǎng)元部署位置表

1.2 無線接入網(wǎng)架構變化

5G無線接入網(wǎng)采用CU與DU分離的C-RAN架構，CU負責處理非實時信息和3層協(xié)議棧，DU負責處理實時性要求較高的信息和底層協(xié)議棧。CU相對集中設置，多個DU可同時歸屬于1個CU，這種方式可以更有效地支持多連接以及基站間協(xié)同等技術，更好地提高網(wǎng)絡吞吐量，降低干擾，提升用戶體驗。

C-RAN的總體架構可以分為CU、DU、無線遠端單元/有源天線單元（RRU/AAU）3級，但基于不同業(yè)務場景，實際部署位置可以靈活多變，以適合各類業(yè)務的特點，主要有以下3種模式。

模式1：一般情況宏基站采用DU、RRU/AAU分離架構，但對于微基站，DU和RRU/AAU也可以集成在一起。

模式2：在業(yè)務容量高，密集部署的場景下。如果傳輸資源豐富，多個DU可以聚合部署，形成基帶池，優(yōu)化基站資源池的利用率，并且可以利用多個小區(qū)的協(xié)作傳輸和協(xié)作處理以提高網(wǎng)絡的覆蓋和容量。

模式3：對于部分高實時和大帶寬業(yè)務，為了保證高效和時延控制，在傳輸資源比較豐富的情況下，可以采用高速傳輸網(wǎng)絡或光纖直連RRU/AAU，數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸?shù)街行臋C房進行處理，減少中間流程，CU和DU部署在一個機房，網(wǎng)絡實體也合而為一。

2 5G對承載網(wǎng)的需求

2.1 帶寬需求

根據(jù)下一代通信網(wǎng)絡聯(lián)盟（NGMN）推薦的帶寬規(guī)劃原則，結合頻段劃分，設定基礎參數(shù)如下。

a） 單站峰值帶寬=單小區(qū)峰值帶寬+均值帶寬×（N-1）

b） 單站均值帶寬=單小區(qū)均值帶寬×N

c） 三大運營商在3 300~3 600 MHz的5G主用頻段中，每家獲得了100 MHz的頻寬。

d） 基站以典型的3扇區(qū)，64T64R的128天線陣列考慮。

e） 頻譜效率峰值40 bit/Hz，均值7.8 bit/Hz。

考慮10%封裝開銷，20%Xn流量，TDD上下行配比1∶3，則在5G低頻組網(wǎng)中，單小區(qū)峰值帶寬為 40 bit/Hz×100 MHz×1.1×0.75=3.3 G，單小區(qū)均值帶寬為 7.8 bit/Hz×100 MHz×1.1×1.2×0.75=0.772 G，單站峰值帶寬為4.84 G（3.3 G+2×0.772 G），單站均值帶寬為2.3 G（3×0.772 G）。

2.2 時延需求

NGMN對各類典型場景的端到端時延和帶寬限定如表2所示。

表2 典型業(yè)務場景網(wǎng)絡性能要求表

2.3 切片需求

5G網(wǎng)絡的一個重要特征就是引入了切片（Slice）技術，其理念就是將運營商的物理網(wǎng)絡邏輯上劃分為多個虛擬網(wǎng)絡，每個虛擬網(wǎng)絡分別適應對帶寬、時延、容量、可靠性等需求不同的業(yè)務。根據(jù)3GPP對網(wǎng)絡切片的要求，切片要保證嚴格隔離，任何切片的維護不影響其他切片；并且切片是彈性可擴展的、開放的，并可以接受第三方應用的統(tǒng)一管理。

核心網(wǎng)、無線網(wǎng)和承載網(wǎng)都要具備切片的能力，并要接受統(tǒng)一的協(xié)同和編排。

2.4 三層需求

在4G和4.5G時代，網(wǎng)絡流量以南北向為主，基站之間的東西向X2流量為輔，流量逐級匯聚的特點比較明顯，因此承載網(wǎng)只在核心和匯聚層引入了三層功能，接入層采用二層隧道。

在5G時代CU、DU存在多種混合部署模式，部分低時延業(yè)務核心網(wǎng)UP下沉到邊緣，且存在大量站間協(xié)同流量，使整體網(wǎng)絡流量呈現(xiàn)多方向、全網(wǎng)狀的特點，因此邊緣接入層引入三層功能成為必然選擇。

3 5G承載網(wǎng)建設方案

3.1 整體架構

與4G承載網(wǎng)的2級架構不同，由于CU、DU分離，5G移動承載網(wǎng)可分為移動回傳（backhaul）、移動中傳（midhaul）和移動前傳（fronthaul）3級，如圖2所示。

一些新增的功能如移動邊緣計算（MEC），將會下沉至匯聚層甚至更低。

采用增強通用公共無線接口（eCPRI）更有效地降低前傳帶寬。eCPRI是CPRI聯(lián)盟2017年8月發(fā)布的新一代接口標準，對傳統(tǒng)CPRI進行了增強，能有效降低前傳網(wǎng)絡的帶寬，理想情況下可使帶寬消耗降低近10倍。

根據(jù)2.2節(jié)計算的單站帶寬，假設每個接入環(huán)8個站點規(guī)模（基站規(guī)模=站點規(guī)模×3=24），根據(jù)NGMN的收斂模型，考慮1/2的收斂比，則接入環(huán)理論帶寬=（1×峰值+（n-1）×均值））/收斂比=（1×4.84+23×2.3）/2= 28.87 Gbit/s，因此接入環(huán)可考慮采用50 GE環(huán)網(wǎng)。

按照每個匯聚環(huán)下掛4~8個接入環(huán)計算，考慮1/2的收斂比，則匯聚環(huán)所需帶寬為57.74或115.48 Gbit/s，匯聚環(huán)可考慮采用100 GE環(huán)網(wǎng)。

3.2 前傳網(wǎng)絡

DU相對集中設置之后，DU與RRU/AAU間的前傳網(wǎng)絡如果沿用以前的光纖直驅方式，會消耗海量的光纜資源，需綜合多方面因素，尋找相對高性價比的承載方案，目前常見的方式及其特性見表3。

表3 2級前傳網(wǎng)絡技術比較表

從技術比較來看，有源OTN方式可維護性較強，對光纖占用少，是一種相對較好的解決方案，但投資較高，因此可結合實際部署情況綜合采用幾種方式。

a） 在DU下掛RRU/AAU數(shù)量較少，且距離較近的情況下，在光纖資源允許的條件下，可采用光纖直驅。

b） 在DU下掛RRU/AAU數(shù)量較多，距離較遠，且光纖資源緊張的情況下，可根據(jù)投資選擇采用無源CWDM或有源OTN方案。

3.3 靈活切片

5G時代的核心網(wǎng)和無線網(wǎng)均采用基于SDN/NFV的網(wǎng)絡切片，以滿足不同業(yè)務對帶寬、時延、可靠性的要求。這就要求承載網(wǎng)也必須支持切片技術，網(wǎng)絡資源能動態(tài)分配釋放，不同切片的網(wǎng)絡資源能相互隔離，且承載網(wǎng)的切片必須能與核心網(wǎng)、無線網(wǎng)的切片協(xié)同，共同實現(xiàn)切片的創(chuàng)建、調整、刪除等功能。這依賴于FlexE以及SDN/NFV 2項關鍵技術的應用。

FlexE是光互連論壇（OIF）所提出的標準，主要通過在標準以太網(wǎng)幀的MAC層與物理編碼子層（PCS）之間新增一個墊片（Flex Shim）層來實現(xiàn)時隙調度。Shim采用時分復用機制，可將不同的業(yè)務分配到相應的時隙中，實現(xiàn)了超低時延以及嚴格的物理隔離，為關鍵業(yè)務提供了更好的QoS保障。FlexE切片技術與傳統(tǒng)VPN技術相結合，在FlexE的時隙切片中仍然可以承載各種VPN隧道，以進一步提高網(wǎng)絡資源利用率。FlexE還可以進行端口捆綁，通過捆綁多條物理鏈路擴展網(wǎng)絡容量，滿足大帶寬場景的需求，解決了傳統(tǒng)以太網(wǎng)鏈路聚合組（LAG）技術在二層網(wǎng)絡中存在的鏈路利用率不均衡的問題。

5G的網(wǎng)絡切片是一個包含了核心網(wǎng)、無線網(wǎng)、承載網(wǎng)的端到端的邏輯網(wǎng)絡，要想更好地實現(xiàn)多網(wǎng)絡協(xié)同，承載網(wǎng)必須采用控制面與轉發(fā)面分離的SDN架構，轉發(fā)面可利用FlexE和VPN相結合的技術來實現(xiàn)切片之間的隔離，而控制面與核心網(wǎng)、無線網(wǎng)的SDN控制器進行協(xié)同，并接受高層編排器的統(tǒng)一管理，才能夠完成端到端的業(yè)務鏈編排。這部分涉及到很多領域接口標準化的工作，還有待于各組織的共同努力推動。

3.4 低時延保障

降低時延需要核心網(wǎng)、承載網(wǎng)、空口3方面共同努力，本文主要討論承載網(wǎng)的時延降低。承載網(wǎng)的時延主要由設備轉發(fā)時延和光纖時延2部分構成。一般來說，網(wǎng)絡輕載時設備轉發(fā)時延在50 μs以下，重載時高優(yōu)先級業(yè)務仍然可以保證在50 μs以下。光纖時延可近似按照5 μs/km計算。因此，降低時延可從以下3個方面進行考慮。

a） 縮短傳輸距離：一方面核心網(wǎng)、MEC下沉，減少傳輸距離；另一方面L3到邊緣，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸路徑；雙管齊下。

b） 更有效的QoS手段：采用FlexE等技術實現(xiàn)子MAC間物理隔離，提供更好的擁塞控制，在網(wǎng)絡重載時仍能夠保障高優(yōu)先業(yè)務的快速轉發(fā)。

c） 降低設備時延：采用直通轉發(fā)技術降低接口處理時延；優(yōu)化NP內核使之能感知優(yōu)先級，為低時延業(yè)務開辟專用通道；低時延業(yè)務采用報文直通調度及搶占調度機制；通過多種技術共同降低設備時延。

4 4G、5G混合組網(wǎng)過渡方案探討

5G業(yè)務是逐步開展的，必將有很長一段時間的混合組網(wǎng)，5G核心網(wǎng)存在非獨立組網(wǎng)（NSA）和獨立組網(wǎng)（SA）2種模式，如圖3所示，其中NSA標準成熟度較高，預計運營商早期組網(wǎng)將采用NSA模式，4G核心網(wǎng)升級后可同時支持4G及5G的無線網(wǎng)絡。在這一時期，可滿足部分區(qū)域的eMBB業(yè)務，但對mMTC，特別是URLLC支持較弱。4G、5G混合組網(wǎng)大致可分為以下3個階段。

圖3 4G、5G混合組網(wǎng)示意圖

a） 初期：4G核心網(wǎng)升級為NSA，基站依然以4G的eNodeB為主，新建少量5G基站（NR）；接入網(wǎng)可與4G共用，仍可保持10 GE環(huán)網(wǎng)為主，視5G基站數(shù)量，部分密集區(qū)域可擴容至50 GE環(huán)網(wǎng)，前傳網(wǎng)絡可根據(jù)情況靈活選擇光纖直驅、有源OTN 2種方式。

b） 中期：新建NSA模式5G核心網(wǎng)（NGC），網(wǎng)絡上會出現(xiàn)大量5G基站，接入網(wǎng)以50 GE環(huán)為主，匯聚環(huán)以100 GE環(huán)為主，前傳網(wǎng)絡選擇不變。

c） 成熟期：采用SA模式建設5G核心網(wǎng)，NR軟件進行升級以支持SA，承載網(wǎng)采用支持FlexE和SDN的設備，全面支持mMTC及URLLC業(yè)務。

5 結束語

5G承載網(wǎng)絕不僅是簡單的帶寬升級，必須考慮與核心網(wǎng)、無線網(wǎng)的緊密協(xié)同，以更好地實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡切片，并提供靈活的、高可靠性、低時延承載網(wǎng)絡。目前ITU-T、3GPP、CPRI、OIF等多個標準化組織也在積極開展承載網(wǎng)相關的標準化工作。要想做好承載網(wǎng)的規(guī)劃和建設，除跟蹤承載網(wǎng)本身的技術進展外，也必須深入了解5G核心網(wǎng)、無線網(wǎng)的架構變化以及建設思路。4G向5G演進將是一個漫長的過程，這需要多專業(yè)緊密協(xié)同，在對網(wǎng)絡現(xiàn)狀進行充分調研的基礎上，分階段、分步驟的制訂切實可行的演進路徑。

參考文獻：

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［3］ 趙文玉，張海懿. 5G對承載網(wǎng)提出眾多變革多種方案爭奇斗艷［J］. 通信世界，2017（27）：53-54.

作者：張云帆 來源：《郵電設計技術》2018年第5期