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，分析了對(duì)5G承載網(wǎng)的影響，提出了以業(yè)務(wù)為驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)觀點(diǎn)，最后對(duì)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。
1 引言
隨著2020年5G正式商用進(jìn)程的推進(jìn)，移動(dòng)通信已逐步走向5G時(shí)代。
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(duì)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(duì)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，然后分析了對(duì)5G承載網(wǎng)的影響，提出了以業(yè)務(wù)為驅(qū)動(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)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)、去中心化趨勢明顯。
圖1 5G核心網(wǎng)云化，按需下沉
2.2 基站架構(gòu)演進(jìn)
（1）架構(gòu)變化
5G時(shí)代對(duì)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）、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：
圖2 5G RAN功能重劃分
（2）5G新型前傳接口-eCPRI
在架構(gòu)演進(jìn)的基礎(chǔ)上，5G對(duì)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(dòng)下，傳統(tǒng)前傳CPRI接口對(duì)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(duì)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]。
2.3 5G架構(gòu)演進(jìn)對(duì)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(duì)承載網(wǎng)帶來了以下變化：
1、 （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、 （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）、回傳（Backhaul，CU到核心網(wǎng)）三部分。相對(duì)于4G承載網(wǎng)，5G承載網(wǎng)增加了中傳網(wǎng)絡(luò)。
圖3 RAN部署架構(gòu)
3 5G承載網(wǎng)關(guān)鍵需求分析
3.1 4G、5G關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)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(duì)4G、5G關(guān)鍵指標(biāo)需求進(jìn)行了對(duì)比：
表1 4G/45網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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，10GE接入環(huán)可滿足絕大多數(shù)5G業(yè)務(wù)場景，對(duì)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。
表2 現(xiàn)網(wǎng)廣州、深圳典型接入環(huán)流量情況（2016年1月至2017年8月）
3.3 5G承載網(wǎng)建設(shè)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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25G）、低時(shí)延（<100 μs）等需求，對(duì)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(duì)比分析如表3所示：
表3 前傳承載方案對(duì)比分析
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(duì)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(jí)，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。
圖4 5G承載組網(wǎng)架構(gòu)
（1）大容量帶寬演進(jìn)：具備1 0GE、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(duì)5G承載網(wǎng)演進(jìn)方案進(jìn)行了建議，如表4所示：
表4 5G承載網(wǎng)演進(jìn)建議
5 結(jié)束語
應(yīng)對(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)，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(duì)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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作者簡介
孫嘉琪：工程師，碩士，現(xiàn)任中國電信股份有限公司廣州研究院，從事IP技術(shù)研究和相關(guān)工作。
李玉娟：碩士，現(xiàn)任職于中國電信集團(tuán)公司，從事IP技術(shù)研究和相關(guān)工作。
楊廣銘：高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，從事IP技術(shù)研究和相關(guān)工作。
