為了探討5G承載網(wǎng)演進方案，從5G網(wǎng)絡演進架構及5G承載網(wǎng)絡指標關鍵需求入手，分析了對5G承載網(wǎng)的影響，提出了以業(yè)務為驅(qū)動的網(wǎng)絡演進觀點，最后對基于IP RAN的4G/5G統(tǒng)一承載解決方案進行了研究，給出了5G承載網(wǎng)演進方案建議，為運營商5G承載網(wǎng)的演進提供了參考。
1 引言
隨著2020年5G正式商用進程的推進，移動通信已逐步走向5G時代。
在5G網(wǎng)絡建設初期，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)架構選擇。NSA非獨立組網(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)絡實現(xiàn)5G NR（New Radio，新空口）的快速引入，而SA獨立組網(wǎng)則可以更好地體現(xiàn)出5G技術優(yōu)勢以提高服務質(zhì)量，但對5G NR連續(xù)覆蓋要求更高，引入周期長。目前3GPP標準組織優(yōu)先考慮非獨立組網(wǎng)模式，預計2017年底將首先完成非獨立組網(wǎng)標準，隨后在2018年7月完成5G獨立組網(wǎng)相關標準[1]。
相應地，5G承載網(wǎng)的演進不僅需考慮帶寬、時延等相關網(wǎng)絡指標的滿足，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)絡的銜接等實際需求，4G/5G共存組網(wǎng)的統(tǒng)一承載是5G承載網(wǎng)演進中的關鍵問題。
本文首先對5G網(wǎng)絡演進架構及5G承載網(wǎng)絡指標需求進行了介紹，然后分析了對5G承載網(wǎng)的影響，提出了以業(yè)務為驅(qū)動的網(wǎng)絡演進觀點及基于IP RAN的4G/5G統(tǒng)一承載方案，最后對5G承載網(wǎng)演進方案進行了建議。
2 5G架構演進
2.1 核心網(wǎng)架構演進
4G時代，核心網(wǎng)大多采用省集中部署方式，面對5G多樣化的業(yè)務需求，5G核心網(wǎng)將實現(xiàn)云化演進，根據(jù)低時延uRRLC（超可靠、低延遲通信）、eMBB（增強移動寬帶）、mMTC（大型機器類型通信）等不同業(yè)務需求集中部署或部分下沉（如圖1所示），實現(xiàn)更加靈活的網(wǎng)絡架構，具體為應用網(wǎng)關下移、協(xié)同就近轉發(fā)、流量本地終結、去中心化趨勢明顯。
圖1 5G核心網(wǎng)云化，按需下沉
2.2 基站架構演進
（1）架構變化
5G時代對4G BBU與RRU功能進行了重新切分，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服務器上。
目前3GPP已完成AAU與DU、DU與CU之間切分接口的標準化，BBU的部分物理層處理功能與原RRU合并為AAU，BBU非實時部分分割出來，重新定義為CU，負責處理非實時協(xié)議和服務，BBU剩余功能重新定義為DU，負責處理物理層協(xié)議和實時服務[2]，如圖2所示：
圖2 5G RAN功能重劃分
（2）5G新型前傳接口-eCPRI
在架構演進的基礎上，5G對基帶處理功能與遠端射頻處理功能之間前傳接口進行了新的定義。
4G時代前傳接口基于CPRI協(xié)議，5G時代在大帶寬、多流、Massive MIMO等技術發(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)計算，5G CPRI流量在低頻100 M/64T64R配置下將達到400 G，CPRI聯(lián)盟為此對前傳接口重新定義eCPRI標準，以降低帶寬要求，eCPRI接口（5G AAU與DU/CU間接口）預計最大采用25 G接口，支持以太封裝、分組承載和統(tǒng)計復用[3]。
2.3 5G架構演進對承載網(wǎng)影響
根據(jù)以上架構的演進，5G演進過程中，對承載網(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時代，業(yè)務流量只有S1、X2兩種類型，且S1流向固定，5G時代還將出現(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）。當采用Cloud-RAN部署方式時，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。相對于4G承載網(wǎng)，5G承載網(wǎng)增加了中傳網(wǎng)絡。
圖3 RAN部署架構
3 5G承載網(wǎng)關鍵需求分析
3.1 4G、5G關鍵指標對比分析
承載網(wǎng)絡指標包括帶寬、時延、時鐘同步等關鍵需求，表1對4G、5G關鍵指標需求進行了對比：
表1 4G/45網(wǎng)絡關鍵指標對比
從承載網(wǎng)絡帶寬、時延、同步等網(wǎng)絡指標來看（表1），5G網(wǎng)絡相對于4G網(wǎng)絡主要變化體現(xiàn)為：
（1）基站帶寬需求大幅提升，預計為4G帶寬10~100倍；
（2）端到端時延需求縮短，主要體現(xiàn)在uRLLC超低時延業(yè)務，eMBB及mMTC業(yè)務相對于4G變化不大。
3.2 5G承載網(wǎng)建設接入環(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)務通過IP RAN承載，接入環(huán)以GE環(huán)為主進行建設，每接入環(huán)6~8個基站接入。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月的實際流量情況，一個接入環(huán)實際最大帶寬為183 Mbit·s-1，遠小于理論值，接入環(huán)帶寬利用率較低。
因此，承載網(wǎng)演進建設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聯(lián)，需綜合考慮分析用戶行為、用戶滲透率及新業(yè)務引入速度等相關因素。5G承載網(wǎng)帶寬的建設應以業(yè)務驅(qū)動為主，按實際流量增長建網(wǎng)，而非理論帶寬，預測在很長一段時間，10GE接入環(huán)可滿足絕大多數(shù)5G業(yè)務場景，對于一些高密集熱點地區(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)，接入設備以10 GE接口為主，具備25 GE/50 GE演進能力。
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)建設對時延需求考慮
5G承載另一關鍵需求變化為超低時延業(yè)務的低時延需求，根據(jù)2.1節(jié)內(nèi)容，可通過按需網(wǎng)關下沉等網(wǎng)絡架構調(diào)整降低網(wǎng)絡傳輸時延。
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，包括光纖傳輸時延）雙向時延控制在8 ms以內(nèi)，從指標上看可滿足5G承載時延需求，對于時延要求嚴格的業(yè)務可通過網(wǎng)絡架構的調(diào)整解決承載業(yè)務低時延需求。
4 5G承載網(wǎng)解決方案
本節(jié)對5G承載網(wǎng)解決方案進行探討，在第2節(jié)5G架構演進分析中提到，5G承載網(wǎng)絡分為前傳、中傳及回傳三部分。中傳網(wǎng)絡由于CU的云化部署引入，目前中傳單DU帶寬與回傳網(wǎng)絡相當，從流量上看，CU/DU分離對承載網(wǎng)無影響，且從簡化網(wǎng)絡架構與運維角度考慮，中傳方案應與回傳方案應保持一致。
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)解決方案進行了介紹。
4.1 前傳承載
5G時代，前傳接口從CPRI向eCPRI演進，前傳承載要求大帶寬（單RRU帶寬25G）、低時延（<100 μs）等需求，對于前傳網(wǎng)絡承載，本文認為應主要采用光纖直驅(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：
表3 前傳承載方案對比分析
4.2 中傳、回傳承載
目前4G回傳網(wǎng)絡通過IP RAN承載[7-8]，根據(jù)第3節(jié)對5G承載網(wǎng)關鍵需求的分析，本文認為通過現(xiàn)有IP RAN設備的升級，可滿足5G網(wǎng)絡承載的更大帶寬、更低時延的通信需求，且IP網(wǎng)絡天生具備靈活多連接等特性，同時從投資保護及4G/5G共站址的角度，通過IP RAN實現(xiàn)4G/5G的統(tǒng)一承載（如圖4所示）是快速實現(xiàn)5G網(wǎng)絡承載的方案。
圖4 5G承載組網(wǎng)架構
（1）大容量帶寬演進：具備1 0GE、25 GE、50 GE、100 GE、200 GE、400 GE能力；
（2）SDN技術應用：通過SDN技術[9]，提升網(wǎng)絡智能運營和智能維護能力，實現(xiàn)網(wǎng)絡能力開放；
（3）新技術的引入：引入Segment Rtouting[10]、FlexEth等技術，實現(xiàn)網(wǎng)絡承載能力的提升。
4.3 5G承載現(xiàn)網(wǎng)演進方案建議
最后，按照5G建設進程，將5G承載網(wǎng)演進分為5G試點、5G商用及5G規(guī)模商用三個階段，從業(yè)務需求、帶寬需求及網(wǎng)路演進等方面對5G承載網(wǎng)演進方案進行了建議，如表4所示：
表4 5G承載網(wǎng)演進建議
5 結束語
應對未來5G時代的海量連接和流量劇增，承載網(wǎng)絡如何快速經(jīng)濟的部署和演進，是運營商搶占5G先機發(fā)揮商用價值的關鍵。2017年隨著各大運營商5G外場測試的開展，對5G承載技術的研究和設備演進進入了關鍵論證期，本文從5G架構演進對承載網(wǎng)的影響入手分析，同時分析了5G承載網(wǎng)絡關鍵指標，提出5G承載網(wǎng)的帶寬需求及架構演進應以業(yè)務發(fā)展為主要驅(qū)動，同時，需要考慮4G/5G的共站承載及現(xiàn)網(wǎng)銜接等關鍵問題，最后對5G承載網(wǎng)解決方案進行了探討，給出了5G承載網(wǎng)絡演進建議。
參考文獻：
[1] 3GPP TR 38.801 v14.0.0. Study on Radio Access Technology: Radio Access Architecture and Interface[S]. 2017.
[2] 3GPP TR.38.816. Study on CU-DU lower layer split for NR[S]. 2017.
[3] eCPRI Specification V1.0. Common Public Radio Interface：eCPRI Interface Specification[S]. 2017.
[4] 中國移動通信研究院. 5G C-RAN白皮書[S]. 2016.
[5] 3GPP TR 38.913 v14.3.0. Study on scenarios and requirements for next generation access technologies[S]. 2017.
[6] NGMN. NGMN_5G_White_Paper_V1_0[EB/OL]. [2017-11-14]. https://www.ngmn.org/5g-white-paper/5g-white-paper.html.
[7] 楊廣銘,梁筱斌,閻璐,等. LTE海量基站業(yè)務承載網(wǎng)絡優(yōu)化方案分析[J]. 電信科學, 2013(8A): 110-114.
[8] 易昀,楊廣銘,黃卓君,等. 全業(yè)務運營環(huán)境下的IP RAN組網(wǎng)技術與部署方案研究[J]. 移動通信, 2010,34(17): 20-24.
[9] 孫嘉琪,楊廣銘,盧泉. IP RAN SDN的研究與實踐[J]. 互聯(lián)網(wǎng)天地, 2014(9): 44-49.
[10] 何曉明,盧泉,刑亮. 分段路由網(wǎng)絡研究及其在流量工程中的應用[J]. 電信科學, 2016,32(6): 186-194. ★
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技術研究和相關工作。
李玉娟：碩士，現(xiàn)任職于中國電信集團公司，從事IP技術研究和相關工作。
楊廣銘：高級工程師，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技術研究和相關工作。
