0 引言
從2G時(shí)代的跟隨，到4G時(shí)代逐漸趕上，5G時(shí)代中國有望成為領(lǐng)跑者。三大運(yùn)營(yíng)商計(jì)劃在2018年于全國十幾個(gè)城市開展5G試驗(yàn)網(wǎng)的建設(shè)。
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(shí)延的降低，這使得更多的業(yè)務(wù)應(yīng)用成為可能。根據(jù)3GPP的定義，主要包括增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、超大規(guī)模機(jī)器連接（mMTC）、超高可靠超低時(shí)延連接（URLLC）三大典型應(yīng)用場(chǎng)景。
1 5G網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)變化
1.1 核心網(wǎng)架構(gòu)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(wù)的架構(gòu)（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(shè)計(jì)，可根據(jù)不同業(yè)務(wù)特性及對(duì)時(shí)延的需求，結(jié)合移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)（MEC），把部分功能下沉至更靠近用戶的網(wǎng)絡(luò)位置。
以三大典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景為例，eMTC業(yè)務(wù)對(duì)帶寬和時(shí)延的要求較低，可集中部署在網(wǎng)絡(luò)較高層面，eMBB業(yè)務(wù)對(duì)帶寬和時(shí)延要求較高，可適當(dāng)下沉，URLLC業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(gòu)變化
5G無線接入網(wǎng)采用CU與DU分離的C-RAN架構(gòu)，CU負(fù)責(zé)處理非實(shí)時(shí)信息和3層協(xié)議棧，DU負(fù)責(zé)處理實(shí)時(shí)性要求較高的信息和底層協(xié)議棧。CU相對(duì)集中設(shè)置，多個(gè)DU可同時(shí)歸屬于1個(gè)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(shù)，更好地提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低干擾，提升用戶體驗(yàn)。
C-RAN的總體架構(gòu)可以分為CU、DU、無線遠(yuǎn)端單元/有源天線單元（RRU/AAU）3級(jí)，但基于不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景，實(shí)際部署位置可以靈活多變，以適合各類業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，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(gòu)，但對(duì)于微基站，DU和RRU/AAU也可以集成在一起。
模式2：在業(yè)務(wù)容量高，密集部署的場(chǎng)景下。如果傳輸資源豐富，多個(gè)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(gè)小區(qū)的協(xié)作傳輸和協(xié)作處理以提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和容量。
模式3：對(duì)于部分高實(shí)時(shí)和大帶寬業(yè)務(wù)，為了保證高效和時(shí)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(luò)或光纖直連RRU/AAU，數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸?shù)街行臋C(jī)房進(jìn)行處理，減少中間流程，CU和DU部署在一個(gè)機(jī)房，網(wǎng)絡(luò)實(shí)體也合而為一。
2 5G對(duì)承載網(wǎng)的需求
2.1 帶寬需求
根據(jù)下一代通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（NGMN）推薦的帶寬規(guī)劃原則，結(jié)合頻段劃分，設(shè)定基礎(chǔ)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(yùn)營(yíng)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(shí)延需求
NGMN對(duì)各類典型場(chǎng)景的端到端時(shí)延和帶寬限定如表2所示。
表2 典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)性能要求表
2.3 切片需求
5G網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特征就是引入了切片（Slice）技術(shù)，其理念就是將運(yùn)營(yíng)商的物理網(wǎng)絡(luò)邏輯上劃分為多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)分別適應(yīng)對(duì)帶寬、時(shí)延、容量、可靠性等需求不同的業(yè)務(wù)。根據(jù)3GPP對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片的要求，切片要保證嚴(yán)格隔離，任何切片的維護(hù)不影響其他切片；并且切片是彈性可擴(kuò)展的、開放的，并可以接受第三方應(yīng)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(shí)代，網(wǎng)絡(luò)流量以南北向?yàn)橹鳎局g的東西向X2流量為輔，流量逐級(jí)匯聚的特點(diǎn)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(shí)代CU、DU存在多種混合部署模式，部分低時(shí)延業(yè)務(wù)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(luò)流量呈現(xiàn)多方向、全網(wǎng)狀的特點(diǎn)，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(shè)方案
3.1 整體架構(gòu)
與4G承載網(wǎng)的2級(jí)架構(gòu)不同，由于CU、DU分離，5G移動(dòng)承載網(wǎng)可分為移動(dòng)回傳（backhaul）、移動(dòng)中傳（midhaul）和移動(dòng)前傳（fronthaul）3級(jí)，如圖2所示。
一些新增的功能如移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC），將會(huì)下沉至匯聚層甚至更低。
采用增強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)，對(duì)傳統(tǒng)CPRI進(jìn)行了增強(qiáng)，能有效降低前傳網(wǎng)絡(luò)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(jì)算的單站帶寬，假設(shè)每個(gè)接入環(huán)8個(gè)站點(diǎn)規(guī)模（基站規(guī)模=站點(diǎn)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(gè)匯聚環(huán)下掛4~8個(gè)接入環(huán)計(jì)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(luò)
DU相對(duì)集中設(shè)置之后，DU與RRU/AAU間的前傳網(wǎng)絡(luò)如果沿用以前的光纖直驅(qū)方式，會(huì)消耗海量的光纜資源，需綜合多方面因素，尋找相對(duì)高性價(jià)比的承載方案，目前常見的方式及其特性見表3。
表3 2級(jí)前傳網(wǎng)絡(luò)技術(shù)比較表
從技術(shù)比較來看，有源OTN方式可維護(hù)性較強(qiáng)，對(duì)光纖占用少，是一種相對(duì)較好的解決方案，但投資較高，因此可結(jié)合實(shí)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(qū)。
b） 在DU下掛RRU/AAU數(shù)量較多，距離較遠(yuǎn)，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(shí)代的核心網(wǎng)和無線網(wǎng)均采用基于SDN/NFV的網(wǎng)絡(luò)切片，以滿足不同業(yè)務(wù)對(duì)帶寬、時(shí)延、可靠性的要求。這就要求承載網(wǎng)也必須支持切片技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)資源能動(dòng)態(tài)分配釋放，不同切片的網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)切片的創(chuàng)建、調(diào)整、刪除等功能。這依賴于FlexE以及SDN/NFV 2項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用。
FlexE是光互連論壇（OIF）所提出的標(biāo)準(zhǔn)，主要通過在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀的MAC層與物理編碼子層（PCS）之間新增一個(gè)墊片（Flex Shim）層來實(shí)現(xiàn)時(shí)隙調(diào)度。Shim采用時(shí)分復(fù)用機(jī)制，可將不同的業(yè)務(wù)分配到相應(yīng)的時(shí)隙中，實(shí)現(xiàn)了超低時(shí)延以及嚴(yán)格的物理隔離，為關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供了更好的QoS保障。FlexE切片技術(shù)與傳統(tǒng)VPN技術(shù)相結(jié)合，在FlexE的時(shí)隙切片中仍然可以承載各種VPN隧道，以進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。FlexE還可以進(jìn)行端口捆綁，通過捆綁多條物理鏈路擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量，滿足大帶寬場(chǎng)景的需求，解決了傳統(tǒng)以太網(wǎng)鏈路聚合組（LAG）技術(shù)在二層網(wǎng)絡(luò)中存在的鏈路利用率不均衡的問題。
5G的網(wǎng)絡(luò)切片是一個(gè)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(luò)，要想更好地實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，承載網(wǎng)必須采用控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面分離的SDN架構(gòu)，轉(zhuǎn)發(fā)面可利用FlexE和VPN相結(jié)合的技術(shù)來實(shí)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(jìn)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(wù)鏈編排。這部分涉及到很多領(lǐng)域接口標(biāo)準(zhǔn)化的工作，還有待于各組織的共同努力推動(dòng)。
3.4 低時(shí)延保障
降低時(shí)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(shí)延降低。承載網(wǎng)的時(shí)延主要由設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和光纖時(shí)延2部分構(gòu)成。一般來說，網(wǎng)絡(luò)輕載時(shí)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延在50 μs以下，重載時(shí)高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)仍然可以保證在50 μs以下。光纖時(shí)延可近似按照5 μs/km計(jì)算。因此，降低時(shí)延可從以下3個(gè)方面進(jìn)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(shù)實(shí)現(xiàn)子MAC間物理隔離，提供更好的擁塞控制，在網(wǎng)絡(luò)重載時(shí)仍能夠保障高優(yōu)先業(yè)務(wù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)。
c） 降低設(shè)備時(shí)延：采用直通轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)降低接口處理時(shí)延；優(yōu)化NP內(nèi)核使之能感知優(yōu)先級(jí)，為低時(shí)延業(yè)務(wù)開辟專用通道；低時(shí)延業(yè)務(wù)采用報(bào)文直通調(diào)度及搶占調(diào)度機(jī)制；通過多種技術(shù)共同降低設(shè)備時(shí)延。
4 4G、5G混合組網(wǎng)過渡方案探討
5G業(yè)務(wù)是逐步開展的，必將有很長(zhǎng)一段時(shí)間的混合組網(wǎng)，5G核心網(wǎng)存在非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）和獨(dú)立組網(wǎng)（SA）2種模式，如圖3所示，其中NSA標(biāo)準(zhǔn)成熟度較高，預(yù)計(jì)運(yùn)營(yíng)商早期組網(wǎng)將采用NSA模式，4G核心網(wǎng)升級(jí)后可同時(shí)支持4G及5G的無線網(wǎng)絡(luò)。在這一時(shí)期，可滿足部分區(qū)域的eMBB業(yè)務(wù)，但對(duì)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(gè)階段。
圖3 4G、5G混合組網(wǎng)示意圖
a） 初期：4G核心網(wǎng)升級(jí)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(kuò)容至50 GE環(huán)網(wǎng)，前傳網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)情況靈活選擇光纖直驅(qū)、有源OTN 2種方式。
b） 中期：新建NSA模式5G核心網(wǎng)（NGC），網(wǎng)絡(luò)上會(huì)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(luò)選擇不變。
c） 成熟期：采用SA模式建設(shè)5G核心網(wǎng)，NR軟件進(jìn)行升級(jí)以支持SA，承載網(wǎng)采用支持FlexE和SDN的設(shè)備，全面支持mMTC及URLLC業(yè)務(wù)。
5 結(jié)束語
5G承載網(wǎng)絕不僅是簡(jiǎn)單的帶寬升級(jí)，必須考慮與核心網(wǎng)、無線網(wǎng)的緊密協(xié)同，以更好地實(shí)現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)切片，并提供靈活的、高可靠性、低時(shí)延承載網(wǎng)絡(luò)。目前ITU-T、3GPP、CPRI、OIF等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織也在積極開展承載網(wǎng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。要想做好承載網(wǎng)的規(guī)劃和建設(shè)，除跟蹤承載網(wǎng)本身的技術(shù)進(jìn)展外，也必須深入了解5G核心網(wǎng)、無線網(wǎng)的架構(gòu)變化以及建設(shè)思路。4G向5G演進(jìn)將是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，這需要多專業(yè)緊密協(xié)同，在對(duì)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，分階段、分步驟的制訂切實(shí)可行的演進(jìn)路徑。
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