地（市）級別5G IP RAN承載網絡規劃研究

張 蒙（南方電信規劃咨詢設計院有限公司珠海分公司，廣東珠海519000）

1 概述

2019年是5G規模建設和商用的元年。5G是移動網絡演進的方向和趨勢，以其大帶寬、低時延、大連接等特性，提供了前所未有的網絡接入服務，實現萬物互聯，將深刻影響社會變革和人們的工作生活。5G網絡采用靈活的空口資源配置，能提供更高速率、更低時延、更多連接，能針對各種業務場景實現網絡切片；5G網絡面向服務的架構確保了統一網絡接口，能有效滿足eMBB、uRLLC和mMTC等三大應用場景以及各種數據業務、語音業務和物聯網業務需求。

5G網絡的三大特性，對與之相匹配的新一代承載網在帶寬、容量、時延和組網靈活性方面提出了新的要求，而為了滿足5G網絡架構的變化，新一代承載網也需要在結構上、技術上進行優化。如何利用一張統一的承載網既滿足5G不同業務的承載需求，又能升級運營商原傳輸網絡所承載的3G、4G、政企專線等業務，是5G承載網規劃建設所面臨的巨大挑戰。

2 IP RAN承載網現狀分析

從2G網絡開始到即將到來的5G時代，無線承載網絡發展了30年，從SDH技術發展到IP RAN/PTN技術，再到5G時代的IP RAN2.0/SPN/M-OTN技術，無線承載網絡基本是每10年更新一代，承載網隨無線技術發展歷程如圖1所示。

2.1 地（市）級別IP RAN承載網現狀

4G時代的地（市）級別IP RAN承載網主要采用城域ER、匯聚ER（P設備）、匯聚層B設備、接入層A設備來進行組網，承載LTE、IP化3G基站以及一些有大帶寬高可靠需求的政企業務。A設備采用裸纖或城域波分接入B設備，具體典型拓撲圖如圖2所示。

圖2的4G網絡結構中，接入層的A1設備主要用于4G基站BBU采用D-RAN模式時的對接，接入環帶寬均為GE，A1設備的產品形式為盒式設備，不能進行靈活的插卡擴容；接入層的A2設備主要用于4G基站BBU采用C-RAN模式時的對接，或者接入一些政企業務，接入環帶寬為10GE，A2設備為具有3槽位能靈活擴容板卡的槽式設備。

2.2 現有4G IP RAN承載網存在問題分析

a）接入層A設備：現4G承載網所承載的無線基站、室分接入層都是采用盒式的A1設備，光端口為GE端口，不能滿足5G業務的發展需求。

圖1 承載網隨無線技術發展時間示意圖

圖2 典型地市IP RAN承載網拓撲示意圖

b）匯集層B設備：現4G承載網所承載的無線基站、室分匯聚層B設備主要采用的是3槽B1設備，不能擴容100GE端口，不能滿足5G業務的發展需求。

c）匯聚ER：已建設的匯聚ER上聯城域ER主要采用n×10GE的鏈路，在5G建設過程中能通過擴容100GE端口滿足5G業務的發展需求，但有可能存在部分匯聚ER沒法擴容，需要更換設備的情況。

d）城域ER：已建設的城域ER設備上聯省匯聚路由器的帶寬主要是通過波分通道，采用n×10GE的鏈路，在5G建設初期能通過擴容100GE端口滿足5G業務的發展需求，而同時也需要配套建設能承載100G帶寬的OTN設備。而在5G規模建設階段，5G的業務量會迅速增長，并將在本地核心層部署MEC，因此還需要增加城域ER設備。

圖3 5G功能模塊重構示意圖

圖4 5G網絡拓撲圖

3 5G承載網規劃方法

3.1 5G網絡簡介

5G基站架構相對于4G發生了很大的變化，將由4G BBU、RRU 2級結構演進到CU、DU和RRU/AAU 3級結構，如圖3所示。

集中單元（CU）是由原BBU非實時部分分割出來的，處理非實時協議和服務。

分布式單元（DU）負責處理物理層協議和實時服務，為了節省RRU與DU之間的傳輸資源，部分物理層功能可上移至RRU。

同時，為了滿足5G低時延業務處理的時效性，需要將原有部署在機樓的核心網部分功能下移。以減少用戶設備到核心網的時延。因此，在核心網側需要推動移動邊緣計算（MEC）的標準化，同時考慮MEC下移以及云化。將核心網從核心層下沉到匯聚層，原先的4G核心網拆分成New Core和MEC 2個部分。其中New Core將云化部署在匯聚層的區域匯聚中心，MEC將部署在區域匯聚或更低的位置匯聚層，這對承載網提出更加靈活的Mesh組網需求。綜合考慮產業成熟情況，減少網元數，降低網絡規劃和工程實施難度，減少時延，縮短減少周期，在5G建設的初級階段，CU和DU 2個邏輯單元建議合設為BBU設備形態。5G網絡拓撲圖如圖4所示。

5G的BBU組網方式主要分為D-RAN（BBU分散設置）、C-RAN（BBU集中設置）2種場景模式。

a）如果在基站端機房環境良好、光纜路由及資源充分的情況下，可采用D-RAN。

b）考慮到5G前端基站規模數量將是現有4G、3G基站數量的3~4倍，運營商還需要新增數量龐大的5G前端基站。采用C-RAN，將BBU設備集中設置于運營商自己的通信機房，前端基站只需要安裝開通AAU即可，即不需要再建設基站機房（需要完成租賃或自建），只要明確安裝AAU空間以及完成供電、引入光纜的建設即可開通5G基站。這樣既節省基站建設的投資，又加快開站的速度，因此新建5G前端基站采用CRAN模式是運營商的首選。

3.2 5G承載網絡與4G承載網的差異分析

因5G技術產生的新需求、新業務，使5G承載網絡對比4G承載網呈現出以下差異。

a）4G承載網絡主要是以4G核心網為中心提供點到多點（P2MP）業務，而由于5G核心的云化架構，使5G承載網絡以DC為中心提供更復雜的多點到多點（MP2MP）業務和數據中心互聯（DCI）業務。

b）針對eMBB業務的需求，5G承載網絡單站的帶寬需求已從100~300 Mbit/s大幅提升到3~10 Gbit/s，現有的4G承載網是沒辦法滿足需求的，需要采用新的、更大帶寬能力的承載設備來組建新的5G承載網絡。

c）5G承載網絡采用L3到邊緣技術（降低橫向時延）、MEC/CDN下沉（降低縱向時延）以及新承載設備（采用低時延轉發技術）等手段，可以將時延從4G時代的小于10 ms優化到小于2 ms，以滿足uRLLC的要求。

d）在4G承載網絡中，LTE FDD采用的是頻率同步，同步要求是±1.5μs；而在5G承載網絡中，將時鐘源下移到匯聚層以減少無線空口與時鐘源之間的跳數，提高承載設備精度，單點設備同步精度提高到15 ns并能支撐大于20跳的組網，從而做到eMBB同步時間在±1.5 μs、uRLLC同步時間達到±390 ns。

e）針對垂直行業，由于5G網絡引入的網絡切片技術，實現海量物聯網，使得物連接數量從4G時代的1萬/km2大幅提升到了100萬/km2。

3.3 5G承載網需求預測

承載網帶寬需求分析均基于對5G業務的流量預測。結合4G用戶帶寬流量使用情況以及5G基站帶寬能力，5G帶寬峰值按3.36G，5G帶寬均值初期按300M、中期按700M測算。5G承載網需求預測見表1。

a）采用D-RAN模式，5G規模建設階段接入層環采用10GE帶寬，建議一個接入層環上所帶5G基站（BBU）數量不超過10個。

b）采用C-RAN模式，5G規模建設階段接入層環采用10GE帶寬，建議一個接入層環上所帶5G基站（BBU）數量不超過20個。

c）采用C-RAN模式，5G規模建設階段接入層環采用50GE帶寬，建議一個接入層環上所帶5G基站（BBU）數量不超過50個。

3.4 5G承載網規劃原則

地（市）級5G承載網絡需要按5G建設最終規模來制定與之相符合的目標網架構。5G承載網匯聚層及核心層應按目標網架構進行組網，分階段按需建設；接入層需要結合無線網建設計劃分階段進行建設。主要的規劃原則建議如下。

3.4.1 接入層規劃原則

a）5G BBU優先采用C-RAN模式部署，對于光纜等資源不足或其他因素受限的情況可考慮D-RAN模式部署。

b）A設備原則上與無線BBU同機房部署，BBU與A設備之間采用10GE光口對接。

c）A設備應充分利用現網資源，盡量避免同址多臺A設備對堆疊；同時結合光纜情況選用10GE或50GE環組網；C-RAN模式新增A設備類型（采用A2設備），D-RAN模式可以采用新型A1或A2設備。

d）按無線新增BBU數乘以2折算為基站數（無線一個BBU最多可帶6個AAU，3個AAU為一個站），DRAN模式下，環上所帶5G基站不超過10個；C-RAN模式下，10GE環上所帶5G基站不超過20個，50GE環上所帶基站不宜超過50個。

e）接入層應統籌考慮4G/5G基站的綜合接入：

（a）5G環覆蓋范圍內：有4G基站建設需求，若原有A設備有空閑端口，可接入現有接入環，否則優先接入新建環。

（b）5G環覆蓋范圍外：對于未來有5G需求的，統籌考慮4G/5G需求，采用新型A1或A2設備建設；對于無明確5G需求的偏遠地區，可考慮采用原A1設備建設，通過本地調撥解決。

表1 5G承載網需求預測

3.4.2匯聚層規劃原則

a）B設備成對進行組網，原則上設置在機樓（包括核心機樓和一般機樓）。

b）應盡量避免同址多套B設備對堆疊，新增B設備的前提是不增加站點內B設備數量，因此需要先對原有B設備進行替換割接，特別是存在B設備堆疊問題的站點，起碼要先按1∶2的比例進行舊B1設備的替換割接。

c）一般情況下，按流量峰值利用率來衡量B設備上行鏈路是否需要擴容。當利用率達到60%或以上時，每臺B設備擴容1條10GE鏈路；成對B設備流量峰值超過100GE時，上行改用100GE鏈路。

d）新增B設備需預留100GE板卡槽位。

e）鑒于原有B1設備接入能力較低，業務槽位少，擴容受限，難以滿足5G業務承載并且IP RAN骨干網的路由規模過大，需要減少B設備網元數量，提升網絡穩定性。對于存在B設備堆疊問題的情況需要進行整改，整改措施包括：

（a）如果有新增B設備需求的站點，需先進行舊B設備替換，替換B設備與新增B設備比例不少于2∶1，以提高設備集中度并節省機房空間。

（b）B設備采用8槽或16槽大容量設備，盡量控制機房內B設備數量。

f）綜合考慮到B設備交換能力和集中度，建議每對B設備下掛基站數不超過400個，包括250個5G基站、150個4G基站。

3.4.3 本地核心層規劃原則

a）匯聚ER一般設置在縣城機樓、大型城市的部分區域核心機樓，以減少多對B設備對長距離光纜/波分資源的占用；可參考城域網MSE網絡扁平化部署策略，結合地（市）光纜和波分資源情況，對區域內匯聚ER設置的必要性進行分析。

b）匯聚ER設備建設原則上應按需擴容，如果需要新增匯聚ER節點至少按1∶2的比例對現有設備進行替換。

c）匯聚ER設備上行參考B設備上行鏈路帶寬，原則考慮上行鏈路數量和帶寬。

d）城域ER/省級ER上行一般采用100GE或n×100GE鏈。

e）城域ER：根據需求進行板卡擴容或設備升級（單槽能力從100G升級到200G），后續根據業務發展適時進行升級替換。

圖5 5G承載網建設的3個發展階段示意

4 5G承載網規劃方案

根據前面章節對典型地（市）運營商在4G時代已建成比較成熟的IP RAN承載網的現狀分析，并結合5G承載網規劃方法、原則，5G承載網可按3個建設階段來規劃建設。3個發展階段示意見圖5。

第1階段：2019年，典型地（市）運營商都會提出多個5G商業展示點，并針對每個展示點建設5G無線站點。該階段由于5G建設未形成規模，因此可依托現有已建的接入層10GE環，5G的BBU就近部署在有A2設備的接入網機房，接入現有的IP RAN承載網。如就近沒有A2設備，可以新建A2設備組成10GE接入環接入就近的B1設備。總的來說，第1階段，主要根據小規模的5G BBU數量，增加A2設備或者對原A2設備擴容10GE端口。

第2階段：預計在2020—2022年，這3年規劃建設時間，典型地（市）運營商應將會分批建設5G基站，預計在2020年5G建站規模將與3G/4G無線站點數量相當，到2022年會初步達到5G網絡全覆蓋的規模（或至少達到人口密集區域全覆蓋），無線站點數量為3G/4G的3~4倍。因此，原有的IP RAN承載網以及設備均不能滿足建網的要求。在該階段，接入層、匯聚層以及核心層均規劃采用新的設備。

a）接入層采用新型A2設備來組網，主設備廠家提供的主要是DU和CU合設的BBU設備，5G BBU優先采用C-RAN模式建設。按10GE環上所帶5G基站不超過20個的原則（無線1個BBU最多可帶6個AAU，3個AAU為1個站）以及新型A2設備性能情況，建議按C-RAN模式建設的接入網機房內1臺新型A2設備最多接入10臺5G BBU設備，而按第2階段建設中平均每臺新型A2設備接入6臺5G BBU（相當于12個無線站點）估算，典型地（市）運營商在第2階段如果需要建設8 000個5G站點則需要安裝667臺新型A2設備。

b）匯聚層主要由新型B1設備組成，B1設備采用成對設置，下聯接入新建A2設備組成的10GE環，上聯通過口字型接入匯聚B2設備或者直連城域ER，按照每對B設備下掛基站數不超過400個，包括250個5G基站、150個4G基站的原則，典型地（市）運營商在第2階段如果需要建設8 000個5G站點，按平均每對新型B1設備下掛基站200個估算，則需要新建B1設備40對，即平均每對B1設備收斂17臺A2設備。而B1設備上聯可根據B1設備布局位置、密度等綜合情況，分別選擇建設匯聚B2設備匯聚后上聯城域ER或者B1設備直接上聯城域ER。上聯鏈路帶寬根據運行流量從初步的n×10GE到100GE鏈路逐步升級擴容。

c）按照典型地（市）運營商最終規劃的5G建站數量考慮，在核心層需要新建2臺城域ER，并部署5G的ME。上聯省級ER則根據運行流量從初步的n×10GE到n×100GE鏈路逐步升級擴容，同時需要擴容、新建配套的省內OTN系統。同時新建的2臺城域ER橫向與原IP RAN城域ER通過口字型10GE鏈路連通，原IP RAN內連接的5G站點通過新城域ER設備上聯。

第3階段：預計在2022—2025年，5G網絡將會大規模使用，本階段主要是5G網絡的優化、補點工作，并根據實際運行流量情況把部分接入層10GE環升級為50GE環，匯聚層上聯帶寬從100GE升級到200GE、400GE帶寬，城域ER可從n×100GE鏈路升級擴容到n×400GE鏈路等。同時在此階段，可以用已建成的新IP RAN承載網絡逐步割接原IP RAN內還在使用的4G站點和政企專線，使原IP RAN設備逐步退網，最終統一到新IP RAN承載網中，并為新IP RAN承載網后繼的補點擴容騰出空間。