5G承載網(wǎng)的規(guī)劃部署研究

汪 敏，肖凱文

（湖北郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430023）

1 研究背景

國家“十三五”規(guī)劃綱要中提出要“積極推進(jìn)第五代移動(dòng)通信（5G）和超寬帶關(guān)鍵技術(shù)，啟動(dòng)5G商用”。2019年6月6日，工業(yè)和信息化部正式向中國電信、中國移動(dòng)、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放5G商用牌照，中國正式進(jìn)入5G商用元年。2019年11月，中國電信、中國移動(dòng)、中國聯(lián)通、中國廣電4大運(yùn)營商公布并正式上線5G商用套餐，中國正式進(jìn)入5G商用時(shí)代。

相對4G網(wǎng)絡(luò)，5G在業(yè)務(wù)特性、接入網(wǎng)、核心網(wǎng)等多個(gè)方面發(fā)生顯著變化，對承載網(wǎng)提出了“更大帶寬、超低時(shí)延、高可靠性”的要求，以及網(wǎng)絡(luò)切片、靈活組網(wǎng)和調(diào)度等新需求。

SA架構(gòu)下，5G承載網(wǎng)為滿足無線、政企等客戶業(yè)務(wù)的承載需求，以及為運(yùn)營商未來流量經(jīng)營的戰(zhàn)略方針提供了安全、可靠的網(wǎng)絡(luò)保障，將加快運(yùn)營商在5G建設(shè)領(lǐng)域的發(fā)展步伐，實(shí)現(xiàn)5G的快速部署。

2 業(yè)務(wù)需求分析

通信技術(shù)的發(fā)展為用戶提供了豐富多彩的業(yè)務(wù)，移動(dòng)通信業(yè)務(wù)領(lǐng)域尤為突出。用戶的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量會(huì)隨著業(yè)務(wù)的應(yīng)用多樣化而增長，對網(wǎng)絡(luò)的容量和帶寬要求也會(huì)增加。要提升網(wǎng)絡(luò)容量，必須智能高效利用網(wǎng)絡(luò)資源。為滿足日益增長的移動(dòng)流量需求，亟需發(fā)展新一代5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

5G網(wǎng)絡(luò)具備更高速率：5G下載速率將是4G的10～20倍，單用戶下載速率從100 Mb/s上升到1 Gb/s。

5G網(wǎng)絡(luò)具備更低時(shí)延：5G時(shí)延將是4G的1/10，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延從10 ms下降到1 ms。

5G網(wǎng)絡(luò)具備更大容量：5G每平方公里連接數(shù)將是4G的20倍以上，網(wǎng)絡(luò)覆蓋連接數(shù)呈幾何倍數(shù)增長，每平方公里的用戶連接數(shù)從5萬增長到100萬。

5G網(wǎng)絡(luò)速率如圖1所示。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)速率圖

5G的3大業(yè)務(wù)應(yīng)用場景包括eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）、mMTC（海量大連接）和URLLC（低時(shí)延高可靠），如圖2所示。5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)將會(huì)帶來高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、工業(yè)控制、無人機(jī)控制、智能駕駛控制、智慧城市以及智能家居等豐富的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

5G時(shí)代運(yùn)營商將圍繞網(wǎng)絡(luò)+連接+內(nèi)容+應(yīng)用，聚焦重點(diǎn)應(yīng)用，積極發(fā)展5G業(yè)務(wù)。21世紀(jì)無“網(wǎng)”不勝的特征，為通信產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了良好的發(fā)展機(jī)遇，為運(yùn)營商提供了廣闊的市場空間[1]。

圖2 5G的3大業(yè)務(wù)應(yīng)用場景

3 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，用戶數(shù)據(jù)流量通過終端接入基站，再由基站通過承載網(wǎng)傳輸至5G核心網(wǎng)，如圖3所示。

圖3 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

對5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)做個(gè)形象的比喻：接入網(wǎng)是“窗口”，負(fù)責(zé)把收集數(shù)據(jù)；承載網(wǎng)是“卡車”，負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)；核心網(wǎng)是“管理中樞”，負(fù)責(zé)管理、分揀數(shù)據(jù)，并判定要傳輸?shù)哪康牡亍?/p>

3.1 接入網(wǎng)

在5G網(wǎng)絡(luò)中，接入網(wǎng)不再由BBU、RRU、天線組成，而是被重構(gòu)為3個(gè)功能實(shí)體，即集中單元（Centralized Unit，CU）、分布單元（Distribute Unit，DU）和有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）。對于CU，原BBU的非實(shí)時(shí)部分將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)；對于DU，BBU的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)；對于AAU，BBU的部分物理層處理功能與原RRU和無源天線合并為AAU。簡而言之，CU和DU以處理內(nèi)容的實(shí)時(shí)性進(jìn)行區(qū)分，AAU就是RRU+天線。

3.2 承載網(wǎng)

承載網(wǎng)是基礎(chǔ)資源，必須先于無線網(wǎng)部署到位。5G想要滿足3大業(yè)務(wù)應(yīng)用場景的要求，承載網(wǎng)必須要進(jìn)行升級(jí)改造。5G網(wǎng)絡(luò)中，為了滿足不同場景的需要，實(shí)現(xiàn)把網(wǎng)元的數(shù)據(jù)傳到另外一個(gè)網(wǎng)元上。5G承載網(wǎng)分為前傳、中傳以及回傳等概念，如圖4所示。

前傳（AAU-DU）可以采用光纖直連、無源WDM方式以及有源WDM/OTN方式。

中傳（DU-CU）和回傳（CU以上）。由于中傳與回傳對于承載網(wǎng)在帶寬、組網(wǎng)靈活性以及網(wǎng)絡(luò)切片等方面需求基本一致，所以可以使用統(tǒng)一的承載方案。此外，5G承載網(wǎng)還將運(yùn)用到FlexE分片技術(shù)、減低時(shí)延的技術(shù)以及SDN架構(gòu)等技術(shù)。

圖4 承載網(wǎng)的前傳、中傳、回傳圖

3.3 核心網(wǎng)

5G核心網(wǎng)采用的是SBA架構(gòu)（Service Based Architecture，即基于服務(wù)的架構(gòu)）。5G核心網(wǎng)相比4G核心網(wǎng)網(wǎng)元大量增加，除了UPF都是控制面。對于5G核心網(wǎng)網(wǎng)元，硬件都是在虛擬化平臺(tái)里面虛擬出來的。采用虛擬化技術(shù)非常容易擴(kuò)容、縮容，也非常容易升級(jí)、割接，相互之間不會(huì)造成太大影響。簡言之，5G核心網(wǎng)就是模塊化和軟件化，就是為了“切片”，就是為了滿足不同場景的需求。5G核心網(wǎng)網(wǎng)元如圖5所示。

比如，在低時(shí)延的場景如自動(dòng)駕駛中，核心網(wǎng)的部分功能要更靠近用戶，放在基站那邊就是“下沉”?！跋鲁痢辈粌H可以保證“低時(shí)延”，更能夠節(jié)約成本。

4 承載網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及部署分析

承載網(wǎng)部署采用核心層、匯聚層和接入層的3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具體如圖6所示。

4.1 接入層

圖5 5G核心網(wǎng)網(wǎng)元圖

圖6 承載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

接入層主要由低端路由器設(shè)備（電信運(yùn)營商一般稱為A設(shè)備）組成，用于基站和政企專線接入。基站AAU通過BBU的設(shè)備端口與接入層設(shè)備端口互聯(lián)，政企專線通過客戶端設(shè)備端口與接入層設(shè)備端口互聯(lián)。接入層設(shè)備以環(huán)型組網(wǎng)為主，可按照業(yè)務(wù)流量需求配置10GE、25GE、50GE或者100GE環(huán)形帶寬。接入層設(shè)備端口也可根據(jù)業(yè)務(wù)需求配置GE端口、10GE端口、25GE端口、50GE端口或者100GE端口。接入層設(shè)備整體配置不能超過設(shè)備總體帶寬能力。接入層設(shè)備一般隨基站BBU分布，規(guī)模大，部署機(jī)房多。設(shè)備高度在2～3U，設(shè)備功耗相比匯聚層設(shè)備核心層設(shè)備最小，主流廠家設(shè)備一般在400～500 W。

接入層設(shè)備與5G基站設(shè)備直接對接，設(shè)備配置需能夠滿足基站BBU上行端口需求和接入層設(shè)備組環(huán)需求，并預(yù)留少量冗余端口。在CRAN場景下，接入層設(shè)備與BBU設(shè)備同機(jī)房部署，采用裸纖的方式設(shè)備進(jìn)行直連。在DRAN場景下，接入層設(shè)備與BBU設(shè)備不同機(jī)房部署時(shí)，采用光纜/OTN傳輸資源，實(shí)現(xiàn)BBU與接入層設(shè)備的互聯(lián)。接入層設(shè)備組環(huán)帶寬能力應(yīng)適當(dāng)超前，充分考慮流量增長的不確定性，至少滿足未來兩三年的流量增長需求，避免后續(xù)割接工作，增加工程復(fù)雜性[2]。

4.2 匯聚層

匯聚層主要由中高端路由器設(shè)備（電信運(yùn)營商一般稱為B設(shè)備）組成，主要用于分區(qū)域匯聚接入環(huán)。匯聚層設(shè)備負(fù)責(zé)接入層設(shè)備的流量匯聚。設(shè)備配置需能夠滿足接入層設(shè)備接入需求以及匯聚層上行和互聯(lián)需求，并預(yù)留少量冗余端口。匯聚層設(shè)備部署在地市較集中區(qū)域，設(shè)備處理能力較接入層設(shè)備明顯增加。為保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，匯聚層設(shè)備在同局點(diǎn)同機(jī)房內(nèi)成對部署。

匯聚層設(shè)備根據(jù)接入環(huán)的上行需求配置設(shè)備端口。若接入環(huán)采用50GE環(huán)形組網(wǎng)帶寬，則匯聚層設(shè)備上必須配置相應(yīng)的50GE端口。若接入環(huán)采用100GE環(huán)形組網(wǎng)帶寬，則匯聚層設(shè)備上必須配置相應(yīng)的100GE端口。同時(shí)，設(shè)備配置必須根據(jù)匯聚層設(shè)備的單槽位能力，配置單槽位單板卡上面的端口數(shù)量。匯聚層設(shè)備上行至核心層設(shè)備可采用U字型組網(wǎng)或交叉雙上聯(lián)組網(wǎng)。設(shè)備上聯(lián)帶寬同樣根據(jù)業(yè)務(wù)流量需求匹配，可配置50GE帶寬或者100GE帶寬，同時(shí)需預(yù)留一定的端口數(shù)量應(yīng)對流量的快速增長。匯聚層設(shè)備整體配置不能超過設(shè)備總體帶寬能力。匯聚層設(shè)備一般按區(qū)域分布，規(guī)模較大，設(shè)備部署在匯聚機(jī)房節(jié)點(diǎn)。設(shè)備高度根據(jù)廠家不同參數(shù)不同，一般在20U左右。因?yàn)樵O(shè)備處理能力提升，設(shè)備功耗較大，一般在4 000 W左右。

匯聚層設(shè)備部署應(yīng)考慮采取覆蓋式部署方式，綜合考慮光纜傳輸資源、合理承接接入層設(shè)備組環(huán)需求，避免造成接入層設(shè)備垮區(qū)域組環(huán)和超大環(huán)出現(xiàn)。匯聚層設(shè)備部署時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮機(jī)房電源系統(tǒng)的能力，提前向機(jī)房電源系統(tǒng)提出設(shè)備的功耗和用電需求，充分預(yù)留設(shè)備加電的條件。若電源系統(tǒng)容量不足，則應(yīng)該提前向機(jī)房提出電源系統(tǒng)的擴(kuò)容和改造申請。

4.3 核心層

核心層主要由高端路由器設(shè)備（電信運(yùn)營商一般稱為ER設(shè)備）組成，主要用于匯接匯聚層設(shè)備的流量，并將收斂后的網(wǎng)絡(luò)流量傳送至5G核心網(wǎng)。核心層設(shè)備屬于高端路由器，設(shè)備處理能力在400G以上，并具備GE、10GE、25GE、50GE、100GE等多種速率的端口。核心層設(shè)備一般以城市為單位，部署在城市核心節(jié)點(diǎn)，采用雙節(jié)點(diǎn)互為備份冗余部署。

核心層設(shè)備需具備可擴(kuò)展性，設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)能力和端口接入能力需滿足2～3年業(yè)務(wù)發(fā)展需求。為滿足5G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延要求，承載網(wǎng)需簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)層級(jí)實(shí)現(xiàn)扁平化，減少設(shè)備數(shù)量，降低傳輸時(shí)延。

5 結(jié) 論

5G網(wǎng)絡(luò)相比4G網(wǎng)絡(luò)，在容量和性能上對承載網(wǎng)提出了更高的要求。5G核心網(wǎng)和無線基站BBU也對承載網(wǎng)提出了大容量、高帶寬、低時(shí)延等新的需求。承載網(wǎng)做為5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的關(guān)鍵一環(huán)，須合理規(guī)劃，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，充分利用新設(shè)備能力進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，為網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。