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5G网络架构及其对承载网的影响

http://www.c114.com.cn ( 2018/8/8 14:09 )

【摘要】5G移动通信网络LTE网络相比,在架构上有很大的变化,因此首先从承载网的角度分析比较了5G网络架构与LTE的区别,以及这些变化对承载网的影响,随后分析了在当前阶段,5G网络设备和部署方面存在的一些不确定性及其对承载网的影响,并针对这些不确定性提出一些建议。

【关键词】5G网络架构    无线接入网    承载网

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.01.000      中图分类号:TN915.05      文献标志码:A      文章编号:1006-1010(2018)01-0000-00

引用格式:王海军,王光全,郑波,等. 5G网络架构及其对承载网的影响[J]. 移动通信, 2017,42(1): 00-00.

5G Network Architecture and the Influences on x-Haul Network

WANG Haijun1, WANG Guangquan1, Zheng Bo2, PANG Ran1, SHI Yan1

(1. China Unicom Network Technology Research Institute, Beijing 100048, China;

2. China Information Technology Designing & Consulting Institude Co., Ltd., Beijing 100048, China)

[Abstract] Compare with LTE system, 5G system is marked by many new characteristic, especially on network architecture. This paper compares 5G network architecture with LTE, analyze the influence of these differences on x-haul network. Some uncertainties of 5G equipment and employment policy and the influence of these uncertainties on x-haul are discussed. Several suggestions are proposed for 5G system and equipment.

[Key words] 5G architecture    RAN    carrying network

1   引言

3GPP(3rd Generation Partnership Project)提出了5G网络的无线接入网(RAN)和核心网的新架构,与LTE网络有较大的区别,RAN网络的功能重新划分[1]及部署方式对承载网络的架构将产生较大影响,而5G网络的三大应用场景对网络性能要求的巨大差异,推动核心网切片及分布式部署[2],也对承载网的架构和性能有较大影响。

本文从承载网络的视角,对比LTE网络架构,对5G网络的架构特点和部署特点进行分析,提出了5G网络设备、部署方式等存在的不确定性,以及这些不确定性对承载网的影响。

2   5G网络架构特点

5G网络架构无论是RAN部分还是核心网部分,都与LTE网络有较大的区别,以下分别从承载网络的视角对LTE和5G的网络架构进行分析比较。

2.1  LTE网络架构特点

LTE RAN网络主要由2个网元组成,分别是RRU和BBU,如图1所示[3]:

图1    LTE网络架构示意图

(1)每个RRU与一个BBU相连,RRU间没有直接连接;

(2)BBU之间的切换可以利用S1接口经核心网(EPC)实现;也可经BBU间的X2接口实现[4]。在实际LTE网络中基站间的切换主要通过S1接口,以简化网络的部署[3]。

根据CPRI接口规范[5],RAN部署方式有两种:1)分布部署方式,BBU和RRU部署在同一站点,前传属于站内连接;2)集中部署方式,BBU和RRU部署在不同的站点,前传属于站间连接。这两种方式都有比较广泛的应用。

LTE核心网主要包括MME和S-GW两类网元,国内运营商多采用按省集中部署的方式。

2.2  5G网络架构特点

5G RAN网络主要由3个网元组成[1][6],分别是AAU、DU、CU,如图2所示:

图2    5G网络架构示意图

(1)DU以星型方式连接多个AAU(也称为“前传”),AAU间没有直接连接需求,AAU和DU之间采用eCPRI接口。

(2)CU以星型方式连接多个DU(也称为“中传”),DU间没有直接连接需求,DU和CU间采用以太网接口。

(3)基站间的切换等功能通过CU间的Xn接口实现[7]。

5G网络RAN的部署方式主要有三种,如图3所示:

(1)分布式RAN   (2)DU/CU集中RAN  (3)DU、CU分别集中RAN

图3    5G RAN的三种部署方式

(1)分布式部署:AAU、DU和CU部署在相同的站点,前传和中传都属于站内连接。

(2)DU/CU集中部署:AAU与DU/CU部署在不同的站点,DU/CU集中部署在同一站点,前传属于站间连接,中传属于站内连接。

(3)DU和CU分别集中部署:AAU、DU、CU均在不同的站点,前传、中传都属于站间连接。

5G的核心网主要包括控制面(CP)和用户面(UP)两类网元:

(1)控制面(CP)采用云化集中部署,对时延的要求为10 ms[8],流量也不大,国内运营商选择按省集中部署的方式可能性比较大。

(2)用户面将采用根据业务特点切片部署的方式[2],根据不同类型的业务的功能、性能等进行网络切片,并分别进行部署,不同切片部署在网络的不同层级。

2.3  LTE和5G网络架构主要差异分析

LTE和5G网络架构的主要差异如表1所示。相比于LTE网络,5G网络部署方式更加多样化,这种多样化的部署方式对实际网络部署,存在较大的不确定性。

表1    LTE和5G网络架构

3   5G网络架构的不确定性及其对承载网的影响

5G网络的架构已经明确,典型5G网络部署的结构示意如图4所示,但落实到设备和部署策略上还有较多的不确定性。

图4    5G网络部署结构示意图

3.1  5G的前传要求与LTE兼容

国内运营商在LTE阶段普遍采用BBU小规模集中部署的方式,这种方式大大降低了网络部署成本,包括基站机房、电源、传输设备等,已经成为国内运营商LTE网络建设的发展趋势。在5G阶段,运营商将会继续采用DU集中部署的方式。

CPRI接口规范定义的前传距离不小于10 km[5]。eCPRI网络规范[6]没有明确前传的目标距离,但定义了前传的单向传输时延应小于100 μs,折算成在光纤上的传输距离应小于20 km。这两者的目标距离比较接近。国内运营商在LTE阶段较多地采用BBU小规模集中部署的方式,BBU-RRU间的距离普遍小于10 km。当5G网络采用图3所示的方式(2)、(3),进行DU集中部署时,DU集中的站点位置与LTE BBU集中的站点位置相同,现有LTE的前传光缆网络可以利用。前传的距离小于10 km,可以利用比较成熟的10 km标准的25 Gbit/s光接口,网络成本也比较低。

工信部确定的5G网络工作频率是3.3 GHz—3.6 GHz和4.8 GHz—5.0 GHz频段[9],远高于LTE的2.1 GHz/2.6 GHz频段,因此5G基站的密度预计将是LTE基站的1.5倍左右,运营商在5G部署时期采取何种部署策略(热点部署、区域性连续覆盖等),对前传光缆网络的影响较大,若采用连续覆盖部署的方式,运营商需要大量建设基站接入光缆。

3.2  CU/DU分离部署的不确定性

3GPP提出了CU/DU的分离功能架构,运营商也希望CU能够在更高层面部署(如本地网的汇聚节点,甚至核心节点),简化基站间协同的组织,提高协同效率,同时实现CU与DU的解耦。

目前设备供应商尚不能提供商用化的CU和DU设备,CU和DU是否能够实现分离部署、设备的容量和能力均不确定。

CU、DU能否分离部署将影响到在承载网络上是否存在中传段,基站间的连接数将会有上百倍的差异,对承载网络的结构和路由能力有较大的影响。例如:一个典型城市的汇聚节点数量约30个,POP点的数量约300个。若CU部署在汇聚节点,DU到CU的连接是汇聚型连接,CU间的连接是分布式连接,CU间全mesh连接需要的连接数为435个,在本地承载网的核心汇聚层采用IP网络技术,这种连接是比较容易满足的。若CU部署在POP点,所有POP点间CU分布式连接的数量将达到4.5万个;若每个基站都单独部署CU功能,CU间的连接数量将会更大。这将要求本地承载网的边缘层也必须采用IP网络技术,并且要具有很强的路由能力。

因此,从承载网的角度,也支持CU集中部署。根据上述典型城市的网络结构特点,平均每个汇聚点汇聚的基站数量在100~200个之间,CU可带的基站数量应在200个左右。

3.3  DU的不确定性

5G网络标准提出了DU设备池组化的目标,运营商希望采用DU池组化集中部署的方式,将来自多个基站的业务汇聚后统一传到CU上,可大大提高DU的效率,也有利于基站间协同策略的部署。但DU设备是否能够池组化还不明确,目前厂商能够提供的DU设备基本上还是每个基站一个DU,即便DU集中在一起,也是多台DU设备的堆叠,无法做到基带资源的共享。DU是否池组化,对中传的技术方案的选择将有较大的影响:

(1)池组化DU能够带的基站数量:运营商希望一个POP点的DU池能够将POP点覆盖的基站全部带起来,根据3.2节的典型城市POP点分布,平均每个POP点带的基站数量在10~20个之间(30~60个AAU),因此DU池应能够带20个左右的基站,或者可分成多档(比如5、10、20三档),根据不同POP点的覆盖范围,选择不同的DU池。但现在只有个别厂商有池组化的DU产品路标,池组化DU的容量目标业界尚未达成共识。

(2)DU中传接口的速率和数量:若DU能够池组化,一个带20个基站的DU池仅需2个25 Gbit/s的中传接口,将来自多个基站的业务汇聚收敛后统一传到CU上,每个中传接口的终期带宽利用率可达到60%以上。若DU不能池组化,每个DU仅能够带几个AAU(3~6个),每个DU至少需要一个10 Gbit/s中传接口,终期的带宽利用率将会在30%左右,该端口无法利用中传业务统计复用的特点,提高带宽利用率。DU中传端口数量将是池组化DU的10倍,中传的成本将远高于池组化DU方式。

从承载网的成本考虑,DU池组化对带宽进行汇聚和收敛是非常有价值的。

3.4  CU的不确定性

CU容量的大小决定了CU的数量和部署的位置,对承载网的性能需求也有较大的差异。3.2节提出每个CU应能够汇聚200个左右基站的业务,但业界尚未就CU的容量目标达成一致,这也给承载网的技术选择和方案带来较大的不确定性。

若CU的容量能够达到200个基站左右,则CU可以部署在典型城市的汇聚节点,并汇聚本汇聚节点下的所有基站的业务,DU到CU的中传业务属于典型的点到多点业务模型,可以采用较为简单的一层或二层网络技术,不必采用三层网络技术。若CU的容量较小,在典型城市的汇聚节点,需要部署多台CU才能汇聚本汇聚节点下的所有基站的业务,DU到CU的中传业务属于典型的多点到多点的业务模型,需要中传网络支持一定的三层功能,将提高中传网络的建设成本。

3.5  UP部署的不确定性

核心网UP根据不同的业务特点切片部署已经比较明确,但各个切片部署的位置尚未确定,在5G初期主要是eMBB和mMTC业务。uRLLC相关标准尚未完成,UP-eRLLC部署策略待研究。

eMBB业务单向时延小于10 ms[10],同时也是5G网络流量最大的部分,基于时延和流量优化的目的,UP-eMBB会从LTE的省集中方式下沉到各个本地网,随着CDN网络的下沉,UP-eMBB甚至会下沉到本地网的汇聚层。目前,国内运营商尚未有UP-eMBB部署在本地网的核心层,依旧采用汇聚层的明确策略。UP-eMBB部署的位置决定UP节点的数量和单个UP网元的容量,同时也影响到5G核心网接入互联网的位置和方案,对承载网性能指标的要求也有较大差异。

mMTC业务对时延不敏感,因此UP-mMTC将在较高层面集中部署,如省集中或大区部署,需要承载网同时提供本地和骨干的承载能力。

3   5G网络部署的建议

业界尚未有全功能5G网络的商用部署案例,5G网络架构和设备形态、部署方式都存在较大的不确定性,这些不确定性将对5G网络的部署方案和成本有巨大影响。本文通过对5G网络部署中一些不确定性问题的分析,提出以下建议:

(1)基站应采用适度规模集中部署方式,充分利用现有LTE网络的前传光缆网络资源,在5G做连续覆盖时,新增基站前传光缆建设应充分利用现有光缆网资源。

(2)DU设备应支持池组化功能,部署在现有POP点,提高基站协同的效率,降低中传网络成本,并能够充分利用现网前传和回传光缆网络资源。建议设备供应商加快开发DU池产品,每个DU池可带的基站数量应在5~20个左右,可分成多档,比如5、10、20等多档,满足不同类型POP点的需要。

(3)CU与DU分离部署是5G网络架构的亮点,将CU部署在汇聚节点,可简化中传技术方案,降低网络成本,并能够大量减少基站间Xn接口的连接数量,降低对回传网络的性能要求。根据对典型城市的站点布局的分析,建议每个CU应能够汇聚200个左右个基站的业务。

(4)核心网用户面可采用切片部署的方式,UP-eMBB在业务质量可保证的情况下,尽量部署在城域核心,设备集中也有利于提高资源效率,减少对本地网数据中心机房数量的要求,同时也减少回传网络对骨干承载网的需求。

5G网络架构的变化,对本地承载网的边缘层(POP点到汇聚点间的网络层级)影响最大,按照上述网络部署架构的建议,仅需要在本地网的核心汇聚层采用三层承载技术,边缘层可以采用一层或二层传输设备(如PeOTN等)组织,降低网络的建设成本和维护成本。

在目前5G技术还存在如此多的不确定性情况下,在2020年进行全国性规模部署还存在以下风险:

(1)5G网络和设备的一些新技术、新功能难以在网络中实现;

(2)未来网络升级采用这些新技术、支持这些新功能的成本比较高,环境代价比较大。

中国几个运营商在3G和LTE阶段都是在其他运营商几年后部署,设备的成熟度和稳定性都比较高,不确定性小,建设成本低,因此运营商能够在2~3年基本建成一张全国连续覆盖的网络。因此,中国运营商若想在5G网络部署领先世界,必须考虑上述不确定性的风险因素,建议适度把握5G部署节奏,降低上述风险的负面影响。

4   结束语

本文通过对LTE和5G网络架构的对比,分析了5G网络架构的特点,对目前5G网络架构、部署方式、设备形态存在的不确定性进行了深入的分析,指出这些不确定性对承载网的影响,提出对这些不确定性因素的发展建议及相应的承载技术方案。

参考文献:

[1] TR 38.401 V1.0.0. 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network, NG-RAN; Architecture Description (Release 15)[S]. 2017.

[2] TR 23.799 V14.0.0. 3GPP Technical Specification Group Services and System Aspects, Study on Architecture for Next Generation System (Release 14)[S]. 2016.

[3] 王海军. LTE业务对回传网络需求特点的分析[J]. 邮电设计技术, 2013(11): 1-4.

[4] TS 36.300 V14.4.0. 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA), and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network, (E-UTRAN); Overall description; Stage 2 (Release 14)[S]. 2017.

[5] CPRI Specification V6.0. Common Public Radio Interface (CPRI); Interface Specification[S]. 2013.

[6] eCPRI Transport Network V1.0. Common Public Radio Interface:Requirements for the eCPRI Transport Network[S]. 2017.

[7] TR 38.912 V14.1.0. 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network, Study on New Radio (NR) access technology; (Release 14)[S]. 2017.

[8] TR 38.913 V14.3.0. 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network, Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies; (Release 14)[S]. 2017.

[9] 工业和信息化部. 工业和信息化部关于第五代移动通信系统使用3300—3600MHz和4800-5000MHz频段相关事宜的通知[Z]. 2017.

[10] TR 22.863 V14.1.0. 3GPP Technical Specification Group Services and System Aspects, Feasibility Study on New Services and Markets Technology Enablers-Enhanced Mobile Broadband; Stage 1(Release 14)[S]. 2016. ★

作者简介

王海军:教授级高级工程师,硕士毕业于浙江大学,现任中国联合网络通信有限公司网络技术研究院高级技术专家,主要研究方向为光通信网络技术及应用、标准、网络部署策略等。

王光全:教授级高级工程师,现任中国联合网络通信有限公司网络技术研究院网络技术研究部主任,享受国务院政府特殊津贴,国家科技奖评审专家,工业和信息化部通信科技委传送与接入咨询委员会专家组成员,ITU-T国际标准编辑人,国家863项目课题负责人。

郑波:高级工程师,毕业于南京邮电学院光信息技术系,主要研究方向为长途传输光网络的规划、设计和新技术应用。

作者:王海军 王光全 郑波 庞冉 师严   来源:《移动通信》2018年1月

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