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5G承载网方案探讨

http://www.c114.com.cn ( 2018/9/5 14:43 )

0  引言

从2G时代的跟随,到4G时代逐渐赶上,5G时代中国有望成为领跑者。三大运营商计划在2018年于全国十几个城市开展5G试验网的建设。

5G带来的不仅仅是更高的带宽,更重要的是容量的提升和时延的降低,这使得更多的业务应用成为可能。根据3GPP的定义,主要包括增强移动宽带(eMBB)、超大规模机器连接(mMTC)、超高可靠超低时延连接(URLLC)三大典型应用场景。

1  5G网络的架构变化

1.1  核心网架构变化

5G核心网分离成控制面(CP)与用户面(UP),其中控制面采用基于服务的架构(SBA),如图1所示。

相比4G核心网,5G最突出的变化是控制与承载彻底分离,并采用了全面云化的部署模式。用户面功能(UPF)采用分布式设计,可根据不同业务特性及对时延的需求,结合移动边缘计算技术(MEC),把部分功能下沉至更靠近用户的网络位置。

以三大典型业务场景为例,eMTC业务对带宽和时延的要求较低,可集中部署在网络较高层面,eMBB业务对带宽和时延要求较高,可适当下沉,URLLC业务对网络时延要求非常高,则下沉至靠近用户的位置,具体部署如表1所示。

表1 核心网网元部署位置表

1.2  无线接入网架构变化

5G无线接入网采用CU与DU分离的C-RAN架构,CU负责处理非实时信息和3层协议栈,DU负责处理实时性要求较高的信息和底层协议栈。CU相对集中设置,多个DU可同时归属于1个CU,这种方式可以更有效地支持多连接以及基站间协同等技术,更好地提高网络吞吐量,降低干扰,提升用户体验。

C-RAN的总体架构可以分为CU、DU、无线远端单元/有源天线单元(RRU/AAU)3级,但基于不同业务场景,实际部署位置可以灵活多变,以适合各类业务的特点,主要有以下3种模式。

模式1:一般情况宏基站采用DU、RRU/AAU分离架构,但对于微基站,DU和RRU/AAU也可以集成在一起。

模式2:在业务容量高,密集部署的场景下。如果传输资源丰富,多个DU可以聚合部署,形成基带池,优化基站资源池的利用率,并且可以利用多个小区的协作传输和协作处理以提高网络的覆盖和容量。

模式3:对于部分高实时和大带宽业务,为了保证高效和时延控制,在传输资源比较丰富的情况下,可以采用高速传输网络或光纤直连RRU/AAU,数据统一传输到中心机房进行处理,减少中间流程,CU和DU部署在一个机房,网络实体也合而为一。

2  5G对承载网的需求

2.1  带宽需求

根据下一代通信网络联盟(NGMN)推荐的带宽规划原则,结合频段划分,设定基础参数如下。

a) 单站峰值带宽=单小区峰值带宽+均值带宽×(N-1)

b) 单站均值带宽=单小区均值带宽×N

c) 三大运营商在3 300~3 600 MHz的5G主用频段中,每家获得了100 MHz的频宽。

d) 基站以典型的3扇区,64T64R的128天线阵列考虑。

e) 频谱效率峰值40 bit/Hz,均值7.8 bit/Hz。

考虑10%封装开销,20%Xn流量,TDD上下行配比1∶3,则在5G低频组网中,单小区峰值带宽为 40 bit/Hz×100 MHz×1.1×0.75=3.3 G,单小区均值带宽为 7.8 bit/Hz×100 MHz×1.1×1.2×0.75=0.772 G,单站峰值带宽为4.84 G(3.3 G+2×0.772 G),单站均值带宽为2.3 G(3×0.772 G)。

2.2  时延需求

NGMN对各类典型场景的端到端时延和带宽限定如表2所示。

表2 典型业务场景网络性能要求表

2.3  切片需求

5G网络的一个重要特征就是引入了切片(Slice)技术,其理念就是将运营商的物理网络逻辑上划分为多个虚拟网络,每个虚拟网络分别适应对带宽、时延、容量、可靠性等需求不同的业务。根据3GPP对网络切片的要求,切片要保证严格隔离,任何切片的维护不影响其他切片;并且切片是弹性可扩展的、开放的,并可以接受第三方应用的统一管理。

核心网、无线网和承载网都要具备切片的能力,并要接受统一的协同和编排。

2.4  三层需求

在4G和4.5G时代,网络流量以南北向为主,基站之间的东西向X2流量为辅,流量逐级汇聚的特点比较明显,因此承载网只在核心和汇聚层引入了三层功能,接入层采用二层隧道。

在5G时代CU、DU存在多种混合部署模式,部分低时延业务核心网UP下沉到边缘,且存在大量站间协同流量,使整体网络流量呈现多方向、全网状的特点,因此边缘接入层引入三层功能成为必然选择。

3  5G承载网建设方案

3.1  整体架构

与4G承载网的2级架构不同,由于CU、DU分离,5G移动承载网可分为移动回传(backhaul)、移动中传(midhaul)和移动前传(fronthaul)3级,如图2所示。

一些新增的功能如移动边缘计算(MEC),将会下沉至汇聚层甚至更低。

采用增强通用公共无线接口(eCPRI)更有效地降低前传带宽。eCPRI是CPRI联盟2017年8月发布的新一代接口标准,对传统CPRI进行了增强,能有效降低前传网络的带宽,理想情况下可使带宽消耗降低近10倍。

根据2.2节计算的单站带宽,假设每个接入环8个站点规模(基站规模=站点规模×3=24),根据NGMN的收敛模型,考虑1/2的收敛比,则接入环理论带宽=(1×峰值+(n-1)×均值))/收敛比=(1×4.84+23×2.3)/2= 28.87 Gbit/s,因此接入环可考虑采用50 GE环网。

按照每个汇聚环下挂4~8个接入环计算,考虑1/2的收敛比,则汇聚环所需带宽为57.74或115.48 Gbit/s,汇聚环可考虑采用100 GE环网。

3.2  前传网络

DU相对集中设置之后,DU与RRU/AAU间的前传网络如果沿用以前的光纤直驱方式,会消耗海量的光缆资源,需综合多方面因素,寻找相对高性价比的承载方案,目前常见的方式及其特性见表3。

表3 2级前传网络技术比较表

从技术比较来看,有源OTN方式可维护性较强,对光纤占用少,是一种相对较好的解决方案,但投资较高,因此可结合实际部署情况综合采用几种方式。

a) 在DU下挂RRU/AAU数量较少,且距离较近的情况下,在光纤资源允许的条件下,可采用光纤直驱。

b) 在DU下挂RRU/AAU数量较多,距离较远,且光纤资源紧张的情况下,可根据投资选择采用无源CWDM或有源OTN方案。

3.3  灵活切片

5G时代的核心网和无线网均采用基于SDN/NFV的网络切片,以满足不同业务对带宽、时延、可靠性的要求。这就要求承载网也必须支持切片技术,网络资源能动态分配释放,不同切片的网络资源能相互隔离,且承载网的切片必须能与核心网、无线网的切片协同,共同实现切片的创建、调整、删除等功能。这依赖于FlexE以及SDN/NFV 2项关键技术的应用。

FlexE是光互连论坛(OIF)所提出的标准,主要通过在标准以太网帧的MAC层与物理编码子层(PCS)之间新增一个垫片(Flex Shim)层来实现时隙调度。Shim采用时分复用机制,可将不同的业务分配到相应的时隙中,实现了超低时延以及严格的物理隔离,为关键业务提供了更好的QoS保障。FlexE切片技术与传统VPN技术相结合,在FlexE的时隙切片中仍然可以承载各种VPN隧道,以进一步提高网络资源利用率。FlexE还可以进行端口捆绑,通过捆绑多条物理链路扩展网络容量,满足大带宽场景的需求,解决了传统以太网链路聚合组(LAG)技术在二层网络中存在的链路利用率不均衡的问题。

5G的网络切片是一个包含了核心网、无线网、承载网的端到端的逻辑网络,要想更好地实现多网络协同,承载网必须采用控制面与转发面分离的SDN架构,转发面可利用FlexE和VPN相结合的技术来实现切片之间的隔离,而控制面与核心网、无线网的SDN控制器进行协同,并接受高层编排器的统一管理,才能够完成端到端的业务链编排。这部分涉及到很多领域接口标准化的工作,还有待于各组织的共同努力推动。

3.4  低时延保障

降低时延需要核心网、承载网、空口3方面共同努力,本文主要讨论承载网的时延降低。承载网的时延主要由设备转发时延和光纤时延2部分构成。一般来说,网络轻载时设备转发时延在50 μs以下,重载时高优先级业务仍然可以保证在50 μs以下。光纤时延可近似按照5 μs/km计算。因此,降低时延可从以下3个方面进行考虑。

a) 缩短传输距离:一方面核心网、MEC下沉,减少传输距离;另一方面L3到边缘,优化数据传输路径;双管齐下。

b) 更有效的QoS手段:采用FlexE等技术实现子MAC间物理隔离,提供更好的拥塞控制,在网络重载时仍能够保障高优先业务的快速转发。

c) 降低设备时延:采用直通转发技术降低接口处理时延;优化NP内核使之能感知优先级,为低时延业务开辟专用通道;低时延业务采用报文直通调度及抢占调度机制;通过多种技术共同降低设备时延。

4  4G、5G混合组网过渡方案探讨

5G业务是逐步开展的,必将有很长一段时间的混合组网,5G核心网存在非独立组网(NSA)和独立组网(SA)2种模式,如图3所示,其中NSA标准成熟度较高,预计运营商早期组网将采用NSA模式,4G核心网升级后可同时支持4G及5G的无线网络。在这一时期,可满足部分区域的eMBB业务,但对mMTC,特别是URLLC支持较弱。4G、5G混合组网大致可分为以下3个阶段。

图3 4G、5G混合组网示意图

a) 初期:4G核心网升级为NSA,基站依然以4G的eNodeB为主,新建少量5G基站(NR);接入网可与4G共用,仍可保持10 GE环网为主,视5G基站数量,部分密集区域可扩容至50 GE环网,前传网络可根据情况灵活选择光纤直驱、有源OTN 2种方式。

b) 中期:新建NSA模式5G核心网(NGC),网络上会出现大量5G基站,接入网以50 GE环为主,汇聚环以100 GE环为主,前传网络选择不变。

c) 成熟期:采用SA模式建设5G核心网,NR软件进行升级以支持SA,承载网采用支持FlexE和SDN的设备,全面支持mMTC及URLLC业务。

5  结束语

5G承载网绝不仅是简单的带宽升级,必须考虑与核心网、无线网的紧密协同,以更好地实现端到端的网络切片,并提供灵活的、高可靠性、低时延承载网络。目前ITU-T、3GPP、CPRI、OIF等多个标准化组织也在积极开展承载网相关的标准化工作。要想做好承载网的规划和建设,除跟踪承载网本身的技术进展外,也必须深入了解5G核心网、无线网的架构变化以及建设思路。4G向5G演进将是一个漫长的过程,这需要多专业紧密协同,在对网络现状进行充分调研的基础上,分阶段、分步骤的制订切实可行的演进路径。

参考文献:

[1] 崔新凯,魏克敏,王飞. 5G五大空口技术研究[J]. 互联网天地,2017(6):35-39.

[2] NGMN. 5G White Paper[EB/OL].[2017-12-12]. https://www.ngmn.org/5g-white-paper/5g-white-paper.html.

[3] 赵文玉,张海懿. 5G对承载网提出众多变革多种方案争奇斗艳[J]. 通信世界,2017(27):53-54.

作者:张云帆   来源:《邮电设计技术》2018年第5期

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