為了探討5G承載網演進方案，從5G網絡演進架構及5G承載網絡指標關鍵需求入手，分析了對5G承載網的影響，提出了以業務為驅動的網絡演進觀點，最后對基于IP RAN的4G/5G統一承載解決方案進行了研究，給出了5G承載網演進方案建議，為運營商5G承載網的演進提供了參考。
1 引言
隨著2020年5G正式商用進程的推進，移動通信已逐步走向5G時代。
在5G網絡建設初期，由于頻段較高、傳播損耗較大等原因，很難做到全覆蓋，存在NSA（Non-standalone）/SA（Standalone）多種組網架構選擇。NSA非獨立組網采用LTE與5G聯合組網方式，利用現有覆蓋良好的4G網絡實現5G NR（New Radio，新空口）的快速引入，而SA獨立組網則可以更好地體現出5G技術優勢以提高服務質量，但對5G NR連續覆蓋要求更高，引入周期長。目前3GPP標準組織優先考慮非獨立組網模式，預計2017年底將首先完成非獨立組網標準，隨后在2018年7月完成5G獨立組網相關標準[1]。
相應地，5G承載網的演進不僅需考慮帶寬、時延等相關網絡指標的滿足，還需考慮5G承載的靈活組網、4G/5G共站承載及與現有網絡的銜接等實際需求，4G/5G共存組網的統一承載是5G承載網演進中的關鍵問題。
本文首先對5G網絡演進架構及5G承載網絡指標需求進行了介紹，然后分析了對5G承載網的影響，提出了以業務為驅動的網絡演進觀點及基于IP RAN的4G/5G統一承載方案，最后對5G承載網演進方案進行了建議。
2 5G架構演進
2.1 核心網架構演進
4G時代，核心網大多采用省集中部署方式，面對5G多樣化的業務需求，5G核心網將實現云化演進，根據低時延uRRLC（超可靠、低延遲通信）、eMBB（增強移動寬帶）、mMTC（大型機器類型通信）等不同業務需求集中部署或部分下沉（如圖1所示），實現更加靈活的網絡架構，具體為應用網關下移、協同就近轉發、流量本地終結、去中心化趨勢明顯。
圖1 5G核心網云化，按需下沉
2.2 基站架構演進
（1）架構變化
5G時代對4G BBU與RRU功能進行了重新切分，RAN劃分為AAU（Active Antenna Unit，有源天線處理單元）、DU（Distribute Unit，分布單元）、CU（Centralized Unit，集中單元）部分。CU功能靈活部署，可與DU共址部署，也可集中云化部署在X86服務器上。
目前3GPP已完成AAU與DU、DU與CU之間切分接口的標準化，BBU的部分物理層處理功能與原RRU合并為AAU，BBU非實時部分分割出來，重新定義為CU，負責處理非實時協議和服務，BBU剩余功能重新定義為DU，負責處理物理層協議和實時服務[2]，如圖2所示：
圖2 5G RAN功能重劃分
（2）5G新型前傳接口-eCPRI
在架構演進的基礎上，5G對基帶處理功能與遠端射頻處理功能之間前傳接口進行了新的定義。
4G時代前傳接口基于CPRI協議，5G時代在大帶寬、多流、Massive MIMO等技術發展的驅動下，傳統前傳CPRI接口對傳輸帶寬要求太高，根據計算，5G CPRI流量在低頻100 M/64T64R配置下將達到400 G，CPRI聯盟為此對前傳接口重新定義eCPRI標準，以降低帶寬要求，eCPRI接口（5G AAU與DU/CU間接口）預計最大采用25 G接口，支持以太封裝、分組承載和統計復用[3]。
2.3 5G架構演進對承載網影響
根據以上架構的演進，5G演進過程中，對承載網帶來了以下變化：
1、 （1）無線核心網云化帶來流量流向的多元化，4G時代，業務流量只有S1、X2兩種類型，且S1流向固定，5G時代還將出現DC間流量，S1流量根據核心網部署位置的不同，存在多流向，承載網需實現統一承載。
2、 （2）5G RAN的部署方式，由于CU、DU功能的分離，帶來多種組網方式，包括傳統的D-RAN部署方式、BBU集中的C-RAN部署[4]方式及CU云化部署的Cloud-RAN（如圖3所示）。當采用Cloud-RAN部署方式時，5G承載網被分割為前傳（Fronthaul，AAU到DU）、中傳（Midhaul，DU到CU）、回傳（Backhaul，CU到核心網）三部分。相對于4G承載網，5G承載網增加了中傳網絡。
圖3 RAN部署架構
3 5G承載網關鍵需求分析
3.1 4G、5G關鍵指標對比分析
承載網絡指標包括帶寬、時延、時鐘同步等關鍵需求，表1對4G、5G關鍵指標需求進行了對比：
表1 4G/45網絡關鍵指標對比
從承載網絡帶寬、時延、同步等網絡指標來看（表1），5G網絡相對于4G網絡主要變化體現為：
（1）基站帶寬需求大幅提升，預計為4G帶寬10~100倍；
（2）端到端時延需求縮短，主要體現在uRLLC超低時延業務，eMBB及mMTC業務相對于4G變化不大。
3.2 5G承載網建設接入環帶寬需求分析
如表1所示，4G單基站理論峰值帶寬150 Mbit·s-1~300 Mbit·s-1，現有4G業務通過IP RAN承載，接入環以GE環為主進行建設，每接入環6~8個基站接入。如表2所示，根據廣州、深圳現網典型接入環2016年1月至2017年8月的實際流量情況，一個接入環實際最大帶寬為183 Mbit·s-1，遠小于理論值，接入環帶寬利用率較低。
因此，承載網演進建設的帶寬需求除了理論需求值，還與用戶行為、用戶滲透率等存在較大關聯，需綜合考慮分析用戶行為、用戶滲透率及新業務引入速度等相關因素。5G承載網帶寬的建設應以業務驅動為主，按實際流量增長建網，而非理論帶寬，預測在很長一段時間，10GE接入環可滿足絕大多數5G業務場景，對于一些高密集熱點地區或BBU資源池堆疊場景，根據流量情況可引入25 GE/50 GE環，接入設備以10 GE接口為主，具備25 GE/50 GE演進能力。
表2 現網廣州、深圳典型接入環流量情況（2016年1月至2017年8月）
3.3 5G承載網建設對時延需求考慮
5G承載另一關鍵需求變化為超低時延業務的低時延需求，根據2.1節內容，可通過按需網關下沉等網絡架構調整降低網絡傳輸時延。
目前現網通過儀表發包測試，4G IP RAN承載網雙向時延城域內小于1 ms，典型省份（500 km基本覆蓋大部分區域，包括光纖傳輸時延）雙向時延控制在8 ms以內，從指標上看可滿足5G承載時延需求，對于時延要求嚴格的業務可通過網絡架構的調整解決承載業務低時延需求。
4 5G承載網解決方案
本節對5G承載網解決方案進行探討，在第2節5G架構演進分析中提到，5G承載網絡分為前傳、中傳及回傳三部分。中傳網絡由于CU的云化部署引入，目前中傳單DU帶寬與回傳網絡相當，從流量上看，CU/DU分離對承載網無影響，且從簡化網絡架構與運維角度考慮，中傳方案應與回傳方案應保持一致。
因此本節從前傳承載及中傳、回傳承載兩部分對5G承載網解決方案進行了介紹。
4.1 前傳承載
5G時代，前傳接口從CPRI向eCPRI演進，前傳承載要求大帶寬（單RRU帶寬25G）、低時延（<100 μs）等需求，對于前傳網絡承載，本文認為應主要采用光纖直驅為主，在光纖資源不足情況下，可少量引入波分方案或WPON。前傳承載方案對比分析如表3所示：
表3 前傳承載方案對比分析
4.2 中傳、回傳承載
目前4G回傳網絡通過IP RAN承載[7-8]，根據第3節對5G承載網關鍵需求的分析，本文認為通過現有IP RAN設備的升級，可滿足5G網絡承載的更大帶寬、更低時延的通信需求，且IP網絡天生具備靈活多連接等特性，同時從投資保護及4G/5G共站址的角度，通過IP RAN實現4G/5G的統一承載（如圖4所示）是快速實現5G網絡承載的方案。
圖4 5G承載組網架構
（1）大容量帶寬演進：具備1 0GE、25 GE、50 GE、100 GE、200 GE、400 GE能力；
（2）SDN技術應用：通過SDN技術[9]，提升網絡智能運營和智能維護能力，實現網絡能力開放；
（3）新技術的引入：引入Segment Rtouting[10]、FlexEth等技術，實現網絡承載能力的提升。
4.3 5G承載現網演進方案建議
最后，按照5G建設進程，將5G承載網演進分為5G試點、5G商用及5G規模商用三個階段，從業務需求、帶寬需求及網路演進等方面對5G承載網演進方案進行了建議，如表4所示：
表4 5G承載網演進建議
5 結束語
應對未來5G時代的海量連接和流量劇增，承載網絡如何快速經濟的部署和演進，是運營商搶占5G先機發揮商用價值的關鍵。2017年隨著各大運營商5G外場測試的開展，對5G承載技術的研究和設備演進進入了關鍵論證期，本文從5G架構演進對承載網的影響入手分析，同時分析了5G承載網絡關鍵指標，提出5G承載網的帶寬需求及架構演進應以業務發展為主要驅動，同時，需要考慮4G/5G的共站承載及現網銜接等關鍵問題，最后對5G承載網解決方案進行了探討，給出了5G承載網絡演進建議。
參考文獻：
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[2] 3GPP TR.38.816. Study on CU-DU lower layer split for NR[S]. 2017.
[3] eCPRI Specification V1.0. Common Public Radio Interface：eCPRI Interface Specification[S]. 2017.
[4] 中國移動通信研究院. 5G C-RAN白皮書[S]. 2016.
[5] 3GPP TR 38.913 v14.3.0. Study on scenarios and requirements for next generation access technologies[S]. 2017.
[6] NGMN. NGMN_5G_White_Paper_V1_0[EB/OL]. [2017-11-14]. https://www.ngmn.org/5g-white-paper/5g-white-paper.html.
[7] 楊廣銘,梁筱斌,閻璐,等. LTE海量基站業務承載網絡優化方案分析[J]. 電信科學, 2013(8A): 110-114.
[8] 易昀,楊廣銘,黃卓君,等. 全業務運營環境下的IP RAN組網技術與部署方案研究[J]. 移動通信, 2010,34(17): 20-24.
[9] 孫嘉琪,楊廣銘,盧泉. IP RAN SDN的研究與實踐[J]. 互聯網天地, 2014(9): 44-49.
[10] 何曉明,盧泉,刑亮. 分段路由網絡研究及其在流量工程中的應用[J]. 電信科學, 2016,32(6): 186-194. ★
作者簡介
孫嘉琪：工程師，碩士，現任中國電信股份有限公司廣州研究院，從事IP技術研究和相關工作。
李玉娟：碩士，現任職于中國電信集團公司，從事IP技術研究和相關工作。
楊廣銘：高級工程師，碩士，現任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，從事IP技術研究和相關工作。
