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5G承載網方案探討
[ 通信界 | 張云帆 | www.6611o.com | 2018/11/14 21:11:38 ]
 

0  引言

從2G時代的跟隨,到4G時代逐漸趕上,5G時代中國有望成為領跑者。三大運營商計劃在2018年于全國十幾個城市開展5G試驗網的建設。

5G帶來的不僅僅是更高的帶寬,更重要的是容量的提升和時延的降低,這使得更多的業務應用成為可能。根據3GPP的定義,主要包括增強移動寬帶(eMBB)、超大規模機器連接(mMTC)、超高可靠超低時延連接(URLLC)三大典型應用場景。

5G網絡的架構變化

1.1  核心網架構變化

5G核心網分離成控制面(CP)與用戶面(UP),其中控制面采用基于服務的架構(SBA),如圖1所示。

相比4G核心網,5G最突出的變化是控制與承載徹底分離,并采用了全面云化的部署模式。用戶面功能(UPF)采用分布式設計,可根據不同業務特性及對時延的需求,結合移動邊緣計算技術(MEC),把部分功能下沉至更靠近用戶的網絡位置。

以三大典型業務場景為例,eMTC業務對帶寬和時延的要求較低,可集中部署在網絡較高層面,eMBB業務對帶寬和時延要求較高,可適當下沉,URLLC業務對網絡時延要求非常高,則下沉至靠近用戶的位置,具體部署如表1所示。

表1 核心網網元部署位置表

 1.2  無線接入網架構變化

5G無線接入網采用CU與DU分離的C-RAN架構,CU負責處理非實時信息和3層協議棧,DU負責處理實時性要求較高的信息和底層協議棧。CU相對集中設置,多個DU可同時歸屬于1個CU,這種方式可以更有效地支持多連接以及基站間協同等技術,更好地提高網絡吞吐量,降低干擾,提升用戶體驗。

C-RAN的總體架構可以分為CU、DU、無線遠端單元/有源天線單元(RRU/AAU)3級,但基于不同業務場景,實際部署位置可以靈活多變,以適合各類業務的特點,主要有以下3種模式。

模式1:一般情況宏基站采用DU、RRU/AAU分離架構,但對于微基站,DU和RRU/AAU也可以集成在一起。

模式2:在業務容量高,密集部署的場景下。如果傳輸資源豐富,多個DU可以聚合部署,形成基帶池,優化基站資源池的利用率,并且可以利用多個小區的協作傳輸和協作處理以提高網絡的覆蓋和容量。

模式3:對于部分高實時和大帶寬業務,為了保證高效和時延控制,在傳輸資源比較豐富的情況下,可以采用高速傳輸網絡或光纖直連RRU/AAU,數據統一傳輸到中心機房進行處理,減少中間流程,CU和DU部署在一個機房,網絡實體也合而為一。

5G對承載網的需求

2.1  帶寬需求

根據下一代通信網絡聯盟(NGMN)推薦的帶寬規劃原則,結合頻段劃分,設定基礎參數如下。

a) 單站峰值帶寬=單小區峰值帶寬+均值帶寬×(N-1)

b) 單站均值帶寬=單小區均值帶寬×N

c) 三大運營商在3 300~3 600 MHz的5G主用頻段中,每家獲得了100 MHz的頻寬。

d) 基站以典型的3扇區,64T64R的128天線陣列考慮。

e) 頻譜效率峰值40 bit/Hz,均值7.8 bit/Hz。

考慮10%封裝開銷,20%Xn流量,TDD上下行配比1∶3,則在5G低頻組網中,單小區峰值帶寬為 40 bit/Hz×100 MHz×1.1×0.75=3.3 G,單小區均值帶寬為 7.8 bit/Hz×100 MHz×1.1×1.2×0.75=0.772 G,單站峰值帶寬為4.84 G(3.3 G+2×0.772 G),單站均值帶寬為2.3 G(3×0.772 G)。

2.2  時延需求

NGMN對各類典型場景的端到端時延和帶寬限定如表2所示。

表2 典型業務場景網絡性能要求表

2.3  切片需求

5G網絡的一個重要特征就是引入了切片(Slice)技術,其理念就是將運營商的物理網絡邏輯上劃分為多個虛擬網絡,每個虛擬網絡分別適應對帶寬、時延、容量、可靠性等需求不同的業務。根據3GPP對網絡切片的要求,切片要保證嚴格隔離,任何切片的維護不影響其他切片;并且切片是彈性可擴展的、開放的,并可以接受第三方應用的統一管理。

核心網、無線網和承載網都要具備切片的能力,并要接受統一的協同和編排。

2.4  三層需求

在4G和4.5G時代,網絡流量以南北向為主,基站之間的東西向X2流量為輔,流量逐級匯聚的特點比較明顯,因此承載網只在核心和匯聚層引入了三層功能,接入層采用二層隧道。

5G時代CU、DU存在多種混合部署模式,部分低時延業務核心網UP下沉到邊緣,且存在大量站間協同流量,使整體網絡流量呈現多方向、全網狀的特點,因此邊緣接入層引入三層功能成為必然選擇。

5G承載網建設方案

3.1  整體架構

與4G承載網的2級架構不同,由于CU、DU分離,5G移動承載網可分為移動回傳(backhaul)、移動中傳(midhaul)和移動前傳(fronthaul)3級,如圖2所示。

一些新增的功能如移動邊緣計算(MEC),將會下沉至匯聚層甚至更低。

采用增強通用公共無線接口(eCPRI)更有效地降低前傳帶寬。eCPRI是CPRI聯盟2017年8月發布的新一代接口標準,對傳統CPRI進行了增強,能有效降低前傳網絡的帶寬,理想情況下可使帶寬消耗降低近10倍。

根據2.2節計算的單站帶寬,假設每個接入環8個站點規模(基站規模=站點規模×3=24),根據NGMN的收斂模型,考慮1/2的收斂比,則接入環理論帶寬=(1×峰值+(n-1)×均值))/收斂比=(1×4.84+23×2.3)/2= 28.87 Gbit/s,因此接入環可考慮采用50 GE環網。

按照每個匯聚環下掛4~8個接入環計算,考慮1/2的收斂比,則匯聚環所需帶寬為57.74或115.48 Gbit/s,匯聚環可考慮采用100 GE環網。

3.2  前傳網絡

DU相對集中設置之后,DU與RRU/AAU間的前傳網絡如果沿用以前的光纖直驅方式,會消耗海量的光纜資源,需綜合多方面因素,尋找相對高性價比的承載方案,目前常見的方式及其特性見表3。

表3 2級前傳網絡技術比較表

 從技術比較來看,有源OTN方式可維護性較強,對光纖占用少,是一種相對較好的解決方案,但投資較高,因此可結合實際部署情況綜合采用幾種方式。

a) 在DU下掛RRU/AAU數量較少,且距離較近的情況下,在光纖資源允許的條件下,可采用光纖直驅。

b) 在DU下掛RRU/AAU數量較多,距離較遠,且光纖資源緊張的情況下,可根據投資選擇采用無源CWDM或有源OTN方案。

3.3  靈活切片

5G時代的核心網和無線網均采用基于SDN/NFV的網絡切片,以滿足不同業務對帶寬、時延、可靠性的要求。這就要求承載網也必須支持切片技術,網絡資源能動態分配釋放,不同切片的網絡資源能相互隔離,且承載網的切片必須能與核心網、無線網的切片協同,共同實現切片的創建、調整、刪除等功能。這依賴于FlexE以及SDN/NFV 2項關鍵技術的應用。

FlexE是光互連論壇(OIF)所提出的標準,主要通過在標準以太網幀的MAC層與物理編碼子層(PCS)之間新增一個墊片(Flex Shim)層來實現時隙調度。Shim采用時分復用機制,可將不同的業務分配到相應的時隙中,實現了超低時延以及嚴格的物理隔離,為關鍵業務提供了更好的QoS保障。FlexE切片技術與傳統VPN技術相結合,在FlexE的時隙切片中仍然可以承載各種VPN隧道,以進一步提高網絡資源利用率。FlexE還可以進行端口捆綁,通過捆綁多條物理鏈路擴展網絡容量,滿足大帶寬場景的需求,解決了傳統以太網鏈路聚合組(LAG)技術在二層網絡中存在的鏈路利用率不均衡的問題。

5G的網絡切片是一個包含了核心網、無線網、承載網的端到端的邏輯網絡,要想更好地實現多網絡協同,承載網必須采用控制面與轉發面分離的SDN架構,轉發面可利用FlexE和VPN相結合的技術來實現切片之間的隔離,而控制面與核心網、無線網的SDN控制器進行協同,并接受高層編排器的統一管理,才能夠完成端到端的業務鏈編排。這部分涉及到很多領域接口標準化的工作,還有待于各組織的共同努力推動。

3.4  低時延保障

降低時延需要核心網、承載網、空口3方面共同努力,本文主要討論承載網的時延降低。承載網的時延主要由設備轉發時延和光纖時延2部分構成。一般來說,網絡輕載時設備轉發時延在50 μs以下,重載時高優先級業務仍然可以保證在50 μs以下。光纖時延可近似按照5 μs/km計算。因此,降低時延可從以下3個方面進行考慮。

a) 縮短傳輸距離:一方面核心網、MEC下沉,減少傳輸距離;另一方面L3到邊緣,優化數據傳輸路徑;雙管齊下。

b) 更有效的QoS手段:采用FlexE等技術實現子MAC間物理隔離,提供更好的擁塞控制,在網絡重載時仍能夠保障高優先業務的快速轉發。

c) 降低設備時延:采用直通轉發技術降低接口處理時延;優化NP內核使之能感知優先級,為低時延業務開辟專用通道;低時延業務采用報文直通調度及搶占調度機制;通過多種技術共同降低設備時延。

4  4G、5G混合組網過渡方案探討

5G業務是逐步開展的,必將有很長一段時間的混合組網,5G核心網存在非獨立組網(NSA)和獨立組網(SA)2種模式,如圖3所示,其中NSA標準成熟度較高,預計運營商早期組網將采用NSA模式,4G核心網升級后可同時支持4G及5G的無線網絡。在這一時期,可滿足部分區域的eMBB業務,但對mMTC,特別是URLLC支持較弱。4G、5G混合組網大致可分為以下3個階段。

圖3 4G、5G混合組網示意圖

a) 初期:4G核心網升級為NSA,基站依然以4G的eNodeB為主,新建少量5G基站(NR);接入網可與4G共用,仍可保持10 GE環網為主,視5G基站數量,部分密集區域可擴容至50 GE環網,前傳網絡可根據情況靈活選擇光纖直驅、有源OTN 2種方式。

b) 中期:新建NSA模式5G核心網(NGC),網絡上會出現大量5G基站,接入網以50 GE環為主,匯聚環以100 GE環為主,前傳網絡選擇不變。

c) 成熟期:采用SA模式建設5G核心網,NR軟件進行升級以支持SA,承載網采用支持FlexE和SDN的設備,全面支持mMTC及URLLC業務。

5  結束語

5G承載網絕不僅是簡單的帶寬升級,必須考慮與核心網、無線網的緊密協同,以更好地實現端到端的網絡切片,并提供靈活的、高可靠性、低時延承載網絡。目前ITU-T、3GPP、CPRI、OIF等多個標準化組織也在積極開展承載網相關的標準化工作。要想做好承載網的規劃和建設,除跟蹤承載網本身的技術進展外,也必須深入了解5G核心網、無線網的架構變化以及建設思路。4G向5G演進將是一個漫長的過程,這需要多專業緊密協同,在對網絡現狀進行充分調研的基礎上,分階段、分步驟的制訂切實可行的演進路徑。

參考文獻:

[1] 崔新凱,魏克敏,王飛. 5G五大空口技術研究[J]. 互聯網天地,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] 趙文玉,張海懿. 5G對承載網提出眾多變革多種方案爭奇斗艷[J]. 通信世界,2017(27):53-54.

 

1438作者:張云帆 來源:郵電設計技術 編輯:顧北

 

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