5G承載需求和技術(shù)方案分析（上篇）

中國信息通信研究院|李芳 胡昌軍 徐云斌 趙文玉

編者按

當(dāng)前5G對(duì)承載網(wǎng)的需求已成業(yè)界熱議話題之一，為探討5G承載需求以及技術(shù)方案，編輯特約中國信息通信研究院5G承載領(lǐng)域權(quán)威專家對(duì)這一話題進(jìn)行深入分析，分析了5G對(duì)承載網(wǎng)提出的三大性能指標(biāo)需求和六類組網(wǎng)功能需求，并從5G共性需求推動(dòng)5G承載技術(shù)融合發(fā)展趨勢(shì)出發(fā)，簡(jiǎn)要分析了不同5G承載技術(shù)方案的共性和差異，對(duì)5G承載技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出了建議。文章篇幅較長也十分深入，現(xiàn)刊登本文上半部分“5G對(duì)承載網(wǎng)提出的三大性能指標(biāo)需求”，下半部分將在下一期刊登，以饗讀者。

5G在帶來新興業(yè)務(wù)體驗(yàn)、服務(wù)型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和創(chuàng)新商業(yè)模式的同時(shí)，對(duì)基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)提出了多樣化的全新需求?，F(xiàn)有4G LTE回傳網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)和組網(wǎng)功能已無法完全滿足5G未來新業(yè)務(wù)和新架構(gòu)的核心需求，因此5G承載技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)發(fā)展勢(shì)在必行。為適應(yīng)5G業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的新變化，5G承載需滿足三大性能指標(biāo)需求和六類組網(wǎng)功能需求。

5G業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)生變化

國際電信聯(lián)盟無線電通信局（ITU-R）定義了5G三大類典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、超可靠低時(shí)延通信（uRLLC）和大規(guī)模機(jī)器類通信（mMTC）。3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立組網(wǎng)（SA）版本在2018年6月14日已正式凍結(jié)，目前eMBB的業(yè)務(wù)需求和技術(shù)規(guī)范相對(duì)明確，而mMTC和uRLLC對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力要求較高，在主要特性和技術(shù)規(guī)范方面仍需在3GPP R16版本進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。5G無線和承載網(wǎng)絡(luò)在三大業(yè)務(wù)場(chǎng)景應(yīng)用時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)各不相同。

（1）eMBB主要面向超高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、高速移動(dòng)上網(wǎng)等大流量移動(dòng)寬帶應(yīng)用，是5G對(duì)4G移動(dòng)寬帶場(chǎng)景的增強(qiáng)，單用戶接入帶寬可與目前的固網(wǎng)寬帶接入達(dá)到類似量級(jí)，接入速率增長數(shù)十倍，對(duì)5G承載提出了超大帶寬需求。

（2）uRLLC主要面向車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等垂直行業(yè)的特殊應(yīng)用，要求5G無線和承載具備超低時(shí)延和高可靠等處理能力。其挑戰(zhàn)主要來自網(wǎng)絡(luò)能力，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)在時(shí)延保證方面存在不足，需要網(wǎng)絡(luò)切片、低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)突破，5G承載面臨芯片、硬件、軟件和解決方案等方面的全面挑戰(zhàn)。

（3）mMTC主要面向以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景，具有小數(shù)據(jù)包、海量連接、更多基站間協(xié)作等特點(diǎn)，連接數(shù)將從億級(jí)向千億級(jí)跳躍式增長，要求承載網(wǎng)具備多連接通道、高精度時(shí)鐘同步、低成本、低功耗、易部署及運(yùn)維等支持能力。

圖1 5G RAN的分級(jí)架構(gòu)

相對(duì)于4G無線接入網(wǎng)（RAN）的基帶處理模塊（BBU）、射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）兩級(jí)結(jié)構(gòu)，5G新空口（NR）支持gNB宏站和分布式基站兩種形態(tài)，分布式基站采用集中單元（CU）、分布單元（DU）和有源天線單元（AAU）三級(jí)結(jié)構(gòu)。5G RAN的CU和DU存在多種部署方式。當(dāng)CU、DU合設(shè)時(shí)，5G RAN與4G RAN結(jié)構(gòu)類似，即分為前傳和回傳兩級(jí)結(jié)構(gòu)，5G基站（gNB）的接口速率和類型（如CPRI和eCPRI）發(fā)生了明顯變化；當(dāng)CU、DU分設(shè)時(shí)，5G承載將包括前傳、中傳和回傳三級(jí)結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。

受業(yè)務(wù)發(fā)展驅(qū)動(dòng)，5G核心網(wǎng)將發(fā)展為滿足全業(yè)務(wù)接入、服務(wù)全業(yè)務(wù)場(chǎng)景的服務(wù)型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具有業(yè)務(wù)虛擬隔離（網(wǎng)絡(luò)切片）、轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離、功能分布式部署、基礎(chǔ)設(shè)施云化等核心特征。5G核心網(wǎng)引入SDN/NFV有利于快速實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)云化，包括核心網(wǎng)云化、無線接入網(wǎng)云化和控制系統(tǒng)云化3部分，5G核心網(wǎng)的目標(biāo)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 5G核心網(wǎng)的目標(biāo)架構(gòu)示意圖

5G承載的三大性能指標(biāo)需求

5G承載首先要滿足5G三大業(yè)務(wù)場(chǎng)景帶來的更大帶寬、超低時(shí)延和高精度同步三大性能指標(biāo)需求。

● 更大帶寬

我們參考下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（NGMN）的基站帶寬評(píng)估計(jì)算方法，結(jié)合典型的5G基站無線配置參數(shù)，核算出單基站的回傳帶寬需求如表1所示，可見5G單基站的回傳接口將以10GE和25GE為主，5G中頻基站的峰值和均值帶寬需求是4G LTE基站的10～20倍左右。5G承載網(wǎng)絡(luò)在城域接入、匯聚和核心層的傳輸鏈路帶寬需求與運(yùn)營商的典型組網(wǎng)模型和規(guī)劃的基站數(shù)量密切相關(guān)。

5G前傳帶寬需求與CU和DU的物理層功能分割位置、基站參數(shù)配置（天線端口、層數(shù)、調(diào)制階數(shù)等）以及部署方式等密切相關(guān)。按照3GPP和CPRI等標(biāo)準(zhǔn)組織的最新研究進(jìn)展，CU和DU在物理層的分割存在多種方案，典型包括射頻模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換后分割（選項(xiàng)8，CPRI接口）、物理層的低層和高層之間分割(選項(xiàng)7)、物理層高層到MAC層分割（選項(xiàng)6）等，其中選項(xiàng)7又可細(xì)分為7-1和7-2等，圖3是其中一種分割方案的示意。

為估算前傳所需帶寬，假設(shè)基站前傳相關(guān)的參數(shù)配置如下：

（a）考慮下行帶寬大于上行，僅估算下行帶寬；

（b）工作頻段為3.4GHz～3.5GHz，100MHz頻寬；

（c）MIMO參數(shù)為32T32R，映射數(shù)據(jù)流為下行8條流；

（d）I/Q量化比特為2′16，調(diào)制格式為下行256QAM。

參考3GPP的TR38.801和TR38.816，不同分割方案的前傳帶寬估算結(jié)果見表2。

從評(píng)估結(jié)果可看出，前傳帶寬需求與CU和DU的物理層分割位置密切相關(guān)。目前業(yè)界對(duì)選項(xiàng)7-2的eCPRI接口關(guān)注度較高，即未來5G前傳將主要采用25GE接口,相應(yīng)的傳輸帶寬為25Gbit/s、50Gbit/s、N×25/50Gbit/s或100Gbit/s等，取決于技術(shù)成熟度和成本等多種因素。

● 超低時(shí)延

超低時(shí)延是5G業(yè)務(wù)需求的關(guān)鍵性能之二，3GPP在TR38.913中對(duì)RAN的eMBB和uRLLC用戶面和控制面時(shí)延指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)范，要求eMBB用戶面時(shí)延小于4ms，控制面時(shí)延小于10ms；uRLLC業(yè)務(wù)的用戶面時(shí)延小于0.5ms，控制面時(shí)延小于10ms。

為了便于進(jìn)行時(shí)延指標(biāo)的分配，我們將5G終端到AAU、DU、CU和核心網(wǎng)的時(shí)延分解為T0～T8共9個(gè)組成部分，具體如圖4所示，其中3GPP TR38.913規(guī)范的RAN范圍內(nèi)的用戶面時(shí)延指標(biāo)是由T0～T6共同組成，與5G承載相關(guān)的時(shí)延指標(biāo)是前傳時(shí)延T3和中傳時(shí)延T5。因此，為保障0.5ms的uRLLC業(yè)務(wù)超低時(shí)延性能指標(biāo)，需要5G終端、無線設(shè)備和承載網(wǎng)聯(lián)合優(yōu)化時(shí)延指標(biāo)分配。

表1 5G中頻和高頻基站典型參數(shù)配置及回傳帶寬需求示例

根據(jù)CPRI和eCPRI的規(guī)范，前傳時(shí)延T3的指標(biāo)為100us量級(jí)，由于光纖傳輸時(shí)延約為5us/km，前傳10～20km光纖的傳輸時(shí)延就達(dá)到50～100us，因此要在前傳引入兩端承載設(shè)備時(shí)，應(yīng)盡可能降低節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。目前實(shí)驗(yàn)室測(cè)試前傳設(shè)備透明傳送單個(gè)10Gbit/s CPRI信號(hào)或25GE eCPRI信號(hào)的單節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延可達(dá)到1us量級(jí)，在前傳設(shè)備支持多路CPRI/eCPRI信號(hào)電層復(fù)用和前向糾錯(cuò)（FEC）情況下時(shí)延指標(biāo)將會(huì)增大。目前，4G回傳設(shè)備作為PE節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延在20～50us量級(jí)，可較好保障eMBB業(yè)務(wù)的時(shí)延指標(biāo)。因此，為支撐5G超低時(shí)延業(yè)務(wù)的應(yīng)用與部署，無線網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)需要協(xié)同分配時(shí)延性能指標(biāo)。

圖3 CU和DU的物理層分割方案示意

表2 5G前傳帶寬需求評(píng)估

圖4 5G業(yè)務(wù)的端到端時(shí)延指標(biāo)分配示意圖

● 高精度時(shí)間同步

高精度時(shí)間同步是5G承載的第三個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)需求。5G的同步需求主要體現(xiàn)在基本業(yè)務(wù)、協(xié)同業(yè)務(wù)和基站定位等新業(yè)務(wù)的頻率和時(shí)間同步需求指標(biāo)3個(gè)方面，具體見表3。

（a）基本業(yè)務(wù)的時(shí)間同步需求：是所有TDD制式無線系統(tǒng)的共性要求，主要是為了避免上下行時(shí)隙之間的干擾。5G系統(tǒng)根據(jù)子載波間隔可靈活擴(kuò)展的特點(diǎn)，通過在保護(hù)周期（GP）中靈活配置多個(gè)符號(hào)的方式，與TD-LTE維持相同的基本時(shí)間同步需求，即要求不同基站空口之間的時(shí)間偏差優(yōu)于3us。

（b）協(xié)同業(yè)務(wù)的時(shí)間同步需求：是5G高精度時(shí)間同步需求的集中體現(xiàn)。無線網(wǎng)的MIMO、多點(diǎn)協(xié)同（CoMP）和載波聚合（CA）等對(duì)時(shí)間同步均有嚴(yán)格要求。這些無線協(xié)同技術(shù)通常應(yīng)用于同一RRU/AAU的不同天線，或是共站的兩個(gè)RRU/AAU之間。根據(jù)3GPP規(guī)范，在不同應(yīng)用場(chǎng)景下，同步需求可包括65ns/130ns/260ns/3us等不同精度級(jí)別,其中，260ns或優(yōu)于260ns的同步需求絕大部分發(fā)生在同一RRU/AAU的不同天線，可通過RRU/AAU的相對(duì)同步實(shí)現(xiàn)，無需外部網(wǎng)同步，部分百納秒量級(jí)時(shí)間同步需求場(chǎng)景（如帶內(nèi)連續(xù)CA）可能發(fā)生在同一基站的不同RRU/AAU之間，需要基于前傳網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高精度網(wǎng)同步，而備受關(guān)注的帶內(nèi)非連續(xù)載波聚合以及帶間載波聚合則發(fā)生在同一基站的不同RRU/AAU之間，時(shí)間同步需求從最初的260ns（見3GPP TS36.104）降低到3us（見3GPP TS 38.104）。

（c）基站定位等業(yè)務(wù)：5G網(wǎng)絡(luò)在提供車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新型業(yè)務(wù)時(shí)，需要提供基于到達(dá)時(shí)間差（TDOA）的基站定位業(yè)務(wù)。由于定位精度和基站之間的時(shí)間相位誤差直接相關(guān)，這時(shí)需要更高精度的時(shí)間同步，比如，3米的定位精度對(duì)應(yīng)的基站同步誤差約為10ns，單純以太網(wǎng)同步技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)，需要結(jié)合RTK等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)米級(jí)乃至亞米級(jí)的高精度定位服務(wù)。

總體來看，在一般情況下，5G系統(tǒng)基站間同步需求仍為3us，與TD-LTE相同，即同一基站的不同RRU/AAU之間的同步需求主要為3us，少量應(yīng)用場(chǎng)景可能需要百納秒量級(jí)，另外，基站定位等新業(yè)務(wù)可能提出更高的時(shí)間同步需求。

表3 5G的頻率和時(shí)間同步需求分析