5G承載需求分析＊

張海懿 中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所副所長

吳冰冰 中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所寬帶網(wǎng)絡(luò)研究部高級工程師

1 引言

5G已漸行漸近。2017年12月1日，3GPP宣布正式完成并凍結(jié)5G第一版標準R15的非獨立組網(wǎng)（NSA）新空口標準；2018年6月14日，正式凍結(jié)R15的獨立組網(wǎng)（SA）新空口標準。據(jù)IHSMarkit公司的最新調(diào)研報告表明，占全球移動用戶43%的17家最大移動通信運營商都在緊鑼密鼓地開展5G技術(shù)測試和網(wǎng)絡(luò)試驗，將陸續(xù)在2018年年底到2021年商用5G。5G在帶來新興業(yè)務(wù)體驗、服務(wù)型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和創(chuàng)新商業(yè)模式的同時，對基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)也提出了多樣化的新需求，推動著5G承載技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進發(fā)展。

2 5G三大業(yè)務(wù)場景需求分析

國際電信聯(lián)盟無線電通信局（ITU-R）定義了5G三類典型業(yè)務(wù)場景：具有更高帶寬、更低時延的增強移動寬帶（eMBB）業(yè)務(wù)，具有超高可靠和超低時延通信（uRLLC）業(yè)務(wù)和支持海量用戶連接的大規(guī)模機器通信（mMTC）業(yè)務(wù)。目前R15版本對eMBB業(yè)務(wù)需求和技術(shù)規(guī)范相對明確，由于uRLLC和mMTC業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)能力要求較高，其主要特性將在5G完整版標準R16版本中進行標準化。

5G三大類典型業(yè)務(wù)場景的承載需求如下：

（1）eMBB業(yè)務(wù)：主要面向4K/8K等超高清視頻、虛擬現(xiàn)實（VR）/增強現(xiàn)實（AR）、高速移動上網(wǎng)等大帶寬業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，是5G對4G移動寬帶場景的增強，單用戶接入帶寬可與目前的固網(wǎng)寬帶接入達到類似量級（如1Gbit/s），接入速率增長10倍以上。對5G承載的主要需求是大帶寬、低成本、低功耗、易部署和易運維。

（2）uRLLC業(yè)務(wù)：主要面向車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、智能制造、智能交通物流、智慧醫(yī)療等實時性要求較強的垂直行業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，為用戶提供毫秒級端到端時延和99.99%以上的可靠性保證。當(dāng)前4G移動網(wǎng)絡(luò)和承載網(wǎng)絡(luò)在超低時延保障和業(yè)務(wù)隔離性上均存在不足，需引入網(wǎng)絡(luò)切片管控架構(gòu)和超低時延等新技術(shù)來提升業(yè)務(wù)體驗。

（3）mMTC業(yè)務(wù)：主要面向環(huán)境監(jiān)測、智能抄表、智慧農(nóng)業(yè)等以傳感和數(shù)據(jù)采集等為目標的業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，具有小數(shù)據(jù)包、低功耗、低成本、海量連接、更多基站間協(xié)作等特點，連接數(shù)將從億級向千億級跳躍式增長，要求承載網(wǎng)具備多連接通道、高精度時鐘同步、低成本、低功耗、易部署及運維等支持能力。

3 5G無線接入網(wǎng)絡(luò)承載需求

3.1 5G RAN架構(gòu)和部署模式

相對于4G無線接入網(wǎng)（RAN）的基帶處理模塊（BBU）、射頻拉遠單元（RRU）兩級結(jié)構(gòu)，5G新空口（NR）支持gNB宏站和分布式基站兩種形態(tài)，分布式基站包括集中單元（CU）、分布單元（DU）和有源天線單元（AAU）三部分。5GRAN存在多種分級結(jié)構(gòu)：當(dāng)CU和DU合設(shè)時，5GRAN與4GRAN結(jié)構(gòu)類似，即分為前傳（即AAU和DU之間連接）和回傳（即CU和核心網(wǎng)之間連接）兩級結(jié)構(gòu)；當(dāng)CU和DU分設(shè)時，5G承載將包括前傳、中傳（及DU和CU之間連接）和回傳三級結(jié)構(gòu)。5GRAN的部署模式又分為DRAN（分布式無線接入網(wǎng)）和CRAN（集中式無線接入網(wǎng)）兩大類，其中CRAN的部署模式又與CU云化和DU池化部署模式相關(guān)，具體見圖1。

3.2 5G RAN帶寬需求

更大帶寬是5G承載需求的第一個關(guān)鍵性能指標。根據(jù)下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（NGMN）的基站帶寬評估計算方法，結(jié)合5G基站典型的無線配置參數(shù)，單基站峰值和均值帶寬需求見表1，可見5G單基站的回傳接口將以10GE和25GE為主。根據(jù)典型組網(wǎng)模式估算，5G中回傳在城域接入層支持N×50或100Gbit/s，在城域匯聚核心層乃至干線層支持N×100、200或400Gbit/s。

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等標準組織的最新研究進展，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8，CPRI接口）、物理層的低層和高層之間分割（選項7）、物理層高層到MAC層分割（選項6）等，其中選項7又可細分為7-1和7-2等，圖2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：

（1）考慮下行帶寬大于上行，僅估算下行帶寬。

（2）工作頻段為3.4～3.5GHz，100MHz頻寬。

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

（4）I/Q量化比特為2×16，調(diào)制格式為下行256QAM。

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

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，目前主流無線廠家都在研發(fā)和測試選項7-2的eCPRI接口。

圖2 CU和DU的物理層分割方案示意

表2 5G前傳帶寬需求評估

因此，5G前傳主要是25GE的eCPRI接口或100Gbit/s的CPRI接口，前傳的傳輸帶寬需求將是N×25Gbit/s或100Gbit/s等，取決于技術(shù)成熟度和光模塊成本等多種因素。

3.3 5G RAN超低時延需求

超低時延是5G承載需求的第二個關(guān)鍵性能指標，3GPP在TR38.913中對RAN的eMBB和uRLLC用戶面和控制面時延指標進行了規(guī)范，要求eMBB用戶面時延小于4ms，控制面時延小于10ms；uRLLC業(yè)務(wù)的用戶面時延小于0.5ms，控制面時延小于10ms，具體如表3所示。

表3 5G RAN的時延性能指標要求

根據(jù)CPRI和eCPRI的規(guī)范，前傳的時延性能指標為100μs量級，由于光纖傳輸時延約為5μs/km，前傳10～20km光纖的傳輸時延就達到50～100μs，因此要在前傳引入兩端傳輸設(shè)備時，應(yīng)盡可能降低節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)時延。目前實驗室測試前傳設(shè)備透明傳送單個10Gbit/sCPRI信號或25GEeCPRI信號的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)時延可達到1μs量級，在支持多路CPRI/eCPRI信號電層復(fù)用和前向糾錯（FEC）情況下時延值將會增大，建議指標值應(yīng)小于10μs。因此，為支撐5G超低時延需求，無線網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)需要協(xié)同分配時延性能指標。

3.4 高精度時間同步需求

高精度時間同步是5G承載的第三個關(guān)鍵性能指標需求。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)的頻率和時間同步需求指標3個方面，具體見表4。

總體來看，在一般情況下，5G基站間的時間同步需求指標仍為3μs，與4GTDD相同，少量應(yīng)用場景可能需要百納秒量級的超高精度時間同步，另外，基于基站定位的自動駕駛等新業(yè)務(wù)需要ns級別更高的時間同步需求。

4 5G核心網(wǎng)承載需求

4.1 5G核心網(wǎng)架構(gòu)和部署模式

表4 5G的頻率和時間同步需求分析

受業(yè)務(wù)發(fā)展驅(qū)動，5G核心網(wǎng)將發(fā)展為滿足全業(yè)務(wù)接入場景的服務(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引入SDN/NFV有利于推動5G網(wǎng)絡(luò)云化和數(shù)據(jù)中心化，包括核心網(wǎng)云化、無線接入網(wǎng)云化和控制系統(tǒng)云化三部分，5G核心網(wǎng)的目標架構(gòu)如圖3所示。

圖3 5G核心網(wǎng)的目標架構(gòu)示意圖

5G核心網(wǎng)將逐步實現(xiàn)云化部署，首先在大區(qū)或省干核心機房建設(shè)大型數(shù)據(jù)中心，逐步在城域匯聚機房或綜合業(yè)務(wù)接入機房建設(shè)邊緣數(shù)據(jù)中心，并引入面向垂直行業(yè)等新興業(yè)務(wù)應(yīng)用的移動邊緣計算（MEC）。因此，5G承載還需要考慮數(shù)據(jù)中心之間的光互聯(lián)需求。

4.2 5G核心網(wǎng)靈活連接需求

5G核心網(wǎng)給承載帶來的最大挑戰(zhàn)是業(yè)務(wù)連接的靈活調(diào)度需求。為提升不同類型業(yè)務(wù)體驗，5G核心網(wǎng)的用戶面功能（UPF）網(wǎng)元將分層部署，因此5G基站回傳到核心網(wǎng)的N2和N3連接的終結(jié)位置存在多樣性，與不同業(yè)務(wù)的UPF部署位置密切相關(guān)。此外，承載網(wǎng)絡(luò)還要為不同層面的核心網(wǎng)元之間網(wǎng)狀連接提供承載，如圖4所示，存在UPF與UPF間的N9連接、UPF與SMF間的N4連接、數(shù)據(jù)中心之間的N6連接等。為了降低時延和提高帶寬效率，需要L3功能到邊緣以實現(xiàn)就近轉(zhuǎn)發(fā)，或通過部署L3功能到匯聚節(jié)點實現(xiàn)間接轉(zhuǎn)發(fā)。為滿足5G網(wǎng)狀化的動態(tài)連接需求，5G承載需要將IP路由轉(zhuǎn)發(fā)和L3VPN功能下移到UPF和MEC所在位置，為5G網(wǎng)絡(luò)提供業(yè)務(wù)的靈活連接調(diào)度能力，提升業(yè)務(wù)質(zhì)量體驗和網(wǎng)絡(luò)帶寬效率。

4.3 5G網(wǎng)絡(luò)切片及其協(xié)同管控需求

5G網(wǎng)絡(luò)切片對承載的訴求是在一張統(tǒng)一的物理網(wǎng)絡(luò)中，將業(yè)務(wù)連接和SLA相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源組織在一起，形成一個完整、自治和獨立運維的虛擬網(wǎng)絡(luò)（VN），滿足特定用戶和業(yè)務(wù)需求。構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)包括轉(zhuǎn)發(fā)面的網(wǎng)絡(luò)切片和SDN/NFV協(xié)同管控。

（1）轉(zhuǎn)發(fā)面的網(wǎng)絡(luò)切片：負責(zé)實現(xiàn)資源的隔離和分配，從而滿足差異化的虛擬網(wǎng)絡(luò)要求。面向5G的綜合業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)需提供支持軟、硬隔離的層次化網(wǎng)絡(luò)切片方案，滿足不同類型業(yè)務(wù)的SLA需求。譬如，uRLLC和金融政企專線等業(yè)務(wù)要求獨享資源、低時延和高可靠性，承載網(wǎng)絡(luò)可提供基于L1TDM隔離的網(wǎng)絡(luò)硬切片；eMBB的AR/VR等高清視頻業(yè)務(wù)具有大帶寬和動態(tài)突發(fā)等特點，承載網(wǎng)絡(luò)可提供基于L2或L3邏輯隔離的網(wǎng)絡(luò)軟切片。

圖4 5G承載的靈活化連接需求

（2）SDN/NFV協(xié)同管控：負責(zé)實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)切片資源的虛擬化抽象和協(xié)同編排管控。5G網(wǎng)絡(luò)切片一般由5G業(yè)務(wù)編排器和核心網(wǎng)發(fā)起，攜帶切片ID和客戶SLA需求，5G承載管控系統(tǒng)應(yīng)支持與5G業(yè)務(wù)編排器或OSS系統(tǒng)之間的交互，通過開放標準的北向接口，完成自上而下的網(wǎng)絡(luò)資源編排，支持網(wǎng)絡(luò)切片的資源規(guī)劃、虛擬網(wǎng)絡(luò)拓撲呈現(xiàn)和性能監(jiān)測分析等功能。

5 5G承載總體需求

綜合5G業(yè)務(wù)、RAN和核心網(wǎng)的承載需求，同時考慮新型高速光接口及設(shè)備的影響，5G承載整體需求可歸納為如圖5所示三大性能和六大組網(wǎng)功能，具體如下：

（1）百G級更大帶寬：5G前傳支持N×25或100Gbit/s，5G中回傳在城域接入層支持N×50或100Gbit/s，在城域匯聚核心層乃至干線層支持N×100、200或400Gbit/s。

（2）百μs級超低時延：前傳時延應(yīng)小于100μs，回傳時延應(yīng)小于4～10ms。

（3）百μs級高精度時間同步：全網(wǎng)基站提供±1.5μs的時間同步，對于站間協(xié)同業(yè)務(wù)支持65～260ns的高精度時間同步。

（4）多級承載網(wǎng)絡(luò)：通過城域接入、匯聚、核心和干線的網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)，滿足5G前傳、中傳、回傳和核心網(wǎng)數(shù)據(jù)中心互連的多層級結(jié)構(gòu)。

（5）靈活化連接調(diào)度：至少將IP路由轉(zhuǎn)發(fā)和L3VPN功能下移至5G核心網(wǎng)元UPF和MEC所在位置，為5G提供動態(tài)靈活的網(wǎng)絡(luò)連接。

（6）層次化網(wǎng)絡(luò)切片：提供軟隔離和硬隔離等層次化網(wǎng)絡(luò)切片方案來滿足5G網(wǎng)絡(luò)切片需求。

（7）智能化協(xié)同管控：通過SDN管控架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)切片協(xié)同控制和開放的標準南北向接口，滿足5G承載網(wǎng)與5G核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)的協(xié)同管控需求。

（8）4G和5G混合承載：支持4G和5G基站統(tǒng)一承載，支持4G和5G承載網(wǎng)的互聯(lián)互通。

（9）低成本高速組網(wǎng)：聯(lián)合推動5G基站和承載網(wǎng)絡(luò)所需高速光模塊及設(shè)備的技術(shù)成熟和規(guī)模量產(chǎn)，向未來開放光層互連發(fā)展，實現(xiàn)低成本高速光層組網(wǎng)。

6 結(jié)束語

圖5 5G承載總體需求

相對于4G網(wǎng)絡(luò)，5G承載呈現(xiàn)出明顯的差異化需求，相應(yīng)承載技術(shù)也需要同步革新。近年來，我國三大電信運營商結(jié)合各自網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和發(fā)展規(guī)劃提出了不同的5G承載方案：中國移動已明確5G承載將采用基于PTN演進的切片分組網(wǎng)絡(luò)（SPN）技術(shù)方案；中國電信的三大研究院在并行推進IPRAN增強、M-OTN和WDM-PON等技術(shù)方案，以適應(yīng)未來5G不同網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景的需求；中國聯(lián)通正在研究5G中傳和回傳分別采用分組增強型OTN和IPRAN增強的聯(lián)合組網(wǎng)方案，在5G前傳采用城域接入型WDM方案。

雖然不同5G承載候選方案在關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備形態(tài)上有明顯差異，但從L0/L1/L2/L3網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)議的角度分析，各方案在L0/L2/L3層具有較多共性技術(shù)，主要差異體現(xiàn)在L1物理鏈路是基于靈活以太網(wǎng)（FlexE）還是OTN，TDM硬隔離是基于切片以太網(wǎng)（SE）通道還是基于OTN的ODUflex通道。L1層的差異表明是基于電信級以太網(wǎng)增強輕量級TDM技術(shù)的演進思路，還是基于傳統(tǒng)OTN增強分組技術(shù)并簡化OTN的演進路線，都具有典型的承載技術(shù)融合發(fā)展趨勢，最終能否發(fā)展壯大還依賴于產(chǎn)業(yè)鏈的健壯性和規(guī)?；?yīng)。隨著今后5G現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模試點開展和預(yù)商用進程加快，5G承載技術(shù)方案還將繼續(xù)加強融合創(chuàng)新，希望業(yè)界共同推動我國5G承載技術(shù)標準和產(chǎn)業(yè)化的蓬勃發(fā)展。