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专题 - 5G专刊——邮电设计技术&C114 - 2018年第11期 - 正文

5G承载网络演进及部署方案探讨

http://www.c114.com.cn ( 2018/12/13 18:19 )

田洪宁,刘 琦,尹祖新(中国联通网络技术研究院,北京 100048)

本文版权为《邮电设计技术》所有,如需转载请联系《邮电设计技术》编辑部 

摘要:5G网络架构的变化对承载网提出了新的挑战。通过研究和跟进RAN侧重构及网络云化等内容,探讨5G网络承载需求,分析网络不确定性对承载网建设的影响,并结合近年来基础网络架构的搭建,给出RAN侧部署方式建议及基础网络资源储备工作要求。最后提出5GX-haul网络的演进方案及承载部署建议,为5G网络的快速部署奠定基础。

关键词: 5G;RAN;NGC;X-haul网络

doi:10.12045/j.issn.1007-3043.2018.11.008

前言

2018 年 6 月,3GPP 批准了 5G NR SA(独立组网)功能冻结,加之去年的NR NSA标准,5G已完成第1阶段全功能标准化工作,进入产业全面冲刺新阶段,国内外各运营商也在加速5G相关研究及试验网建设以推进 5G 网络部署。5G RAN 侧的重构及 NGC 云化等网络架构的变化对承载网提出了新的挑战,现有承载网络很难满足未来5G业务的发展要求,本文主要针对5G承载需求的变化,结合近年来基础网络架构建设及 IP 承载网现状,探讨 5G X-haul 网络的演进及承载部署方案。

1、5G网络架构及承载需求

1.1 5G RAN侧重构及NGC云化部署

5G RAN网络重新划分了BBU、RRU功能,新定义的 Centralized RAN 包含中央单元(CU--Centralized Unit)和分布单元(DU--Distributed Unit),如图 1 所示,CU与DU之间的接口命名为F1,CU之间接口命名为 Xn,DU 之间无互连接口,其东西向流量通过 CU 进行交互。

5G初期各厂家无线设备将以 CU/DU 合设形态为主,后期 CU/DU 分设时,相比 LTE 回传网络将增加中传链路。CU/DU合设形态下,5G BBU功耗500~1000 W。

5G核心网采用云化部署的方式(通信云),由专用网元变为数据注册送彩金不限id论坛的 NFV 功能和服务。云化网络将以DC为注册送彩金不限id论坛部署,结合不同的业务场景和需求,DC采用区域集中或本地部署的方式,时延敏感型业务预计会下沉到边缘部署。

 

图1 5G RAN及NGC网络架构

由于通信云采用数据注册送彩金不限id论坛的架构部署,因此承载网络与核心网的连接从以前的与多个核心网元的连接,变成与多个数据注册送彩金不限id论坛的连接,数据注册送彩金不限id论坛内部网络采用 SPINE/LEAF 架构,统一通过边界设备(Border Leaf)与DC外部网络连接。网络云化对承载网网络架构提出了新的挑战。

与此同时,随着 vBRAS 的云化,城域网关键网元将部署在通信云上,且转发面对设备的功能要求将进一步简化,城域网在设备技术功能和能力方面的要求与IPRAN差异将大大缩小,为固移融合提供了机遇。

1.2 5G承载需求分析

根据 ITU-R 发布的 M.2083 中明确的 5G eMBB、 uRLLC、mMTC三大业务场景,未来业务的主要特点是大带宽、低时延、高可靠及海量连接。因此5G对承载网的主要需求包括超高带宽、更低时延、网络切片及智能控制与协同等。

1.2.1 带宽需求

根据IMT-2020 5G承载需求白皮书,在3.5 GHz频段,按照带宽100 MHz计算,预计单站(S111,64T64R)均值带宽 2.03 Gbit/s,峰值带宽 4.65 Gbit/s,由于频宽及各无线厂商设备性能等的差异,理论估算结果可能存在一定偏差。回传将采用10GE接口承载。

5G高频基站可用频率带宽会更宽,回传和前传带宽需求会更大。

1.2.2 前传需求

AAU 与 DU 之间的前传链路采用 CPRI 或 eCPRI 接口。采用CPRI接口时,链路带宽预计提升至100 G以上,目前已有厂家支持1×100GE接口;eCPRI为基于分组的前传接口,支持统计复用,结合 RAN 的重新切分,提出了多个Split选项,相比CPRI带宽预计降低10 倍左右,目前已有厂家支持 1×25GE 或 2×10GE 接口,前传时延要求小于100 μs。

1.2.3 同步需求

目前 3GPP 已确定的同步精度的需求中,TDD 基本业务对时间精度的指标要求为±1 500 ns,与 LTETDD指标要求完全相同。对于5G的协同业务对时间同步精度的要求,3GPP尚在研究中。

1.3 5G网络不确定性分析及对承载的影响

由于3GPP计划于2019Q3完成满足ITU全部技术要求的 5G 标准完整版本(Release 16),当前对于需求及承载方案仍存在部分不确定性,其中主要有:

a)DU/CU 池组化能力,初期池组化可能较小,单 DU回传UNI(User Network Interface)为10GE接口已比较明确,未来DU池组化的规模将影响到回传接口(DU 池)的速率选择。

b)回传带宽的影响,目前带宽均值取定仍基于理论估算,尚需现网试验验证,这会影响承载网网络容量规划。

c)移动网络业务切片机制尚不明朗,承载网络如何适应需要进一步研究。

d)不同业务对时延要求、时延分配尚不明确,可能会影响承载方案或设备性能要求。

2、5G承载方案分析

2.1 5G承载网络基础架构

2013年初,中国联通战略性地提出了本地基础网络架构布局规划,通过划分汇聚区、综合业务接入区,以稳定的核心、汇聚节点、综合业务接入点为基础,建设垂直分层、水平分区的面向综合业务接入的基础光缆网,提高网络健壮性。

现有基础架构布局可完全满足5G网络节点布局,本地DC及云化后的CU可部署在核心/汇聚节点,综合业务接入点可作为5G DU集中点。

5G RAN 网络主要有 3 种部署模式:D-RAN 分布式部署、C-RAN集中部署(CU/DU一体化)、C-RAN集中部署(CU、DU分离部署),如图2所示。

 

 图2 RAN侧部署方式

D-RAN方式具备组网简单,单点失效影响面小的优点,但对于末端机房需求量大,增加机房租金成本;C-RAN 方式网络时延较低,相对 D-RAN 可减少末端机房及传输设备需求,节省了机房租金及传输成本,理论上集中度越高效果越明显,同时由于 DU 集中放置便于统一维护,因此在建设成本和维护成本上较DRAN有一定优势,但该方式对综合业务接入机房稳定性及电源要求较高,且增加了末端光纤资源的消耗。

综合考虑接入成本及对末端机房等需求,应以C-RAN 接入模式为主,实现基站快速部署,提高跨站协同效率。对于普通综合业务接入点建议DU集中度10个左右,各本地网可根据机房具体情况适当调整集中规模。

根据前期试点城市典型区域调研,架构节点机房空间经过优化调整基本可以满足C-RAN集中部署需求,部分机房外市电容量不足需扩容。

2.2 前传方案

现有前传方式如表1所示。

表1 前传承载方案比较

考虑到成本和技术成熟度,前传方案应以光纤直驱方式为主,但超密集组网时需要的纤芯资源大,对于纤芯不足且光缆布放困难的站点可结合实际情况采用多种方式灵活解决,如基于 G.698.4技术的 5G 前传组网技术、BiDi技术等。

2.3 回传方案

5G 基站回传接口将采用 10GE 接口,目标单站均值流量预计 2.03 G,峰值流量 4.65 G。考虑到 5G建网周期因素和终端因素等,初期5G流量不会太大,4G网络流量仍将增长。

5G承载方案应充分考虑现网和业务发展特点,充分保护现网投资,实现一张网综合承载为目标。根据 eMBB业务预测,5G DOU是现有4G DOU的5~8倍,现网4G单站流量大约50M,初步估算单10GE环路可满足25~40个5G基站的流量,且现网IPRAN网络中综合业务接入点上联至一汇的链路普遍处于轻载状态,初期部分10GE环路资源可以利旧。

由于5G单站回传接口将采用 10GE光接口,现有 IPRAN 接入档设备一般仅能支持 2~4 个 10GE 接口, C-RAN模式下无法满足DU接入需求,在5G规模部署时需要新建接入层设备。

从目前的趋势看,NR业务流向与LTE并无太大差异,东西向Xn流量(三层需求)仍可通过核心汇聚层转接。但从管理维护的角度看,如图3(a)所示,在L2+L3 方式下,接入层需维护的PW数量与业务数量一致,在桥节点,需维护 L2 VE 与 L3 VE 的对应,做业务调整时,难以做到批量开通、配置批量下发。如图 3(b)所示,采用 L3 到边缘方式时,只需要维护一个 L3 VPN,维护简便,但在拼接点需配置路由隔离策略,如路由策略配置出现错误易发生较大范围的故障。相对于L2+L3,L3到边缘在业务调整、网络优化时更简便。

另外,考虑到固移业务的综合承载和未来站址密度增加、带宽提速等因素,接入层采用 PeOTN 实现综合承载,汇聚层以上采用动态L3设备组网也是一个可选择方案。

2.3.1 IPRAN设备升级方式

为应对5G各类业务场景的承载需求,中国联通提出了 IPRAN2.0设备规范,支持部分现网设备的升级,具体方式如下:

 

图3 不同组网方式

a)接口升级,通过软件升级并增加新的接口板支持50GE/25GE、FlexE接口。

b)容量升级,通过更换交换板提升单槽位容量及整机容量。

c)协议升级,通过软件升级支持 SR、EVPN 等5G 新特性。

2.3.2 IPRAN网络升级演进方案

初期核心汇聚层利旧现有网络,后期结合流量增长按需升级替换为大容量 IPRAN2.0 设备(支持 SR/ EVPN/FLEX-E 等新特性);由于单站 UNI接口速率达到 10GE,接入层以新建 IPRAN 2.0 网络为主,由下至上分层演进,逐步过渡到 IPRAN2.0综合承载网络,演进方式如图4所示。

图4 IPRAN网络升级演进方案示意图

2.3.2.1 5G初期(站点规模较小,流量轻载)

5G 站点接入时,由于 UNI 接口速率升级,接入层(IAP 点)以新增/替换 2.0 设备为主,综合业务接入点组建 10GE 环路,采用 10GE 接口上联至现有汇聚设备,支持异厂家解耦。

利旧现有核心汇聚层设备,当容量不足时,通过10GE链路捆绑解决;对于部分特大城市,核心层槽位或设备能力不足的可升级/替换2.0设备。

2.3.2.25G中期(规模部署)

根据5G业务发展情况,综合业务接入点组建25/50GE环路(具体应结合业务发展、25/50GE光模块成本及产业链成熟度综合考虑),采用25/50GE接口上联汇聚层设备,支持异厂家解耦。

核心汇聚层需采用100G端口组网,核心层设备槽位或能力不足时,可升级或替换为2.0设备;若汇聚机房机位/电源充足,且现网设备升级后槽位数量无法满足目标网需求时,汇聚层应新建2.0设备;若汇聚机房架位/电源条件紧张且现有设备剩余槽位可以满足3~5 年业务发展时,汇聚层可通过更换交换板及软件更新升级为2.0设备。

2.3.2.3 5G成熟期(目标网)

根据流量监测情况按需升级扩容,综合业务接入点支持100G环路;核心汇聚层全部为2.0设备,按需扩容。

3 5G承载网络部署工作建议

对于5G承载网络部署工作有如下建议:

a)尽快完成基础资源储备:为满足未来 5G 承载及通信云DC部署需求,应尽快启动5G目标需求梳理,加快推进基础架构完善,完成节点布局,实现传送网网络结构稳定;加快汇聚机房建设,提升汇聚机房自有率;加快老旧设备腾退,挖潜、盘活现有汇聚机房资源,实现对现有局房资源利用最大化、使用最优化。采用 CU/DU 集中部署模式可以节约末端节点建设和维护成本,因此在条件具备或改造后具备的前提下,应将 CU/DU 集中部署(C-RAN)模式作为主要的站点接入模式。条件不具备时,可采用分散部署(D-RAN)模式。对于机房空间满足条件但外市电容量不足的,应优先考虑电源扩容,无法扩容的可减少集中站点数量,同时可结合建设成本、运维管理等因素考虑调整充放电时间,降低电源负荷。

b)前传承载应以光纤直驱为主:综合考虑TCO成本,前传应以光纤直驱方式为主,无源波分、G.metro等方案作为补充。

c)回传承载建议采用 IPRAN 升级方案:因 L3 需求的存在,核心汇聚层仍采用 IPRAN 技术,现有 IPRAN 核心汇聚层可基本满足 5G 初期业务需求,接入层由于端口速率升级需替换IPRAN 2.0设备。

d)引入新技术以适应 5G 业务灵活性:承载网络应支持SDN实现业务的快速开通及灵活调整,同时推进跨域SDN,实现IP与光的协同。为进一步简化控制协议,建议新设备引入时一并考虑部署SR、EVPN等协议,实现 SDN 控制简化、路由性能优化。在切片需求基本明确后可考虑引入FLexE接口技术以支持网络硬切片,更好支撑不同类型业务的综合承载。

考虑到目前5G需求仍存在一定的不确定性,但从 TCO总体成本最优原则出发,建议相关专业在技术要求中明确以下几点。

a)前传接口应采用单纤双向技术,单纤双向附加成本较小,可以大大减少主干光缆纤芯占用率,支撑未来高频业务扩展。

b)当前 5G DU/AAU 设备功耗较高,建议商用部署时规范功耗范围,最大可能降低设备功耗。

c)建议推进5G大容量DU技术发展,以节约机房空间。

d)新型IPRAN可以满足固移业务的综合承载,应结合vBRAS等技术发展,推动向城域综合承载网络演进。

4、总结和展望

基于云化架构的 5G网络对承载网的基础网络架构提出了新的挑战,必须扎实做好基础网络资源的储备工作,同时5G承载网应充分考虑现有网络资源的应用,根据5G业务特点及发展趋势,由下至上,分层实现网络演进。推进跨域 SDN 发展以满足接入层多手段承载,加快引入 SR、FlexE、EVPN 等新特性以适应 5G 业务灵活性,高效支撑未来业务发展。此外还应加强与无线、核心网、数据网等专业间协同,共同打造最佳的5G网络承载方案。

参考文献:

[1]IMT Vision-Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond:ITU-R M.2083[S/OL][. 2018-08-15]. https://www.itu.int/rec/R-REC-M.2083.

[2]朱常波,张红,陈颖霞,等 . 汇聚机房建设经验总结及问题分析 [J]. 邮电设计技术,2017(11):22-25.

[3]郑强,肖禄,班瑞. vBRAS 技术在城域网部署的研究[J]. 邮电设计技术,2017(10):55-60.

作者简介:

田洪宁,毕业于北京工业大学,工程师,主要从事传输本地网规划、测试工作;

刘琦,毕业 于北京交通大学,高级工程师,主要从事光通信网络的咨询、规划和设计工作;

尹祖新, 毕业于哈尔滨工业大学,高级工程师,主要从事传输网规划、设计、研究等工作。

作者:田洪宁,刘 琦,尹祖新   来源:《邮电设计技术》

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