地（市）级别5G IP RAN承载网络规划研究

张 蒙（南方电信规划咨询设计院有限公司珠海分公司，广东珠海519000）

1 概述

2019年是5G规模建设和商用的元年。5G是移动网络演进的方向和趋势，以其大带宽、低时延、大连接等特性，提供了前所未有的网络接入服务，实现万物互联，将深刻影响社会变革和人们的工作生活。5G网络采用灵活的空口资源配置，能提供更高速率、更低时延、更多连接，能针对各种业务场景实现网络切片；5G网络面向服务的架构确保了统一网络接口，能有效满足eMBB、uRLLC和mMTC等三大应用场景以及各种数据业务、语音业务和物联网业务需求。

5G网络的三大特性，对与之相匹配的新一代承载网在带宽、容量、时延和组网灵活性方面提出了新的要求，而为了满足5G网络架构的变化，新一代承载网也需要在结构上、技术上进行优化。如何利用一张统一的承载网既满足5G不同业务的承载需求，又能升级运营商原传输网络所承载的3G、4G、政企专线等业务，是5G承载网规划建设所面临的巨大挑战。

2 IP RAN承载网现状分析

从2G网络开始到即将到来的5G时代，无线承载网络发展了30年，从SDH技术发展到IP RAN/PTN技术，再到5G时代的IP RAN2.0/SPN/M-OTN技术，无线承载网络基本是每10年更新一代，承载网随无线技术发展历程如图1所示。

2.1 地（市）级别IP RAN承载网现状

4G时代的地（市）级别IP RAN承载网主要采用城域ER、汇聚ER（P设备）、汇聚层B设备、接入层A设备来进行组网，承载LTE、IP化3G基站以及一些有大带宽高可靠需求的政企业务。A设备采用裸纤或城域波分接入B设备，具体典型拓扑图如图2所示。

图2的4G网络结构中，接入层的A1设备主要用于4G基站BBU采用D-RAN模式时的对接，接入环带宽均为GE，A1设备的产品形式为盒式设备，不能进行灵活的插卡扩容；接入层的A2设备主要用于4G基站BBU采用C-RAN模式时的对接，或者接入一些政企业务，接入环带宽为10GE，A2设备为具有3槽位能灵活扩容板卡的槽式设备。

2.2 现有4G IP RAN承载网存在问题分析

a）接入层A设备：现4G承载网所承载的无线基站、室分接入层都是采用盒式的A1设备，光端口为GE端口，不能满足5G业务的发展需求。

图1 承载网随无线技术发展时间示意图

图2 典型地市IP RAN承载网拓扑示意图

b）汇集层B设备：现4G承载网所承载的无线基站、室分汇聚层B设备主要采用的是3槽B1设备，不能扩容100GE端口，不能满足5G业务的发展需求。

c）汇聚ER：已建设的汇聚ER上联城域ER主要采用n×10GE的链路，在5G建设过程中能通过扩容100GE端口满足5G业务的发展需求，但有可能存在部分汇聚ER没法扩容，需要更换设备的情况。

d）城域ER：已建设的城域ER设备上联省汇聚路由器的带宽主要是通过波分通道，采用n×10GE的链路，在5G建设初期能通过扩容100GE端口满足5G业务的发展需求，而同时也需要配套建设能承载100G带宽的OTN设备。而在5G规模建设阶段，5G的业务量会迅速增长，并将在本地核心层部署MEC，因此还需要增加城域ER设备。

图3 5G功能模块重构示意图

图4 5G网络拓扑图

3 5G承载网规划方法

3.1 5G网络简介

5G基站架构相对于4G发生了很大的变化，将由4G BBU、RRU 2级结构演进到CU、DU和RRU/AAU 3级结构，如图3所示。

集中单元（CU）是由原BBU非实时部分分割出来的，处理非实时协议和服务。

分布式单元（DU）负责处理物理层协议和实时服务，为了节省RRU与DU之间的传输资源，部分物理层功能可上移至RRU。

同时，为了满足5G低时延业务处理的时效性，需要将原有部署在机楼的核心网部分功能下移。以减少用户设备到核心网的时延。因此，在核心网侧需要推动移动边缘计算（MEC）的标准化，同时考虑MEC下移以及云化。将核心网从核心层下沉到汇聚层，原先的4G核心网拆分成New Core和MEC 2个部分。其中New Core将云化部署在汇聚层的区域汇聚中心，MEC将部署在区域汇聚或更低的位置汇聚层，这对承载网提出更加灵活的Mesh组网需求。综合考虑产业成熟情况，减少网元数，降低网络规划和工程实施难度，减少时延，缩短减少周期，在5G建设的初级阶段，CU和DU 2个逻辑单元建议合设为BBU设备形态。5G网络拓扑图如图4所示。

5G的BBU组网方式主要分为D-RAN（BBU分散设置）、C-RAN（BBU集中设置）2种场景模式。

a）如果在基站端机房环境良好、光缆路由及资源充分的情况下，可采用D-RAN。

b）考虑到5G前端基站规模数量将是现有4G、3G基站数量的3~4倍，运营商还需要新增数量庞大的5G前端基站。采用C-RAN，将BBU设备集中设置于运营商自己的通信机房，前端基站只需要安装开通AAU即可，即不需要再建设基站机房（需要完成租赁或自建），只要明确安装AAU空间以及完成供电、引入光缆的建设即可开通5G基站。这样既节省基站建设的投资，又加快开站的速度，因此新建5G前端基站采用CRAN模式是运营商的首选。

3.2 5G承载网络与4G承载网的差异分析

因5G技术产生的新需求、新业务，使5G承载网络对比4G承载网呈现出以下差异。

a）4G承载网络主要是以4G核心网为中心提供点到多点（P2MP）业务，而由于5G核心的云化架构，使5G承载网络以DC为中心提供更复杂的多点到多点（MP2MP）业务和数据中心互联（DCI）业务。

b）针对eMBB业务的需求，5G承载网络单站的带宽需求已从100~300 Mbit/s大幅提升到3~10 Gbit/s，现有的4G承载网是没办法满足需求的，需要采用新的、更大带宽能力的承载设备来组建新的5G承载网络。

c）5G承载网络采用L3到边缘技术（降低横向时延）、MEC/CDN下沉（降低纵向时延）以及新承载设备（采用低时延转发技术）等手段，可以将时延从4G时代的小于10 ms优化到小于2 ms，以满足uRLLC的要求。

d）在4G承载网络中，LTE FDD采用的是频率同步，同步要求是±1.5μs；而在5G承载网络中，将时钟源下移到汇聚层以减少无线空口与时钟源之间的跳数，提高承载设备精度，单点设备同步精度提高到15 ns并能支撑大于20跳的组网，从而做到eMBB同步时间在±1.5 μs、uRLLC同步时间达到±390 ns。

e）针对垂直行业，由于5G网络引入的网络切片技术，实现海量物联网，使得物连接数量从4G时代的1万/km2大幅提升到了100万/km2。

3.3 5G承载网需求预测

承载网带宽需求分析均基于对5G业务的流量预测。结合4G用户带宽流量使用情况以及5G基站带宽能力，5G带宽峰值按3.36G，5G带宽均值初期按300M、中期按700M测算。5G承载网需求预测见表1。

a）采用D-RAN模式，5G规模建设阶段接入层环采用10GE带宽，建议一个接入层环上所带5G基站（BBU）数量不超过10个。

b）采用C-RAN模式，5G规模建设阶段接入层环采用10GE带宽，建议一个接入层环上所带5G基站（BBU）数量不超过20个。

c）采用C-RAN模式，5G规模建设阶段接入层环采用50GE带宽，建议一个接入层环上所带5G基站（BBU）数量不超过50个。

3.4 5G承载网规划原则

地（市）级5G承载网络需要按5G建设最终规模来制定与之相符合的目标网架构。5G承载网汇聚层及核心层应按目标网架构进行组网，分阶段按需建设；接入层需要结合无线网建设计划分阶段进行建设。主要的规划原则建议如下。

3.4.1 接入层规划原则

a）5G BBU优先采用C-RAN模式部署，对于光缆等资源不足或其他因素受限的情况可考虑D-RAN模式部署。

b）A设备原则上与无线BBU同机房部署，BBU与A设备之间采用10GE光口对接。

c）A设备应充分利用现网资源，尽量避免同址多台A设备对堆叠；同时结合光缆情况选用10GE或50GE环组网；C-RAN模式新增A设备类型（采用A2设备），D-RAN模式可以采用新型A1或A2设备。

d）按无线新增BBU数乘以2折算为基站数（无线一个BBU最多可带6个AAU，3个AAU为一个站），DRAN模式下，环上所带5G基站不超过10个；C-RAN模式下，10GE环上所带5G基站不超过20个，50GE环上所带基站不宜超过50个。

e）接入层应统筹考虑4G/5G基站的综合接入：

（a）5G环覆盖范围内：有4G基站建设需求，若原有A设备有空闲端口，可接入现有接入环，否则优先接入新建环。

（b）5G环覆盖范围外：对于未来有5G需求的，统筹考虑4G/5G需求，采用新型A1或A2设备建设；对于无明确5G需求的偏远地区，可考虑采用原A1设备建设，通过本地调拨解决。

表1 5G承载网需求预测

3.4.2汇聚层规划原则

a）B设备成对进行组网，原则上设置在机楼（包括核心机楼和一般机楼）。

b）应尽量避免同址多套B设备对堆叠，新增B设备的前提是不增加站点内B设备数量，因此需要先对原有B设备进行替换割接，特别是存在B设备堆叠问题的站点，起码要先按1∶2的比例进行旧B1设备的替换割接。

c）一般情况下，按流量峰值利用率来衡量B设备上行链路是否需要扩容。当利用率达到60%或以上时，每台B设备扩容1条10GE链路；成对B设备流量峰值超过100GE时，上行改用100GE链路。

d）新增B设备需预留100GE板卡槽位。

e）鉴于原有B1设备接入能力较低，业务槽位少，扩容受限，难以满足5G业务承载并且IP RAN骨干网的路由规模过大，需要减少B设备网元数量，提升网络稳定性。对于存在B设备堆叠问题的情况需要进行整改，整改措施包括：

（a）如果有新增B设备需求的站点，需先进行旧B设备替换，替换B设备与新增B设备比例不少于2∶1，以提高设备集中度并节省机房空间。

（b）B设备采用8槽或16槽大容量设备，尽量控制机房内B设备数量。

f）综合考虑到B设备交换能力和集中度，建议每对B设备下挂基站数不超过400个，包括250个5G基站、150个4G基站。

3.4.3 本地核心层规划原则

a）汇聚ER一般设置在县城机楼、大型城市的部分区域核心机楼，以减少多对B设备对长距离光缆/波分资源的占用；可参考城域网MSE网络扁平化部署策略，结合地（市）光缆和波分资源情况，对区域内汇聚ER设置的必要性进行分析。

b）汇聚ER设备建设原则上应按需扩容，如果需要新增汇聚ER节点至少按1∶2的比例对现有设备进行替换。

c）汇聚ER设备上行参考B设备上行链路带宽，原则考虑上行链路数量和带宽。

d）城域ER/省级ER上行一般采用100GE或n×100GE链。

e）城域ER：根据需求进行板卡扩容或设备升级（单槽能力从100G升级到200G），后续根据业务发展适时进行升级替换。

图5 5G承载网建设的3个发展阶段示意

4 5G承载网规划方案

根据前面章节对典型地（市）运营商在4G时代已建成比较成熟的IP RAN承载网的现状分析，并结合5G承载网规划方法、原则，5G承载网可按3个建设阶段来规划建设。3个发展阶段示意见图5。

第1阶段：2019年，典型地（市）运营商都会提出多个5G商业展示点，并针对每个展示点建设5G无线站点。该阶段由于5G建设未形成规模，因此可依托现有已建的接入层10GE环，5G的BBU就近部署在有A2设备的接入网机房，接入现有的IP RAN承载网。如就近没有A2设备，可以新建A2设备组成10GE接入环接入就近的B1设备。总的来说，第1阶段，主要根据小规模的5G BBU数量，增加A2设备或者对原A2设备扩容10GE端口。

第2阶段：预计在2020—2022年，这3年规划建设时间，典型地（市）运营商应将会分批建设5G基站，预计在2020年5G建站规模将与3G/4G无线站点数量相当，到2022年会初步达到5G网络全覆盖的规模（或至少达到人口密集区域全覆盖），无线站点数量为3G/4G的3~4倍。因此，原有的IP RAN承载网以及设备均不能满足建网的要求。在该阶段，接入层、汇聚层以及核心层均规划采用新的设备。

a）接入层采用新型A2设备来组网，主设备厂家提供的主要是DU和CU合设的BBU设备，5G BBU优先采用C-RAN模式建设。按10GE环上所带5G基站不超过20个的原则（无线1个BBU最多可带6个AAU，3个AAU为1个站）以及新型A2设备性能情况，建议按C-RAN模式建设的接入网机房内1台新型A2设备最多接入10台5G BBU设备，而按第2阶段建设中平均每台新型A2设备接入6台5G BBU（相当于12个无线站点）估算，典型地（市）运营商在第2阶段如果需要建设8 000个5G站点则需要安装667台新型A2设备。

b）汇聚层主要由新型B1设备组成，B1设备采用成对设置，下联接入新建A2设备组成的10GE环，上联通过口字型接入汇聚B2设备或者直连城域ER，按照每对B设备下挂基站数不超过400个，包括250个5G基站、150个4G基站的原则，典型地（市）运营商在第2阶段如果需要建设8 000个5G站点，按平均每对新型B1设备下挂基站200个估算，则需要新建B1设备40对，即平均每对B1设备收敛17台A2设备。而B1设备上联可根据B1设备布局位置、密度等综合情况，分别选择建设汇聚B2设备汇聚后上联城域ER或者B1设备直接上联城域ER。上联链路带宽根据运行流量从初步的n×10GE到100GE链路逐步升级扩容。

c）按照典型地（市）运营商最终规划的5G建站数量考虑，在核心层需要新建2台城域ER，并部署5G的ME。上联省级ER则根据运行流量从初步的n×10GE到n×100GE链路逐步升级扩容，同时需要扩容、新建配套的省内OTN系统。同时新建的2台城域ER横向与原IP RAN城域ER通过口字型10GE链路连通，原IP RAN内连接的5G站点通过新城域ER设备上联。

第3阶段：预计在2022—2025年，5G网络将会大规模使用，本阶段主要是5G网络的优化、补点工作，并根据实际运行流量情况把部分接入层10GE环升级为50GE环，汇聚层上联带宽从100GE升级到200GE、400GE带宽，城域ER可从n×100GE链路升级扩容到n×400GE链路等。同时在此阶段，可以用已建成的新IP RAN承载网络逐步割接原IP RAN内还在使用的4G站点和政企专线，使原IP RAN设备逐步退网，最终统一到新IP RAN承载网中，并为新IP RAN承载网后继的补点扩容腾出空间。