面向5G的IP RAN承载网架构演进方案

董劲松（中国联通吉林分公司，吉林长春 130000）

0 引言

2019 年是中国5G 商用元年，中国正式迈进第五代移动通信时代。5G 三大典型应用场景业务（eMBB、uRLLC、mMTC）的主要特性是大带宽、低时延、高可靠和海量连接。这对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挑战。为了提升网络运营效率，深入研究承载网的架构以满足5G等不同业务的承载需求，推进以客户为中心、功能融合、架构扁平化的下一代承载网络演进成了共同关注的话题。

1 IP RAN 承载网现状

1.1 无线承载网

无线承载网络技术经历了淘汰、选择、归一，逐步发展成为现有的形式。1990 年左右出现的第一代移动通信系统，主要提供语音通信，无线基站接口以E1为主，通过PDH 传输网络承载；第二代移动通信系统提供语音的同时开始提供数据业务，无线基站接口仍是E1，主要通过SDH 传输网络承载；2008 年左右出现的第三代移动通信系统，主要提供语音、高速数据和互联网业务。无线基站接口主要是E1 和FE，通过MSTP 传输网络承载，并且逐渐切换为PTN 网络承载。2013 年左右出现的第四代移动通信系统，主要提供语音、高速数据、互联网业务以及视频业务。无线基站接口主要是GE，通过IPRAN/PTN 网络承载，传送承载网的位置如图1 所示。随无线技术更新，无线承载网迎来5G时代的IP RAN2.0/SPN/M-OTN技术。

图1 传送承载网的位置

1.2 IP RAN承载网络现状

IP RAN 承载网络采用核心层、汇聚层、接入层3层组网结构，典型拓扑图如图2 所示。核心层结构和局点保持相对稳定，P 设备设置一步到位。汇聚层主要包括汇聚P 设备和汇聚层B1 设备。汇聚P 层的建设主要是为了收敛B1设备上行的流量和端口，以此减少B1 设备对市（县）/城域波分资源的大量消耗，节约建设投资。接入层原则上采用裸光纤直连，对于距离过长或者已无纤芯的段落采用波分承载。用A1 设备组网时，只能组成单GE 环。A2 设备速率采用10GE，需要串联成环或双归。当LTE BBU≤10，采用A1 设备，当LTE BBU＞10，优先考虑A2设备，不能采用交换汇聚BBU 后再接入B 设备的组网方式。当前IP RAN网络提供基站BBU 池和政企专线等多业务综合接入承载，实现网络化管理与资源集中管控。在城区政企A2 专用，体现了宽带充裕、节点安全的优点。郊县及农村采用无线和政企的综合承载，以此节约纤芯资源和投资。

1.3 IP RAN 承载网存在问题

IP RAN 网络承载需要满足3G/4G/5G 移动业务承载、政企以太专线、本地云专线及长途云专线、CN2 VPN 业务的延伸接入以及承接本地网DCI/本地云间高速流量。

1.3.1 接入层A设备

通过对省会城市联通城区约350 个接入环（约1.1万BBU）取样分析，平均单环峰值流量640 Mbit/s，均值流量约390 Mbit/s。按照5G 流量约为4G 流量5～10 倍估算，5G接入环需采用10GE以上端口，才能满足大多数地（市）需求。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，68%光端口为GE 端口，32%的光端口为10GE端口，不能满足5G业务的发展需求。

1.3.2 汇聚层B设备

汇聚设备情况：现网核心设备以8槽位为主，总槽位利用率为45%，网络冗余端口为35%左右。核心设备均是200G平台，具备可演进能力。汇聚设备端口基本为10GE 端口，并且冗余的10GE 端口较多。结合接入环10GE 组网，可利旧部分10GE 端口接入。具备单端口100G的扩容能力。

1.3.3 P设备

汇聚P设备情况：现有网络经过整改，基本已经消除汇聚P设备，现网运行的只有1到2台。

城域P 设备情况：已建设的城域P 设备上联省汇聚路由器的带宽主要是通过波分/裸线进行连接，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。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P设备。

图2 典型地（市）IP RAN承载网拓扑示意图

总之，IP RAN 承载网存在如下问题。

a）核心汇聚层多为新建，设备投资大，且目前核心汇聚机房电源、机房空间及光缆资源紧张，部分核心汇聚分局无法满足新建设备需求。

b）接入层设备均为新建，市区内基站光缆及电源无法满足新建设备需求，县、乡、农村波分投资过大。

c）建设周期长，无法满足2020 年5G 基站的大规模建设需求。

d）中国联通和中国电信5G 共建共享，建设方与共享方IP RAN网络对接问题亟待解决。

2 IP RAN承载网目标架构

2.1 5G承载网要求

4G IP RAN 承载业务有2G/3G/4G 业务、专线业务以及云网融合业务和动环监控。5G 对承载网提出了更高、更多的需求，5G IP RAN 通过需增加新功能，提高了性能，满足5G 等多业务综合承载需求，5G 承载网需求如图3所示。

承载网络指标包括带宽、时延、时钟同步等，从理论指标分析来看，5G 网络相对于4G 网络主要变化如下：

a）5G 基站带宽需求大幅提升，预计为4G 带宽的10～100倍。

b）端到端时延需求缩短，主要体现在uRLLC超低时延业务，eMBB及mMTC业务相对于4G变化不大。

5G 承载网的带宽需求除了考虑理论需求值外，还需综合分析用户行为、用户渗透率及新业务引入速度等相关因素。IP RAN 承载网接入层链路测算如表1所示，5G 基站峰值按3.36G 计，均值初期按300M 计、中期按700M计。

IP RAN 承载网汇聚核心层链路测算如表2 所示，B 和P 设备带基站数量多，要求高度收敛，汇聚和核心上行链路易于扩容，链路按照实际流量需求逐步建设。

图3 5G承载网需求

表1 IP RAN承载网接入层链路测算

表2 IP RAN承载网汇聚核心层链路测算

5G 承载网另一关键需求为可靠的超低时延业务。目前4G IP RAN 现网可满足5G 大部分业务的时延需求，对于时延要求严格的业务（如uRLLC），可通过网络架构的调整（按需核心网网关下沉）满足业务低时延需求。

2.2 IP RAN目标架构及业务综合承载

考虑到4G和5G 网络之间将在较长的一段时间内仍需要互相协作，3GPP 定义了独立组网（SA）和非独立组网（NSA）2 种网络架构，并且提出了4G 和5G 混合承载需求。

在SA 组网方式下，4G 和5G 是2 种独立的网络，为了保持业务连续性，现网的4G 基站和EPC 需要升级来支持跨核心网的移动性。考虑到新型业务支持和扩展能力，5G SA 方案的承载网络可独立新建，在核心层实现4G 和5G 核心网元之间的互通，也可结合实际业务需求采用4G 和5G 承载网络混合组建。

在NSA 组网方式下，原4G 和5G 形成了混合网络，单纯的NG-eNB 网络不能全面支持5G 全业务，尤其是低时延要求的业务。可以下沉部分核心网功能，改善部分低时延要求业务的体验，减少基站与核心网之间的传输时延，对于承载网络，4G 和5G 混合承载的组网方案势在必行，成为必不可少的选择。

5G 承载网可实现4G/5G 业务及政企专线业务统一承载，5G 业务承载场景如图4 所示。在流量模型方面，DC 间流量一般是东、西向，用户到网关流量是南、北向；在大带宽方面，网络按需引入25GE/50GE/100GE/200GE端口；在低时延方面，uRLLC网关下沉到边缘DC，提供低时延业务保障；在差异化多业务承载能力（网络分片）方面，网络具备资源共享软分片（VPN+QoS）和硬分片（FlexE+SR-TE）能力，提供eMBB、mMTC、uRLLC、政企专线等业务差异化承载能力；在SDN 智能管控方面，网络引入EVPN/SR 技术，实现基于SDN智能管控的回传。

图4 5G业务承载场景

IP RAN网络各层设备部署位置建议如表3所示。

表3 各层设备部署位置建议表

2.2.1 针对市区范围

a）城域P设备设置在市区核心机楼（枢纽楼）。

b）针对本省情况，可不设置汇聚P 设备，简化网络层级，使网络扁平化。

c）B 设备部署在一般机楼及以上层面，一般不建议部署到综合业务局站或以下层面；在A设备数量大，光缆路由限制物理成环情况下，少量B 类设备也可以下移到市区的综合业务局所。

d）综合业务局站部署A2 设备，实现对4G/5G/政企专线的综合接入。

e）接入局所按需部署A1 或A2 设备，如无业务需求，也可不部署IP RAN设备。

2.2.2 县/镇范围内

a）县城中心机楼（属于一般机楼）部署一对汇聚P设备，汇聚各镇B 设备对后，上联城域P 设备。该汇聚P 设备可以兼做县城B 设备，直接接入县城的A 设备，乡镇B设备可部署在综合业务局。

b）一般乡镇各设置一对B 设备（设置于综合业务局站），接入乡镇及下属村的A设备。乡镇的综合业务局站同时需设置A2设备，实现对4G/5G/政企专线的综合接入。

c）乡镇、村的接入局所按需部署A1 或A2 设备，如无业务需求，也可不部署IP RAN设备。

3 4G/5G 共同承载的IP RAN 网络演进方案

基于5G 网络对承载网的需求，对采用IP RAN 技术的5G/4G承载网共存互通、演进发展方向进行分析，提出一些方案建议。

3.1 接入层A设备演进方案

5G RAN 组网方式分为D-RAN（CU/DU分散）、CRAN（CU/DU 集中）2种场景模式。

3.1.1 C-RAN接入层

C-RAN 接入层设备演进方案有利旧原A2 设备、节点替换、替换+旁挂以及新建接入环4种模式，如图5所示。

图5 C-RAN接入层A1/A2设备演进方案

利旧原A2 设备适用于适合4G 和5G 的BBU 均较少（如＜10）的场景；节点替换适合4G BBU 较少（如＜10）的场景；替换+旁挂方式适合4G BBU 数量较多（如10～20）的场景；新建接入环适合4G BBU 多（如＞20）的场景。在BBU 集中（C-RAN）模式下，BBU/DU 一般位于机楼或综合业务局站，纤芯资源可满足新建接入环需求（部分节点甚至和B 设备对同机房），演进建议如下：

a）一般情况下，在BBU 同机房部署新A2 设备接入5G BBU。4G BBU 较多的场景，保持原有A2设备接入不变（模式4）；4G BBU 较少的场景，可割接到新A2设备统一接入（模式2/3）。

b）4G 和5G 的BBU 均较少（如＜10）的情况下，可利旧现有A2 设备组建10GE 环；同时接入4G 和5G 的BBU（模式1）。

3.1.2 D-RAN接入层

a）A1 设备演进方案。D-RAN 接入层A1 设备演进方案有节点替换和新建接入环2种。节点替换方案适应于基站光缆纤芯资源不足，B 设备业务端口资源紧张的场景。新建接入环方案适合基站光缆纤芯资源和B 设备业务端口资源都充足的场景。近期，基站光缆纤芯资源和B 设备端口资源充足的场景，可采用新建环模式。中远期，逐步采用10GE 环统一接入4G/5G基站。

b）A2 设备演进方案。D-RAN 接入层A2 设备演进方案分为：增配10GE子卡、升级160G主控板以支持50GE 2 种方式。增配10GE 子卡适用于绝大部分采用A2 接入的D-RAN 场景；升级160G 主控板以支持50GE 方式适用于可明确预见5G 流量超大的D-RAN场景。

现网采用A2 接入分散式4G BBU 场景的站点，建议使用模式1 承载D-RAN 模式的5G 基站，通过A2 设备增配10GE 子卡升级为10GE 环，并同时接入4G 和5G 基站。未来，如个别区域带宽能力不足的，再按需升级为25GE/50GE环。A设备规格能力如表4所示。

表4 A设备规格型号对比表

3.2 B设备演进方案

B 设备演进方案如图6 所示。如现网为B1 设备，可采用B1（3槽）增配板卡（模式1），B2/新B（8槽）替换原B1（3 槽）（模式2），新建B2/新B（8 槽）设备对（模式3）3种模式。模式1适合业务量小的郊区或偏远乡村、目前设备尚有空余槽位场景；模式2 适合现网为B1 设备的大部分场景；模式3 适合现网为B1 设备且全省B设备数量不大的场景。其中，模式2 优点明显，8 槽能力扩展强，能满足中长期带宽增长要求，且不新增B设备数量。

如现网为B2 设备，则采用原B2 设备新增板卡模式，适合现网为B2设备的大部分场景。

图6 B设备演进方案

演进建议，现网为B2 设备的场景，通过新增相应业务板卡满足4G/5G 承载。现网为B1的场景，原则上采用B2或新B设备（8槽）原址替换原B1设备（3槽）。

B设备的规格型号如表5所示。

表5 B设备型号规格对比

3.3 城域P设备演进方案

城域/汇聚P设备演进分为扩容P链路和替换城域P 节点，扩容汇聚P 上行链路2 种方式，如图7 所示。扩容P 链路适合原有城域P 容量满足带宽增长需求，具备利旧原设备空闲槽位，满足5G 初期承载要求优势，但随带宽增长，原城域P 可能出现端口和容量不足。替换城域P 节点和扩容汇聚P 上行链路，适合业务量增长大的本地网。这种本地网有B 或汇聚P 上行端口速率快速扩容到50GE/100GE 的需求。引入新城域P 设备，可以满足未来长期需求。城域P 替换过程需要割接LTE业务。

演进建议，汇聚P原则上采用8槽设备（原B2设备或新B/汇聚P 设备），按需扩容，目前可暂保持现有城域P/省级P设备不变，按需扩容端口；未来不能满足流量增长需求时，按需逐步替换成新城域P/省级P设备。

3.4 演进方案小结

IP RAN现网设备演进方案小结如表6所示。

3.5 共建共享与IP RAN的演进

为实现1+1＞2，多快好省建5G，中国电信和中国联通在全国区域的5G 无线网络及承载网上开展共建共享。作为北方承建省份，吉林省联通承担无线网与承载网的主要建设任务。共建共享网络结构如图8所示。

图7 城域/汇聚P设备演进方案

表6 IP RAN现网设备演进方案

升级后，IP RAN 网络具备5G 初期及中期的承载能力，接入层提供10G 端口，汇聚、核心按需开通10G/50G/100G 链路，同时打通中国电信和中国联通承载网络，形成双网互通，中国联通为主的局面。面对5G 可以实现网络的快速转身，引领、推动5G 的建设给运营商带来更低的建设成本、更高效的网络利用率，同时做好2 家的基础网络支撑，在5G 时代可以更好地与同城友商开展竞争，实现市场效益最大化，符合双方的利益。

4 总结和展望

图8 共建共享网络示意图

5G 对承载网提出多样化的业务需求，基于IP RAN 技术的承载网是满足5G 网络快速部署，4G 网络平稳过渡需求的最佳选择之一，通过对现有4G承载网的适当升级、改造，可得到有效解决5G 初期的大带宽业务承载需求问题，而随着低时延业务的出现，未来IPRAN 网络需要结合SR、SDN 等技术提升性能。