运营商5G承载网的网络架构及技术探讨

2021-12-20邵明敏孙登党

通信电源技术 2021年12期

关键词：波分切片时延

邵明敏，孙登党

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏南京 210019）

1 5G承载网的需求及影响因素

5G是新型、智能、自主的网络，相较于4G，其采用了新的网络架构、空口技术和高带宽的接口，以满足超高可靠性、超低时延、超大移动宽带以及海量物理设备连接等需求。

1.1 5G承载的需求分析

根据5G网络的特点，从网络带宽、时延、可靠性、网络切片及时间同步等方面展开承载网络的需求分析。

1.1.1 网络带宽

5G网络带宽场景比4G应用更加多样化，频谱的带宽、效率、天线数量及相关参数决定了基站的带宽。按照下一代移动通信网（Next Generation Mobile Networks，NGMN）的带宽配置原则，单基站峰值为单小区峰值+均值×（N-1），单站均值为单小区均值×N。以5G低频站点64TR 100M带宽的基站与4G站点做对比，单基站的峰值情况如表1所示。

表1 5G站点与4G站点比较

由对比可知，5G站点64TR 100M带宽的基站峰值与均值的理论带宽约为4G基站的15倍。因此，在5G承载网的规划与设计中，首要的就是能够应对大带宽、大容量的扩容与升级要求。

1.1.2 低时延与高可靠性

5G不同业务之间的时延差异较大，其主要业务时延如表2所示。

表2 主要业务时延要求

承载网扁平化的设计，可以满足低时延，高可靠性的要求，利用减少设备的背靠背转发，降低光缆传输距离等措施，以达到降低承载网自身携带的时延的目的。

1.1.3 网络切片

网络切片是5G的关键技术，可以满足业务差异化的需求和不同QoS的服务体验，提供端到端的个性化服务，并根据不同的业务场景，将承载网分隔为多个虚拟的网络，而每个虚拟网络又承载不同的应用业务。网络切片可以从基于业务的软切片和基于网元的硬切片两个方面来考虑，

1.1.4 时间同步

5G需要在基本业务、协同业务以及新业务上保证时间同步，3GPP组织对5G基本业务时间同步的需求同4G一样，为1.5 μs。协同业务时间同步需要优化RRU/AAU、小区边缘网络性能，5G协同业务对高精度时间同步的要求为350 ns。3/4G网络基站之间频率与时间的同步依靠GPS来实现，5G在时间同步上若继续沿用GPS的方式则会存在一定的网络安全隐患，而通过地面传送网传送频率与时间同步已成为必然。

1.2 影响5G承载网的关键因素

根据前文的需求分析，5G对承载网络提出了业务差异化服务、以云为中心的互联组网、统一承载以及灵活连接的要求[1]。而eMMB、eMTC、URLLC三大业务场景的应用，则要求5G承载网应当具备网络切片化、大容量化、协议简化等关键技术。低时延、多业务灵活接入要求了5G承载网的网络结构要具备扁平化、灵活扩容。同时，5G网络在部署方面，对于光纤、机房以及动力等基础性资源也提出来更高的需求，承载关键技术、组网结构及基础资源成为影响5G承载网的三大因素。

1.2.1 承载关键技术因素

面向5G承载，承载网设备应根据不同技术选型，选择具备大容量、切片等适用于5G承载的关键技术[2]。以下关键技术可作为承载技术选型参考：一是传输技术演进不断向大容量、高速率、高集成度发展；二是网络扁平、灵活调度驱使系统结构向MESH化演进；三是大容量与融合，支持100/400GE高速接口，演进支持500G/1T线卡；四是满足超低时延传送和转发能力；五是带宽灵活扩容；六是简化协议，降低网络复杂性；七是IPV6协议。

1.2.2 组网结构因素

业务承载的效率与可靠等指标会受到不同组网结构与链路容量设计的影响，5G承载网在组网结构方面的需要考虑到以下方面。网络的容量需要综合测算环路中的带宽，具备灵活扩容或升级的能力；组网结构的设计应规避大环、多层级以及多节点的背靠背转发，结构扁平化，低时延；业务的网元节点同传输节点之间部署需要一致，规避业务在传输网上转跳或转接；同时组网结构需要适应大规模、多样性业务的接入要求。

1.2.3 基础资源因素

由于5G站点密集度高、功耗大、场景应用多样化等特点，5G网络部署对于基础资源的需求更大，基础资源对5G网络的部署也至关重要。因此，承载网的设计应当首先考虑基础资源，包括空间需求、动力需求以及光纤需求等。

2 5G承载网络架构分析

5G承载网在对网络进行部署时，要坚持以下两个准则。一是优化结构，减少网络的建设成本，提升网络的灵便性，以达到三大业务场景发展和实现网络指标的目的。二是网络需要具备全网编排调度的能力，实现网络的智能化，可以更好地优化调整相关业务，从容应对业务路由的变化与调度[3]。

5G站点密集、基站之间协同与移动切换驱动无线（C-RAN）架构集中部署，与4G站点分布式无线（D-RAN）接入有根本性的区别。5G的3个功能实体单元AAU、DU以及CU在网络中部署的位置不同，承载网面临着前传、中传和回传三级承载的需求。

前传网络AAU和DU之间逐步趋向于采用以太网通用公共无线电接口（Ethernet Common Public Radio Interface，eCPRI），带宽是通用公共无线电接口（Common Public Radio Interface，CPRI）的 1/10。前传接口速率为25GE，超低时延传输需求小于30 ms。中传网络DU和CU之间采用IP接口，带宽需求是回传的1.1倍，基于IP寻址，具有统计复用特性。CU部署的位置决定了其组网的规模，时延敏感小于150 ms。回传网络带宽需求为3～5 GHz，东西向流量较大，支持切片。

5G RAN架构分割与传输三级承载的定位如图1所示，由于切割位置的不同，每一级承载的带宽和需求也不相同。

图1 传输三级承载划分

3 某运营商5G承载网架构规划

5G网络是一个开放、多元、定制化的网络，国内某发达省份的通信运营商，基于当前自身网络现状及特点，5G承载网的规划建设打破传统模式，围绕以下3个方面进行考虑建设。

一是依托现网资源，围绕效益进行设计，结合自身的网络发展特点，展开5G承载规划，低成本建设。二是明确业务承载定位，选择适合自己业务的技术演进路线。三是对老旧资源进行整合，加大现网的空间、管线及动力等资源的释放力度，为5G网络的部署提供基础条件。

3.1 基于波分技术的承载规划

该运营商正在部署100G波分网络，并基于100G波分引进PeOTN功能，端到端PeOTN传输网络可作为该运营商5G承载网络的选择之一。

通过PeOTN技术构建省本一体化端到端5G承载网，从接入网到核心网，前传网络到回传网络的承载均通过PeOTN设备实施。具体规划方案为确定以5G和政企专线为主的综合承载网，根据本地业务发展的步骤，自上而下分期进行建设，优先对城域汇聚节点进行部署建设。前传网络以光纤为主，PeOTN、无源波分、IPRAN等接入方式为辅，最大限度的挖掘资源。此外，加快MSTP的退网，腾退现有机房空间、管线及动力等资源。

3.2 基于分组技术的承载规划

目前，该运营商IPRAN网络基本已经完成覆盖，而对于5G的接入，其在网络容量、设备性能以及结构等方面还存在不足，将着重从扁平化的组网结构、设备部署、组网高度与基础架构机房相互匹配、新建与利旧相结合、扁平化、MESH化组网应对低时延、高可靠性场景业务等方面进行调整优化。

3.3 基于波分和分组技术的融合承载规划

该方案综合考虑了PeOTN和IPRAN两种技术优势，利用PeOTN设备的收敛、转发功能组建中传和前传网络，可以兼顾政企专线业务的承载[4]。在回传阶段则继续使用IPRAN网络，利用其覆盖广和接入快速等特点发挥竞争优势。PeOTN和IPRAN之间路由信息的交换通过BGP协议来实现，PeOTN+IPRAN的承载网络方案既不影响IPRAN网络对3/4G业务的承载，又可以分场景、按需求逐步推进，最大程度上实现利旧现网、保护投资的目的[5]。分组与波分技术共存的5G承载网部署如图2所示。