5G承载需求分析＊

张海懿 中国信息通信研究院技术与标准研究所副所长

吴冰冰 中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部高级工程师

1 引言

5G已渐行渐近。2017年12月1日，3GPP宣布正式完成并冻结5G第一版标准R15的非独立组网（NSA）新空口标准；2018年6月14日，正式冻结R15的独立组网（SA）新空口标准。据IHSMarkit公司的最新调研报告表明，占全球移动用户43%的17家最大移动通信运营商都在紧锣密鼓地开展5G技术测试和网络试验，将陆续在2018年年底到2021年商用5G。5G在带来新兴业务体验、服务型网络架构和创新商业模式的同时，对基础承载网络也提出了多样化的新需求，推动着5G承载技术和网络架构的演进发展。

2 5G三大业务场景需求分析

国际电信联盟无线电通信局（ITU-R）定义了5G三类典型业务场景：具有更高带宽、更低时延的增强移动宽带（eMBB）业务，具有超高可靠和超低时延通信（uRLLC）业务和支持海量用户连接的大规模机器通信（mMTC）业务。目前R15版本对eMBB业务需求和技术规范相对明确，由于uRLLC和mMTC业务对网络能力要求较高，其主要特性将在5G完整版标准R16版本中进行标准化。

5G三大类典型业务场景的承载需求如下：

（1）eMBB业务：主要面向4K/8K等超高清视频、虚拟现实（VR）/增强现实（AR）、高速移动上网等大带宽业务应用场景，是5G对4G移动宽带场景的增强，单用户接入带宽可与目前的固网宽带接入达到类似量级（如1Gbit/s），接入速率增长10倍以上。对5G承载的主要需求是大带宽、低成本、低功耗、易部署和易运维。

（2）uRLLC业务：主要面向车联网、工业控制、智能制造、智能交通物流、智慧医疗等实时性要求较强的垂直行业业务应用场景，为用户提供毫秒级端到端时延和99.99%以上的可靠性保证。当前4G移动网络和承载网络在超低时延保障和业务隔离性上均存在不足，需引入网络切片管控架构和超低时延等新技术来提升业务体验。

（3）mMTC业务：主要面向环境监测、智能抄表、智慧农业等以传感和数据采集等为目标的业务应用场景，具有小数据包、低功耗、低成本、海量连接、更多基站间协作等特点，连接数将从亿级向千亿级跳跃式增长，要求承载网具备多连接通道、高精度时钟同步、低成本、低功耗、易部署及运维等支持能力。

3 5G无线接入网络承载需求

3.1 5G RAN架构和部署模式

相对于4G无线接入网（RAN）的基带处理模块（BBU）、射频拉远单元（RRU）两级结构，5G新空口（NR）支持gNB宏站和分布式基站两种形态，分布式基站包括集中单元（CU）、分布单元（DU）和有源天线单元（AAU）三部分。5GRAN存在多种分级结构：当CU和DU合设时，5GRAN与4GRAN结构类似，即分为前传（即AAU和DU之间连接）和回传（即CU和核心网之间连接）两级结构；当CU和DU分设时，5G承载将包括前传、中传（及DU和CU之间连接）和回传三级结构。5GRAN的部署模式又分为DRAN（分布式无线接入网）和CRAN（集中式无线接入网）两大类，其中CRAN的部署模式又与CU云化和DU池化部署模式相关，具体见图1。

3.2 5G RAN带宽需求

更大带宽是5G承载需求的第一个关键性能指标。根据下一代移动通信网络联盟（NGMN）的基站带宽评估计算方法，结合5G基站典型的无线配置参数，单基站峰值和均值带宽需求见表1，可见5G单基站的回传接口将以10GE和25GE为主。根据典型组网模式估算，5G中回传在城域接入层支持N×50或100Gbit/s，在城域汇聚核心层乃至干线层支持N×100、200或400Gbit/s。

5G前传带宽需求与CU和DU的物理层功能分割位置、基站参数配置（天线端口、层数、调制阶数等）以及部署方式等密切相关。按照3GPP和CPRI等标准组织的最新研究进展，CU和DU在物理层的分割存在多种方案，典型包括射频模拟到数字转换后分割（选项8，CPRI接口）、物理层的低层和高层之间分割（选项7）、物理层高层到MAC层分割（选项6）等，其中选项7又可细分为7-1和7-2等，图2是其中一种分割方案的示意。

为估算前传所需带宽，假设基站前传相关的参数配置如下：

（1）考虑下行带宽大于上行，仅估算下行带宽。

（2）工作频段为3.4～3.5GHz，100MHz频宽。

（3）MIMO 参数为 32T32R，映射数据流为下行8条流。

（4）I/Q量化比特为2×16，调制格式为下行256QAM。

表1 5G中频和高频基站典型参数配置及回传带宽需求示例

参考3GPP的TR38.801和TR38.816，不同分割方案的前传带宽估算结果见表2，目前主流无线厂家都在研发和测试选项7-2的eCPRI接口。

图2 CU和DU的物理层分割方案示意

表2 5G前传带宽需求评估

因此，5G前传主要是25GE的eCPRI接口或100Gbit/s的CPRI接口，前传的传输带宽需求将是N×25Gbit/s或100Gbit/s等，取决于技术成熟度和光模块成本等多种因素。

3.3 5G RAN超低时延需求

超低时延是5G承载需求的第二个关键性能指标，3GPP在TR38.913中对RAN的eMBB和uRLLC用户面和控制面时延指标进行了规范，要求eMBB用户面时延小于4ms，控制面时延小于10ms；uRLLC业务的用户面时延小于0.5ms，控制面时延小于10ms，具体如表3所示。

表3 5G RAN的时延性能指标要求

根据CPRI和eCPRI的规范，前传的时延性能指标为100μs量级，由于光纤传输时延约为5μs/km，前传10～20km光纤的传输时延就达到50～100μs，因此要在前传引入两端传输设备时，应尽可能降低节点的转发时延。目前实验室测试前传设备透明传送单个10Gbit/sCPRI信号或25GEeCPRI信号的节点转发时延可达到1μs量级，在支持多路CPRI/eCPRI信号电层复用和前向纠错（FEC）情况下时延值将会增大，建议指标值应小于10μs。因此，为支撑5G超低时延需求，无线网、承载网和核心网需要协同分配时延性能指标。

3.4 高精度时间同步需求

高精度时间同步是5G承载的第三个关键性能指标需求。5G的同步需求主要体现在基本业务、协同业务和基站定位等新业务的频率和时间同步需求指标3个方面，具体见表4。

总体来看，在一般情况下，5G基站间的时间同步需求指标仍为3μs，与4GTDD相同，少量应用场景可能需要百纳秒量级的超高精度时间同步，另外，基于基站定位的自动驾驶等新业务需要ns级别更高的时间同步需求。

4 5G核心网承载需求

4.1 5G核心网架构和部署模式

表4 5G的频率和时间同步需求分析

受业务发展驱动，5G核心网将发展为满足全业务接入场景的服务型网络架构，具有业务虚拟隔离（网络切片）、转发与控制分离、功能分布式部署、基础设施云化等核心特征。5G引入SDN/NFV有利于推动5G网络云化和数据中心化，包括核心网云化、无线接入网云化和控制系统云化三部分，5G核心网的目标架构如图3所示。

图3 5G核心网的目标架构示意图

5G核心网将逐步实现云化部署，首先在大区或省干核心机房建设大型数据中心，逐步在城域汇聚机房或综合业务接入机房建设边缘数据中心，并引入面向垂直行业等新兴业务应用的移动边缘计算（MEC）。因此，5G承载还需要考虑数据中心之间的光互联需求。

4.2 5G核心网灵活连接需求

5G核心网给承载带来的最大挑战是业务连接的灵活调度需求。为提升不同类型业务体验，5G核心网的用户面功能（UPF）网元将分层部署，因此5G基站回传到核心网的N2和N3连接的终结位置存在多样性，与不同业务的UPF部署位置密切相关。此外，承载网络还要为不同层面的核心网元之间网状连接提供承载，如图4所示，存在UPF与UPF间的N9连接、UPF与SMF间的N4连接、数据中心之间的N6连接等。为了降低时延和提高带宽效率，需要L3功能到边缘以实现就近转发，或通过部署L3功能到汇聚节点实现间接转发。为满足5G网状化的动态连接需求，5G承载需要将IP路由转发和L3VPN功能下移到UPF和MEC所在位置，为5G网络提供业务的灵活连接调度能力，提升业务质量体验和网络带宽效率。

4.3 5G网络切片及其协同管控需求

5G网络切片对承载的诉求是在一张统一的物理网络中，将业务连接和SLA相关的网络资源组织在一起，形成一个完整、自治和独立运维的虚拟网络（VN），满足特定用户和业务需求。构建虚拟网络的关键技术包括转发面的网络切片和SDN/NFV协同管控。

（1）转发面的网络切片：负责实现资源的隔离和分配，从而满足差异化的虚拟网络要求。面向5G的综合业务承载网络需提供支持软、硬隔离的层次化网络切片方案，满足不同类型业务的SLA需求。譬如，uRLLC和金融政企专线等业务要求独享资源、低时延和高可靠性，承载网络可提供基于L1TDM隔离的网络硬切片；eMBB的AR/VR等高清视频业务具有大带宽和动态突发等特点，承载网络可提供基于L2或L3逻辑隔离的网络软切片。

图4 5G承载的灵活化连接需求

（2）SDN/NFV协同管控：负责实现对网络切片资源的虚拟化抽象和协同编排管控。5G网络切片一般由5G业务编排器和核心网发起，携带切片ID和客户SLA需求，5G承载管控系统应支持与5G业务编排器或OSS系统之间的交互，通过开放标准的北向接口，完成自上而下的网络资源编排，支持网络切片的资源规划、虚拟网络拓扑呈现和性能监测分析等功能。

5 5G承载总体需求

综合5G业务、RAN和核心网的承载需求，同时考虑新型高速光接口及设备的影响，5G承载整体需求可归纳为如图5所示三大性能和六大组网功能，具体如下：

（1）百G级更大带宽：5G前传支持N×25或100Gbit/s，5G中回传在城域接入层支持N×50或100Gbit/s，在城域汇聚核心层乃至干线层支持N×100、200或400Gbit/s。

（2）百μs级超低时延：前传时延应小于100μs，回传时延应小于4～10ms。

（3）百μs级高精度时间同步：全网基站提供±1.5μs的时间同步，对于站间协同业务支持65～260ns的高精度时间同步。

（4）多级承载网络：通过城域接入、汇聚、核心和干线的网络分层结构，满足5G前传、中传、回传和核心网数据中心互连的多层级结构。

（5）灵活化连接调度：至少将IP路由转发和L3VPN功能下移至5G核心网元UPF和MEC所在位置，为5G提供动态灵活的网络连接。

（6）层次化网络切片：提供软隔离和硬隔离等层次化网络切片方案来满足5G网络切片需求。

（7）智能化协同管控：通过SDN管控架构、网络切片协同控制和开放的标准南北向接口，满足5G承载网与5G核心网、无线接入网的协同管控需求。

（8）4G和5G混合承载：支持4G和5G基站统一承载，支持4G和5G承载网的互联互通。

（9）低成本高速组网：联合推动5G基站和承载网络所需高速光模块及设备的技术成熟和规模量产，向未来开放光层互连发展，实现低成本高速光层组网。

6 结束语

图5 5G承载总体需求

相对于4G网络，5G承载呈现出明显的差异化需求，相应承载技术也需要同步革新。近年来，我国三大电信运营商结合各自网络基础和发展规划提出了不同的5G承载方案：中国移动已明确5G承载将采用基于PTN演进的切片分组网络（SPN）技术方案；中国电信的三大研究院在并行推进IPRAN增强、M-OTN和WDM-PON等技术方案，以适应未来5G不同网络应用场景的需求；中国联通正在研究5G中传和回传分别采用分组增强型OTN和IPRAN增强的联合组网方案，在5G前传采用城域接入型WDM方案。

虽然不同5G承载候选方案在关键技术和设备形态上有明显差异，但从L0/L1/L2/L3网络分层协议的角度分析，各方案在L0/L2/L3层具有较多共性技术，主要差异体现在L1物理链路是基于灵活以太网（FlexE）还是OTN，TDM硬隔离是基于切片以太网（SE）通道还是基于OTN的ODUflex通道。L1层的差异表明是基于电信级以太网增强轻量级TDM技术的演进思路，还是基于传统OTN增强分组技术并简化OTN的演进路线，都具有典型的承载技术融合发展趋势，最终能否发展壮大还依赖于产业链的健壮性和规模化效应。随着今后5G现网规模试点开展和预商用进程加快，5G承载技术方案还将继续加强融合创新，希望业界共同推动我国5G承载技术标准和产业化的蓬勃发展。