5G承载网演进方案探讨
孙嘉琪+李玉娟+杨广铭+尹远阳
编者按
5G网络架构重构是一场颠覆性变革，而不是缝缝补补式的改良，其颠覆性变革有五大表现：（1）在网络当中，运营商颠覆了沿用上百年的垂直一体化封闭电信架构，转向开放的水平集成架构；（2）从网元的角度来看，运营商过去沿用了很长时间的软硬件一体化封闭设备架构，将转向软硬件解耦的开放架构；（3）网络的软化会颠覆以硬件为中心的格局；（4）颠覆运营商传统烟囱式的架构，改变传统的思维和生产流程；（5）改变整个生态系统，颠覆传统的以运营商和设备商为中心的电信产业链架构。
——中国电信科技委主任韦乐平
【摘 要】
为了探讨5G承载网演进方案，从5G网络演进架构及5G承载网络指标关键需求入手，分析其对5G承载网的影响，提出了以业务为驱动的网络演进观点，最后对基于IP RAN的4G/5G统一承载解决方案进行了研究，给出了5G承载网演进方案建议，为运营商5G承载网的演进提供了参考。
【关键词】
5G承载；CU-DU；IP RAN；eCPRI
Discussion on Evolution Schemes of 5G Carrying Network
SUN Jiaqi1， LI Yujuan2， YANG Guangming1， YIN Yuanyang1
（1. Guangzhou Research Institute of China Telecom Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China；
2. China Telecom， Beijing 100010， China）
[Abstract]
The discussion on evolution schemes of 5G carrying network was carried out in this paper. Firstly， the impact on 5G carrying network was analyzed in the light of the evolution architecture of 5G network and the key requirements according to the 5G carrying network indicators. Then， a service-driven network evolution was proposed. Finally， the solutions to 4G/5G unified carrying based on IP RAN were investigated. The evolution proposal of 5G carrying network was given to provide a reference for operators.
[Key words]5G carrying； CU-DU； IP RAN； eCPRI
1 引言
目前移动通信已逐步走向5G时代，2020年5G正式商用进程正在快速推进中。在5G网络建设初期，由于频段较高、传播损耗较大等原因，很难做到全覆盖，存在NSA（Non-standalone）/SA（Standalone）多种组网架构选择。NSA非独立组网采用LTE與5G联合组网方式，利用现有覆盖良好的4G网络实现5G NR（New Radio，新空口）的快速引入，而SA独立组网则可以更好地体现出5G技术优势以提高服务质量，但对5G NR连续覆盖要求更高，引入周期长。目前3GPP标准组织优先考虑非独立组网模式，预计2017年底将首先完成非独立组网标准，随后在2018年7月完成5G独立组网相关标准[1]。相应地，5G承载网的演进不仅需考虑带宽、时延等相关网络指标的满足，还需考虑5G承载的灵活组网、4G/5G共站承载及与现有网络的衔接等实际需求，4G/5G共存组网的统一承载是5G承载网演进中的关键问题。
本文首先对5G网络演进架构及5G承载网络指标需求进行了介绍，然后分析其对5G承载网的影响，提出了以业务为驱动的网络演进观点及基于IP RAN的4G/5G统一承载方案，最后对5G承载网演进方案进行了建议。
2 5G架构演进
2.1 核心网架构演进
4G时代，核心网大多采用省集中部署方式，面对5G多样化的业务需求，5G核心网将实现云化演进，根据低时延uRRLC（超可靠、低延迟通信）、eMBB（增强移动宽带）、mMTC（大型机器类型通信）等不同业务需求集中部署或部分下沉（如图1所示），实现更加灵活的网络架构，具体为应用网关下移、协同就近转发、流量本地终结及去中心化趋势明显。
2.2 基站架构演进
（1）架构变化
5G时代对4G BBU与RRU功能进行了重新切分，RAN划分为AAU（Active Antenna Unit，有源天线处理单元）、DU（Distribute Unit，分布单元）和CU（Centralized Unit，集中单元）部分。CU功能灵活部署，可与DU共址部署，也可集中云化部署在X86服务器上。
目前3GPP已完成AAU与DU、DU与CU之间切分接口的标准化，BBU的部分物理层处理功能与原RRU合并为AAU，BBU非实时部分分割出来，重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务，BBU剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务[2]，如图2所示：
（2）5G新型前传接口-eCPRI
在架构演进的基础上，5G对基带处理功能与远端射频处理功能之间前传接口进行了新的定义。
4G时代前传接口基于CPRI协议，5G时代在大带宽、多流、Massive MIMO等技术发展的驱动下，传统前传CPRI接口对传输带宽要求太高，根据计算，5G CPRI流量在低频100 M/64T64R配置下将达到400 G，CPRI联盟为此对前传接口重新定义eCPRI标准，以降低带宽要求，eCPRI接口（5G AAU与DU/CU间接口）预计最大采用25 G接口，支持以太封装、分组承载和统计复用[3]。
2.3 5G架构演进对承载网影响
根据以上架构的演进，5G演进过程中，对承载网带来了以下变化：
（1）无线核心网云化带来流量流向的多元化，4G时代，业务流量只有S1、X2两种类型，且S1流向固定，5G时代还将出现DC间流量，S1流量根据核心网部署位置的不同，存在多流向，承载网需实现统一承载。
（2）5G RAN的部署方式，由于CU、DU功能的分离，带来多种组网方式，包括传统的D-RAN部署方式、BBU集中的C-RAN部署[4]方式及CU云化部署的Cloud-RAN（如图3所示）。当采用Cloud-RAN部署方式时，5G承载网被分割为前传（Fronthaul，AAU到DU）、中传（Midhaul，DU到CU）和回传（Backhaul，CU到核心网）三部分。相对于4G承载网，5G承载网增加了中传网络。
3 5G承载网关键需求分析
3.1 4G、5G关键指标对比分析
承载网络指标包括带宽、时延、时钟同步等关键需求，表1对4G、5G关键指标需求进行了对比：
从承载网络带宽、时延、同步等网络指标来看（表1），5G网络相对于4G网络主要变化体现为：
（1）基站带宽需求大幅提升，预计为4G带宽的10～100倍；
（2）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。
3.2 5G承载网建设接入环带宽需求分析
如表1所示，4G单基站理论峰值带宽为150 Mbit·s-1～
300 Mbit·s-1，现有4G业务通过IP RAN承载，接入环以GE环为主进行建设，每接入环6～8个基站接入。如表2所示，根据广州、深圳现网典型接入环2016年1月至2017年8月的实际流量情况，一个接入环实际最大带宽为183 Mbit·s-1，远小于理论值，接入环带宽利用率较低。
因此，承载网演进建设的带宽需求除了理论需求值，还与用户行为、用户渗透率等存在较大关联，需综合考虑分析用户行为、用户渗透率及新业务引入速度等相关因素。5G承载网带宽的建设应以业务驱动为主，按实际流量增长建网，而非理论带宽，预测在很长一段时间，10 GE接入环可满足绝大多数5G业务场景，对于一些高密集热点地区或BBU资源池堆叠场景，根据流量情况可引入25 GE/50 GE环，接入设备以10 GE接口为主，具备25 GE/50 GE演进能力。
3.3 5G承载网建设对时延需求考虑
5G承载另一关键需求变化为超低时延业务的低时延需求，根据2.1节内容，可通过按需网关下沉等网络架构调整降低网络传输时延。
目前現网通过仪表发包测试，4G IP RAN承载网双向时延城域内小于1 ms，典型省份（500 km基本覆盖大部分区域，包括光纤传输时延）双向时延控制在8 ms以内，从指标上看可满足5G承载时延需求，对于时延要求严格的业务，可通过网络架构的调整解决承载业务低时延需求。
4 5G承载网解决方案
本节对5G承载网解决方案进行探讨，在第2节5G架构演进分析中提到，5G承载网络分为前传、中传及回传三部分。中传网络由于CU的云化部署引入，目前中传单DU带宽与回传网络相当，从流量上看，CU/DU分离对承载网无影响，且从简化网络架构与运维角度考虑，中传方案应与回传方案应保持一致。
因此本节从前传承载及中传、回传承载两部分对5G承载网解决方案进行了介绍。
4.1 前传承载
5G时代，前传接口从CPRI向eCPRI演进，前传承载要求大带宽（单RRU带宽25 G）、低时延（<100 μs）等需求，对于前传网络承载，本文认为应主要采用光纤直驱为主，在光纤资源不足情况下，可少量引入波分方案或WPON。前传承载方案对比分析如表3所示。
4.2 中传、回传承载
目前4G回传网络通过IP RAN承载[7-8]，根据第3节对5G承载网关键需求的分析，本文认为通过现有IP RAN设备的升级，可满足5G网络承载的更大带宽、更低时延的通信需求，且IP网络天生具备灵活多连接等特性，同时从投资保护及4G/5G共站址的角度，通过IP RAN实现4G/5G的统一承载（如图4所示）是快速实现5G网络承载的方案。
（1）大容量带宽演进：具备10 GE、25 GE、50 GE、100 GE、200 GE、400 GE能力；
（2）SDN技术应用：通过SDN技术[9]，提升网络智能运营和智能维护能力，实现网络能力开放；
（3）新技术的引入：引入Segment Rtouting[10]、FlexEth等技术，实现网络承载能力的提升。
4.3 5G承载现网演进方案建议
最后，按照5G建设进程，将5G承载网演进分为5G试点、5G商用及5G规模商用三个阶段，从业务需求、带宽需求及网路演进等方面对5G承载网演进方案进行了建议，如表4所示。
5 结束语
应对未来5G时代的海量连接和流量剧增，承载网络如何快速经济的部署和演进，是运营商抢占5G先机发挥商用价值的关键。2017年随着各大运营商5G外场测试的开展，对5G承载技术的研究和设备演进进入了关键论证期，本文从5G架构演进对承载网的影响入手分析，同时分析了5G承载网络关键指标，提出5G承载网的带宽需求及架构演进应以业务发展为主要驱动，同时，需要考虑4G/5G的共站承载及现网衔接等关键问题，最后对5G承载网解决方案进行了探讨，给出了5G承载网络演进建议。
参考文献：
[1] 3GPP TR 38.801 v14.0.0. Study on Radio Access Technology： Radio Access Architecture and Interface[S]. 2017.
[2] 3GPP TR.38.816. Study on CU-DU lower layer split for NR[S]. 2017.
[3] eCPRI Specification V1.0. Common Public Radio Interface：eCPRI Interface Specification[S]. 2017.
[4] 中国移动通信研究院. 5G C-RAN白皮书[Z]. 2016.
[5] 3GPP TR 38.913 v14.3.0. Study on scenarios and requirements for next generation access technologies[S]. 2017.
[6] NGMN. NGMN_5G_White_Paper_V1_0[EB/OL].
[2017-11-14]. http：//www.ngmn.org/5g-white-paper/5g-white-paper.html.
[7] 杨广铭，梁筱斌，阎璐，等. LTE海量基站业务承载网络优化方案分析[J]. 电信科学， 2013（8A）： 110-114.
[8] 易昀，杨广铭，黄卓君，等. 全业务运营环境下的IP RAN组网技术与部署方案研究[J]. 移动通信， 2010，34（17）： 20-24.
[9] 孙嘉琪，杨广铭，卢泉. IP RAN SDN的研究与实践[J]. 互联网天地， 2014（9）： 44-49.
[10] 何晓明，卢泉，刑亮. 分段路由网络研究及其在流量工程中的应用[J]. 电信科学， 2016，32（6）： 186-194.
编者按
5G网络架构重构是一场颠覆性变革，而不是缝缝补补式的改良，其颠覆性变革有五大表现：（1）在网络当中，运营商颠覆了沿用上百年的垂直一体化封闭电信架构，转向开放的水平集成架构；（2）从网元的角度来看，运营商过去沿用了很长时间的软硬件一体化封闭设备架构，将转向软硬件解耦的开放架构；（3）网络的软化会颠覆以硬件为中心的格局；（4）颠覆运营商传统烟囱式的架构，改变传统的思维和生产流程；（5）改变整个生态系统，颠覆传统的以运营商和设备商为中心的电信产业链架构。
——中国电信科技委主任韦乐平
【摘 要】
为了探讨5G承载网演进方案，从5G网络演进架构及5G承载网络指标关键需求入手，分析其对5G承载网的影响，提出了以业务为驱动的网络演进观点，最后对基于IP RAN的4G/5G统一承载解决方案进行了研究，给出了5G承载网演进方案建议，为运营商5G承载网的演进提供了参考。
【关键词】
5G承载；CU-DU；IP RAN；eCPRI
Discussion on Evolution Schemes of 5G Carrying Network
SUN Jiaqi1， LI Yujuan2， YANG Guangming1， YIN Yuanyang1
（1. Guangzhou Research Institute of China Telecom Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China；
2. China Telecom， Beijing 100010， China）
[Abstract]
The discussion on evolution schemes of 5G carrying network was carried out in this paper. Firstly， the impact on 5G carrying network was analyzed in the light of the evolution architecture of 5G network and the key requirements according to the 5G carrying network indicators. Then， a service-driven network evolution was proposed. Finally， the solutions to 4G/5G unified carrying based on IP RAN were investigated. The evolution proposal of 5G carrying network was given to provide a reference for operators.
[Key words]5G carrying； CU-DU； IP RAN； eCPRI
1 引言
目前移动通信已逐步走向5G时代，2020年5G正式商用进程正在快速推进中。在5G网络建设初期，由于频段较高、传播损耗较大等原因，很难做到全覆盖，存在NSA（Non-standalone）/SA（Standalone）多种组网架构选择。NSA非独立组网采用LTE與5G联合组网方式，利用现有覆盖良好的4G网络实现5G NR（New Radio，新空口）的快速引入，而SA独立组网则可以更好地体现出5G技术优势以提高服务质量，但对5G NR连续覆盖要求更高，引入周期长。目前3GPP标准组织优先考虑非独立组网模式，预计2017年底将首先完成非独立组网标准，随后在2018年7月完成5G独立组网相关标准[1]。相应地，5G承载网的演进不仅需考虑带宽、时延等相关网络指标的满足，还需考虑5G承载的灵活组网、4G/5G共站承载及与现有网络的衔接等实际需求，4G/5G共存组网的统一承载是5G承载网演进中的关键问题。
本文首先对5G网络演进架构及5G承载网络指标需求进行了介绍，然后分析其对5G承载网的影响，提出了以业务为驱动的网络演进观点及基于IP RAN的4G/5G统一承载方案，最后对5G承载网演进方案进行了建议。
2 5G架构演进
2.1 核心网架构演进
4G时代，核心网大多采用省集中部署方式，面对5G多样化的业务需求，5G核心网将实现云化演进，根据低时延uRRLC（超可靠、低延迟通信）、eMBB（增强移动宽带）、mMTC（大型机器类型通信）等不同业务需求集中部署或部分下沉（如图1所示），实现更加灵活的网络架构，具体为应用网关下移、协同就近转发、流量本地终结及去中心化趋势明显。
2.2 基站架构演进
（1）架构变化
5G时代对4G BBU与RRU功能进行了重新切分，RAN划分为AAU（Active Antenna Unit，有源天线处理单元）、DU（Distribute Unit，分布单元）和CU（Centralized Unit，集中单元）部分。CU功能灵活部署，可与DU共址部署，也可集中云化部署在X86服务器上。
目前3GPP已完成AAU与DU、DU与CU之间切分接口的标准化，BBU的部分物理层处理功能与原RRU合并为AAU，BBU非实时部分分割出来，重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务，BBU剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务[2]，如图2所示：
（2）5G新型前传接口-eCPRI
在架构演进的基础上，5G对基带处理功能与远端射频处理功能之间前传接口进行了新的定义。
4G时代前传接口基于CPRI协议，5G时代在大带宽、多流、Massive MIMO等技术发展的驱动下，传统前传CPRI接口对传输带宽要求太高，根据计算，5G CPRI流量在低频100 M/64T64R配置下将达到400 G，CPRI联盟为此对前传接口重新定义eCPRI标准，以降低带宽要求，eCPRI接口（5G AAU与DU/CU间接口）预计最大采用25 G接口，支持以太封装、分组承载和统计复用[3]。
2.3 5G架构演进对承载网影响
根据以上架构的演进，5G演进过程中，对承载网带来了以下变化：
（1）无线核心网云化带来流量流向的多元化，4G时代，业务流量只有S1、X2两种类型，且S1流向固定，5G时代还将出现DC间流量，S1流量根据核心网部署位置的不同，存在多流向，承载网需实现统一承载。
（2）5G RAN的部署方式，由于CU、DU功能的分离，带来多种组网方式，包括传统的D-RAN部署方式、BBU集中的C-RAN部署[4]方式及CU云化部署的Cloud-RAN（如图3所示）。当采用Cloud-RAN部署方式时，5G承载网被分割为前传（Fronthaul，AAU到DU）、中传（Midhaul，DU到CU）和回传（Backhaul，CU到核心网）三部分。相对于4G承载网，5G承载网增加了中传网络。
3 5G承载网关键需求分析
3.1 4G、5G关键指标对比分析
承载网络指标包括带宽、时延、时钟同步等关键需求，表1对4G、5G关键指标需求进行了对比：
从承载网络带宽、时延、同步等网络指标来看（表1），5G网络相对于4G网络主要变化体现为：
（1）基站带宽需求大幅提升，预计为4G带宽的10～100倍；
（2）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。
3.2 5G承载网建设接入环带宽需求分析
如表1所示，4G单基站理论峰值带宽为150 Mbit·s-1～
300 Mbit·s-1，现有4G业务通过IP RAN承载，接入环以GE环为主进行建设，每接入环6～8个基站接入。如表2所示，根据广州、深圳现网典型接入环2016年1月至2017年8月的实际流量情况，一个接入环实际最大带宽为183 Mbit·s-1，远小于理论值，接入环带宽利用率较低。
因此，承载网演进建设的带宽需求除了理论需求值，还与用户行为、用户渗透率等存在较大关联，需综合考虑分析用户行为、用户渗透率及新业务引入速度等相关因素。5G承载网带宽的建设应以业务驱动为主，按实际流量增长建网，而非理论带宽，预测在很长一段时间，10 GE接入环可满足绝大多数5G业务场景，对于一些高密集热点地区或BBU资源池堆叠场景，根据流量情况可引入25 GE/50 GE环，接入设备以10 GE接口为主，具备25 GE/50 GE演进能力。
3.3 5G承载网建设对时延需求考虑
5G承载另一关键需求变化为超低时延业务的低时延需求，根据2.1节内容，可通过按需网关下沉等网络架构调整降低网络传输时延。
目前現网通过仪表发包测试，4G IP RAN承载网双向时延城域内小于1 ms，典型省份（500 km基本覆盖大部分区域，包括光纤传输时延）双向时延控制在8 ms以内，从指标上看可满足5G承载时延需求，对于时延要求严格的业务，可通过网络架构的调整解决承载业务低时延需求。
4 5G承载网解决方案
本节对5G承载网解决方案进行探讨，在第2节5G架构演进分析中提到，5G承载网络分为前传、中传及回传三部分。中传网络由于CU的云化部署引入，目前中传单DU带宽与回传网络相当，从流量上看，CU/DU分离对承载网无影响，且从简化网络架构与运维角度考虑，中传方案应与回传方案应保持一致。
因此本节从前传承载及中传、回传承载两部分对5G承载网解决方案进行了介绍。
4.1 前传承载
5G时代，前传接口从CPRI向eCPRI演进，前传承载要求大带宽（单RRU带宽25 G）、低时延（<100 μs）等需求，对于前传网络承载，本文认为应主要采用光纤直驱为主，在光纤资源不足情况下，可少量引入波分方案或WPON。前传承载方案对比分析如表3所示。
4.2 中传、回传承载
目前4G回传网络通过IP RAN承载[7-8]，根据第3节对5G承载网关键需求的分析，本文认为通过现有IP RAN设备的升级，可满足5G网络承载的更大带宽、更低时延的通信需求，且IP网络天生具备灵活多连接等特性，同时从投资保护及4G/5G共站址的角度，通过IP RAN实现4G/5G的统一承载（如图4所示）是快速实现5G网络承载的方案。
（1）大容量带宽演进：具备10 GE、25 GE、50 GE、100 GE、200 GE、400 GE能力；
（2）SDN技术应用：通过SDN技术[9]，提升网络智能运营和智能维护能力，实现网络能力开放；
（3）新技术的引入：引入Segment Rtouting[10]、FlexEth等技术，实现网络承载能力的提升。
4.3 5G承载现网演进方案建议
最后，按照5G建设进程，将5G承载网演进分为5G试点、5G商用及5G规模商用三个阶段，从业务需求、带宽需求及网路演进等方面对5G承载网演进方案进行了建议，如表4所示。
5 结束语
应对未来5G时代的海量连接和流量剧增，承载网络如何快速经济的部署和演进，是运营商抢占5G先机发挥商用价值的关键。2017年随着各大运营商5G外场测试的开展，对5G承载技术的研究和设备演进进入了关键论证期，本文从5G架构演进对承载网的影响入手分析，同时分析了5G承载网络关键指标，提出5G承载网的带宽需求及架构演进应以业务发展为主要驱动，同时，需要考虑4G/5G的共站承载及现网衔接等关键问题，最后对5G承载网解决方案进行了探讨，给出了5G承载网络演进建议。
参考文献：
[1] 3GPP TR 38.801 v14.0.0. Study on Radio Access Technology： Radio Access Architecture and Interface[S]. 2017.
[2] 3GPP TR.38.816. Study on CU-DU lower layer split for NR[S]. 2017.
[3] eCPRI Specification V1.0. Common Public Radio Interface：eCPRI Interface Specification[S]. 2017.
[4] 中国移动通信研究院. 5G C-RAN白皮书[Z]. 2016.
[5] 3GPP TR 38.913 v14.3.0. Study on scenarios and requirements for next generation access technologies[S]. 2017.
[6] NGMN. NGMN_5G_White_Paper_V1_0[EB/OL].
[2017-11-14]. http：//www.ngmn.org/5g-white-paper/5g-white-paper.html.
[7] 杨广铭，梁筱斌，阎璐，等. LTE海量基站业务承载网络优化方案分析[J]. 电信科学， 2013（8A）： 110-114.
[8] 易昀，杨广铭，黄卓君，等. 全业务运营环境下的IP RAN组网技术与部署方案研究[J]. 移动通信， 2010，34（17）： 20-24.
[9] 孙嘉琪，杨广铭，卢泉. IP RAN SDN的研究与实践[J]. 互联网天地， 2014（9）： 44-49.
[10] 何晓明，卢泉，刑亮. 分段路由网络研究及其在流量工程中的应用[J]. 电信科学， 2016，32（6）： 186-194.
