5G承載網(wǎng)架構(gòu)及部署場景

1、5G 承載網(wǎng)架構(gòu)及部署場景【摘 要】隨著近幾年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)市場與業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的增長， 5G 成為業(yè)界焦點(diǎn)， 5G 承 載網(wǎng)方案研究也在有條不紊地進(jìn)行。為了探討5G 承載網(wǎng)演進(jìn)方案， 從 5G 網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)架構(gòu)及 5G 承載網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)關(guān)鍵需求入手，分析其對(duì)5G 承載網(wǎng)的影響，及承載網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合當(dāng)前3GPP標(biāo)準(zhǔn)給由各部署場景的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，為 5G 時(shí)代承載網(wǎng)的建設(shè)提供參考?！娟P(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)； 5G 承載網(wǎng)Discussion on Architecture and Deployment Scenario of5G Bearing NetworksLI CongAb

2、stract In recent years ， with the thriving development of mobile Internet and the increasing requirements of service application ， 5G has been the focus of the industry. The research on 5G bearing networks has been on the progress. In order to discuss the evolution scheme of 5G bearing networks ， th

3、e impacts of 5G networks evolution architecture and key requirements of 5G bearing networks on 5G bearing networks and their key techniques are analyzed. Combined with 3GPP standards ， the network system architectures in different deployment scenarios are presented to provide a reference to the cons

4、truction of 5G bearing networks.Key wordsnetwork architecture ； network evolution ； 5G bearing networks1 引言3GPP的5G?W絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，5G無線網(wǎng)由一組 NG 接口連接到5G核心網(wǎng)絡(luò)的gNB組成。gNBs可以通過Xn接 口相互連接。一個(gè) gNB實(shí)體可能由一個(gè) gNB集中單元（gNB-CU）和gNB分布式單元（gNB-DU）組成。CU處理非 實(shí)時(shí)協(xié)議以及服務(wù)， DU 處理 PHY（ Physical Layer ，物理層）級(jí)別協(xié)議和實(shí)時(shí)服務(wù)，gNB-CU和gNB-DU單元通過F1邏輯

5、 接口連接。一個(gè)gNB-DU只連接到一個(gè)gNB-CU。特殊情況下， 當(dāng)主gNB-CU由現(xiàn)故障時(shí)，gNB-DU也可以通過適當(dāng)?shù)姆绞竭B 接到另一個(gè)gNB-CU。圖1中的NG、Xn和F1接口均是邏輯 接口。在無線接入網(wǎng)架構(gòu)中，前傳是RRU （遠(yuǎn)程無線電單元）與DU （CPRI和eCPRI之間的網(wǎng)絡(luò)，中傳是 DU和CU （F接 口）之間的網(wǎng)絡(luò)，回傳是在CU和5G CN （NG接口）之間以及在CUs （Xn接口）之間的網(wǎng)絡(luò)。在莫些情況下，CU和DU共同定位和形成gNB。在這種情況下，RRU對(duì)gNB是前傳， gNB對(duì)5G CN是回傳。一般來說，前傳通常是基于LL FS（低 層次功能拆分），中傳是基于HL

6、FS（高層功能拆分）。對(duì)于冗 余，gNB與5G核心網(wǎng)之間可以為 1: 2, DU與CU之間可以 為 1 ： n。2 無線承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)無線承載網(wǎng)從4G/LTE演進(jìn)到5G新無線網(wǎng)（NR）,其主 要的變化是4G/LTE的BBU功能將會(huì)分為三部分：集中單元（CU）、分布式單元（DU）和射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）O新的網(wǎng) 絡(luò)傳輸架構(gòu)在很多方面都進(jìn)行了改變。例如，新的設(shè)計(jì)可以更好地促進(jìn)無線接入網(wǎng)（RAN）虛擬化，而且還可以在滿足 時(shí)延需求的同時(shí)，允許降低前傳的速率。在CU和DU中駐留的特定功能是依賴于部署的并且仍在討論中。圖 2 展現(xiàn)了 4G 演進(jìn)到5G 傳輸網(wǎng)絡(luò)的變化，4G 網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)由核心網(wǎng)（EP。

7、、基帶處理單元（BBU）和射頻拉 遠(yuǎn)單元（RRU）構(gòu)成。當(dāng)向5G演進(jìn)時(shí)，用戶平面的一部分功 能由核心網(wǎng)（EPQ遷移到CU和DU上，第二層（L2）非實(shí) 時(shí)性功能和第三層（L3）功能將由BBU轉(zhuǎn)化到CU,第一層（L1） /第二層（L2）實(shí)時(shí)性功能將由 BBU轉(zhuǎn)化到DU, L1的 其他功能將由BBU轉(zhuǎn)化到RRU,核心網(wǎng)（EP。的功能也會(huì) 與CU和DU功能一樣，被重新定義到下一代核心網(wǎng)（NGC）中。除此之外，新一代網(wǎng)絡(luò)將重新設(shè)計(jì)定義兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，即上層分裂點(diǎn)（ Fronthaul-II ）和底層分裂點(diǎn)（ Fronthaul-I ） ， 而且DCN、CU與DU以及RRU之間的其他功能也會(huì)被重新定義。圖

8、2 4G 的單節(jié)點(diǎn)演進(jìn)到 5G 的拆分功能架構(gòu)示意圖在圖 2 中，黃色的線表示傳輸網(wǎng)絡(luò)的接口，帶有箭頭的灰色或黑線表示3GPP功能的遷移。截止到 2017年12月， 3GPP已經(jīng)將其R15版本演進(jìn)為兩種版本：非獨(dú)立和獨(dú)立。在非獨(dú)立的情況下，4G LT國立（ eNB）和5G NR基站為雙連通性相互連接。在初始部署中，圖 3 中的選項(xiàng)3，對(duì)于將轉(zhuǎn)接到5G NR基站的4G LTES站來講，4G核心網(wǎng)仍然是核心并連接到 4G 基站。在隨后的部署中， 5G 下一代核心網(wǎng)（NGC）將被部署連接到與 4G 1丁屋站（選項(xiàng)7）和那些即 將建成5G NR基站（選項(xiàng)4）。這一演進(jìn)將允許支持 5G功能 的用戶設(shè)備（

9、如移動(dòng)電話）的接入。當(dāng)然，目前的4G LTEgB署是才立于4G基站和核心網(wǎng)（如 圖 4 中的選項(xiàng) 1） ， 最終目標(biāo)是5G 獨(dú)立 （選項(xiàng) 2） 以及 5G NR基站和下一代核心網(wǎng)（NGC）的獨(dú)立。3前傳鏈路3.1 前傳鏈路的功能分割在上行和下行方向上，無線信號(hào)會(huì)經(jīng)過一系列信號(hào)處理塊。 圖 5 上半部分顯示在4G 和 5G 無線網(wǎng)絡(luò)中這些功能塊和潛在的分割點(diǎn)。值得一提的是，在用戶流量需要連續(xù)的比特率傳輸時(shí)，傳統(tǒng)的前傳使用選項(xiàng) 8 （CPRI或OBSAI協(xié)議），與其他分割選項(xiàng)（1-7 ）相比，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量需與用戶流量成比例。3.2 信道帶寬通常在4G無線網(wǎng)絡(luò)中，前傳鏈接指的是 RF與剩余使用 CP

10、RI/OBSA脅議（選項(xiàng)8分割點(diǎn)）的前傳 L1或L2/L3功能之 間的鏈接。這種分裂點(diǎn)以最嚴(yán)格的前傳延遲和帶寬要求選項(xiàng)允許所有高層處理功能集中。此外這種傳統(tǒng)的前傳是基于數(shù)字化時(shí)域的 IQ 數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于高容量的應(yīng)用程序，如 eMBB （增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）或獨(dú)立的天線元件的無線基站 （多層 MIMO ） ， 這些前傳解決方案要求極高的傳輸能力，并要時(shí)延最多只有幾百微秒。表1顯示了時(shí)間域的IQ數(shù)據(jù)前傳能力（CPRI速率無線 路由編碼），需要支持不同由 3GPP定義5G無線網(wǎng)絡(luò)天線端 口的無線頻率帶寬和使用參數(shù)范圍。表15G所需的前傳無線網(wǎng)絡(luò)帶寬Gb/s天線端口數(shù) 無線信道帶寬10 MHz 20 MH

11、z 200 MHz 1 GHz2 1 2 20 1008 4 8 80 40064 32 64 640 3 200256 128 256 2 560 12 800表 1 中的值是近似的凈數(shù)據(jù)速率（不含行代碼） ，如公 式（1）所計(jì)算的。計(jì)算表明，在 CPRI （選項(xiàng)8）接口需要 491.52 Mb/s 的帶寬和每個(gè)天線端口每10 MHz 為廣播帶寬的數(shù)據(jù)速率。BCPRI=AK fsXbsX2X （ 16?15）（1）其中， A 是每個(gè)扇區(qū)的天線數(shù)， fs 代表采樣頻率（每 10MHz無線電帶寬的15.36 ms/s）, bs為每個(gè)樣本的比特?cái)?shù)（LTE 為15）。因子2為因素I和Q樣本的單獨(dú)處理

12、，附加開銷信 息因子為 16/15 。3.3 5G 無線網(wǎng)絡(luò)中的新功能選項(xiàng)的拆分隨著5G數(shù)據(jù)率的增長，繼續(xù)使用傳統(tǒng)的 CPRI前傳來實(shí)現(xiàn)已經(jīng)不切實(shí)際。如圖 5 所示，走向一個(gè)更高的層裂會(huì)減輕時(shí)延和帶寬的壓力，但缺點(diǎn)是只能集中較少的處理功能。因此，至關(guān)重要的是，新的功能劃分架構(gòu)需權(quán)衡吞吐量、時(shí)延和功能集中技術(shù)以及成本效益之間的關(guān)系。因此一些標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)都提出了識(shí)別無線電處理鏈的不同分割點(diǎn) （圖5） ， 這樣與傳統(tǒng)方法相比可以大大減少CRAN架構(gòu)的傳輸壓力，這樣就可以根據(jù)具體部署場景選擇最佳的NR拆分點(diǎn)。2017年4月，3GPP宣布選項(xiàng) 2 （PDCP高RLQ 作為高層次的分割點(diǎn)（稱為 F1 的接口）

13、 ，同時(shí)推遲兩競爭者之間的低層分割點(diǎn)決策（選項(xiàng) 6 的 MAC/PHY 分裂和選項(xiàng)7 的 PHY分裂成三種物理層 7-1 、 7-2 、 7-3 ）的時(shí)間。為了方便，將使用 FX 作為低層分裂點(diǎn)的符號(hào)，為了增加靈活性將會(huì)級(jí)聯(lián)分裂架構(gòu)。API2017 年 7 月，小蜂窩論壇擴(kuò)展了多廠商平臺(tái)接口的規(guī)范（FAPI） ，促使小蜂窩加速部署到虛擬的小蜂窩結(jié)構(gòu)。伴隨著nFAPI的力口入，使nFAPI成為支持虛擬 MAC/PHY分裂（選 項(xiàng)6）的接口平滑演進(jìn)到 5G路徑。這里采用了由三種元素CU、DU和RU組成的分割體系結(jié)構(gòu)，每一個(gè)都具有任何信號(hào)處理功能。由于現(xiàn)有的 4G 部署將繼續(xù)得到支持，在未來，BBU

14、和RRH的術(shù)語將被重新命名為 CU/DU和RU。與此同時(shí)，eCPRI小組將其工作重點(diǎn)放在了數(shù)據(jù)包傳輸網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)部分裂上，從而為低層的分離創(chuàng)建了一個(gè)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。在下行鏈路（ID, IDD）和上行鏈路（IU） 中引入了兩種可能的分割，這配置大致對(duì)應(yīng)于 3GPP選項(xiàng)7-2和7-303GPP和eCPR規(guī)范都提到了基于以太網(wǎng)的傳輸需求，這是Metro Ethernet論壇（MEF）定義的。MEF在2016年1月發(fā)布了第三階段的移動(dòng)回傳執(zhí)行協(xié)議（MEF22.2）而且正在進(jìn)行第 4 階段的 MEF22.3 的研究， 其中包括了下一代的前傳定義。IEEE P1914.1標(biāo)準(zhǔn)將在2018年底前后發(fā)布，它

15、將提供如何支持在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上的其他分點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的傳輸規(guī)范。但是，這個(gè)規(guī)范的細(xì)節(jié)目前還沒有定義。4 5G 承載網(wǎng)的運(yùn)行部署場景及網(wǎng)絡(luò)體系?Y構(gòu)一般來說，5G的傳輸網(wǎng)絡(luò)可能包含了 fronthaul （前傳）、midhaul （中傳）和 backhaul （回傳）網(wǎng)絡(luò)。但是，不同的操作符可能會(huì)使用不同的部署場景。目前已經(jīng)確定了四個(gè)運(yùn)行部署場景。（1）獨(dú)立 RRU、CU、DU 位置場景。在這種情況下， fronthaul 、midhaul和backhaul網(wǎng)絡(luò)，RRU與DU之間的距離為 020 km , 而 DU 和 CU 之間的距離為數(shù)十公里。（ 2） CU 和 DU 共址場景。在這種情況下， C

16、U 和 DU 在一起，因此沒有midhaul 。（ 3） RRU和DU集成場景。在這個(gè)場景中，RRU和DU被部署在彼此附近，比如在同一棟樓里，或者距離幾百米。為了降低成本，RRU直接通過光纖連接到 DU,不需要傳輸設(shè)備。在這種情況下，有 midhaul 和 backhaul 網(wǎng)絡(luò)。（ 4） RRU、 DU 和 CU 集成。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可用于小單元和熱點(diǎn)場景，在這種情況下只有 backhaul 網(wǎng)絡(luò)。以上四個(gè)應(yīng)用場景基于當(dāng)前的無線網(wǎng)絡(luò)部署和無線SDOs所描述的預(yù)期功能。 但是，最終的應(yīng)用程序場景將由無線規(guī)范、應(yīng)用程序（即 eMBB 和 uRLLC） 、傳輸技術(shù)可用性和操作人員的部署需求來定義。根據(jù)

17、 CU、 DU 和 RU 的部署差異， 5G 前傳和中傳網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)被歸類為四個(gè) RAN部署。對(duì)應(yīng)于不同的 RAN部署，為了滿足特定的要求，傳輸體系結(jié)構(gòu)可能會(huì)不同。圖 6 顯示了獨(dú)立CU和DU部署的傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)?；爻虃鬏斣赗RU和DU之間，中程傳輸在 DU 和 CU 之間，以及CU 和 CN 之間的回程傳輸。 回程傳輸?shù)姆?wù)是多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的。用于前傳和中程傳輸網(wǎng)絡(luò)，該服務(wù)是指向并假設(shè)在特定時(shí)間， DU 只屬于一個(gè)CU, RRU只屬于一個(gè)DU。止匕外，前傳和中程傳 輸網(wǎng)絡(luò)需要提供合理的低時(shí)延來滿足時(shí)延要求敏感的服務(wù)，如 uRLLC。前傳、中傳和回程傳輸網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌簩?duì)于前傳傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以使用星

18、形或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；對(duì)于中程傳輸網(wǎng)絡(luò)，通常使用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；對(duì)于回程傳輸網(wǎng)絡(luò)，使用環(huán)形和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)于第 4 節(jié)中描述的其他RAN 部署， 傳輸體系結(jié)構(gòu)可能如下：( 1)對(duì)于并置CU 和 DU 部署，這些將不存在中程傳輸網(wǎng)絡(luò)，仍然是前傳和回傳共同承載5G 流量。(2)對(duì)于RRU和DU集成部署，這意味著不需要前傳 網(wǎng)絡(luò)，仍然是中程回程傳輸來運(yùn)載RRU/DU至U CU之間和CU到 CN 之間的流量。(3)對(duì)于RRU DU和CU集成部署，只剩下回程傳輸網(wǎng)絡(luò)，其傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)幾乎與 4G 場景相同。需要注意的是，傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)該滿足用于特定運(yùn)營商和特定流量規(guī)劃的 4 個(gè) RAN 部署子集所有的要求

19、。 隨著網(wǎng)絡(luò)和流量演進(jìn)的發(fā)展，傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)該平滑升級(jí)以逐步支持更多的RAN部署。圖7顯示了 5G CRAN部署的傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 的一個(gè)示例。另一個(gè)例子是DRAN部署，如圖8所示?？紤]MEC在5G中的重要性，回程傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該考慮MECs應(yīng)用，并且應(yīng)該為 MEC和CU之間的服務(wù)提供靈活性 和低時(shí)延。傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以考慮PON、OTN、SPN以太網(wǎng)、 G.Metro 等。5 管理與控制3GPP管理系統(tǒng)與傳輸網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)之間的交互示例如圖 9 所示。下文將會(huì)介紹傳輸網(wǎng)絡(luò)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片的支持。為此，做出以下假設(shè)：傳送網(wǎng)管理系統(tǒng)由 SDN 控制器實(shí)現(xiàn)。為了支持圖 9 所示的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)將作為獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)

20、切片實(shí)例呈現(xiàn)（與其他網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例不相交）。3GPP管理系統(tǒng)將針對(duì)每種類型的 3GPP服務(wù)（例如uRLLCeMBB等） 請(qǐng)求傳輸網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例。每個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例將由獨(dú)立虛擬網(wǎng)絡(luò)（ VN） 支持，每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)具有單獨(dú)的邏輯管理接口。傳輸網(wǎng)絡(luò)切片將在準(zhǔn)備或調(diào)試階段配置。由于粒度的差異，傳輸網(wǎng)絡(luò)只支持 E2E實(shí)例的網(wǎng)絡(luò)切片。因此，每個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò) 片將支持零個(gè)或多個(gè) E2E切片實(shí)例。傳輸網(wǎng)絡(luò)對(duì)于 3GPP管 理系統(tǒng)是直接可見的，每個(gè)VN 將被視為一個(gè)管理網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)實(shí)例（MNSSI）。以下是TN管理系統(tǒng)與3GPP管理系統(tǒng) 之間的協(xié)調(diào)要求。（1）傳送網(wǎng)管理系統(tǒng)應(yīng)能夠接收來自E2E 5G切片管理系統(tǒng)（即3G

21、PP管理系統(tǒng)）的3GPP E2E 5GH片實(shí)例的特定要求（例如性能、隔離等） 。傳輸網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)應(yīng)該響應(yīng)該請(qǐng)求，提供適當(dāng)?shù)膫鬏斁W(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)實(shí)例?？梢灶A(yù)先設(shè)計(jì)傳輸網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)的模板，在這種情況下，來自3GPP管理系統(tǒng)的請(qǐng)求將包括對(duì)特定模板的引用。一旦建立合適的傳輸網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)實(shí)例，傳輸網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)實(shí)例和E2E 5G切片實(shí)例之間的關(guān)聯(lián)就會(huì)建立起來，并且可以由傳輸網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)或由E2E 5G管理器來管理。（ 2）傳輸網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)應(yīng)該能夠接收到對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)的能力清單的請(qǐng)求，例如拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、容量等所支持的客戶端的類型等，并提供所請(qǐng)求的信息。（ 3）傳送網(wǎng)管理系統(tǒng)應(yīng)能夠根據(jù)E2E 5G切片管理系統(tǒng)的請(qǐng)求修改傳

22、送網(wǎng)切片子網(wǎng)實(shí)例。（ 4）運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)應(yīng)能夠接收性能監(jiān)測、性能閾值和故障監(jiān)督的配置和激活請(qǐng)求，并提供性能閾值報(bào)警和故障報(bào)警的自發(fā)報(bào)告，并根據(jù)要求，報(bào)告性能監(jiān)測結(jié)果并為傳輸網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)提供連接。（ 承載網(wǎng)對(duì) 5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的支持通常，傳輸網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，可以預(yù)期，在某些情況下，公共傳輸網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施將在 5G 業(yè)務(wù)和其他業(yè)務(wù)之間共享，所以有必要在這些服務(wù)之間提供隔離。此外，有必要在不同的 5G 傳輸網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例之間提供隔離。從管理角度來看，服務(wù)被放置在建立的虛擬網(wǎng)絡(luò)（ VN ）中。轉(zhuǎn)發(fā)平面必須確保來自一個(gè)VN 的流量不會(huì)傳遞到不同的 VN。 最后轉(zhuǎn)發(fā)平面還需要提供隔離，以限制不同 VN 中的流量之間的交 互。傳輸網(wǎng)絡(luò)需提供兩種類型的流量隔離。（ 1）硬隔離。加載一個(gè)VN 的流量不會(huì)影響任何其他VN中的流量，包括 QoS影響。硬隔離通過提供獨(dú)立的電路交換連接來實(shí)現(xiàn)，專用于一個(gè)VN 。電路交換連接可以由專用波長或?qū)Ｓ?TDM 時(shí)隙提供。（ 2 ）軟隔離。一個(gè)VN 的流量負(fù)載可能會(huì)對(duì)提供給其他VN中的流量的QoS產(chǎn)生影響。通過使用，例如以太網(wǎng)VLAN、MPLS 隧道等分組技術(shù)，將來自兩個(gè)或更多個(gè)VN 的業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)復(fù)用到公共電路交換連接上來實(shí)現(xiàn)軟隔離。由其他VN 引起并由一個(gè) VN 提供的流量對(duì)QoS