5G通信IPRAN綜合承載網(wǎng)絡(luò)方案

尹遠(yuǎn)陽，李玉娟，楊旭如，孫嘉琪，楊廣銘

（1.中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630；2.中國電信集團(tuán)公司，北京 100033；3.中國電信股份有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310000）

1 引言

當(dāng)前，國際電信聯(lián)盟已經(jīng)啟動(dòng)5G標(biāo)準(zhǔn)的研究工作，并已啟動(dòng)5G候選方案的征集。在這個(gè)過程中，包括歐盟、美國、日韓以及中國在內(nèi)的各方都會(huì)向國際電信聯(lián)盟遞交5G標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)定的申請?？梢灶A(yù)見，這將是5G時(shí)代的第一戰(zhàn)。在這個(gè)通信時(shí)代飛速發(fā)展的今天，新舊技術(shù)不斷更替，誰掌握了5G新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的話語權(quán)，將直接決定今后產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路徑、發(fā)展規(guī)模等關(guān)鍵因素。我國的工業(yè)和信息化部在2017年一月份發(fā)布了《信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016至2020年）》，提出到2020年，我國將建成并完善覆蓋陸海空的國家信息通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，而5G技術(shù)就是其中的重要一環(huán)，并且制定了5G啟動(dòng)商用服務(wù)的具體目標(biāo)。

因此，國內(nèi)運(yùn)營商及通信廠家都開始大力推動(dòng)5G技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今5G發(fā)展的大方向已經(jīng)初步確定，3GPP也正在制定5G標(biāo)準(zhǔn)，在2018年將會(huì)完成R15第一版5G標(biāo)準(zhǔn)，2019年完成滿足ITU要求的5G標(biāo)準(zhǔn)完整版。與4G技術(shù)相比，5G將基于一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠提供峰值速率為10 Gbit·s-1以上的帶寬（學(xué)術(shù)理論值），具有毫秒級(jí)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，能夠提供超高密度的連接。針對(duì)這些新特性，如何建設(shè)5G新通信技術(shù)的承載網(wǎng)，是保障2020年實(shí)現(xiàn)5G商用的關(guān)鍵因素，本文重點(diǎn)對(duì)5G通信部署模式和IPRAN 4G/5G融合承載方案進(jìn)行研究。

2 5G網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)模式

業(yè)界目前普遍認(rèn)為對(duì)于新技術(shù)的商用部署，應(yīng)該考慮原有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和設(shè)備的利舊，不應(yīng)該直接推倒原有投資，重新建一張屬于全新的網(wǎng)絡(luò)，否則任何一個(gè)企業(yè)或者運(yùn)營商根本無法負(fù)擔(dān)昂貴的建網(wǎng)成本，特別是如今新技術(shù)更新速度越來越快，時(shí)限越來越短。因此3GPP組織針對(duì)5G技術(shù)的使用，制定了獨(dú)立組網(wǎng)（SA）和非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）兩種部署模式，用戶可以根據(jù)自身網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的需求，選擇最合適自己業(yè)務(wù)發(fā)展的模式去部署。

2.1 5G SA組網(wǎng)部署模式

在5G通信中，對(duì)于SA組網(wǎng)技術(shù)，為了滿足5G各項(xiàng)功能和支持5G新通信接口，遵循3GPP新定義的5G標(biāo)準(zhǔn)，單獨(dú)組建一張從終端、空口、核心網(wǎng)都相對(duì)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)全新的5G通信業(yè)務(wù)服務(wù)，這種組網(wǎng)模式能最直接體現(xiàn)5G技術(shù)的服務(wù)優(yōu)勢和用戶服務(wù)質(zhì)量感知。

5G獨(dú)立組網(wǎng)時(shí)，無線系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有兩種方式，第一種是直接采用gNB基站，該基站是直接支持5G新空口通信；第二種部署模式就是采用原有4G已經(jīng)部署的LTE eNB基站，通過添加新的功能，軟件升級(jí)到支持5G新空口技術(shù)的eLTE eNB基站，然后再經(jīng)過承載網(wǎng)接入NGC核心網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)通信，具體架構(gòu)如圖1所示。

5G獨(dú)立組網(wǎng)模式是一種全新技術(shù)割接，降低了對(duì)正在運(yùn)營的4G網(wǎng)絡(luò)的依賴，無需考慮不同制式的技術(shù)平滑演進(jìn)能力，有利于5G通信類業(yè)務(wù)提供和快速部署。但是，由于5G頻譜的限制，在SA組網(wǎng)時(shí)需要考慮是提供熱點(diǎn)覆蓋還是連續(xù)覆蓋。如果是熱點(diǎn)覆蓋場景，在5G與LTE基站同時(shí)覆蓋區(qū)域內(nèi)，用戶終端處在不同制式的網(wǎng)間環(huán)境下，會(huì)存在信號(hào)干擾，導(dǎo)致終端處于不停的網(wǎng)絡(luò)重選或切換過程，因而會(huì)影響到性能。在5G初期，要進(jìn)行連續(xù)覆蓋其實(shí)難度非常大，相對(duì)于LTE的2.6 GHz來講，在我國5G頻段基本是高頻段，工信部初步規(guī)劃采用3.5 GHz和4.9 GHz，這就會(huì)增加其路損，導(dǎo)致覆蓋范圍會(huì)更小，因此需要建立更密集的基站。與此同時(shí)，5G與4G也會(huì)隨之成為兩張完全隔離的網(wǎng)絡(luò)，增加移動(dòng)終端重選和切換互操作性，嚴(yán)重影響用戶使用質(zhì)量感知。從技術(shù)上來說，雖然可以通過波束賦形、基站協(xié)同技術(shù)手段進(jìn)一步改善，但是上行受限的問題是5G難以避免的，業(yè)務(wù)性能也因此同樣受限。

2.2 5G NSA組網(wǎng)部署模式

5G NSA組網(wǎng)模式是指采用一套核心網(wǎng)就能滿足LTE通信和5G新業(yè)務(wù)通信需求能力，故也稱之為LTE與5G緊耦合（Tight-interworking）組網(wǎng)模式，主要是指4G技術(shù)和5G技術(shù)采用雙連接部署模式進(jìn)行聯(lián)合組網(wǎng)。

采用LTE核心網(wǎng)作為雙連接時(shí)，可在EPC核心網(wǎng)或者PDCP層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，分割后的數(shù)據(jù)流通過多個(gè)基站協(xié)同，最終傳給用戶。對(duì)于聯(lián)合組網(wǎng)模式，根據(jù)所使用的核心網(wǎng)元和控制面連接方式的不同，可以進(jìn)行詳細(xì)的分類：

（1）采用原LTE核心網(wǎng)

在聯(lián)合組網(wǎng)模式中，不改變原有4G部署的核心網(wǎng)EPC，LTE eNB和5G gNB基站用戶面信令可以通過S1-U口直接上聯(lián)到EPC核心網(wǎng)，但是對(duì)于控制層面信令，只能通過LTE eNB基站的S1-C空口連接到EPC核心網(wǎng)，具體組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示：

圖2 采用EPC核心網(wǎng)的5G和LTE融合組網(wǎng)架構(gòu)示意圖

（2）采用5G NGC核心網(wǎng)

如果在聯(lián)合組網(wǎng)模式下，采用針對(duì)5G系統(tǒng)新部署的NGC核心網(wǎng)時(shí)，對(duì)于原有的LTE基站，需要進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)后才能接入到NGC核心網(wǎng)。根據(jù)控制面信令流方式可以細(xì)分不同類型的組網(wǎng)架構(gòu)。如圖3（a）所示，該連接方式為3GPP中的4/4a方式，主要是采用gNB基站作為控制面的連接，圖3（b）組核心網(wǎng)架構(gòu)場景為3GPP定義的7/7a組網(wǎng)模式，該方式是將eLTE eNB基站作為控制面的連接。

3 5G SA組網(wǎng)與NSA組網(wǎng)綜合對(duì)比分析

在上述2.1節(jié)和2.2節(jié)分析了5G SA組網(wǎng)與NSA組網(wǎng)架構(gòu)的基本方式。從技術(shù)上來說，一種新的技術(shù)引入，可以采用不同的方案去實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于運(yùn)營商部署商用網(wǎng)絡(luò)，需要綜合考慮網(wǎng)絡(luò)是否能支持平滑演進(jìn)。對(duì)于5G組網(wǎng)架構(gòu)部署模式和對(duì)業(yè)務(wù)的影響，綜合分析了SA組網(wǎng)和NSA組網(wǎng)技術(shù)的綜合對(duì)比，具體如表1所示。

圖3 5G與LTE融合組網(wǎng)架構(gòu)核心網(wǎng)采用NGC示意圖

表1對(duì)5G采用獨(dú)立組網(wǎng)和非獨(dú)立組網(wǎng)模式的各種不同方面進(jìn)行了較全面的綜合分析對(duì)比。作為運(yùn)營商，在面對(duì)新技術(shù)新網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)，特別是5G復(fù)雜業(yè)務(wù)場景綜合承載的情況下，網(wǎng)絡(luò)部署采用何種方式對(duì)成本和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)來說非常關(guān)鍵。因此，一張網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，不是單一從技術(shù)或者學(xué)術(shù)理論上去研究，更重要的是需要結(jié)合運(yùn)營商業(yè)務(wù)實(shí)際，以業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)模式，逐步發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)逐步演進(jìn)，融合迭代，才能進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，保護(hù)網(wǎng)絡(luò)投資，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的通信發(fā)展模式。

4 5G IPRAN承載網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)需求及架構(gòu)方案分析

4.1 5G承載網(wǎng)絡(luò)部署需求分析

5G時(shí)代將出現(xiàn)很多新業(yè)務(wù)需求，如eMBB、mMTC、VR/AR、智能駕駛等。目前業(yè)界對(duì)5G技術(shù)及組網(wǎng)模式都是出于探討和技術(shù)驗(yàn)證階段。5G通信網(wǎng)是一種復(fù)雜融合、多業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載的網(wǎng)絡(luò)，特別是新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、大帶寬、多種SDN新技術(shù)引入，對(duì)原有IP RAN承載網(wǎng)提出了更高的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

表1 SA組網(wǎng)與NSA組網(wǎng)技術(shù)對(duì)比分析

（1）流量歸屬變化明顯，回傳協(xié)同需求明顯，相對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要部署移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）來滿足新業(yè)務(wù)的部署。

（2）統(tǒng)一融合承載需求，大帶寬的流量需求，網(wǎng)絡(luò)管道需要統(tǒng)計(jì)復(fù)用多歸屬求明顯，任何一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和商用模式，需要從建設(shè)成本、投資效益去綜合分析，并且考慮技術(shù)前后兼容性、網(wǎng)絡(luò)的迭代發(fā)展，對(duì)于5G承載網(wǎng)的要求，3GPP給出了4G/5G一張網(wǎng)、統(tǒng)一承載方案，即：5G NSA組網(wǎng)架構(gòu)。

（3）新業(yè)務(wù)需求，對(duì)于5G新業(yè)務(wù)、大帶寬、低時(shí)延等需求，為確保網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的利用率，支持統(tǒng)計(jì)復(fù)用多歸屬是建網(wǎng)的基本前提。

（4）5G部分核心功能下移，可根據(jù)業(yè)務(wù)需求按需部署，這要求基于三層（IP層）的功能下移到匯聚層，同時(shí)可以引入SDN新型路由技術(shù)（如：Segment Routing、PCEP）來提升路由效率，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)智能性。

（5）5G架構(gòu)革新明顯，承載網(wǎng)應(yīng)全面支持。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于SDN技術(shù)將控制和轉(zhuǎn)發(fā)功能分離，采用網(wǎng)絡(luò)邏輯切片方式支撐云化業(yè)務(wù)、IOT業(yè)務(wù)、低時(shí)延業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)前傳、回傳網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)同，滿足5G端到端多樣化業(yè)務(wù)承載需求。

4.2 5G IPRAN承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案分析

5G網(wǎng)絡(luò)中，BBU被劃分為CU和DU兩個(gè)功能實(shí)體，如果DU與CU功能實(shí)體還是采用合設(shè)的部署模式，網(wǎng)絡(luò)就簡單劃分為前傳和回傳。如果這兩個(gè)功能實(shí)體按分設(shè)場景部署模式，業(yè)界對(duì)承載網(wǎng)進(jìn)行更細(xì)的劃分，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)簡單分成三段，圖4為5G RAN組網(wǎng)架構(gòu)示意圖，具體劃分如下：

（1）前傳網(wǎng)絡(luò)：5G時(shí)代，RRU-DU之間定義為前傳網(wǎng)絡(luò)，前傳從CPRI向eCPRI演進(jìn)，能滿足大帶寬需求。

（2）回傳網(wǎng)絡(luò)：在組網(wǎng)形態(tài)上將CU到5G核心網(wǎng)CN之間的網(wǎng)絡(luò)定義為回傳，如果CU云化部署，則CU帶寬取決于管理DU數(shù)目，回傳網(wǎng)在流量或者組網(wǎng)設(shè)備上都具有較好的收斂性。

（3）中傳網(wǎng)絡(luò)或者稱為二級(jí)前傳網(wǎng)絡(luò)：無線業(yè)務(wù)云化，DU和CU分離。對(duì)于中傳網(wǎng)絡(luò)這一段，網(wǎng)絡(luò)帶寬與可靠性要求較高，收斂特性跟回傳網(wǎng)絡(luò)類似，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要按回傳網(wǎng)基本特性去綜合考慮和設(shè)計(jì)，因此從承載技術(shù)角度看，IPRAN網(wǎng)絡(luò)中傳與回傳承載沒有差異，并且因?yàn)镃U既可部署在DU實(shí)體設(shè)備內(nèi)，也可以集中云化部署，為了簡化運(yùn)維，中傳可以與回傳進(jìn)行統(tǒng)一承載組網(wǎng)，無需單獨(dú)組建中傳網(wǎng)絡(luò)，增加網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的層次。

從5G業(yè)務(wù)大帶寬、低時(shí)延等性能指標(biāo)以及后續(xù)業(yè)務(wù)需求綜合分析，面向5G技術(shù)的承載，采用分組化的IPRAN承載網(wǎng)絡(luò)，綜合業(yè)務(wù)承載能力強(qiáng)，且與現(xiàn)有IPRAN兼容，網(wǎng)絡(luò)可逐步演進(jìn)，并能實(shí)現(xiàn)3G/4G/5G業(yè)務(wù)融合承載。在規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)方案時(shí)對(duì)于低時(shí)延uRLLC業(yè)務(wù)，可以引入MEC邊緣計(jì)算，MEC和BBU同址設(shè)置，以滿足時(shí)延需求。

圖4 5G IPRAN組網(wǎng)架構(gòu)示意圖

如果單純新建一張獨(dú)立的傳輸網(wǎng)來滿足5G通信承載，會(huì)導(dǎo)致與原有承載網(wǎng)絡(luò)的無法兼容，進(jìn)一步增加網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維難題，浪費(fèi)原有投資，同時(shí)，在VoLTE還未正式普及的情況下，傳統(tǒng)語音通話業(yè)務(wù)仍需依賴于2G/3G網(wǎng)絡(luò)。

在5G通信承載網(wǎng)方案的選擇上，國內(nèi)外主流運(yùn)營商均傾向于IPRAN技術(shù)。中國電信4G承載采用的便是IPRAN技術(shù)，因此，只需對(duì)原有IPRAN網(wǎng)絡(luò)能力進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和能力升級(jí)，就完全能滿足5G承載需求，實(shí)現(xiàn)整網(wǎng)的平滑演進(jìn)和4G/5G的融合統(tǒng)一承載，同時(shí)在IPRAN網(wǎng)絡(luò)，可根據(jù)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展模式需求，靈活引入EVPN、FlexE網(wǎng)絡(luò)切片、SR等SDN新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能化運(yùn)維。

5 結(jié)論

5G通信對(duì)無線網(wǎng)、承載網(wǎng)都提出了更高的要求，業(yè)界對(duì)后續(xù)5G承載網(wǎng)如何建設(shè)做出了各種假設(shè)和分析，同時(shí)對(duì)不同的方案進(jìn)行了技術(shù)論證。IPRAN承載網(wǎng)絡(luò)本身就是一張綜合承載精品網(wǎng)，國外主流運(yùn)營商在5G承載網(wǎng)方案時(shí)也是優(yōu)先選擇IPRAN技術(shù)。作為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，具體選擇哪種制式建網(wǎng)可根據(jù)具體的需求、技術(shù)、成本等因素綜合考慮。本文首先分析了5G組網(wǎng)架構(gòu)模式和承載網(wǎng)架構(gòu)與需求，在此基礎(chǔ)上，分別對(duì)3GPP規(guī)劃的SA和NSA組網(wǎng)模式方案進(jìn)行了研究比較。最后從各方面的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)比較，提出應(yīng)該以構(gòu)建一張可融合承載、可持續(xù)演進(jìn)、具備高等級(jí)安全服務(wù)能力以及與SDN技術(shù)相結(jié)合、性能超前的未來網(wǎng)絡(luò)為目標(biāo)，并融合新技術(shù)，推進(jìn)承載網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。