5G承載網的規劃部署研究

汪 敏，肖凱文

（湖北郵電規劃設計有限公司，湖北 武漢 430023）

1 研究背景

國家“十三五”規劃綱要中提出要“積極推進第五代移動通信（5G）和超寬帶關鍵技術，啟動5G商用”。2019年6月6日，工業和信息化部正式向中國電信、中國移動、中國聯通、中國廣電發放5G商用牌照，中國正式進入5G商用元年。2019年11月，中國電信、中國移動、中國聯通、中國廣電4大運營商公布并正式上線5G商用套餐，中國正式進入5G商用時代。

相對4G網絡，5G在業務特性、接入網、核心網等多個方面發生顯著變化，對承載網提出了“更大帶寬、超低時延、高可靠性”的要求，以及網絡切片、靈活組網和調度等新需求。

SA架構下，5G承載網為滿足無線、政企等客戶業務的承載需求，以及為運營商未來流量經營的戰略方針提供了安全、可靠的網絡保障，將加快運營商在5G建設領域的發展步伐，實現5G的快速部署。

2 業務需求分析

通信技術的發展為用戶提供了豐富多彩的業務，移動通信業務領域尤為突出。用戶的移動數據流量會隨著業務的應用多樣化而增長，對網絡的容量和帶寬要求也會增加。要提升網絡容量，必須智能高效利用網絡資源。為滿足日益增長的移動流量需求，亟需發展新一代5G移動通信網絡。

5G網絡具備更高速率：5G下載速率將是4G的10～20倍，單用戶下載速率從100 Mb/s上升到1 Gb/s。

5G網絡具備更低時延：5G時延將是4G的1/10，網絡時延從10 ms下降到1 ms。

5G網絡具備更大容量：5G每平方公里連接數將是4G的20倍以上，網絡覆蓋連接數呈幾何倍數增長，每平方公里的用戶連接數從5萬增長到100萬。

5G網絡速率如圖1所示。

圖1 5G網絡速率圖

5G的3大業務應用場景包括eMBB（增強移動寬帶）、mMTC（海量大連接）和URLLC（低時延高可靠），如圖2所示。5G網絡的建設將會帶來高清視頻、虛擬現實、增強現實、工業控制、無人機控制、智能駕駛控制、智慧城市以及智能家居等豐富的業務應用。

5G時代運營商將圍繞網絡+連接+內容+應用，聚焦重點應用，積極發展5G業務。21世紀無“網”不勝的特征，為通信產業創造了良好的發展機遇，為運營商提供了廣闊的市場空間[1]。

圖2 5G的3大業務應用場景

3 5G網絡架構

5G網絡架構下，用戶數據流量通過終端接入基站，再由基站通過承載網傳輸至5G核心網，如圖3所示。

圖3 5G網絡架構示意圖

對5G網絡架構做個形象的比喻：接入網是“窗口”，負責把收集數據；承載網是“卡車”，負責傳輸數據；核心網是“管理中樞”，負責管理、分揀數據，并判定要傳輸的目的地。

3.1 接入網

在5G網絡中，接入網不再由BBU、RRU、天線組成，而是被重構為3個功能實體，即集中單元（Centralized Unit，CU）、分布單元（Distribute Unit，DU）和有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）。對于CU，原BBU的非實時部分將分割出來重新定義為CU，負責處理非實時協議和服務；對于DU，BBU的剩余功能重新定義為DU，負責處理物理層協議和實時服務；對于AAU，BBU的部分物理層處理功能與原RRU和無源天線合并為AAU。簡而言之，CU和DU以處理內容的實時性進行區分，AAU就是RRU+天線。

3.2 承載網

承載網是基礎資源，必須先于無線網部署到位。5G想要滿足3大業務應用場景的要求，承載網必須要進行升級改造。5G網絡中，為了滿足不同場景的需要，實現把網元的數據傳到另外一個網元上。5G承載網分為前傳、中傳以及回傳等概念，如圖4所示。

前傳（AAU-DU）可以采用光纖直連、無源WDM方式以及有源WDM/OTN方式。

中傳（DU-CU）和回傳（CU以上）。由于中傳與回傳對于承載網在帶寬、組網靈活性以及網絡切片等方面需求基本一致，所以可以使用統一的承載方案。此外，5G承載網還將運用到FlexE分片技術、減低時延的技術以及SDN架構等技術。

圖4 承載網的前傳、中傳、回傳圖

3.3 核心網

5G核心網采用的是SBA架構（Service Based Architecture，即基于服務的架構）。5G核心網相比4G核心網網元大量增加，除了UPF都是控制面。對于5G核心網網元，硬件都是在虛擬化平臺里面虛擬出來的。采用虛擬化技術非常容易擴容、縮容，也非常容易升級、割接，相互之間不會造成太大影響。簡言之，5G核心網就是模塊化和軟件化，就是為了“切片”，就是為了滿足不同場景的需求。5G核心網網元如圖5所示。

比如，在低時延的場景如自動駕駛中，核心網的部分功能要更靠近用戶，放在基站那邊就是“下沉”。“下沉”不僅可以保證“低時延”，更能夠節約成本。

4 承載網網絡架構及部署分析

承載網部署采用核心層、匯聚層和接入層的3層網絡架構，具體如圖6所示。

4.1 接入層

圖5 5G核心網網元圖

圖6 承載網絡系統架構

接入層主要由低端路由器設備（電信運營商一般稱為A設備）組成，用于基站和政企專線接入。基站AAU通過BBU的設備端口與接入層設備端口互聯，政企專線通過客戶端設備端口與接入層設備端口互聯。接入層設備以環型組網為主，可按照業務流量需求配置10GE、25GE、50GE或者100GE環形帶寬。接入層設備端口也可根據業務需求配置GE端口、10GE端口、25GE端口、50GE端口或者100GE端口。接入層設備整體配置不能超過設備總體帶寬能力。接入層設備一般隨基站BBU分布，規模大，部署機房多。設備高度在2～3U，設備功耗相比匯聚層設備核心層設備最小，主流廠家設備一般在400～500 W。

接入層設備與5G基站設備直接對接，設備配置需能夠滿足基站BBU上行端口需求和接入層設備組環需求，并預留少量冗余端口。在CRAN場景下，接入層設備與BBU設備同機房部署，采用裸纖的方式設備進行直連。在DRAN場景下，接入層設備與BBU設備不同機房部署時，采用光纜/OTN傳輸資源，實現BBU與接入層設備的互聯。接入層設備組環帶寬能力應適當超前，充分考慮流量增長的不確定性，至少滿足未來兩三年的流量增長需求，避免后續割接工作，增加工程復雜性[2]。

4.2 匯聚層

匯聚層主要由中高端路由器設備（電信運營商一般稱為B設備）組成，主要用于分區域匯聚接入環。匯聚層設備負責接入層設備的流量匯聚。設備配置需能夠滿足接入層設備接入需求以及匯聚層上行和互聯需求，并預留少量冗余端口。匯聚層設備部署在地市較集中區域，設備處理能力較接入層設備明顯增加。為保證網絡的可靠性，匯聚層設備在同局點同機房內成對部署。

匯聚層設備根據接入環的上行需求配置設備端口。若接入環采用50GE環形組網帶寬，則匯聚層設備上必須配置相應的50GE端口。若接入環采用100GE環形組網帶寬，則匯聚層設備上必須配置相應的100GE端口。同時，設備配置必須根據匯聚層設備的單槽位能力，配置單槽位單板卡上面的端口數量。匯聚層設備上行至核心層設備可采用U字型組網或交叉雙上聯組網。設備上聯帶寬同樣根據業務流量需求匹配，可配置50GE帶寬或者100GE帶寬，同時需預留一定的端口數量應對流量的快速增長。匯聚層設備整體配置不能超過設備總體帶寬能力。匯聚層設備一般按區域分布，規模較大，設備部署在匯聚機房節點。設備高度根據廠家不同參數不同，一般在20U左右。因為設備處理能力提升，設備功耗較大，一般在4 000 W左右。

匯聚層設備部署應考慮采取覆蓋式部署方式，綜合考慮光纜傳輸資源、合理承接接入層設備組環需求，避免造成接入層設備垮區域組環和超大環出現。匯聚層設備部署時，應同時考慮機房電源系統的能力，提前向機房電源系統提出設備的功耗和用電需求，充分預留設備加電的條件。若電源系統容量不足，則應該提前向機房提出電源系統的擴容和改造申請。

4.3 核心層

核心層主要由高端路由器設備（電信運營商一般稱為ER設備）組成，主要用于匯接匯聚層設備的流量，并將收斂后的網絡流量傳送至5G核心網。核心層設備屬于高端路由器，設備處理能力在400G以上，并具備GE、10GE、25GE、50GE、100GE等多種速率的端口。核心層設備一般以城市為單位，部署在城市核心節點，采用雙節點互為備份冗余部署。

核心層設備需具備可擴展性，設備轉發能力和端口接入能力需滿足2～3年業務發展需求。為滿足5G網絡的時延要求，承載網需簡化網絡架構，網絡層級實現扁平化，減少設備數量，降低傳輸時延。

5 結 論

5G網絡相比4G網絡，在容量和性能上對承載網提出了更高的要求。5G核心網和無線基站BBU也對承載網提出了大容量、高帶寬、低時延等新的需求。承載網做為5G網絡架構下的關鍵一環，須合理規劃，優化網絡架構，充分利用新設備能力進行網絡覆蓋，為網絡的演進打下扎實的基礎。