運營商5G承載網的網絡架構及技術探討

邵明敏，孫登黨

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 5G承載網的需求及影響因素

5G是新型、智能、自主的網絡，相較于4G，其采用了新的網絡架構、空口技術和高帶寬的接口，以滿足超高可靠性、超低時延、超大移動寬帶以及海量物理設備連接等需求。

1.1 5G承載的需求分析

根據5G網絡的特點，從網絡帶寬、時延、可靠性、網絡切片及時間同步等方面展開承載網絡的需求分析。

1.1.1 網絡帶寬

5G網絡帶寬場景比4G應用更加多樣化，頻譜的帶寬、效率、天線數量及相關參數決定了基站的帶寬。按照下一代移動通信網（Next Generation Mobile Networks，NGMN）的帶寬配置原則，單基站峰值為單小區峰值+均值×（N-1），單站均值為單小區均值×N。以5G低頻站點64TR 100M帶寬的基站與4G站點做對比，單基站的峰值情況如表1所示。

表1 5G站點與4G站點比較

由對比可知，5G站點64TR 100M帶寬的基站峰值與均值的理論帶寬約為4G基站的15倍。因此，在5G承載網的規劃與設計中，首要的就是能夠應對大帶寬、大容量的擴容與升級要求。

1.1.2 低時延與高可靠性

5G不同業務之間的時延差異較大，其主要業務時延如表2所示。

表2 主要業務時延要求

承載網扁平化的設計，可以滿足低時延，高可靠性的要求，利用減少設備的背靠背轉發，降低光纜傳輸距離等措施，以達到降低承載網自身攜帶的時延的目的。

1.1.3 網絡切片

網絡切片是5G的關鍵技術，可以滿足業務差異化的需求和不同QoS的服務體驗，提供端到端的個性化服務，并根據不同的業務場景，將承載網分隔為多個虛擬的網絡，而每個虛擬網絡又承載不同的應用業務。網絡切片可以從基于業務的軟切片和基于網元的硬切片兩個方面來考慮，

1.1.4 時間同步

5G需要在基本業務、協同業務以及新業務上保證時間同步，3GPP組織對5G基本業務時間同步的需求同4G一樣，為1.5 μs。協同業務時間同步需要優化RRU/AAU、小區邊緣網絡性能，5G協同業務對高精度時間同步的要求為350 ns。3/4G網絡基站之間頻率與時間的同步依靠GPS來實現，5G在時間同步上若繼續沿用GPS的方式則會存在一定的網絡安全隱患，而通過地面傳送網傳送頻率與時間同步已成為必然。

1.2 影響5G承載網的關鍵因素

根據前文的需求分析，5G對承載網絡提出了業務差異化服務、以云為中心的互聯組網、統一承載以及靈活連接的要求[1]。而eMMB、eMTC、URLLC三大業務場景的應用，則要求5G承載網應當具備網絡切片化、大容量化、協議簡化等關鍵技術。低時延、多業務靈活接入要求了5G承載網的網絡結構要具備扁平化、靈活擴容。同時，5G網絡在部署方面，對于光纖、機房以及動力等基礎性資源也提出來更高的需求，承載關鍵技術、組網結構及基礎資源成為影響5G承載網的三大因素。

1.2.1 承載關鍵技術因素

面向5G承載，承載網設備應根據不同技術選型，選擇具備大容量、切片等適用于5G承載的關鍵技術[2]。以下關鍵技術可作為承載技術選型參考：一是傳輸技術演進不斷向大容量、高速率、高集成度發展；二是網絡扁平、靈活調度驅使系統結構向MESH化演進；三是大容量與融合，支持100/400GE高速接口，演進支持500G/1T線卡；四是滿足超低時延傳送和轉發能力；五是帶寬靈活擴容；六是簡化協議，降低網絡復雜性；七是IPV6協議。

1.2.2 組網結構因素

業務承載的效率與可靠等指標會受到不同組網結構與鏈路容量設計的影響，5G承載網在組網結構方面的需要考慮到以下方面。網絡的容量需要綜合測算環路中的帶寬，具備靈活擴容或升級的能力；組網結構的設計應規避大環、多層級以及多節點的背靠背轉發，結構扁平化，低時延；業務的網元節點同傳輸節點之間部署需要一致，規避業務在傳輸網上轉跳或轉接；同時組網結構需要適應大規模、多樣性業務的接入要求。

1.2.3 基礎資源因素

由于5G站點密集度高、功耗大、場景應用多樣化等特點，5G網絡部署對于基礎資源的需求更大，基礎資源對5G網絡的部署也至關重要。因此，承載網的設計應當首先考慮基礎資源，包括空間需求、動力需求以及光纖需求等。

2 5G承載網絡架構分析

5G承載網在對網絡進行部署時，要堅持以下兩個準則。一是優化結構，減少網絡的建設成本，提升網絡的靈便性，以達到三大業務場景發展和實現網絡指標的目的。二是網絡需要具備全網編排調度的能力，實現網絡的智能化，可以更好地優化調整相關業務，從容應對業務路由的變化與調度[3]。

5G站點密集、基站之間協同與移動切換驅動無線（C-RAN）架構集中部署，與4G站點分布式無線（D-RAN）接入有根本性的區別。5G的3個功能實體單元AAU、DU以及CU在網絡中部署的位置不同，承載網面臨著前傳、中傳和回傳三級承載的需求。

前傳網絡AAU和DU之間逐步趨向于采用以太網通用公共無線電接口（Ethernet Common Public Radio Interface，eCPRI），帶寬是通用公共無線電接口（Common Public Radio Interface，CPRI） 的 1/10。前傳接口速率為25GE，超低時延傳輸需求小于30 ms。中傳網絡DU和CU之間采用IP接口，帶寬需求是回傳的1.1倍，基于IP尋址，具有統計復用特性。CU部署的位置決定了其組網的規模，時延敏感小于150 ms?；貍骶W絡帶寬需求為3～5 GHz，東西向流量較大，支持切片。

5G RAN架構分割與傳輸三級承載的定位如圖1所示，由于切割位置的不同，每一級承載的帶寬和需求也不相同。

圖1 傳輸三級承載劃分

3 某運營商5G承載網架構規劃

5G網絡是一個開放、多元、定制化的網絡，國內某發達省份的通信運營商，基于當前自身網絡現狀及特點，5G承載網的規劃建設打破傳統模式，圍繞以下3個方面進行考慮建設。

一是依托現網資源，圍繞效益進行設計，結合自身的網絡發展特點，展開5G承載規劃，低成本建設。二是明確業務承載定位，選擇適合自己業務的技術演進路線。三是對老舊資源進行整合，加大現網的空間、管線及動力等資源的釋放力度，為5G網絡的部署提供基礎條件。

3.1 基于波分技術的承載規劃

該運營商正在部署100G波分網絡，并基于100G波分引進PeOTN功能，端到端PeOTN傳輸網絡可作為該運營商5G承載網絡的選擇之一。

通過PeOTN技術構建省本一體化端到端5G承載網，從接入網到核心網，前傳網絡到回傳網絡的承載均通過PeOTN設備實施。具體規劃方案為確定以5G和政企專線為主的綜合承載網，根據本地業務發展的步驟，自上而下分期進行建設，優先對城域匯聚節點進行部署建設。前傳網絡以光纖為主，PeOTN、無源波分、IPRAN等接入方式為輔，最大限度的挖掘資源。此外，加快MSTP的退網，騰退現有機房空間、管線及動力等資源。

3.2 基于分組技術的承載規劃

目前，該運營商IPRAN網絡基本已經完成覆蓋，而對于5G的接入，其在網絡容量、設備性能以及結構等方面還存在不足，將著重從扁平化的組網結構、設備部署、組網高度與基礎架構機房相互匹配、新建與利舊相結合、扁平化、MESH化組網應對低時延、高可靠性場景業務等方面進行調整優化。

3.3 基于波分和分組技術的融合承載規劃

該方案綜合考慮了PeOTN和IPRAN兩種技術優勢，利用PeOTN設備的收斂、轉發功能組建中傳和前傳網絡，可以兼顧政企專線業務的承載[4]。在回傳階段則繼續使用IPRAN網絡，利用其覆蓋廣和接入快速等特點發揮競爭優勢。PeOTN和IPRAN之間路由信息的交換通過BGP協議來實現，PeOTN+IPRAN的承載網絡方案既不影響IPRAN網絡對3/4G業務的承載，又可以分場景、按需求逐步推進，最大程度上實現利舊現網、保護投資的目的[5]。分組與波分技術共存的5G承載網部署如圖2所示。

圖2 分組與波分技術共存網絡

4 結 論

本文分析了影響5G承載網的關鍵因素，探討了基于3種不同技術的5G承載網建設方案，并闡述了基本部署策略、組網等關鍵技術，對以后更好地指導實際工程建設有一定的意義。隨著100GE/100G OTN標準化的完成，商用模式已經成熟，未來對超100G技術和標準化的討論和應用也將會成為5G承載網絡的關鍵技術。