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5G 承载技术|带你读《5G无线网络规划与设计》之八

简介: 在性能方面,5G承载网需具有更大带宽、超低时延和高精度同步,以满足 5G 三大应用场景的需求。在组网及功能方面,5G 承载网应实现多层级承载网络、灵活化连接调度、层次化网络切片、智能化协同管理、4G/5G 混合承载以及低成本高速组网等,促进承载资源的统一管理和灵活调度。
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第 2 章 5G 网络结构

2.6 5G NR 基站架构

2.7 5G 承载技术

5G 的无线接入网架构中,将 4G 的 BBU 功能分成了 CU 和 DU 两个部分。CU、DU 可以合设,也可以根据需求进行分离和集中化处理。在 CU、DU 分离的情况下,5G 承载相比于 4G 承载增加了 CU 与 DU 之间的中传部分,即分为前传、中传和回传 3 个部分。其中,前传承载 AAU 与 DU 之间的流量,中传承载 DU 与 CU 之间的流量,回传承载 CU 与核心网之间的流量。5G 前传仍将以光纤直连为主,中/回传的组网架构主要由城域接入层、城域汇聚层、城域核心层和省内/省际干线组成,如图 2-32 所示。
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2.7.1 5G 承载需求

IMT-2020(5G)推进组在 2018 年 6 月发布的《5G 承载需求分析》白皮书中指出,5G 承载网需要满足三大性能需求和六大功能需求。在性能方面,5G承载网需具有更大带宽、超低时延和高精度同步,以满足 5G 三大应用场景的需求。在组网及功能方面,5G 承载网应实现多层级承载网络、灵活化连接调度、层次化网络切片、智能化协同管理、4G/5G 混合承载以及低成本高速组网等,促进承载资源的统一管理和灵活调度。
相比于 4G,5G 单站的带宽将有数十倍的增长,为承载网的能力带来了巨大的挑战。5G 前传距离一般为 10~20 km,前传带宽需求与基站能力有关,其中频宽和天线数量是影响前传带宽的两个重要因素。为了提供高速率、高可靠性的无线服务,5G 基站在低频频段上的频宽可达到 100 MHz(高频频段上可达800 MHz),天线数量增加到 64T64R,甚至更高。目前,4G 的前传采用通用公共无线接口(CPRI,Common Public Radio Interface)。如果沿用 CPRI,5G前传速率需达到 300 Gbit/s 以匹配基站的无线传输能力,应用压缩技术后速率需求也在 100 Gbit/s 量级。为了降低前传的压力,业界推出了增强通用公共无线接口(eCPRI,enhance Common Public Radio Interface),可将前传带宽压缩在 25G 之内。5G 中传的距离与 CU、DU 的集中化程度密切相关,一般情况下在 20~40 km 范围内。考虑前传 25 Gbit/s 的带宽需求,5G 中传的带宽为 25/50/100 Gbit/s。回传链路的距离最远,一般可达 40~80 km,5G 回传需要 N×100/200/400 Gbit/s 速率。表 2-1 总结了 5G 承载网的带宽需求。
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低延迟是 5G 的重要特性之一。eMBB 业务的用户面时延(用户终端到 CU)不超过 4 ms,控制面时延(用户终端到核心网)不超过 10 ms;uRLLC 业务对时延要求更严苛,规定用户面时延不能超过 0.5 ms。从终端到核心网,5G 延迟的主要组成如图 2-33 所示。对于承载网来说,延迟除了与传输距离有关之外,还与承载设备的处理能力密切相关。光纤的传输时延与传输距离成正比,而且是不可进一步优化的,因此,承载网延迟优化的侧重点在于承载设备的处理能力和承载网架构。
高精度时间同步是 5G 承载的关键需求之一,主要体现在 3 个方面:基本业务时间同步需求、协同业务时间同步需求和新业务同步需求。基本业务同步需求是指在 TDD 制式中为了避免上、下行时隙干扰而必需的时间同步。5G 的时隙结构具有自包含性,且相比于 4G 更为灵活,因此,维持与 4G 相同的基本业务同步需求即可满足 5G 系统,即不同基站空口时延偏差不多于 5 µs。相比于基本业务,协同业务具有更高的同步需求。为了提高系统性能,5G 需要充分发挥分布式 MIMO、协同多点传输(CoMP,Coordinated Multi-Point)和载波聚合(CA,Carrier Aggregation)等协同技术的优势。这些技术通常要求同一AAU 的不同天线,甚至多个 AAU 之间同步协作,共同完成传输,因此,要求天线或基站之间保持严格的时间同步。对于车联网、工业互联网等新型 5G 业务,业界希望依托 5G 基站实现精准定位。5G 定位技术基于到达时间差(TDoA,Time Difference of Arrival),因此,基站间的时间相位误差直接影响了定位的精度,因而高精度的时间同步尤为重要。
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5G 承载的网络结构基于 4G 承载网架构,但有显著区别。由于出现了 CU、DU 分离的部署场景,5G 承载网将出现前传、中传和回传三级结构,其中,中传是 5G 承载网的新增层级。另外,虽然 5G 的中回传也分为接入、汇聚和核心3 层,但由于核心网云化、MEC 下沉等,城域核心汇聚网络将演进为面向 5G回传和数据中心互联统一承载的网络,如图 2-34 所示。
5G 网络服务化结构中的网络功能分布部署程度较高,与 4G 网络的集中部署相比,对业务连接的灵活调度需求更高。4G 基站主要以南北向的 S1 接口与
核心网连接,且用户面 S1-U 与控制面 S1-C 的终止位置基本相同。5G 将用户面 UPF 下沉,而控制面 AMF 仍然位居集中化程度较高的核心网中,因而用户面 N3 接口和控制面 N2 接口的终止位置有很大差异。另外,5G 中一个用户可与多个 UPF 连接,UPF 与 UPF 之间也可通过 N9 接口连接。在无线侧,基站间的协同技术需要基站间 Xn 接口能力的配合。由此可见,在 5G 网络中的业务流量呈现网状连接,对承载网的调度能力具有很高的要求。因此,5G 承载应至少将 L3 功能下移到 UPF 和 MEC 的位置,以满足灵活连接调度的需求。
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为了支持 5G 网络切片,承载需要提供支持硬隔离和软隔离的层次化网络切片方案。对于 uRLLC 业务和政企专线等,5G 承载应提供安全性高、延迟小的硬切片。对于 eMBB 等延迟和可靠性不敏感的业务,可利用软切片技术在 L2与 L3 层级进行隔离并支持带宽捆绑,即可提高承载资源的利用率,又能满足5G 高传输速率的业务需求。5G 承载层次化网络切片示意图如图 2-35 所示。
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与 4G 相比,5G 承载网在结构和功能上更为复杂。同时,为了更有效地利用光缆资源,在同一承载网上同时承载 4G、5G、专线等业务成为必然趋势。面对复杂的功能需求,需要先进的承载网管控系统。图 2-36 展示了 5G 承载网管控系统的主要需求。端到端 SDN 化灵活管控有助于实现 L0~L3 的管控,并可支持跨层的业务联动控制,同时,SDN 化有利于实现业务的快速提供。网络切片管控应能够支持切片网络的自动化部署和优化计算,支持网络切片的按需定制。资源协同管控主要是指与上层的编排器、管控系统、业务系统进行协同交互,接收来自上层系统的需求,完成自上而下的自动化业务编排。统一管控依托云化方案,将管理、控制、智能运维等功能进行整合,提供统一的维护界面。智能化运维将人工智能(AI,Artificial Intelligence)引入到管理体系中,以降低人工成本和运维的复杂度、提高运维效率和精度。
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5G 系统与 4G 系统之间存在协作关系,因而 4G/5G 混合承载将更有利于4G、5G 之间的紧密互操作。另外,成本低、组网速度快的承载网对运营商的成本控制及快速部署尤为重要。

2.7.2 5G 前传技术

5G 前传主要有分布式无线接入网(D-RAN,Distributed Radio Access Network)和集中式无线接入网(C-RAN,Centralized Radio Access Network)两种部署模式。其中,D-RAN 模式主要针对 CU/DU 合设的场景。C-RAN 又分为小集中和大集中两种部署模式。在 C-RAN 小集中部署模式中,CU/DU 分离、CU 云化部署;在 C-RAN 大集中部署模式中,CU 云化部署的同时,DU 也按需进行池化。5G 前传部署模式如图 2-37 所示。
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考虑成本和维护便利性等因素,5G 前传将以光纤直连为主。光纤直连采用点对点的拓扑结构,支持的传输距离较短,尤其需要较多的光纤资源。另外,光纤直连方式无法进行智能运维管理。在光纤资源不足的地区,可通过设备承载方案作为补充。5G 前传考虑的设备承载方案主要包括无源波分复用(WDM)、有源光传输网络(WDM/OTN,WDM/Optical Transport Network)、切片分组网(SPN,Slicing Packet Network)等。波分复用是在单个光纤上同时传输多个不同波长光载信号的传输技术。波分复用实现了单光纤上的双向通信,同时获得容量倍增。无源 WDM 系统在发射机处使用多路复用器将几个信号连接在一起,并且在接收机处使用多路分解器将它们分开。无源 WDM 仅支持点对点拓扑,其光性能监控、光功率预算和传输距离常常受到限制,并且安装和管理过程比较复杂。有源 WDM/OTN 可实现包括环形、链形、星形等结构在内的全拓扑。ITU-T 将 OTN 定义为通过光纤链路连接的一组光网络元件(ONE,OpticalNetwork Element),能够提供承载客户信号的光信道的传输、复用、交换、管理、监督和恢复能力。WDM/OTN 是 L0/L1 的传输技术,具有大带宽、低延迟等特性。更重要的是,WDM/OTN 技术可同时承载 4G 和 5G 业务。SPN 是中国移动创新提出的一种传输技术,具备前传、中传和回传承载能力,便于实现端到端承载的统一管理。5G 前传的典型方案如图 2-38 所示。

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2.7.3 5G 中回传技术

为了满足多层级承载、灵活化调度、层次化切片和 4G/5G 混合承载等需求,5G 的中回传承载需要支持 L0~L3 的综合传送能力,并通过 L0 的波分复用、L1 的时分复用(TDM,Time DivisionMultiplexing)通道、L2 和 L3 分组隧道来实现层次化网络切片的能力。5G 和专线等大带宽业务需要 5G 承载网络具备L0 的单通路高速光接口和多波长的光层传输、组网和调度能力。L1 层 TDM 通道层技术不仅可以为 5G 三大类业务应用提供支持硬管道隔离、OAM、保护和低时延的网络切片服务,并且为高品质的政企和金融等专线提供高安全和低时延的服务能力。L2/L3 层分组转发层技术是为 5G 提供灵活连接调度和统计复用功能的关键,主要包括以太网、面向传送的多协议标签交换(MPLS-TP,TransportProfile for MPLS)和新兴的分段路由(SR,Segment Routing)等技术。在我国,对 5G 中回传承载方案的讨论主要集中在 SPN、面向移动承载优化的 OTN(MOTN)、IPRAN 增强+光层 3 种技术解决方案上。IMT-2020(5G)推动组在《5G承载网络架构和技术方案》中对比了上述 3 种方案,见表 2-2。
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第 3 章 5G 无线关键技术

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