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近几年来，移动网向5G迈进成为业界焦点。5G将渗透到未来社会的各个领域，以用户为中心构建全方位的信息生态系统，为用户提供极致的业务体验。ITU为5G定义了三大类应用场景：增强移动宽带（eMBB），海量机器类通信（mMTC）和超可靠低时延通信（uRLLC）。这些场景不再单纯地强调峰值传输速率，而是综合考虑八个关键能力技术指标：峰值速率、用户体验速率、频谱效率、移动性、时延、连接密度、网络能量效率和流量密度。不同应用场景下对网络有不同的技术要求。总的说来，5G技术在带宽、时延、连接数和高速移动性等方面有别于以往的无线通讯技术，性能指标将有极大的提高。 图 1 1 5G应用场景和关键能力指标 随着应用场景逐渐清晰，标准制订在加速，技术研发不断取得突破，5G网络商用指日可待。5G无线网络建设需要有线承载网络支撑和配合，才能满足5G应用场景和关键能力要求，得到持续演进发展。 根据目前已有的无线标准分析，5G无线网络对5G承载提出如下需求： l 5G大带宽需求 带宽无疑是5G承载的第一关键指标，5G频谱将新增Sub6G及超高频两个频段。Sub6G频段即3.4GHz~3.6GHz，可提供100~200 MHz连续频谱；6GHz以上超高频段的频谱资源更加丰富，可用资源一般可达连续800Mhz。因此，更高频段、更宽频谱和新空口技术使得5G基站带宽需求大幅提升，预计将达到LTE的10倍以上。表 1为典型的5G单个S111基站的带宽需求估算： 图 1 2 5G基站带宽计算 l 5G低时延需求 5G承载的第二键需求是提供稳定可保证的低时延，3GPP等相关标准组织关于5G时延的相关技术指标如下表所示： 图 1-3 5G关键时延指标 不同的时指要求，将导致5G RAN组网架构的不同，从而对承载网的架构产生影响。如为了满足uRLLC应用场景对超低时延的需求，倾向于采用CU/DU合设的组网架构，则承载网只有前传和回传两部分，省去中传部分时延。 l 5G高精度时间同步需求 高精度钟根据不同业务类别提供不同的时钟精度。5G同步需求包括5G TDD（Time Division Duplex，时分双工）基本业务同步需求和协同业务同步需求两部分。 - 从当前3GPP讨论来看，5G TD基本业务同步需求估计会维持和4G TDD基本业务相同的同步精度+/-1.5us。 - 高精度的时钟同步精度受限于无线空口帧长度，5G的空口帧长度1ms比4G空口帧10ms小10倍，从而给同步精度预留的指标也会缩小，具体指标尚待确定。 因此，5G承载需要更高精度的同步：5G承载网架构须支持时钟随业务一跳直达，减少中间节点时钟处理；单节点时钟精度也要满足ns精度要求；单纤双向传输技术有利于简化时钟部署，减少接收和发送方向不对称时钟补偿，是一种值得推广的时钟传输技术。 l 5G网络切片需求 5G的三大场，在带宽、时延、连接上的要求差异巨大，所需要的服务质量不同，如果搭建多张网络提供服务，成本太高，管理困难；因此业界提出了网络切片的想法，应对差异性承载，在一个基础物理网络上，提供不同的网络切片，来满足不同场景的服务质量SLA。 图 1 4 网络切片 l 5G灵活组网需求 4G时代的网，其三层设备一般设置在城域回传网络的核心层，以成对的方式进行二层/三层桥接设置，三层的接入位置偏高。针对基站间X2流量，其路径为接入-汇聚-核心桥接-汇聚-接入，X2业务所经过的跳数多、距离远，时延往往较大。在对时延不敏感的4G时代这种方式较为合理，对维护的要求也相对简单。 5G时代的一些应用对时延较为敏感，站间流量所占比例越来越高。同时由于5G阶段将采用超密集组网，站间协同比4G更为密切，站间流量比重也将超过4G时代的 X2流量。 5G网络的中央控制单元CU（Centralized）与核心网之间（S1接口）以及相邻CU之间（eX2接口）都有连接需求，其中CU之间的eX2接口流量主要包括站间CA（Carrier Aggregation，载波聚合）和CoMP（Coordinated Multipoint Transmission/Reception，协作多点发送/接收）流量，一般认为是S1流量的4%。如果采用人工配置静态连接的方式，配置工作量会非常繁重，且灵活性差，因此回传网络需要支持IP寻址和转发功能。 另外，CU云化部署后，需要提供冗余保护、动态扩容和负载分担的能力，从而使得DU与CU之间的归属关系发生变化，DU需要灵活连接到两个或多个CU池。这样DU与CU之间的中传网络就需要支持IP寻址和转发功能。 综上所述，5G承载网络需要接入层支持三层路由功能，以便更好的配合5G的Mesh化连接需求。 1.1 5G RAN趋势5G网络架构相对于4G有几个变化： l 核心网云化、下移及虚拟化部署 5G核心网引入了NFV和SDN，不再沿袭传统的“烟囱”架构，而是采用统一的物理基础设施，在云数据中心间实现池化、虚拟化、容器化的资源共享。5G核心网控制面和用户面分离，用户面下沉，由原来的集中式演变成分散式，便于不同类型的业务在不同的层面终结，基于虚拟化技术将核心网物理实体分离成多个虚拟网元，分布在网络中，进行云化部署，地理位置上靠终端更近，可以带来时延的减小。 l 无线接入网更多地采用C-RAN 3G/4G时代C-RAN在降低整体成本、无线协作化抗干扰、节能降耗、简化运维等方面已经体现出一些优势。5G阶段采用C-RAN架构更便于实现灵活的无线资源管理，便于实现功能灵活部署满足移动边缘计算的需求，便于软硬件解耦，进一步增强无线网的软件化能力。 l 超密组网 为了尽可能获取更大的频谱带宽，5G网络通常部署于更高的频段，根据无线传播特性，频率越高，传播损耗越大，基站的覆盖能力也就越弱，需要增加数倍于4G的基站才能弥补。但5G无线网络采用空分复用等新技术，不但可成倍提升容量，还可使得覆盖不收缩或仅少量收缩，实际基站数量与4G网络相当或略有增加。另一方面，对于热点高容量地区，会采用超密集组网，对于盲点、弱覆盖场景，还会采用small cell增强覆盖。总体来说，5G的基站密度比4G大。 l RAN/BBU重构为CU、DU、AAU三个功能实体 传统的BBU被一分为二，CU涵盖了无线接入网高层协议栈以及核心网的一部分功能，而DU涵盖了基带处理的物理层以及层2部分功能，CU可以集中式的布放，DU布放取决实际网络环境，核心城区，话务密度较高，站间距较小，机房资源受限的区域，例如高校，大型演出场馆等，DU也可以集中式布放，而话务较稀疏，站间距较大等区域，例如郊县，山区等区域，DU可以采取分布式的布放方式。 图 1 5 4/5G基站模块差异 CU(Centralized Unit)：主要包括非实时的无线高层协议处理功能，采用通用平台实现，同时也支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务的部署。CU若云化部署，可部署在X86服务器上，可引入MEC、移动CDN，实现uRLLC、视频等各种应用。 DU(Distributed Unit)：主要处理物理层功能和实时性需求的L2功能，可采用专用设备平台或通用+专用混合平台实现。对于大规模MIMO天线，部分BBU基带功能需上移移至AAU(Active antenna unit)实现，以大幅减小AAU与DU之间的传输带宽，降低传输成本。高层功能划分方案（CU和DU之间）以OPTION2为主（PDCP和RLC之间），其带宽特性接近回传网。 图 1 6 RAN功能重新划分 1.1.1 5G承载整体架构5G网络架构的这些变化也给承载网带来了影响： l 基站密度加大、带宽升高，导致承载网接入层带宽急剧升高，需要更大容量的端口来进行承载 l 核心网业务锚点下移，回传网更加扁平化 l C-RAN架构带来更多的前传网络，前传网要满足低成本、灵活组网的需求 l 基于CU、DU的部署位置，承载网可能引入中传网络 l 针对大带宽、低时延需求，需要引入新的承载技术如FlexE 根据CU，DU的部署，网络划分为如下：Fronthaul前传、Midhaul中传(对应IPRAN接入层)、Backhaul回传（对应IPRAN核心汇聚层）。 图 1 7 5G承载架构划分 核心网云化：对于eMBB大带宽、低时延业务，核心网下沉到Edge DC；对于uRLLC超低时延业务，通过MEC引入到本地Cloud-RAN中 DU/CU分离后，CU可云化集中部署，相对位置较高，可以集中控制减少无线切换；统一的多连接锚点，减少传输反传。集中的控制面可以避免单站话务超限时的单点扩容，享受复用收益降低成本。面向SDN，高层软件运行在虚拟化平台，可与硬件解耦独立演进，缩短新特效的开发周期。 但是CU云化也面临很多的挑战：信令时延增加；CU和DU之间的协同，云化CU和非云化CU的共存均增加了管理复杂度；可靠性要求变高（CU故障影响面大，需要考虑CU Pool保护方案），系统交付难度增加等； 所以5G试点阶段以及初期的现网部署，仍将采用DU/CU合一方式。即使5G商用逐渐发展成熟，有些地区CU云化部署，但一些地区DU/CU仍然要合一部署。 按照CU和DU的部署组合，RAN可以划分为下面三种方式： l DU-CU合一在单个基站侧部署的传统部署方式称为D-RAN，类似于4G的分布式BBU部署方式； l DU-CU合一集中部署的方式称为C-RAN（一般对应传输接入设备），类似于4G的集中式BBU部署； l CU分离后继续上移云化部署在区域汇聚的方式称之为Cloud RAN）（对应传输汇聚设备）； 图 1 8 C-RAN/D-RAN 1.1.2 5G核心网架构及对承载的需求以下简要介绍5G核心网主要功能架构示意，如下图示： 图 1 9 5G核心网主要功能架构 5G核心网涉及到的主要网元和功能如下： l AMF（接入和移动性管理功能）：负责用户的接入和移动性管理； l SMF（会话管理功能）：负责用户的会话管理； l UPF（用户面功能）：负责用户面处理； l AUSF（认证服务器功能）：负责对用户的3GPP和非3GPP接入进行认证； l PCF（策略控制控制）：负责用户的策略控制，包括会话的策略、移动性策略等； l UDM（统一数据管理）：负责用户的签约数据管理； l NSSF（网络切片选择功能）：负责选择用户业务采用的网络切片； l NRF（网络功能注册功能）：负责网络功能的注册、发现和选择； l NEF（网络能力开放功能）：负责将5G网络的能力开放给外部系统； l AF（应用功能）：与核心网互通来为用户提供业务。 5G时代核心网用户面UPF下沉后，核心网对IPRAN的承载存在新的需求，IPRAN涉及需要承载的核心网接口有以下几种： 图 1 10 IPRAN段落承载的5G核心网接口 控制面和用户面之间的接口（N4）目前还是传统接口，控制面和无线网以及控制面与终端之间也是传统接口（N2和N1）。 N1接口UP-AMF用户终端和核心网控制面AMF之间的接口（4G UE-MME） N2接口gNB-AMF无线网和和核心网控制面SMF之间的接口（S1-MME eNB-MME） N3接口gNB-UPF无线网和和核心网用户面UPF之间的接口（S1-U eNB-SGW-U） N4接口SMF-UPF核心网下沉用户面UPF和控制面之间的接口 N9接口UPF-UPF核心网下沉用户面UPF之间的接口
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发表于 2021-10-14 22:36:38
