5G承载网架构及部署场景

1、共享知识分享快乐5G承载网架构及部署场景【摘要】随着近几年移动互联网的蓬勃发展以及物 联网市场与业务应用需求的增长，5G成为业界焦点，5G承载网方案研究也在有条不紊地进行。为了探讨5G承载网演进方案，从5G网络演进架构及5G承载网络指标关键需求入 手，分析其对5G承载网的影响，及承载网的关键技术，并 结合当前3GPP标准给由各部署场景的网络体系架构，为 5G 时代承载网的建设提供参考。【关键词】网络架构；网络演进；5G承载网Discussion on Architecture and Deployment Scenario of5G Bearing NetworksLI CongAbstrac

2、t In recent years , with the thriving development of mobile Internet and the increasing requirements of service application , 5G has been the focus of the industry. The research on 5G bearing networks has been on the progress. In order to discuss the evolution scheme of 5G bearing networks , the imp

3、acts of 5G networks evolution architecture and key requirements of 5G bearing networks on 5G bearing networks and their key techniques are analyzed. Combined with 3GPPstandards，the network system architectures in differentdeployment scenarios are presented to provide a reference to the construction

4、of 5G bearing networks.Key wordsnetwork architecture ； network evolution ； 5G bearing networks1 引言3GPP的5G?W络架构如图1所示，5G无线网由一组 NG 接口连接到5G核心网络的gNB组成。gNBs可以通过Xn接 口相互连接。一个 gNB实体可能由一个 gNB集中单元（gNB-CU）和gNB分布式单元（gNB-DU）组成。CU处理非 实时协议以及服务，DU处理PHY （Physical Layer,物理层）级别协议和实时服务，gNB-CU和gNB-DU单元通过F1逻辑 接口连接。一个gNB-D

5、U只连接到一个gNB-CU。特殊情况下， 当主gNB-CU由现故障时，gNB-DU也可以通过适当的方式连 接到另一个gNB-CU。图1中的NG、Xn和F1接口均是逻辑 接口。在无线接入网架构中，前传是RRU （远程无线电单元）与DU （CPRI和eCPRI之间的网络，中传是 DU和CU （F接 口）之间的网络，回传是在 CU和5G CN （NG接口）之间以 及在CUs （Xn接口）之间的网络。在莫些情况下， CU和DU 共同定位和形成gNB。在这种情况下，RRU对gNB是前传， gNB对5G CN是回传。一般来说，前传通常是基于LL FS（低 层次功能拆分），中传是基于HL FS（高层功能拆分

6、）。对于冗 余，gNB与5G核心网之间可以为 1: 2 DU与CU之间可以 为 1 ： n。2 无线承载网络架构的演进无线承载网从4G/LTE演进到5G新无线网（NR）,其主 要的变化是4G/LTE的BBU功能将会分为三部分：集中单元（CU）、分布式单元（DU）和射频拉远单元（RRU）O新的网络传输架构在很多方面都进行了改变。例如，新的设计可以更好地促进无线接入网（RAN）虚拟化，而且还可以在满足时延需求的同时，允许降低前传的速率。在CU和DU中驻留的特定功能是依赖于部署的并且仍在讨论中。图2展现了4G 演进到 5G 传输网络的变化，4G 网络的架构由核心网（EP。、基带处理单元（BBU）和射

7、频拉 远单元（RRU）构成。当向5G演进时，用户平面的一部分功 能由核心网（EPC迁移到CU和DU上，第二层（L2）非实 时性功能和第三层（L3）功能将由BBU转化到CU,第一层（L1） /第二层（L2）实时性功能将由 BBU转化至U DU, L1的 其他功能将由BBU转化到RRU,核心网（EP。的功能也会 与CU和DU功能一样，被重新定义到下一代核心网（NGC）中。除此之外，新一代网络将重新设计定义两个网络接口，即上层分裂点（Fronthaul-II ）和底层分裂点（Fronthaul-I ） ，而且DCN、CU与DU以及RRU之间的其他功能也会被重新定义。图 2 4G 的单节点演进到5G

8、的拆分功能架构示意图在图 2 中，黄色的线表示传输网络的接口，带有箭头的灰色或黑线表示3GPP功能的迁移。截止到 2017年12月， 3GPP已经将其R15版本演进为两种版本：非独立和独立。在非独立的情况下， 4G LT国立（ eNB）和5G NR基站为双连通性相互连接。在初始部署中，图3 中的选项3，对于将转接到5G NR基站的4G LTES站来讲，4G核心网仍然是核心并连接到4G 基站。在随后的部署中，5G 下一代核心网（NGC）将被部署连接到与 4G 1丁屋站（选项7）和那些即 将建成5G NR基站（选项4）。这一演进将允许支持 5G功能 的用户设备（如移动电话）的接入。当然，目前的4G

9、 LTEgB署是才立于4G基站和核心网（如图 4 中的选项1） ， 最终目标是5G 独立 （选项2） 以及 5G NR基站和下一代核心网（NGC）的独立。3前传链路3.1 前传链路的功能分割在上行和下行方向上，无线信号会经过一系列信号处理块。 图 5 上半部分显示在4G 和 5G 无线网络中这些功能块和潜在的分割点。值得一提的是，在用户流量需要连续的比特率传输时，传统的前传使用选项 8 （CPRI或OBSAI协议），与其他分割选项（1-7）相比，传输的数据量需与用户流量成比例。3.2 信道带宽通常在4G无线网络中，前传链接指的是 RF与剩余使用 CPRI/OBSA胁议（选项8分割点）的前传 L

10、1或L2/L3功能之 间的链接。这种分裂点以最严格的前传延迟和带宽要求选项 允许所有高层处理功能集中。此外这种传统的前传是基于数字化时域的IQ 数据传输。对于高容量的应用程序，如 eMBB （增强型移动宽带）或独 立的天线元件的无线基站（多层MIMO） ， 这些前传解决方案要求极高的传输能力，并要时延最多只有几百微秒。表1显示了时间域的IQ数据前传能力（CPRI速率无线 路由编码），需要支持不同由 3GPP定义5G无线网络天线端 口的无线频率带宽和使用参数范围。表 1 5G 所需的前传无线网络带宽Gb/s天线端口数无线信道带宽10 MHz 20 MHz 200 MHz 1 GHz2 1 2 2

11、0 1008 4 8 80 40064 32 64 640 3 200256 128 256 2 560 12 800表 1 中的值是近似的净数据速率（不含行代码），如公式（1）所计算的。计算表明，在 CPRI （选项8）接口需要 491.52 Mb/s的带宽和每个天线端口每 10 MHz为广播带宽的 数据速率。BCPRI=AK fsXbsX2X （ 16?15）（1）其中，A 是每个扇区的天线数，fs 代表采样频率（每10MHz无线电带宽的15.36 ms/s）, bs为每个样本的比特数（LTE 为 15 ） 。因子 2 为因素 I 和 Q 样本的单独处理，附加开销信 息因子为16/15 。

12、3.3 5G 无线网络中的新功能选项的拆分随着5G数据率的增长，继续使用传统的CPRI前传来实现已经不切实际。如图5 所示，走向一个更高的层裂会减轻时延和带宽的压力，但缺点是只能集中较少的处理功能。因此，至关重要的是，新的功能划分架构需权衡吞吐量、时延和功能集中技术以及成本效益之间的关系。因此一些标准机构都提出了识别无线电处理链的不同分割点（图5） ， 这样与传统方法相比可以大大减少CRAN架构的传输压力，这样就可以根据具体部署场景选择最佳的NR拆分点。2017年4月，3GPP宣布选项 2 （PDCP高RLC 作为高层次的分割点（称为F1 的接口） ，同时推迟两竞争者之间的低层分割点决策（选项

13、 6的MAC/PHY分裂和选项7的PHY分裂成三种物理层7-1 、 7-2、 7-3）的时间。为了方便，将使用FX作为低层分裂点的符号，为了增加灵活性将会级联分 裂架构。2017 年 7 月，小蜂窝论坛扩展了多厂商平台接口的API规范（FAPI） ，促使小蜂窝加速部署到虚拟的小蜂窝结构。伴随着nFAPI的力口入，使nFAPI成为支持虚拟 MAC/PHY分裂（选 项6）的接口平滑演进到 5G路径。这里采用了由三种元素CU、DU和RU组成的分割体系结构， 每一个都具有任何信号处理功能。由于现有的4G 部署将继续得到支持，在未来，BBU和RRH的术语将被重新命名为 CU/DU和RU。与此同时，eCP

14、RI小组将其工作重点放在了数据包传输网络的数据传输内部分裂上，从而为低层的分离创建了一个事实上的标准。在下行链路（ID, IDD）和上行链路（IU） 中引入了两种可能的分割，这配置大致对应于 3GPP选项7-2和7-303GPP和eCPR规范都提到了基于以太网的传输需求，这是Metro Ethernet论坛（MEF）定义的。MEF在2016年1月发布了第三阶段的移动回传执行协议（ MEF22.2）而且正 在进行第4阶段的MEF22.3的研究，其中包括了下一代的前 传定义。IEEE P1914.1标准将在2018年底前后发布，它将提 供如何支持在以太网网络上的其他分点传输数据的传输规范。但是，这

15、个规范的细节目前还没有定义。4 5G 承载网的运行部署场景及网络体系?Y构一般来说，5G的传输网络可能包含了 fronthaul （前传）、 midhaul （中传）和 backhaul （回传）网络。但是，不同的操 作符可能会使用不同的部署场景。目前已经确定了四个运行部署场景。（ 1） 独立 RRU、 CU、 DU 位置场景。在这种情况下，fronthaul 、midhaul和backhaul网络，RRU与DU之间的距离为 020 km , 而 DU 和 CU 之间的距离为数十公里。（ 2） CU 和 DU 共址场景。在这种情况下，CU 和 DU 在一起，因此没有midhaul 。（ 3）

16、RRU和DU集成场景。在这个场景中，RRU和DU被部署在彼此附近，比如在同一栋楼里，或者距离几百米。为了降低成本，RRU直接通过光纤连接到 DU,不需要传输设备。在这种情况下，有midhaul 和 backhaul 网络。（ 4） RRU、 DU 和 CU 集成。该网络结构可用于小单元和热点场景，在这种情况下只有backhaul 网络。以上四个应用场景基于当前的无线网络部署和无线SDOs所描述的预期功能。 但是，最终的应用程序场景将由无线规范、应用程序（即eMBB 和 uRLLC） 、传输技术可用性和操作人员的部署需求来定义。根据CU、 DU 和 RU 的部署差异，5G 前传和中传网络的架构被

17、归类为四个 RAN部署。对应于不同的 RAN部署，为了满足特定的要求，传输体系结构可能会不同。图6 显示了独立CU和DU部署的传输网络架构。 回程传输在RRU和DU之间，中程传输在DU 和 CU 之间，以及CU 和 CN 之间的回程传输。回程传输的服务是多点对多点的。用于前传和中程传输网络，该服务是指向并假设在特定时间，DU只属于一个CU, RRU只属于一个DU。止匕外，前传和中程传 输网络需要提供合理的低时延来满足时延要求敏感的服务，如 uRLLC。前传、中传和回程传输网络之间的网络拓扑：对于前传传输网络，可以使用星形或环形网络拓扑结构；对于中程传输网络，通常使用环形拓扑结构；对于回程传输网

18、络，使用环形和网状拓扑结构。对于第 4 节中描述的其他RAN 部署， 传输体系结构可能如下：( 1)对于并置CU 和 DU 部署，这些将不存在中程传输网络，仍然是前传和回传共同承载5G 流量。(2)对于RRU和DU集成部署，这意味着不需要前传 网络，仍然是中程回程传输来运载RRU/DU至U CU之间和CU到 CN 之间的流量。(3)对于RRU DU和CU集成部署，只剩下回程传输网络，其传输网络架构几乎与4G 场景相同。需要注意的是，传输网络架构应该满足用于特定运营商和特定流量规划的4 个 RAN 部署子集所有的要求。随着网络和流量演进的发展，传输网络架构应该平滑升级以逐步支持更多的RAN部署。

19、图7显示了 5G CRAN部署的传输网络架构的一个示例。另一个例子是 DRAN部署，如图8所示。考虑MEC在5G中的重要性，回程传输网络应该考虑MECs应用，并且应该为 MEC和CU之间的服务提供灵活性 和低时延。传输网络技术可以考虑PON、OTN、SPN以太网、 G.Metro 等。5 管理与控制3GPP管理系统与传输网络管理系统之间的交互示例如图 9 所示。下文将会介绍传输网络中对网络切片的支持。为此，做出以下假设：传送网管理系统由SDN 控制器实现。为了支持图9 所示的网络，每个传输网络将作为独立的网络切片实例呈现（与其他网络切片实例不相交）。3GPP管理系统将针对每种类型的 3GPP服

20、务（例如uRLLCeMBB等） 请求传输网络切片实例。每个传输网络切片实例将由独立虚拟网络 （ VN） 支持， 每个虚拟网络具有单独的逻辑管理接口。传输网络切片将在准备或调试阶段配置。由于粒度的差异，传输网络只支持 E2E实例的网络切片。因此，每个传输网络 片将支持零个或多个 E2E切片实例。传输网络对于 3GPP管 理系统是直接可见的，每个VN 将被视为一个管理网络切片子网实例（MNSSI）。以下是TN管理系统与3GPP管理系统 之间的协调要求。（1）传送网管理系统应能够接收来自E2E 5G切片管理系统（即3GPP管理系统）的3GPP E2E 5GH片实例的特定要求（例如性能、隔离等）。传输

21、网络管理系统应该响应该请求，提供适当的传输网络切片子网实例。可以预先设计传输网络切片子网的模板，在这种情况下，来自3GPP管理系统的请求将包括对特定模板的引用。一旦建立合适的传输网络切片子网实例，传输网络切片子网实例和 E2E 5G切片实例之 间的关联就会建立起来，并且可以由传输网络管理系统或由E2E 5G管理器来管理。（ 2）传输网络管理系统应该能够接收到对传输网络的能力清单的请求，例如拓扑结构、容量等所支持的客户端的类型等，并提供所请求的信息。（3）传送网管理系统应能够根据E2E 5G切片管理系统的请求修改传送网切片子网实例。（ 4）运输网络管理系统应能够接收性能监测、性能阈值和故障监督的

22、配置和激活请求，并提供性能阈值报警和故障报警的自发报告，并根据要求，报告性能监测结果并为传输网络切片子网提供连接。6 承载网对5G 网络切片技术的支持通常，传输网络是一个多业务网络，可以预期，在某些情况下，公共传输网络基础设施将在5G 业务和其他业务之间共享，所以有必要在这些服务之间提供隔离。此外，有必要在不同的5G 传输网络切片实例之间提供隔离。从管理角度来看，服务被放置在建立的虚拟网络（VN）中。转发平面必须确保来自一个VN 的流量不会传递到不同的VN。 最后转发平面还需要提供隔离，以限制不同VN 中的流量之间的交互。传输网络需提供两种类型的流量隔离。（ 1）硬隔离。加载一个VN 的流量不会影响任何其他VN中的流量，包括 QoS影响。硬隔离通过提供独立的电路 交换连接来实现，专用于一个 VNo电路交换连接可以由专 用波长或专用TDM 时隙提供。（ 2）软隔离。一个VN 的流量负载可能会对提供给其他VN中的流量的QoS产生影响。通过使用，例如以太网VLAN、 MPLS隧道等分组技术，将来自两个或更多个 VN的业务统计 复用到公共电路交换连接上来实现软隔离。由其他VN 引起并由一个VN 提供的流量对QoS 的