1 引言
3GPP(3rd Generation Partnership Project)提出了5G网络的无线接入网(RAN)和核心网的新架构,与LTE网络有较大的区别,RAN网络的功能重新划分及部署方式对承载网络的架构将产生较大影响,而5G网络的三大应用场景对网络性能要求的巨大差异,推动核心网切片及分布式部署,也对承载网的架构和性能有较大影响。
本文从承载网络的视角,对比LTE网络架构,对5G网络的架构特点和部署特点进行分析,提出了5G网络设备、部署方式等存在的不确定性,以及这些不确定性对承载网的影响。
2 5G网络架构特点
5G网络架构无论是RAN部分还是核心网部分,都与LTE网络有较大的区别,以下分别从承载网络的视角对LTE和5G的网络架构进行分析比较。
2.1 LTE网络架构特点
LTE RAN网络主要由2个网元组成,分别是RRU和BBU,如图1所示:
图1 LTE网络架构示意图
(1)每个RRU与一个BBU相连,RRU间没有直接连接;
(2)BBU之间的切换可以利用S1接口经核心网(EPC)实现;也可经BBU间的X2接口实现[4]。在实际LTE网络中基站间的切换主要通过S1接口,以简化网络的部署[3]。
根据CPRI接口规范,RAN部署方式有两种:1)分布部署方式,BBU和RRU部署在同一站点,前传属于站内连接;2)集中部署方式,BBU和RRU部署在不同的站点,前传属于站间连接。这两种方式都有比较广泛的应用。
LTE核心网主要包括MME和S-GW两类网元,国内运营商多采用按省集中部署的方式。
2.2 5G网络架构特点
5G RAN网络主要由3个网元组成,分别是AAU、DU、CU,如图2所示:
图2 5G网络架构示意图
(1)DU以星型方式连接多个AAU(也称为“前传”),AAU间没有直接连接需求,AAU和DU之间采用eCPRI接口。
(2)CU以星型方式连接多个DU(也称为“中传”),DU间没有直接连接需求,DU和CU间采用以太网接口。
(3)基站间的切换等功能通过CU间的Xn接口实现[7]。
5G网络RAN的部署方式主要有三种,如图3所示:
(1)分布式RAN (2)DU/CU集中RAN (3)DU、CU分别集中RAN
图3 5G RAN的三种部署方式
(1)分布式部署:AAU、DU和CU部署在相同的站点,前传和中传都属于站内连接。
(2)DU/CU集中部署:AAU与DU/CU部署在不同的站点,DU/CU集中部署在同一站点,前传属于站间连接,中传属于站内连接。
(3)DU和CU分别集中部署:AAU、DU、CU均在不同的站点,前传、中传都属于站间连接。
5G的核心网主要包括控制面(CP)和用户面(UP)两类网元:
(1)控制面(CP)采用云化集中部署,对时延的要求为10 ms[8],流量也不大,国内运营商选择按省集中部署的方式可能性比较大。
(2)用户面将采用根据业务特点切片部署的方式[2],根据不同类型的业务的功能、性能等进行网络切片,并分别进行部署,不同切片部署在网络的不同层级。
2.3 LTE和5G网络架构主要差异分析
LTE和5G网络架构的主要差异如表1所示。相比于LTE网络,5G网络部署方式更加多样化,这种多样化的部署方式对实际网络部署,存在较大的不确定性。
表1 LTE和5G网络架构
3 5G网络架构的不确定性及其对承载网的影响
5G网络的架构已经明确,典型5G网络部署的结构示意如图4所示,但落实到设备和部署策略上还有较多的不确定性。
图4 5G网络部署结构示意图
3.1 5G的前传要求与LTE兼容
国内运营商在LTE阶段普遍采用BBU小规模集中部署的方式,这种方式大大降低了网络部署成本,包括基站机房、电源、传输设备等,已经成为国内运营商LTE网络建设的发展趋势。在5G阶段,运营商将会继续采用DU集中部署的方式。
CPRI接口规范定义的前传距离不小于10 km[5]。eCPRI网络规范[6]没有明确前传的目标距离,但定义了前传的单向传输时延应小于100 μs,折算成在光纤上的传输距离应小于20 km。这两者的目标距离比较接近。国内运营商在LTE阶段较多地采用BBU小规模集中部署的方式,BBU-RRU间的距离普遍小于10 km。当5G网络采用图3所示的方式(2)、(3),进行DU集中部署时,DU集中的站点位置与LTE BBU集中的站点位置相同,现有LTE的前传光缆网络可以利用。前传的距离小于10 km,可以利用比较成熟的10 km标准的25 Gbit/s光接口,网络成本也比较低。
但工信部确定的5G网络工作频率是3.3 GHz—3.6 GHz和4.8 GHz—5.0 GHz频段[9],远高于LTE的2.1 GHz/2.6 GHz频段,因此5G基站的密度预计将是LTE基站的1.5倍左右,运营商在5G部署时期采取何种部署策略(热点部署、区域性连续覆盖等),对前传光缆网络的影响较大,若采用连续覆盖部署的方式,运营商需要大量建设基站接入光缆。
3.2 CU/DU分离部署的不确定性
3GPP提出了CU/DU的分离功能架构,运营商也希望CU能够在更高层面部署(如本地网的汇聚节点,甚至核心节点),简化基站间协同的组织,提高协同效率,同时实现CU与DU的解耦。
目前设备供应商尚不能提供商用化的CU和DU设备,CU和DU是否能够实现分离部署、设备的容量和能力均不确定。
CU、DU能否分离部署将影响到在承载网络上是否存在中传段,基站间的连接数将会有上百倍的差异,对承载网络的结构和路由能力有较大的影响。例如:一个典型城市的汇聚节点数量约30个,POP点的数量约300个。若CU部署在汇聚节点,DU到CU的连接是汇聚型连接,CU间的连接是分布式连接,CU间全mesh连接需要的连接数为435个,在本地承载网的核心汇聚层采用IP网络技术,这种连接是比较容易满足的。若CU部署在POP点,所有POP点间CU分布式连接的数量将达到4.5万个;若每个基站都单独部署CU功能,CU间的连接数量将会更大。这将要求本地承载网的边缘层也必须采用IP网络技术,并且要具有很强的路由能力。
因此,从承载网的角度,也支持CU集中部署。根据上述典型城市的网络结构特点,平均每个汇聚点汇聚的基站数量在100~200个之间,CU可带的基站数量应在200个左右。
3.3 DU的不确定性
5G网络标准提出了DU设备池组化的目标,运营商希望采用DU池组化集中部署的方式,将来自多个基站的业务汇聚后统一传到CU上,可大大提高DU的效率,也有利于基站间协同策略的部署。但DU设备是否能够池组化还不明确,目前厂商能够提供的DU设备基本上还是每个基站一个DU,即便DU集中在一起,也是多台DU设备的堆叠,无法做到基带资源的共享。DU是否池组化,对中传的技术方案的选择将有较大的影响:
(1)池组化DU能够带的基站数量:运营商希望一个POP点的DU池能够将POP点覆盖的基站全部带起来,根据3.2节的典型城市POP点分布,平均每个POP点带的基站数量在10~20个之间(30~60个AAU),因此DU池应能够带20个左右的基站,或者可分成多档(比如5、10、20三档),根据不同POP点的覆盖范围,选择不同的DU池。但现在只有个别厂商有池组化的DU产品路标,池组化DU的容量目标业界尚未达成共识。
(2)DU中传接口的速率和数量:若DU能够池组化,一个带20个基站的DU池仅需2个25 Gbit/s的中传接口,将来自多个基站的业务汇聚收敛后统一传到CU上,每个中传接口的终期带宽利用率可达到60%以上。若DU不能池组化,每个DU仅能够带几个AAU(3~6个),每个DU至少需要一个10 Gbit/s中传接口,终期的带宽利用率将会在30%左右,该端口无法利用中传业务统计复用的特点,提高带宽利用率。DU中传端口数量将是池组化DU的10倍,中传的成本将远高于池组化DU方式。
从承载网的成本考虑,DU池组化对带宽进行汇聚和收敛是非常有价值的。
3.4 CU的不确定性
CU容量的大小决定了CU的数量和部署的位置,对承载网的性能需求也有较大的差异。3.2节提出每个CU应能够汇聚200个左右基站的业务,但业界尚未就CU的容量目标达成一致,这也给承载网的技术选择和方案带来较大的不确定性。
若CU的容量能够达到200个基站左右,则CU可以部署在典型城市的汇聚节点,并汇聚本汇聚节点下的所有基站的业务,DU到CU的中传业务属于典型的点到多点业务模型,可以采用较为简单的一层或二层网络技术,不必采用三层网络技术。若CU的容量较小,在典型城市的汇聚节点,需要部署多台CU才能汇聚本汇聚节点下的所有基站的业务,DU到CU的中传业务属于典型的多点到多点的业务模型,需要中传网络支持一定的三层功能,将提高中传网络的建设成本。
3.5 UP部署的不确定性
核心网UP根据不同的业务特点切片部署已经比较明确,但各个切片部署的位置尚未确定,在5G初期主要是eMBB和mMTC业务。uRLLC相关标准尚未完成,UP-eRLLC部署策略待研究。
eMBB业务单向时延小于10 ms[10],同时也是5G网络流量最大的部分,基于时延和流量优化的目的,UP-eMBB会从LTE的省集中方式下沉到各个本地网,随着CDN网络的下沉,UP-eMBB甚至会下沉到本地网的汇聚层。目前,国内运营商尚未有UP-eMBB部署在本地网的核心层,依旧采用汇聚层的明确策略。UP-eMBB部署的位置决定UP节点的数量和单个UP网元的容量,同时也影响到5G核心网接入互联网的位置和方案,对承载网性能指标的要求也有较大差异。
mMTC业务对时延不敏感,因此UP-mMTC将在较高层面集中部署,如省集中或大区部署,需要承载网同时提供本地和骨干的承载能力。
4 5G网络部署的建议
业界尚未有全功能5G网络的商用部署案例,5G网络架构和设备形态、部署方式都存在较大的不确定性,这些不确定性将对5G网络的部署方案和成本有巨大影响。本文通过对5G网络部署中一些不确定性问题的分析,提出以下建议:
(1)基站应采用适度规模集中部署方式,充分利用现有LTE网络的前传光缆网络资源,在5G做连续覆盖时,新增基站前传光缆建设应充分利用现有光缆网资源。
(2)DU设备应支持池组化功能,部署在现有POP点,提高基站协同的效率,降低中传网络成本,并能够充分利用现网前传和回传光缆网络资源。建议设备供应商加快开发DU池产品,每个DU池可带的基站数量应在5~20个左右,可分成多档,比如5、10、20等多档,满足不同类型POP点的需要。
(3)CU与DU分离部署是5G网络架构的亮点,将CU部署在汇聚节点,可简化中传技术方案,降低网络成本,并能够大量减少基站间Xn接口的连接数量,降低对回传网络的性能要求。根据对典型城市的站点布局的分析,建议每个CU应能够汇聚200个左右个基站的业务。
(4)核心网用户面可采用切片部署的方式,UP-eMBB在业务质量可保证的情况下,尽量部署在城域核心,设备集中也有利于提高资源效率,减少对本地网数据中心机房数量的要求,同时也减少回传网络对骨干承载网的需求。
5G网络架构的变化,对本地承载网的边缘层(POP点到汇聚点间的网络层级)影响最大,按照上述网络部署架构的建议,仅需要在本地网的核心汇聚层采用三层承载技术,边缘层可以采用一层或二层传输设备(如PeOTN等)组织,降低网络的建设成本和维护成本。
在目前5G技术还存在如此多的不确定性情况下,在2020年进行全国性规模部署还存在以下风险:
(1)5G网络和设备的一些新技术、新功能难以在网络中实现;
(2)未来网络升级采用这些新技术、支持这些新功能的成本比较高,环境代价比较大。
中国几个运营商在3G和LTE阶段都是在其他运营商几年后部署,设备的成熟度和稳定性都比较高,不确定性小,建设成本低,因此运营商能够在2~3年基本建成一张全国连续覆盖的网络。因此,中国运营商若想在5G网络部署领先世界,必须考虑上述不确定性的风险因素,建议适度把握5G部署节奏,降低上述风险的负面影响。
5 结束语
本文通过对LTE和5G网络架构的对比,分析了5G网络架构的特点,对目前5G网络架构、部署方式、设备形态存在的不确定性进行了深入的分析,指出这些不确定性对承载网的影响,提出对这些不确定性因素的发展建议及相应的承载技术方案。
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