5G承載需求白皮書

正式發布

2018年6月22日（CWW），在2018年（暨第六屆）IMT-2020(5G)峰會現場，IMT-2020(5G)推進組5G承載研究負責人李芳發布了《5G承載需求白皮書》。

性能需求

首先看一下關鍵的性能需求，5G承載網會把地域分布非常廣泛的宏站，以及DU、CU分離的無線網元與5G核心網連線起來，把成千上萬的點連線成立體網路，由於5G核心網一般位於省乾或城域核心機房，因此5G承載分成了省內幹線、城域核心層、匯聚層和接入層等層面。5G承載網將與5G業務網一起支撐提供三大類業務套用，獲得更好的業務性能的體驗。性能體驗需要頻寬、時延、同步三大性能指標支撐，更大的頻寬主要體現在5G前傳、中傳、回傳三部分，對於超低時延的需求主要集中在前傳、中傳部分，對高精度時間同步，特別是基站間協同如載波聚合，主要集中在前傳和中傳部分。

第一個性能參數是頻寬性能，我們核算了單基站的頻寬需求，根據5G低頻站和高頻站的典型配置參數，按照NGMN的基站頻寬計算方法，核算了單基站的傳輸頻寬需求，給出的頻譜效率的峰值和均值是無線廠家提供的典型值值。我們核算出5G單基站的峰值和均值頻寬，大家可看到，5G低頻站的峰值頻寬是4.65G，均值頻寬是2.03G；5G高頻站的峰值頻寬是13.33G，均值頻寬是5.15G。結合光接口成熟度和成本情況分析，5G低頻站將採用1個10GE接口，5G高頻站和低頻高頻同站址配置時將採用2個10GE接口或1個25GE接口，目前4G基站是採用GE接口，均值頻寬不到百兆，可見單基站的傳輸頻寬需求提升至少20倍以上。

根據單站頻寬需求進一步核算了5G回傳網路的頻寬需求，根據三大運營商的調研反饋，結合光纖基礎網路和5G承載網結構最佳化，我們總結了兩種典型的組網模型，組網模型I是接入和匯聚層均是環網拓撲，核心層是雙節點口字型上聯模式；組網模型II是接入層是環網，匯聚層和核心層均是口字型上聯方式。5G基站部署又分DRAN和CRAN（即CU和DU集中池化）兩種場景，核算出來的頻寬在接入層的需求在19G-47G之間，留有一定發展餘量，接入環的線路速率是25G/50G/100G。匯聚核心層的頻寬需求大部分都超過了100G，甚至達到了1.1T量級，因此匯聚核心層設備之間需要多個100G/200G/400G鏈路互連。

前傳/中傳頻寬需求，與CU/DU物理層分割位置密切相關，按照3GPP和CPRI組織等最新研究進展，DU和AAU在物理層低層的分割存在多種方案，典型包括射頻到物理層底層分割的選項8，即CPRI接口，物理層的低層到高層的分割選項7，其中選項7又可進一步細分為7-1和7-2等該表格是參考3GPP TR38.801和3GPP TR38.816，針對不同分割方式估算的前傳頻寬結果，選項8的157.3G對應的是未經壓縮的CPRI信號，壓縮後採用100GE接口；選項7-2是典型的eCPRI信號，29G速率，壓縮後可採用25GE接口。因此，採用eCPRI信號的前傳主要是N*25G 頻寬需求，中傳F1接口的頻寬需求與回傳頻寬是同一量級。

第二大性能指標，時延，特別是URLLC業務對前傳時延挑戰明顯。3GPP在TR38.913中對eMBB和uRLLC在RAN範圍的用戶面和控制面時延指標進行了描述，要求eMBB業務用戶面時延小於4ms，控制面時延小於10ms；uRLLC業務用戶面時延小於0.5ms，控制面時延小於10ms。我們將5G終端到無線接入網、核心網的端到端時延分解為T0-T8共 9個組成部分，包括終端、RAN網元、核心網元的處理時延、以及無線傳輸時延，承載引入的時延主要是前傳、中傳和回傳時延。因此，對於URLLC這類低時延業務，需要無線和承載協同分配時延指標。按照CPRI和eCPRI的規範，AAU-DU的前傳時延指標要求為100us，我們知道光纖傳輸時延是1公里5us，前傳距離10~20km的光纖傳輸時延就是50us~100us了，幾乎占用了前傳時延指標的一半乃至全部，這也是4G前傳80%以上採用光纖直驅的一個重要原因。目前承載節點的處理時延一般是20us~50us量級，如果要在C-RAN模式下在前傳引入兩端承載設備，要儘可能降低承載節點的時延處理能力，目前實驗室測試單個前傳設備的轉發時延最低可達到1us。

第三個關鍵性能需求是高精度時間同步，根據3GPP的TS38.104，分析了5G的頻率同步和時間同步的性能指標需求，結論是5G 基本業務同步需求與4G相當，均為3us；5G協同業務需求指標：65ns/130ns/260ns/3us；絕大多數百納秒量級的時間同步要求一般發生在同一個RRU內的2個載波，無需網同步；少量百納秒量級的時間同步要求可能發生在同一CU/DU下的不同RRU之間，需基於前傳網實現網同步；對於基站定位等業務，則提出了更高的時間同步指標要求，如3m定位精度需10ns時間同步精度，基於網同步實現難度較大，需結合其它定位技術實現。

組網功能

首先，5G無線接入網路架構的變化，即CU和DU分離，帶來了前傳、中傳和回傳的三級網路，5G核心網架構的數據中心化和UPF/MEC等功能分層部署，使得5G回傳的N2/N3連線和核心網元之間的N4/N6/N9等連線，以及基站之間的Xn連線，都呈現出了網狀化的連線需求，因此承載網第一要支持多層級的網路架構，第二要支持靈活化的連線調度能力，L3路由功能要下沉到CU和MEC位置，即匯聚節點或綜合業務接入節點；

為了支持5G網路切片需求，5G承載需要與無線、核心網協同，支持5G端到端網路切片及其QoS等SLA要求；對於uRLLC和政企金融專線等業務，要求高可靠性、高安全性和低時延，要求支持基於TDM隔離的硬切片，保證其頻寬獨享和確定性低時延。對於eMBB和mMTC等時延不敏感的業務，可採用基於L2和L3的邏輯隔離的軟切片技術。因此，面向5G承載的綜合業務承載網需要提供包括硬切片和軟切片的層次化網路切片方案，滿足各類業務需求。為了實現網路切片的資源協同管控，以及智慧型化運維需求，5G承載需要支持開放的北向接口，支持與上層的5G業務和網路編排器實現互動，並與RAN的管控系統、核心網CN的管控系統實現協同。這就是功能需求的第三項：層次化網路切片，第四項 智慧型化協同管控。

3GPP定義了NSA和SA兩大類方案，未來5G終端要實現4G和5G的雙連線，4G/5G有60-70%需要共站址部署，這些特性需求決定了4G和5G混合承載。由於5G的頻寬需求大幅提升，時延指標更加嚴化，為了實現5G全覆蓋，承載網的投資問題是運營商關注的一個焦點，由於目前全新高速接口的成本相對昂貴，因此對承載網路的低成本需求逐步凸顯，尤其是體現在前傳和回傳網路中，我們列出了前傳、中傳和回傳對高速光模組的需求，包括不同傳輸距離，25G-400G的接口速率和不同調製類型，都需要規模化來降低成本。我國運營商也在大力推動25G的單纖雙向光模組及設備解決方案，並加強了單波長100G的低成本化光模組開發。