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5G承载网架构及部署场景
Discussion on Architecture and Deployment Scenario of
5G Bearing Networks
LI Cong
[Abstract] 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 impacts of 5G networks evolution architecture and key requirements of 5G bearing networks on 5G bearing networks and their key techniques are analyzed. Combined with 3GPP standards， the network system architectures in different deployment scenarios are presented to provide a reference to the construction of 5G bearing networks.
1 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-DU 只连接到一个gNB-CU。

特殊情况下，当主gNB-CU出现故障时，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。

在某些情况下，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）。

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）。

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（EPC）、基带处理单元（BBU）和射频拉远单元（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转化到DU，L1的其他功能将由BBU转化到RRU，核心网（EPC）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 LTE基站（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 LTE基站来讲，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 LTE基站（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 LTE部署是独立于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/OBSAI
协议（选项8分割点）的前传L1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 GHz
2 1 2 20 100
8 4 8 80 400
64 32 64 640 3 200
256 128 256 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=A×fs×bs×2×（16?15）（1）
其中，A是每个扇区的天线数，fs代表采样频率（每10 MHz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。

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的加入，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，eCPRI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7-3。

3GPP和eCPRI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0～20 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）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。

此外，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到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。

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 服务（例如uRLLC、eMBB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 5G切片实例的特定要求（例如性能、隔离等）。

传输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VN。

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的影响可能受到流量工程的限制，所述流量工程包括限制统计复用比率、每个VN上的流量监管等。

综上所述，预计3GPP管理器将请求管理网?j切片子网实例（MNSSI）的配置以支持不同的5G服务，例如uRLLC、eMBB等。

每个MNSSI的特征，例如带宽、隔离类型、等待时间等，将由3GPP管理者定义以解决每个5G 服务的需求。

VNSS将支持MNSSI。

在前传网络中，只需要一个MNSSI，因为所有业务都在RRU和DU之间以通用的eCPRI封装形式进行传输。

7 结束语
5G的意义不仅是下一代无线通信技术，更是信息通信领域的一场革命，5G承载网是5G网络和业务发展的关键因素之一。

本文详细阐述了5G 时代承载网络的演进历程并给出各部署场景的网络体系架构。

5G时代是万物互联的时代，万物融合的时代，网络无处不在，展现在我们面前的是更加智能化的时代，随着5G承载网的研究和建设，将会开启一个通信技术发展的新时代。

希望以上资料对你有所帮助，附励志名言3条：
1、生命对某些人来说是美丽的，这些人的一生都为某个目标而奋斗。

2、推销产品要针对顾客的心，不要针对顾客的头。

3、不同的信念，决定不同的命运。

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