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浅谈5G核心网规划及建设策略

发表时间：2020/11/4 来源：《基层建设》2020年第21期作者：梁坤

[导读] 摘要：5G网络建设是国家新基建的重要建设方向之一，经济社会的快速发展，信息化水平的提升，都离不开5G这台引擎，智慧城市、智慧制造，工业互联网等先进技术都需要基于5G网络，虽然5G网络功能强大，但网络部署还存在着较多困难，主要体现在物理站址选择，物业协调，设备兼容性等多方面，需要政府机关、通信设计施工单位及设备制造商，通信运营商等单位通力合作，才能实现快速高效建网。

        山东省邮电工程有限公司山东省济南市 251000
        摘要：5G网络建设是国家新基建的重要建设方向之一，经济社会的快速发展，信息化水平的提升，都离不开5G这台引擎，智慧城市、智慧制造，工业互联网等先进技术都需要基于5G网络，虽然5G网络功能强大，但网络部署还存在着较多困难，主要体现在物理站址选择，物业协调，设备兼容性等多方面，需要政府机关、通信设计施工单位及设备制造商，通信运营商等单位通力合作，才能实现快速高效建网。
        关键词：5G核心网；规划；建设
        引言
        5G网络作为一张未来长期运营的网络，需要“以终为始”地开展网络规划，以汇聚机房支撑能力普查、光缆纤芯资源普查为基础，确保网络结构合理，既要充分的利用现有的站点资源，又要考虑网络结构对网络性能的影响。新建SPN网络，满足5G业务承载需求，为后续5G垂直行业应用提供网络基础。
        1、5G通信概述
        5G作为包含大规模天线阵列、新型多址技术、超密集组网、全频谱接入、新型网络架构等关键技术，同时标准协议全球统一，涵盖增强型移动宽带、大规模机器类通信、超可靠低时延通信等业务的全新移动通信技术，其虽然有着频段高、覆盖弱的问题，依旧具有无可比拟的应用价值与前景。从技术层面看，5G不但具有上述的各种关键技术，还在网络技术层面融合了软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFC）两大技术。通过SDN解耦控制平面与用户平面，控制平面利用通信接口对用户平面上的网络设备进行集中控制，实现更为灵活高效的资源分配，降低网络维护难度，缩短网络部署周期，降低网络韵味成本。而NFV技术则用软件方式实现传统网元功能，解决了将网络功能部署在通用硬件上的问题，实现了网元功能和专用网络设备的解耦，支持动态扩展网络功能，大幅提高了业务部署的灵活性与效率。在这些技术的支持下，5G支持0.1～1Gbps的用户体验速率，每平方公里一百万的连接数密度，毫秒级的端到端时延，每平方公里数十Tbps的流量密度，每小时500km以上的移动性和数十Gbps的峰值速率。5G移动通信网络面临着无线接入网的BBU拆分，两级架构变三级，无线接入网与核心网网元重新部署，核心网的控制面和用户面分离，用户面部署下沉，同时组网方式由NSA向SA过渡的全新变化。
        2、5G网络技术特点
        5G相对2/3/4G，对于移动通信提出更高的要求，5G的性能目标是拥有高数据率，节约能源，减少延迟，增加系统容量，降低成本和大型设备连接
        2.15G六大基本特点
        2.1.1高速度
        5G的到来，标志着移动网络速度进入了一个新的“纪元”。网络速度的提升，较大的提高了用户体验与感受，面对超高清业务/VR/AR时不在受限，对网络速度要求高的业务将被广泛使用和推广。
        2.1.2低时延
        5G在较大子载波的时候可以有效的缩短调度时延，业务应用至无人驾驶、工业自动化、厘米级的3D高精度定位地图等。5G对于时延的最低要求是1毫秒，不仅人与人之间进行信息交流达到空前未有的感受，甚至在这些新的领域将广泛应用。
        2.1.3万物互联
        随着网络的不断演进，涌现出各类新业务和应用场景，到了5G时代，海量的设备连接势在必行，满足垂直行业终端互联的多样化需求，使每个行业、每个家庭、每个人拥有数个终端，实现真正的“万物互联”。
        2.1.4泛在网（广覆盖）
        泛在网指广泛覆盖及纵深覆盖。随着业务的发展，网络业务需要广泛存在，将支持更加丰富的业务、更复杂的场景，实现规模产业化。
        2.1.5峰值速率
        相比4G网络，5G移动通信系统将进一步提升峰值速率，可以达到数十Gbps，给用户以最大体验。
        2.1.6高密度
        智慧城市、智能家居将成为未来发展的主流，这类应用对连接密度要求较高，例如：智慧城市中的抄表应用、视频监控要求终端高密度部署。
        2.2技术特点
        2.2.1新空口技术
        NR空口协议层基于LTE，并进行了增强和优化。相比于LTE，NR设计了一套灵活的空口参数集，通过不同的参数配置，适配不同应用场景需求。NR空口设计灵活，考虑设备实现和组网复杂度，在实际部署中根据应用场景和频率资源，从空口协议中裁剪出简洁可行的技术方案。
        2.2.2MIMO大规模天线技术
        5G基站天线数可支持配置上百根天线，端口可支持数十天线端口的大规模天线阵列，通过多用户MIMO技术，实现多用户的空间复用，频谱效率提升数倍，AAU的“面世”广泛应用于宏基站，在高容量的场景大大提升用户体验。
        2.2.3无线网CU/DU网络架构
        3GPP确定了CU-DU划分方案，CU-DU分离架构，NR协议栈动态配置和分割，一些功能在CU中实现，剩余功能在DU中实现；CU-DU整合架构，逻辑功能整合在同一个基站中，实现全部功能。
        2.2.45G服务化架构及能力开放
        5G核心网支持网络模块化设计、控制与转发分离、IT化、接口服务化、增强的能力开放等新特性，以满足5G网络高效、灵活、开放的发展趋势。
        3、用户需求与5G业务
        3.1用户需求
        技术的发展使得用户的需求也发生了巨大变化，基于现有技术和应用提出进一步的需求，5G要面对的主要用户需求包括：云业务、虚拟现实、高清视频、物联网等需求。云业务部署在云端，终端和云之间有大量的信令交互，虚拟现实让用户犹如身临其境，这都要求5G有更大的速率和更小的时延。高清视频需求对5G超高速的端到端通信速率提出了挑战。物联网需求可以分为满足海量数据连接的需求和低时延高可靠的通信，前者对终端同时连接数有极大的要求，后者对时延的需求远远高于其它业务需求。
        3.25G业务
        5G根据自身的技术特点，它的主要优点体现在峰值速率、用户体验速率、时延、同时支持的连接数、比特成本效率等。峰值速率可达50Gbps，实际用户速率需保证任何时间任何地方达1Gbps，时延方面5G只有4G十分之一，端到端少于5ms，空口时延更可以少于1ms，在同时支持连接数上一样比4G提升10倍以上。根据这些技术优点，5G业务可应用于三大方面，业务有增强移动互联网业务、低时延高可靠性业务、物联网业务，这三大业务可以满足用户绝大部分需求。
        4、5G组网方案分析
        4.15G网络架构选项3（NSA）
        接入网进行重构核心网侧沿用4G网络EPC，接入网侧LTEeNB扮演了与核心网控制面连接锚点的角色，所有控制信令都是通过LTEeNB下发，而用户面数据通过LTEeNB进行承载分离；参考了3GPPR12的LTE双连接构架，UE在连接态下可同时使用LTEeNB和gNB的无线资源（其中eNB为主站，gNB为从站）；gNB处理能力受限于LTEeNB的处理瓶颈，eMBB业务速率受限于LTEeNB侧传输带宽，不支持5G新增场景mMTC、uRLLC；优势在于利旧4G网络，利于快速部署，且成本相对低廉。
        4.25G网络架构选项7（NSA）
        相当于选项3系列的升级版本，核心网侧重构为NGC，接入网侧仍有效利用现网4G资源，考虑到LTEeNB处理能力遭遇瓶颈，将其升级为eLTEeNB，并以eLTEeNB作为锚点，承载gNB的业务；eLTEeNB为主站，gNB为从站；需针对原有4GLTEeNB进行升级改造，系统互操作复杂度高；综合了4G网络基础资源成熟及5G网络性能优越的优势，前期投入相对独立组网要小。
        4.35G网络架构选项4（SA）
        相当于选型7系列的变体，两者不同之处为控制面连接锚点的功能改由gNB承担；eLTEeNB为从站，gNB为主站；对5G全覆盖的程度要求较高，否则无法有效利用4G资源；最大化4G和5G联合组网的优势，在4G退网前，发挥余热。
        4.45G网络架构选项2（SA）
        整个网络进行重构5G系统独立组网，gNB通过新空口NG-U连接到NGC。无线接入网和核心网都是全新构建的，而未利用或兼容现有的4G网络；缺点是未能有效利用现网资源，部署成本较高；优点在于同时引入NGC和NR可全面支持5G的多元化业务；同时，由于减少了4G和5G之间的接口，降低了系统复杂度。
        5、5G传输网络规划与发展策略
        5.1提前部署SPN网络，实现SA/NSA双模组网
        同步推进5G非独立组网架构（NSA）和独立组网架构（SA）发展，先启动NSA规模部署，同时加速推进SA端到端产业成熟。SPN网络新增L3调度层，下联收敛L2/L3层，上联分别与SPN、PTN平面L3层对接，SPN核心层对接5G核心网UPF及CE，PTN核心层对接4G核心网EPC，实现SA/NSA双模组网。接入、汇聚保持环形组网，核心层口字型组网。

        NSA组网场景：
        （1）EPC原址升级支持5GNSA基站接入，信令面仍通过4G基站交互；数据面通过5G锚点站互通，并分流到4G站；（2）承载网需要打通4G站同EPC、5G站和EPC、以及4G和5G锚点站之间的连接。
        SA组网场景：
        （1）EPC新建支持5GSA基站接入，基站新建或软件升级支持SA；（2）5GSA站的信令面集中到大区统一部署，城域内通过SPN承载，省干按需选择，跨省采用IP专网承载；（3）5GSA站的数据面（UPF）按需部署在省中心、城域中心、边缘，均通过SPN承载；（4）承载网需要打通4G站同EPC（现网具备）、5G站和大区核心网、地市UPF之间的连接。
        NSA到SA组网关键变化点：
        （1）删除4G和5G锚点站之间的连接配置；（2）打通到跨省大区业务流程，新增SPN和IP专网对接组网。
        5.2L2/L3层及核心网UPF下沉，SPN网络结构扁平化
        根据目前标准和技术进展情况，5G应用场景初期应用为eMBB业务，uRLLC和mMTC业务将随技术和市场发展逐步开展。
        5G初期主要是eMBB业务，业务端到端时延10ms；5G中长期引入uRLLC、V2X业务，5G网络结构实现扁平化，L2/L3层下沉为骨干汇聚层，核心网UPF下沉到地市，降低传输距离，满足后续业务低时延需求。
        接入层10GE/50GE组网，核心层、汇聚层按需100GE或200GE组网。L3功能部署到骨干汇聚（L2+动态/静态L3VPN）甚至下沉到接入节点（L3到接入）来满足动态灵活连接需求。
        业务部署原则：5G基站在SPN网络承载；原有4G基站和新增独立4G基站在现有PTN网络承载；双模站的4G站可基于市场项目需求通过SPN网络或PTN网络承载。
        业务承载方式：5G业务选择L3到接入方案；4G业务可以选择L3到接入或者L2+静态L3VPN方案；4G、5G优选不共用VPN承载，实现单独管理4G、5G业务的能力。
        未来SPN网络实现集客、LTE、2GIP化、5G（eMBB、mMTC、uRLLC）业务的统一承载，业务层采用L3VPN+L2VPN混合组网，通过L3调度实现多业务的协同组网。
        5.3依据机房承载能力，合理布局C-RAN节点
        gNodeB包含BBU和RRU，BBU和RRU部署在同一个机房对应D-RAN接入场景；BBU集中部署在综合接入机房，简称BBU集中，对应C-RAN接入场景。
        超前购置汇聚机房，为C-RAN组网奠定坚实基础。深度挖掘现有机房潜力，合理配置配套资源，全量摸排、整合现有机房空间，提高已投产机房使用效率，提前对汇聚机房承载能力进行提升改造，有效支撑5G建设快速达产、快速形成能力。
        根据汇聚机房及基站机房承载能力、结合网优规划原则合理进行大C-RAN、小C-RAN组网。根据汇聚机房空间、引电情况，确定接入集中C-RAN机房的5G基站数量。
        选取标准汇聚机房，作为大C-RAN集中节点，新建100G汇聚环网。原则上单个集中机房以5-15个物理基站为宜，最大不宜超过20个。建议BBU集中规模控制在4-10个（小集中规模4-6个，大集中7-10个）。
        适当选取稳定基站机房，作为小C-RAN集中节点，新建50G接入环网。原则上单个集中机房以3-5个物理基站为宜。
        5.4充分整合传输资源，综合搭建基站光交网
        C-RAN组网打破原有环网结构，弱化接入层，BBU集中或BBU整合至汇聚层C-RAN机房，C-RAN规划应深度挖潜传输资源，分区域、分站型、分场景。
        （1）城区、县城及重要乡镇的室外宏站应优先考虑C-RAN集中，4G基站应在满足投资效益的前提下搬迁集中。
        （2）普通乡镇、农村区域的室外宏站，需新建C-RAN集中机房且站间距大，光纤拉远距离受限，原则上不考虑C-RAN集中。
        （3）大容量室分基站RRU数量较多（RRU数量9个以上），为天然C-RAN架构，BBU可不做二次集中。小容量室分基站（RRU数量少于9个），如放置机房稳定，则无需集中。
        （4）微基站参考室分基站。
        （5）高校、大型园区、医院等特殊场景，将区域内的所有新建基站按照C-RAN组网进行集中，同时推动现有4G基站搬迁集中。
        通过C-RAN组网一次性规划基站光交网，原则上单个基站均需配置基站出局光交箱，周边已具备综合业务区光交的考虑充分利旧，单个基站配置纤芯不低于48芯，以满足后期网络演进使用。
        传输末端接入业务最大程度上使用综合业务区或通过基站光交网进行业务上联，不允许直接布放光缆入局。对于新购置汇聚机房，机房配套项目一次性设立入局光交，以满足后期新增业务接入使用。
        5.5BBU集中新增前传网络，后续可实现CU/DU分离
        前传网络应综合考虑建设成本和光纤资源条件，选择合理的前传方案：
        （1）对于接入距离较短（2km之内）或光纤资源丰富的场景宜采用光纤直驱，并优先选择单纤双向方式，减少时钟部署难度，成本最低。
        （2）当光纤资源受限或接入距离较长（2km以上）时，可综合现网管孔及分纤点资源、其他业务需求选择无源波分、半无源波分。无源波分和有源波分都能节省光纤，无源方案更加省电节省投资，有源彩光与小型化OTN提供了更多的管理维护选项，但对比无源方案成本上升较明显。
        （3）功率预留：对于拉远RRU的光功率预算要满足RRU的接收光功率要求，并预留3-5dB的冗余值，传输路由设计应减少跳纤。
        5.6网络切片功能实现业务隔离，保障业务带宽
        FlexETH接口是采用FlexETH技术实现类似物理端口的硬管道接口，采用FlexETH接口实现信道化能力，基于信道化子接口配置带宽，实现同一物理接口上不同信道化子接口之间的带宽隔离，解决不同业务之间的带宽抢占的问题。
        网络端到端，按不同层次和场景，分别进行FlexE部署，支撑网络切片相关业务功能，提供带宽保证，最低时延等不同业务需求的分片。
        如SPN网络未来承载LTE、集客、家庭宽带等不同业务，在汇聚环、接入环同时承载多种业务，可分别使用不同信道化子接口来承载不同类型的业务，各种业务间带宽实现严格隔离。
        5.71588V2时钟部署，实现高精度时间同步
        针对无线基站高精度时间的需求，GPS虽能解决频率和时间同步问题，但存在安装选址难、维护困难、馈线铺设困难、安全隐患高、成本高等弊端。
        SPN网络引入一种高精度的时间同步方案1588V2技术，可实现亚微秒级精度的时间同步，精度与当前的GPS实现方案类似，但是在成本、维护、安全等方面有一定的优势。
        5.8根据网络层级划分SR域，实现动态路由
        SR（SegmentRouting）是基于控制器强大的计算能力，实现路径控制及转发的新一代隧道技术。控制平面基于IGP路由协议扩展实现，转发层面基于MPLS转发网络实现。业务路由器是可扩展升级的Internet路由器，可以提供尽力而为的Internet业务，使传统的数据业务的迁移成为可能。根据网络层级划分SR域，可实现动态路由，进一步提升业务安全性。
        （1）核心点、核心调度、骨干汇聚划分为1个IS-IS域；（2）普通汇聚及下挂接入环划分为1个IS-IS域。
        结束语
        5G业务三大应用场景大带宽、低时延以及海量连接，需要传输提供高性价比的智能承载网，满足10倍以上带宽需求增长，业务云化，万物互联，低时延转发，智能运维等。传输网规划以业务发展需求为基础，充分利用现有资源，做到传输能力提前储备，提前启动SPN网络及汇聚机房规划，开展传输资源普查整治，实现传输网NSA向SA演进，有力支撑4/5G协同建设。
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