IMT-2020(5G)推进组发布5G承载需求白皮书发布

责任编辑:王德清 2018.06.22 13:42 来源:通信世界全媒体

通信世界网消息(CWW)6月22日,在2018年(暨第六届)IMT-2020(5G)峰会现场,IMT-2020(5G)推进组5G承载研究负责人李芳发布了《5G承载需求白皮书》。

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以下为发布全文:

尊敬的各位领导和嘉宾,很荣幸代表IMT-2020(5G)推进组向大家发布5G承载需求白皮书,汇报的内容包括四个方面,5G业务和架构特性分析;5G承载关键性能需求;5G承载组网及功能需求,总结与展望。

大家熟悉的5G三大类业务场景,对我们的承载网提出了差异化的需求,eMBB业务上下行峰值速率达到10Gbps和20Gbps,像高清视频、AR、VR等业务提出了更高带宽的需求。4ms的RAN侧时延比4G严化了10倍以上,但对承载网来说挑战还不是那么巨大,对百万级的机器通信,对承载提出了百万级的灵活连接,同时也提出了低时延高可靠的需求。而5G的无线接入网也提出了变革,5G的核心网向服务型的架构演进,总结四大基本特征,首先有网络切片来支持业务的虚拟隔离,有SDN、NFA()用户面UPF的进一步下沉。受云计算、大数据的驱动,5G的基础设施进一步的IT化、云化,未来向分布式的数据中心化方向发展。我们的承载需求基于这上面的这些业务和架构的特性进一步分析。

首先看一下关键的性能需求,5G承载网会把地域分布非常广泛的宏站,以及DU、CU分离的无线网元与5G核心网连接起来,把成千上万的点连接成立体网络,由于5G核心网一般位于省干或城域核心机房,因此5G承载分成了省内干线、城域核心层、汇聚层和接入层等层面。5G承载网将与5G业务网一起支撑提供三大类业务应用,获得更好的业务性能的体验。性能体验需要带宽、时延、同步三大性能指标支撑,更大的带宽主要体现在5G前传、中传、回传三部分,对于超低时延的需求主要集中在前传、中传部分,对高精度时间同步,特别是基站间协同如载波聚合,主要集中在前传和中传部分。

第一个性能参数是带宽性能,我们核算了单基站的带宽需求,根据5G低频站和高频站的典型配置参数,按照NGMN的基站带宽计算方法,核算了单基站的传输带宽需求,给出的频谱效率的峰值和均值是无线厂家提供的典型值值。我们核算出5G单基站的峰值和均值带宽,大家可看到,5G低频站的峰值带宽是4.65G,均值带宽是2.03G;5G高频站的峰值带宽是13.33G,均值带宽是5.15G。结合光接口成熟度和成本情况分析,5G低频站将采用1个10GE接口,5G高频站和低频高频同站址配置时将采用2个10GE接口或1个25GE接口,目前4G基站是采用GE接口,均值带宽不到百兆,可见单基站的传输带宽需求提升至少20倍以上。

根据单站带宽需求进一步核算了5G回传网络的带宽需求,根据三大运营商的调研反馈,结合光纤基础网络和5G承载网结构优化,我们总结了两种典型的组网模型,组网模型I是接入和汇聚层均是环网拓扑,核心层是双节点口字型上联模式;组网模型II是接入层是环网,汇聚层和核心层均是口字型上联方式。5G基站部署又分DRAN和CRAN(即CU和DU集中池化)两种场景,核算出来的带宽在接入层的需求在19G-47G之间,留有一定发展余量,接入环的线路速率是25G/50G/100G。汇聚核心层的带宽需求大部分都超过了100G,甚至达到了1.1T量级,因此汇聚核心层设备之间需要多个100G/200G/400G链路互连。

前传/中传带宽需求,与CU/DU物理层分割位置密切相关,按照3GPP和CPRI组织等最新研究进展,DU和AAU在物理层低层的分割存在多种方案,典型包括射频到物理层底层分割的选项8,即CPRI接口,物理层的低层到高层的分割选项7,其中选项7又可进一步细分为7-1和7-2等该表格是参考3GPP TR38.801和3GPP TR38.816,针对不同分割方式估算的前传带宽结果,选项8的157.3G对应的是未经压缩的CPRI信号,压缩后采用100GE接口;选项7-2是典型的eCPRI信号,29G速率,压缩后可采用25GE接口。因此,采用eCPRI信号的前传主要是N*25G 带宽需求,中传F1接口的带宽需求与回传带宽是同一量级。

第二大性能指标,时延,特别是URLLC业务对前传时延挑战明显。3GPP在TR38.913中对eMBB和uRLLC在RAN范围的用户面和控制面时延指标进行了描述,要求eMBB业务用户面时延小于4ms,控制面时延小于10ms;uRLLC业务用户面时延小于0.5ms,控制面时延小于10ms。我们将5G终端到无线接入网、核心网的端到端时延分解为T0-T8共 9个组成部分,包括终端、RAN网元、核心网元的处理时延、以及无线传输时延,承载引入的时延主要是前传、中传和回传时延。因此,对于URLLC这类低时延业务,需要无线和承载协同分配时延指标。按照CPRI和eCPRI的规范,AAU-DU的前传时延指标要求为100us,我们知道光纤传输时延是1公里5us,前传距离10~20km的光纤传输时延就是50us~100us了,几乎占用了前传时延指标的一半乃至全部,这也是4G前传80%以上采用光纤直驱的一个重要原因。目前承载节点的处理时延一般是20us~50us量级,如果要在C-RAN模式下在前传引入两端承载设备,要尽可能降低承载节点的时延处理能力,目前实验室测试单个前传设备的转发时延最低可达到1us。

第三个关键性能需求是高精度时间同步,根据3GPP的TS38.104,分析了5G的频率同步和时间同步的性能指标需求,结论是5G 基本业务同步需求与4G相当,均为3us;5G协同业务需求指标:65ns/130ns/260ns/3us;绝大多数百纳秒量级的时间同步要求一般发生在同一个RRU内的2个载波,无需网同步;少量百纳秒量级的时间同步要求可能发生在同一CU/DU下的不同RRU之间,需基于前传网实现网同步;对于基站定位等业务,则提出了更高的时间同步指标要求,如3m定位精度需10ns时间同步精度,基于网同步实现难度较大,需结合其它定位技术实现。

下面,让我们再来看一下5G承载的组网和功能的六类需求;

首先,5G无线接入网络架构的变化,即CU和DU分离,带来了前传、中传和回传的三级网络,5G核心网架构的数据中心化和UPF/MEC等功能分层部署,使得5G回传的N2/N3连接和核心网元之间的N4/N6/N9等连接,以及基站之间的Xn连接,都呈现出了网状化的连接需求,因此承载网第一要支持多层级的网络架构,第二要支持灵活化的连接调度能力,L3路由功能要下沉到CU和MEC位置,即汇聚节点或综合业务接入节点;

我们再来看一下网络切片和管控的需求,为了支持5G网络切片需求,5G承载需要与无线、核心网协同,支持5G端到端网络切片及其QoS等SLA要求;对于uRLLC和政企金融专线等业务,要求高可靠性、高安全性和低时延,要求支持基于TDM隔离的硬切片,保证其带宽独享和确定性低时延。对于eMBB和mMTC等时延不敏感的业务,可采用基于L2和L3的逻辑隔离的软切片技术。因此,面向5G承载的综合业务承载网需要提供包括硬切片和软切片的层次化网络切片方案,满足各类业务需求。为了实现网络切片的资源协同管控,以及智能化运维需求,5G承载需要支持开放的北向接口,支持与上层的5G业务和网络编排器实现交互,并与RAN的管控系统、核心网CN的管控系统实现协同。这就是功能需求的第三项:层次化网络切片,第四项 智能化协同管控。

3GPP定义了NSA和SA两大类方案,未来5G终端要实现4G和5G的双连接,4G/5G有60-70%需要共站址部署,这些特性需求决定了4G和5G混合承载。由于5G的带宽需求大幅提升,时延指标更加严化,为了实现5G全覆盖,承载网的投资问题是运营商关注的一个焦点,由于目前全新高速接口的成本相对昂贵,因此对承载网络的低成本需求逐步凸显,尤其是体现在前传和回传网络中,我们列出了前传、中传和回传对高速光模块的需求,包括不同传输距离,25G-400G的接口速率和不同调制类型,都需要规模化来降低成本。我国运营商也在大力推动25G的单纤双向光模块及设备解决方案,并加强了单波长100G的低成本化光模块开发。

下面我们进行总结和展望。

我们在5G承载需求白皮书中,提出了3大承载性能需求,包括百G级的更大带宽,百us级的超低时延和百ns级的高精度时间同步;还总结了六类组网功能需求,包括多层级承载网络、灵活化连接调度、层次化网络切片、智能化协同管控、4G/5G混合承载、低成本高速组网。下一阶段将围绕着承载需求对5G承载各类技术方案和应用方案进一步聚焦,能够协同产业各界推动形成规模经济,进一步推动5G承载的产业化进程,更好的支撑5G的商业部署。

最后感谢对我们承载需求白皮书作出重要贡献的成员单位,包括三大运营商,四大设备商,国内外的光器件和芯片厂商



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