5G承载需求白皮书IMT20205G推进组

引言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主要贡献单位P1P2P5P15P21P22目录IMT-2020(5G)推进组于2013年2月由中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，组织架构基于原IMT-Advanced推进组，成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构。推进组是聚合中国产学研用力量、推动中国第五代移动通信技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。IMT-2020(5G)推进组5G承载需求白皮书1IMT-2020(5G)推进组5G承载需求白皮书第五代移动通信（5G）技术致力于应对未来爆炸性的移动数据流量增长、海量设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景，同时与行业深度融合，满足垂直行业终端互联的多样化需求，力主创建“万物互联”的新世界。5G在带来革命性业务体验、新型商业应用模式的同时，对基础承载网络提出了多样化全新需求，现有承载技术指标、网络架构及功能等无法完全满足5G新型业务及应用，5G承载演进与革新势在必行。5G承载新需求与5G业务特性的提升、5G网络架构的革新等密切相关：相比于4G网络，5G采用更宽的无线频谱，更大规模的多入多出（MIMO）新技术，将峰值带宽和用户体验带宽提升数十倍；远程医疗、自动驾驶等新型业务对承载提出毫秒级超低时延及高可靠性等需求；5G的智能灵活、高效开放、网络架构变革，推动承载网架构相应演进并具备网络切片、灵活组网和引言调度、协同管控以及高精度同步等功能，从而满足5G差异化业务承载需求。整体来看，5G将全面推动承载技术迎来新一轮发展契机。当前，5G技术路线逐渐清晰，国际标准制定稳步推进，商业应用渐行渐近。“5G商用，承载先行”，5G承载已成为业界关注的焦点，目前正处于标准形成和产业化培育的关键时期，ITU-T、IEEE、IETF、OIF、CPRI、CCSA等国际国内主要标准化组织和团体也已密集开展5G承载标准化研究工作。本白皮书基于5G业务和架构新特性、5G承载需求特性等综合分析，提出和明确了5G承载关键性能、承载组网及功能等需求，为后续5G承载技术路线选择、相关国际标准推动、关键承载设备研发及产业发展等奠定基础。目前业界应在承载需求明确的基础上，加强关键技术研发、应用方案完善及产业化进程，形成完善的5G承载方案，全力支撑和迎接5G商用时机的到来。2IMT-2020(5G)推进组5G承载需求白皮书1.5G三大业务场景差异明显国际电信联盟无线电通信局（ITU-R）定义了5G三类典型业务场景：增强型移动宽带（eMBB）、大规模机器类通信（mMTC）、超可靠低时延通信（uRLLC）。目前eMBB相对明确，且3GPPR15标准在2018年6月14日（北京时间）已经冻结，mMTC和uRLLC对网络能力要求较高，应用需求和商业模式仍存在不确定性，主要特性将在3GPPR16版本进行标准化。5G无线和承载网络在三大业务场景应用时所面临的挑战各不相同。（1）eMBB主要面向超高清视频、虚拟现实（VR）/增强现实（AR）、高速移动上网等大流量移动宽带应用，是5G对4G移动宽带场景的增强，单用户接入带宽可与目前的固网宽带接入达到类似量级，接入速率增长数十倍，对承载网提出超大带宽需求。（2）mMTC主要面向以传感和数据采集为目标的物联网等应用场景，具有小数据包、海量连接、更多基站间协作等特点，连接数将从亿级向千亿级跳跃式增长，要求承载网具备多连接通道、高精度时钟同步、低成本、低功耗、易部署及运维等支持能力。（3）uRLLC主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用，要求5G无线和承载具备超5G业务和架构特性分析低时延和高可靠等处理能力。其挑战主要来自网络能力，当前的网络架构和技术在时延保证方面存在不足，需要网络切片、低时延网络等新技术突破，承载面临芯片、硬件、软件、解决方案等全面挑战。2.无线接入网分割形成多种架构相对于4G无线接入网（RAN）的基带处理单元（BBU）、射频拉远单元（RRU）两级结构，支持5G新空口的gNB可采用集中单元（CU）、分布单元（DU）和有源天线单元（AAU）三级结构。原BBU的非实时部分将分割出来，重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务，主要包含分组数据汇聚协议（PDCP）和无线资源控制（RRC）；BBU的部分物理层处理功能和原RRU合并为AAU，主要包含底层物理层（PHY-L）和射频（RF）；BBU的剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务，包含无线链路控制（RLC）、介质访问控制（MAC）和高层物理层（PHY-H）等。5GRAN的CU和DU存在多种部署方式。当CU、DU合设时,5GRAN与4GRAN结构类似，相应承载也是前传和回传两级结构，但5G基站（gNB）的接口速率和类型发生了明显变化，当CU、DU分设时，相应承载将演进为前传、中3IMT-2020(5G)推进组5G承载需求白皮书图2-15GRAN分级架构传和回传三级结构，如图2-1所示。从近期调研情况来看，在5G现网试点和商用初期，RAN网络部署将以宏站为主；随着5G规模商用，将呈现宏站和室分基站分场景部署的局面，具体部署方式分为分布式无线接入网（DRAN）和集中式无线接入网（CRAN）。5G接入网云化将推动CU、DU和AAU分离的大规模CRAN部署。3.5G核心网向服务型架构演进受业务发展驱动，5G核心网将发展成为满足全业务接入、服务全业务场景的云化泛在网络，采用服务化网络架构和SDN/NFV技术实现网络重构，具有业务虚拟隔离（网络切片）、转发与控制分离、功能分布式部署、基础设施云化等核心特征。（1）业务虚拟隔离：5G需要同时承载移动互联网、高清视频、车联网、物联网、工业控制等各类业务应用，这些场景在移动性、计费、带宽、时延、可靠性、安全性等方面存在巨大差异，为适配一张网络满足千百种行业需求，运营商需要部署更加经济、绿色的网络切片技术方案，以实现不同业务的虚拟隔离。5G核心网将全面支持网络切片技术，即在同一张基础物理网络上，采用软硬切片实现业务逻辑隔离、动态分配和管理资源，适配不同业务特征需求，提供不同的SLA，并服务于不同垂直行业应用。（2）转发与控制分离：5G核心网的重构将遵循网络虚拟化、功能轻量化、转发和控制分离4IMT-2020(5G)推进组5G承载需求白皮书图2-25G核心网目标架构示意图等原则。网络虚拟化有利于向全面云化的趋势进行演进；功能轻量化极大简化模块、接口和协议的复杂度，网元功能采用模块化设计，有利于实现API调用，提升通用性；转发和控制分离实现网管的控制面和用户面分离，保障未来网络的分布式部署需求。（3）功能分布式部署：5G核心网络架构将控制面功能（CPF）和用户面功能（UPF）分离，统一的CPF（包括AMF和SMF等）部署在省干或大区的核心机房或数据中心（DC），实现集中管控运营，分布式的UPF可根据业务需要分布式部署在省干核心DC、本地DC或者边缘DC。部署在边缘DC的UPF与MEC平台融合，可以进行本地分流，满足低时延业务场景需求，有利于按需快速部署业务，并向第三方开放用户位置、码号、网络负荷等能力信息，拓展面向企业园区及场馆的视频直播等本地化创新应用。（4）基础设施云化：网络云化能降低设备投资成本，利用云计算的快速部署能力进行网络快速配置和调整，实现业务创新。通过引入SDN/NFV技术，有利于快速实现5G网络云化。基础设施电信云是运营商进行云化转型的目标，5G网络云化包括核心网云化、无线接入网云化和控制系统云化三部分，5G核心网的目标架构示意如图2-2所示。5G承载网需适应5G核心网架构变革带来的挑战，一是需提供层次化网络切片方案来满足不同业务场景的5G网络切片需求；二是需要将L3功能下移至UPF和MEC所在位置，从而提供网状动态连接的灵活调度；三是适应5G网络云化发展趋势，支持城域核心和边缘数据中心之间的互连需求。5IMT-2020(5G)推进组5G承载需求白皮书1.更大带宽带宽是5G承载最为基础和的关键技术指标之一。根据5G无线接入网结构特性，承载将分为前传（承载AAU和DU之间流量）、中传（承载DU和CU之间流量）和回传（承载CU和核心网之间流量）。城域传送网按结构可划分为接入层、汇聚层和核心层三层。本报告分别对单基站承载带宽需求，回传带宽需求，以及前传及中传带宽需求进行了分析和评估。（一）单基站承载带宽需求：出现10GE/25GE接口5G业务目前在无线侧的切片机制尚未确定，5G承载关键性能需求带宽需求暂不区分业务类型。考虑到不同厂商和不同设备的5G基站能力存在一定差异，本报告选择假设的5G单基站模型（暂不考虑基站分离）配置参数作为评估基准，参考下一代移动通信网络联盟（NGMN）带宽评估原则得出的单基站带宽需求见表3-1。从评估结果中可以看出，典型5G低频单基站的峰值带宽达到5Gbps量级，高频单基站的峰值带宽达到15Gbps量级，考虑低频和高频基站共同部署，或高频基站单独部署情况，单基站将需要2×10GE或25GE的承载带宽，如果基站配置的参数提升，带宽需求还会相应增加。表3-15G低频和高频单基站参数及承载带宽需求示例6IMT-2020(5G)推进组5G承载需求白皮书（二）回传带宽需求5G承载接入、汇聚及核心层的带宽需求与站型、站密度、以及运营商部署策略等众多因素密切相关，存在多种带宽需求评估模型。本报告按照业务流量基本流向选取带宽收敛比、不同层环的节点个数、口字型结构上连个数、单基站配置等关键参数进行估算，并按照DRAN和CRAN不同部署方式、一般流量和热点流量等对于不同应用场景进行了区分。（1）基本参数假设回传带宽估算假设的基础参数为：（a）按照业务流量较长期增长考虑，对于接入层、汇聚层和核心层不同承载层面的带宽收敛比为8:4:1；（b）模型I，汇聚层节点环形组网：DRAN接入环节点个数为8，CRAN小集中节点个数为3个，汇聚环节点个数为4，每对汇聚节点下挂6个接入环，核心环节点个数为4，每对核心节点带8个汇聚环，见图3-1(a)；（c）模型II，汇聚层节点口字型上连组网：DRAN接入环节点个数为8个，CRAN小集中节点个数为3，汇聚双节点口字型上连，每对汇聚节点下挂6个接入环，核心环节点个数为4，每对核心节点下挂16对汇聚设备，见图3-1(b)；（d）基站配置及带宽需求按照本节（一）考虑。（a）模型I（b）模型II图3-1带宽需求估算参考模型（2）DRAN部署：接入环达到25/50Gbps，汇聚核心层为N×100/200/400Gbps在DRAN部署方式下，承载的带宽需求按一般场景和热点流量场景进行估算，其中接入环一般场景按照单节点单基站接入，热点流量场景按照单节点双基站（含部分高频站点）接入，见图3-2。7IMT-2020(5G)推进组5G承载需求白皮书（a）模型I（b）模型II图3-2DRAN网络参考模型模型I和模型II相应DRAN带宽需求评估结果分别见表3-2和表3-3。表3-2DRAN承载网回传带宽需求评估（模型I）8IMT-2020(5G)推进组5G承载需求白皮书表3-3DRAN承载网回传带宽需求评估（模型II）从评估结果可以看出，在模型I和模型II假设参数下，DRAN一般流量区域对承载网提出接入环20Gbps量级、汇聚层60～120Gbps量级、核心层N×100/200Gbps量级的带宽需求；热点流量区域对承载网提出接入环50Gbps量级、汇聚层150～280Gbps量级、核心层N×100/200/400Gbps量级的带宽需求。因此，对于DRAN方式，承载接入环需具备25/50Gbps带宽能力，汇聚/核心层需具备N×100/200/400Gbps带宽能力。（3）CRAN部署：接入环达到50Gbps，汇聚核心层为N×100/200/400Gbps在CRAN部署方式下，承载带宽需求也按小集中方式（普通流量场景）和大集中方式（热点流量场景）进行估算，其中小集中方式按照单节点单基站接入5个5G低频站点考虑，归入CRAN小集中部署模式；大集中方式按照单节点接入20个5G低频站点考