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5G网络承载需求分析

IMT-2020（5G）推进组在2018年6月发布的《5G承载需求分析》白皮书中指出，5G承载网需要满足三大性能需求和六大功能需求。在性能方面，5G承载网需具有更大带宽、超低时延和高精度同步，以满足5G三大应用场景的需求。在组网及功能方面，5G承载网应实现多层级承载网络、灵活化连接调度、层次化网络切片、智能化协同管理、4G/5G混合承载以及低成本高速组网等，促进承载资源的统一管理和灵活调度。

相比于4G，5G单站的带宽将有数十倍的增长，为承载网的能力带来了巨大的挑战。5G前传距离一般为10～20km，前传带宽需求与基站能力有关，其中频宽和天线数量是影响前传带宽的两个重要因素。为了提供高速率、高可靠性的无线服务，5G基站在低频频段上的频宽可达到100MHz（高频频段上可达800MHz），天线数量增加到64T64R，甚至更高。目前，4G的前传采用通用公共无线接口（CPRI，CommonPublicRadioInterface）。如果沿用CPRI，5G前传速率需达到300Gbit/s以匹配基站的无线传输能力，应用压缩技术后速率需求也在100Gbit/s量级。为了降低前传的压力，业界推出了增强通用公共无线接口（eCPRI，enhanceCommonPublicRadioInterface），可将前传带宽压缩在25G之内。5G中传的距离与CU、DU的集中化程度密切相关，一般情况下在20～40km范围内。考虑前传25Gbit/s的带宽需求，5G中传的带宽为25/50/100Gbit/s。回传链路的距离最远，一般可达40～80km，5G回传需要N×100/200/400Gbit/s速率。下表总结了5G承载网的带宽需求。

5G承载网的带宽需求

位置

距离(km)

速率(Gbit/s)

前传

10～20

25～100

中传

20～40

25～100

回传

40～80

N×100/200/400

80

N×100/200/400

低延迟是5G的重要特性之一。eMBB业务的用户面时延（用户终端到CU）不超过4ms，控制面时延（用户终端到核心网）不超过10ms；uRLLC业务对时延要求更严苛，规定用户面时延不能超过0.5ms。从终端到核心网，5G延迟的主要组成如图1所示。

图1.5G延迟的主要组成

对于承载网来说，延迟除了与传输距离有关之外，还与承载设备的处理能力密切相关。光纤的传输时延与传输距离成正比，而且是不可进一步优化的，因此，承载网延迟优化的侧重点在于承载设备的处理能力和承载网架构。

高精度时间同步是5G承载的关键需求之一，主要体现在3个方面：基本业务时间同步需求、协同业务时间同步需求和新业务同步需求。基本业务同步需求是指在TDD制式中为了避免上、下行时隙干扰而必需的时间同步。5G的时隙结构具有自包含性，且相比于4G更为灵活，因此，维持与4G相同的基本业务同步需求即可满足5G系统，即不同基站空口时延偏差不多于5μs。相比于基本业务，协同业务具有更高的同步需求。为了提高系统性能，5G需要充分发挥分布式MIMO、协同多点传输（CoMP，CoordinatedMulti-Point）和载波聚合（CA，CarrierAggregation）等协同技术的优势。这些技术通常要求同一AAU的不同天线，甚至多个AAU之间同步协作，共同完成传输，因此，要求天线或基站之间保持严格的时间同步。对于车联网、工业互联网等新型5G业务，业界希望依托5G基站实现精准定位。5G定位技术基于到达时间差（TDoA，TimeDifferenceofArrival），因此，基站间的时间相位误差直接影响了定位的精度，因而高精度的时间同步尤为重要。

5G承载的网络结构基于4G承载网架构，但有显著区别。由于出现了CU、DU分离的部署场景，5G承载网将出现前传、中传和回传三级结构，其中，中传是5G承载网的新增层级。另外，虽然5G的中回传也分为接入、汇聚和核心3层，但由于核心网云化、MEC下沉等，城域核心汇聚网络将演进为面向5G回传和数据中心互联统一承载的网络，如图2所示。

图2.4G、5G承载网架构对比

5G网络服务化结构中的网络功能分布部署程度较高，与4G网络的集中部署相比，对业务连接的灵活调度需求更高。4G基站主要以南北向的S1接口与核心网连接，且用户面S1-U与控制面S1-C的终止位置基本相同。5G将用户面UPF下沉，而控制面AMF仍然位居集中化程度较高的核心网中，因而用户面N3接口和控制面N2接口的终止位置有很大差异。另外，5G中一个用户可与多个UPF连接，UPF与UPF之间也可通过N9接口连接。在无线侧，基站间的协同技术需要基站间Xn接口能力的配合。由此可见，在5G网