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        5G網建熱點分析:網絡切片、5G頻譜\5G NSA、SA架構、5GC

        2020-06-12 16:35 來源于:未知
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        史上最牛網導讀: 摘要 5G產業涉及5G端到端(涵蓋終端、接入、核心網、承載)。在5G網絡部署之前,還需要根據自身無線網絡、數據業務需求及產業鏈成熟度選擇最優的網絡架構和技術方案,以最低網絡
        摘要

        5G產業涉及5G端到端(涵蓋終端、接入、核心網、承載)。在5G網絡部署之前,還需要根據自身無線網絡、數據業務需求及產業鏈成熟度選擇最優的網絡架構和技術方案,以最低網絡建設和優化、運維成本獲取最佳的網絡收益。針對5G網絡建設中7項熱點問題進行探討:最優5G頻譜,5G NSA還是SA架構,5GC的引入,網絡切片管理與運營,容器還是虛機部署,5G數字室內覆蓋和承載網絡的提前準備, 為引入5G提供整體解決方案參考。

        0 前言

        5G具有高速率、低時延、廣連接三大特性,可實現增強虛擬現實、視頻直播、海量物聯網設備接入、遠程醫療、智能制造、新型智慧城市等典型應用,實現萬物互聯,為用戶提供“體驗的革命”。業界一致認為:4G改變生活,而5G改變社會。5G產業涉及5G端到端(涵蓋終端,接入,核心網,承載), 在5G網絡部署之前,運營商還需要根據自身無線網絡、數據業務需求及產業鏈成熟度選擇最優的網絡架構和技術方案,以最低網絡建設和優化、運維成本獲取最佳的網絡收益。面對多樣化場景的極端差異化性能需求,5G很難像以往一樣以某種單一技術為基礎形成針對所有場景的解決方案,5G網絡建設重點考慮無線網絡建設和核心網絡2個方面。在無線領域,頻譜選擇、無線設備選型、室內覆蓋、回傳承載等建設方案已成為業界關注的焦點;在核心網絡領域,網絡功能虛擬化(NFV)、新型網絡架構(SBA)、網絡切片、基于軟件定義網絡(SDN)等是重點關注內容。

        1 最優的5G頻譜分配及高頻應用分析

        從全球5G頻段的國家分布情況來看,700 MHz、3 400~3 800 MHz、24.25~43.5 GHz是明顯的主流頻段,也是未來5G的最佳全球協同頻段。5G高頻段雖具有大量連續頻段,頻譜資源豐富,但網絡覆蓋存在挑戰,初期5G建設仍會聚焦在3.5 GHz中頻。

        著眼當下,考慮到頻譜可用性等多方面,3.5 GHz已經成為大多數運營商首選的5G建網頻段,未來可以應用于全球網絡漫游的5G頻段。5G網絡建設需要同時兼顧覆蓋和容量,3.5 GHz頻段借助大規模多輸入多輸出(Massive MIMO)等天線技術,覆蓋范圍可以媲美FDD 1 800 MHz,運營商可以復用現有站點來建設5G網絡。對具體運營商而言,根據其所在國家的可用5G候選頻段情況,盡可能推動國家頻譜管理機構清除并分配便于全球協同的主流5G頻段,并盡力獲取黃金C-BAND(3.4~3.8 GHz)用于5G的初期部署,以最優的網絡建設投資滿足eMBB(enhanced Mobile Broadband)業務的訴求;同時,還可以爭取400~800 MHz帶寬的毫米波頻段,用于未來流量熱點/室內區域的超高速接入,以及700 MHz頻段用于全國范圍的農網寬帶接入以及uRLLC(Ultra Reliable Low Latency Communications)業務。

        除此之外,高頻頻段在一些國家也比較重視,比如部分美國運營商采用高頻毫米波作為5G建網頻段實現FWA(Fixed Wireless Access)解決無線入室問題,如Verizon在2018年10月初開始在美國印第安納波利斯、休斯頓、洛杉磯和薩克拉門托的部分地區正式推出基于高頻28和39 GHz的家庭寬帶5G Home接入,Verizon介紹客戶能夠享受到大約300 Mbit/s的平均網速,部分地點最高可達1 Gbit/s峰值。高頻最大的優勢是具有豐富的頻譜資源,根據WRC-19(2019年世界無線電通信大會)的規劃,全球高頻候選情況主要分布在24.25~43.5 GHz之間,其中美國對高頻的關注度很高,主要關注頻段為:27.5~28.35、37~38.6、38.6~40 GHz。中國目前候選的高頻頻段主要是24.75~27.5和37~42.5 GHz。另外日本和韓國也很關注高頻,日本和韓國的高頻頻譜已經正式拍賣,日本運營商分配的高頻頻譜帶寬為400 MHz,韓國運營商分配的高頻頻譜帶寬為800 MHz,從日韓高頻頻譜拍賣可以看出,高頻頻譜帶寬很大,有利于通過大帶寬來實現超高速率傳輸。

        關于當前業界高頻的主要應用場景,IMT-2020 5G頻段應用策略已給出明確建議,高頻毫米波主要用于滿足5G網絡容量需求。主要應用場景一般分為室外熱點覆蓋,室內熱點覆蓋和FWA應用。對于室外覆蓋,一般典型應用場景有室外的廣場、大型體育場和主干街道,可以使用毫米波宏站進行熱點覆蓋,滿足大量用戶的超高容量需求;對于室內覆蓋,典型的應用場景有機場,車站的候車大廳和室內大型商場酒店等,建議采用5G高頻的Small Cell解決方案進行覆蓋,滿足客戶需求;對于FWA應用,可以通過室外宏站加CPE的方式為用戶提供高速數據服務,同時解決光纖資源、土地資源緊缺問題。

        2 對5G NSA或SA架構的選擇

        5G網絡建設3GPP給出了2種架構:NSA(Non-Stand alone)、SA(Stand alone)。

        NSA業內普遍認為是5G網絡部署初期(5GC和SA終端成熟度暫不滿足運營商激進5G部署計劃情況下)的方案,而SA是5G網絡的目標架構。NSA在架構成熟度方面有3個月左右的先發優勢,但僅適用于eMBB業務,組網涉及與4G的復雜耦合。

        2.1 從不同5G建網頻段考慮NSA和SA選擇

        5G建設采用毫米波頻譜,鑒于毫米波頻段相對于1.8或2.6 GHz頻段較大的傳播損耗和較差的散射、繞射能力,很難達到與4G相當的連續覆蓋水平,因而用作移動接入業務模式時,只能依托連續覆蓋的4G網絡,作為熱點區域的超高速率業務的容量補充,在網絡架構上選擇NSA模式更為合適。

        5G建設采用3.5/2.6 GHz的主流頻段,對5G小區邊緣的速率要求為下行50 Mbit/s(支持2K/4K高清視頻和AR應用),上行2 Mbit/s(支持隨時隨地的720P視頻上傳),且具備在密集城區建設連續覆蓋5G網絡的投資實力,根據中國外場測試數據,對站間距在400 m以下的密集城區場景,完全可以通過4G與5G共站部署的方式使5G達到連續覆蓋的能力;對站間距在400 m以上的區域可新增適量的5G宏站或微站來滿足上行2 Mbit/s的指標要求,這種情況下SA更為合適。

        2.2 從網絡建設和演進的綜合成本來看

        從網絡建設和演進的綜合成本來看,直接建設SA有明顯的成本優勢。初期選擇NSA需要二次升級到SA,因此長期來看NSA組網累計投資成本更高,在同等規模部署下NSA多出4項額外成本(見圖1)。

        5G網建熱點分析:網絡切片、5G頻譜\5G NSA、SA架構、5GC
        圖1 NSA、SA建設方式比較

        a) 4G無線的版本修改支持NSA。

        b) EPC版本的修改支持NSA。如果只是在現網EPC基礎上升級為EPC+(支持NSA的功能),那么當從NSA升級到SA時,還需要重新搭建虛擬化平臺,因為5GC只能通過部署在云化平臺上實現。

        c) NR升級。

        d) 承載重新配置。如果NSA建設時只是沿用4G承載,則從NSA升級到SA時還需引入支持FlexE和SR功能的承載新設備以支持uRLLC和mMTC(massive Machine Type Communications)等5G新業務。

        故針對不是著急在2019年部署5G商用的運營商,比如計劃2019年啟動5G小規模試驗,2020開始規模部署或者2020年以后開始啟動試驗的運營商,預計到2020年中SA架構的5GC和終端產業鏈屆時已經比較成熟,而5GC的部署成本遠小于4G網絡改造支持NSA架構+NSA演進到SA的改造成本,此時選擇一步到位的SA架構對運營商最有利。

        3  5G核心網引入

        5G核心網本身需要具備SBA(Service-base Architecture)、微服務、無狀態、輕量化等特征。

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        圖2   3GPP 建議的5G SBA架構圖(TS 23.501 R15)

        依托SBA架構,對網絡功能服務做邏輯劃分,提取網絡功能服務(NFS)有狀態部分,對有狀態部分做特殊可靠性處理。網絡功能服務無狀態部分代表了該網絡功能服務,對外表現為無狀態。進而實現了網絡功能服務秒級彈縮、按需彈縮,更加方便業務的發展。

        同時將網絡功能劃分為可重用的若干個“微服務”,“微服務”之間使用輕量化接口(見圖2)通信。提供5G核心網敏捷性,通過服務組件拆分實現了網絡部署升級快速、便利;提供5G核心網易拓展性,不需要引入新的接口設計;提供5G核心網靈活性,可以實現網絡功能的組合,滿足網絡切片的靈活性;提供5G核心網開放性,滿足第三方業務調用,使第三方應用程序開發者可以基于進一步開放的網絡API接口開發性能更優,更貼近客戶需求的創新業務,從而使能多樣化的生態系統。

        4 網絡切片管理與運營

        4G時代數據流量經營逐步取代語音連接經營,5G時代將出現網絡切片運營和管理的新模式。5G應用切片化在3GPP中包含了eMBB、mMTC和uRLLC 3個場景所有的應用。并且通過網絡能力的開放,網絡切片也可以作為一種網絡服務能力進行銷售,進而拓展移動運營商的收入來源。

        網絡切片可以針對特性的業務需求和商業模式進行定制化的功能編排和業務部署,因而可以以較低的網絡建設投資使能眾多的垂直行業創新,尤其是中國的“互聯網+”戰略,“5G+垂直行業”模式將在農業、制造業、流通、交通、生活服務、公共服務、教育、金融、醫療和能源等行業全面引入5G提供的基礎信息服務,顛覆傳統產業,重構業態,促進社會經濟的可持續發展。定制切片可以充分滿足垂直行業對5G差異化信息服務需求的方式,完成從行業到網絡資源的高效定制。

        5G網建熱點分析:網絡切片、5G頻譜\5G NSA、SA架構、5GC

        圖3 端到端網絡切片架構

        通過端到端的網絡切片架構(見圖3)可根據客戶具體需求按需生成最優的邏輯切片,網絡切片將貫穿5G RAN,5G 承載和5G核心網,由統一的切片編排和管理模塊負責切片的設計,部署,性能監控,迭代升級及安全管理?;贒evOps理念的全生命周期切片管理示意(見圖4),涉及服務保障SLA(Service Level Assurance)定義,切片設計,切片部署,切片資源隔離與管理,切片告警與性能管理,切片商業模式管理等環節。

        5G網建熱點分析:網絡切片、5G頻譜\5G NSA、SA架構、5GC

        圖4 基于DevOps的切片管理與運營

        5  5GC基礎設施選擇

        5.1 傳統設備升級還是新建云化基礎設施

        支持5G功能的核心網可以在現有傳統設備上升級以支持NSA方式的5G網絡,只適用于增加帶寬,其他如切片、彈性、編排等特征都不具備,真正具備切片、彈性、編排能力的5GC目前只能部署在云化基礎設施上(也沒有哪個廠家在傳統設備上開發切片的),參考3GPP TS 23.501,虛擬化是具備5G特征核心網部署的基本要求?,F有2G/3G/4G分組核心網EPC基本是傳統設備,為了具備5GC完整能力,需要新建基于虛擬化/云化分組核心網vEPC/vEPC+或者直接新建虛擬化5GC,還有一種更好的選擇就是新建同時支持NSA和SA的雙核(vEPC+5GC)核心網,目前已有部分5G領先的廠家具備這種雙核版本,但此類產品都是基于虛擬化/云化平臺的。

        5.2 基于VM還是基于容器

        首先要說明的是無論是VM(Virtual Machine)還是容器都是虛擬化技術;其次要重點強調一下無論是與5G相關的,無論是VM還是容器都具備支持5GC完整能力的基礎。

        容器技術更多的具備IT云原生特性但對于電信級應用還需要增強,以目前容器技術使用比較多的K8s(Kubernetes)為列,Kubernetes專為IT應用而設計,缺乏運營商級應用保證和性能。

        為了適應5GC海量計算要求,需要支持容器CPU核綁定功能;支持NUMA(Non-Uniform Memory Access)感知避免跨NUMA節點內存訪問以提高計算資源效率。在存儲和網絡方面需要采用更大的巨頁來加速內存管理,并支持多網絡平面和媒體面加速(包括DPDK、SR-IOV、FD.io等)。在其他方面還需要支持多DC部署及安全方面增強比如root權限的控制等。表1示出的是5GC部署采用VM和容器的比較。

        表1 5GC采用虛機和采用容器的比較
        5G網建熱點分析:網絡切片、5G頻譜\5G NSA、SA架構、5GC

        通過以上分析,5GC選擇VM部署還是容器部署可以有3個層面的考慮。

        a)按整網部署選擇。整個5GC選擇一種部署方式,虛機部署或者容器部署,注重電信級要求的(安全、媒體轉發等)采用虛機部署,注重微服務,開放能力的采用容器部署。

        b)按網元選擇。根據網元的運行需要選擇,比如基本控制面SMF,用戶數據UDM,還有SBA架構中服務注冊網元NRF等選擇穩定運行與VM更合適;而與業務量、開放能力相關的AMF,NEF可以用容器部署。

        c)按網元組件選擇。根據網元中不同組件的運行需要選擇,比如IP接口組件隨業務吞吐對彈性要求可能比較高,選擇容器部署比較合適,而每個網元的運維組件與業務量基本無關,用VM部署比較合適。

        所以在5GC建設時選擇VM方式還是容器方式并不互斥,有條件的運營商可以在建設vDC時同時具備VM基礎設施和容器基礎設施基本框架(見圖5)。

        5G網建熱點分析:網絡切片、5G頻譜\5G NSA、SA架構、5GC

        圖5 雙核(VM+Container)驅動云平臺

        當然為了降低建設復雜度,在初始網絡建設時先選擇一種方式比較合適,考慮到電信級應用的適用性和成熟度,推薦先建設VM方式5GC。

        6  5G數字室內覆蓋

        5G已不僅僅是一張簡單的通信網,5G將深入社會生活的各個方面,是一張為各行各業服務的基礎網絡,是運營商數據業務和物聯網市場的制高點。按照在4G網絡中的統計,運營商接到的投訴40%與信號覆蓋有關,其中70%是室內覆蓋問題并且4G時代70%~80%的業務都發生在室內場景,隨著5G的發展,AR/VR、超高清視頻、無線醫療、智能制造等業務種類將持續增加,室內移動網絡的建設將更加重要。相比4G,5G主流頻段屬于更高頻段信號,無法從室外抵達室內,因此,深耕室內覆蓋,使能應用創新,覆蓋和業務雙線驅動將是5G商業化的關鍵。5G需要更強的數字室內分布系統為結構日趨復雜的建筑物提供優異的室內接入性能,為終端提供極致的接入體驗。

        對于現階段先上4G,后引入5G的場景,在4G室內分布部署時就預先鋪設CAT6A的以太網電纜可以一步到位滿足4G和5G的承載需求,大幅降低后期5G室內分布系統部署時的工程成本。當然,對于人流量和數據需求較大的商業中心、車站等建筑物,運營商也可以一步到位部署4G和5G融合的室內分布系統。

        在室內分布系統部署的同時,考慮引入邊緣計算MEC平臺,可以為運營商創造更多的本地化增殖業務機會和網絡收益。比如通過在MEC平臺部署視頻緩存或本地視頻處理,分發服務,可以大幅降低視頻內容的播放延遲,提升高清視頻播放的流暢度并降低對移動承載網絡的帶寬壓力;而基于QCell的精準位置服務和大數據分析可以提供客流熱力分布圖、用戶軌跡分析、室內導航、車位引導等增值服務,為大型商場提供更多的商業價值。

        7  承載網絡的部署

        5G時代基于CU、DU分離的邏輯架構和不同的部署形態,可能同時存在Fronthaul、 Midhaul 以及Backhaul的混合接入需求,同時三類典型業務又有不同的承載性能需求, 應對前傳、中傳和回傳三類承載需求,以及滿足5G對承載大帶寬、超低時延、按需網絡切片及智能流量工程等需求。

        在接入層提供n*25G/50GE/100G的帶寬;在匯聚和核心層提供n*100G/400G的帶寬并引入IP+光協同,提供統一規劃、統一調度和統一的維護管理。

        5G網建熱點分析:網絡切片、5G頻譜\5G NSA、SA架構、5GC

        圖6  5G承載方案

        5G 承載方案(見圖6)可以根據業務的類型選擇普通轉發模式或者快速轉發模式。對時間敏感的業務可以走快速轉發模式??焖俎D發技術建議采用FlexE, 是TSN標準的一部分,提供SDH-like的信道化隔離特性,能將節點的交換延時從通常的30 μs降低到3 μs,減少了一個數量級,是實現超低時延的關鍵。

        FlexE通過以下關鍵特性將廣泛應用于5G網絡分片、以太端口捆綁提升帶寬等方面。

        按需帶寬提供:FlexE采用大端口捆綁,可實現網絡按需擴容,有效地解決帶寬升級所面臨的問題。如在5G初期,100GE帶寬能夠滿足業務發展需求;隨著5G應用的成熟,帶寬面臨瓶頸需要擴容時,通過FlexE綁定功能,只需再擴容若干100GE端口,即可實現將帶寬升級至超100GE,簡化網絡調整的同時可有效保護前期的投資。

        超低時延、超穩定抖動轉發:傳統分組網絡中每個節點都需要對數據包進行MAC層和MPLS層解析,耗費大量時間,從而造成單設備轉發時延高。通過FlexE時隙交叉技術可實現基于物理層的用戶業務流轉發,報文在中間節點無須解析,業務轉發過程近乎實時完成,可實現單跳設備轉發時延最低小于0.5μs,抖動小于30 ns,為承載超低時延業務奠定了基礎。

        超高可靠性網絡保障:通過擴展OAM,FlexE Channel提供了FlexE通道層保護功能,大大提高了客戶業務傳輸的可靠性,出現故障時可實現1 ms以內的保護倒換,使整網達到99.9999%的工業級可靠性。

        基于FlexE的靈活網絡切片:基于FlexE和FlexE Channel的端到端切片使得網絡既具備TDM-like獨占帶寬、物理隔離的特性,同時又兼顧以太網統計復用的特點,實現切片轉發分離、管理分離、故障分離、協議分離,且互不影響,保障5G差異化業務部署。

        8  結語

        通過對5G頻譜,5G無線與核心網架構,切片的管理,5G承載關鍵技術的分析給出相應解決方案,以滿足5G網絡選擇最優的網絡架構和技術方案,以最低網絡建設和優化、運維成本獲取最佳的網絡收益。

        在5G網絡準備及建設過程中,還會有更多的關鍵問題需要討論解決,比如與現網互通、用戶5G開戶、NRF/NSSF引入時機等。而5G網絡建設只是5G發展的一部分工作,5G網絡要想成熟發展還需運營商、設備商、終端廠商、IC廠商以及各行各業的參與,從目前來看,5G仍將是一個任重而道遠的發展過程。

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        作者簡介

        李立平,畢業于南京航空航天大學,中興通訊股份有限公司電信云與核心網產品線產品規劃總監,工程師,碩士,專業方向為電信云及核心網組網方案和關鍵技術。

        方琰崴,畢業于南京航空航天大學,中興通訊股份有限公司電信云與核心網產品線產品規劃總工、產品市場總監,高級工程師,碩士,專業方向為電信云與核心網的組網和關鍵技術。

        單艷珍,畢業于哈爾濱工業大學,中興通訊股份有限公司TDD&5G產品與方案經理,碩士,專業方向為頻譜分析,RAN切分與虛擬化。
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