5G承載的挑戰(zhàn)與技術(shù)方案探討

李俊杰+唐建軍

摘要：5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和業(yè)務(wù)特征相對(duì)于3G/4G時(shí)代出現(xiàn)了較大變化，對(duì)5G承載網(wǎng)提出了挑戰(zhàn)性的需求。針對(duì)大帶寬、超低時(shí)延、高可靠、高精度同步、靈活性、網(wǎng)絡(luò)切片、智能協(xié)同等七大特征，探討了5G承載技術(shù)方案，涵蓋前傳、中傳和回傳承載方案，并分別對(duì)應(yīng)有源天線單元（AAU）和分布單元（DU）之間，DU和集中單元（CU）之間，以及CU和核心網(wǎng)之間的通信承載。

關(guān)鍵詞： 5G；承載；前傳；中傳；回傳

Abstract： Comparing with 3G/4G， 5G network architecture and service characteristics have changed greatly， which brings challenging requirements for 5G bearing network. In this paper， seven features of 5G are proposed， such as wide bandwidth， ultra low latency， high reliability， high-precision synchronization， flexibility， network section， and intelligent cooperation. And 5G bearing technical proposals are also discussed， including fronthaul， middlehaul and backhaul which correspond to the bearing network between active antenna unit （AAU） and distributed unit （DU）， the bearing network between DU and centralized unit （CU）， and the bearing network between CU and core network.

Key words： 5G； bearing network； fronthaul； middlehaul； backhaul

1 5G發(fā)展概況

5G致力于構(gòu)建信息與通信技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)，是未來無線產(chǎn)業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新前沿，也是目前產(chǎn)業(yè)界最熱的課題之一。5G的愿景是為了應(yīng)對(duì)未來爆炸性的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增長、海量的設(shè)備連接、不斷涌現(xiàn)的各類新業(yè)務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)與行業(yè)深度融合，滿足垂直行業(yè)終端互聯(lián)的多樣化需求，實(shí)現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”，構(gòu)建社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基石。

國際電信聯(lián)盟（ITU）為5G定義了增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、大規(guī)模機(jī)器類通信（mMTC）、超可靠低時(shí)延通信（uRLLC）三大業(yè)務(wù)場(chǎng)景[1]，如圖1所示。實(shí)際上，不同行業(yè)往往在多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)上存在著差異化的要求，因而5G系統(tǒng)還需支持可靠性、時(shí)延、吞吐量、定位、計(jì)費(fèi)、安全、可用性的優(yōu)化組合；萬物互聯(lián)也帶來了更高的安全風(fēng)險(xiǎn)，5G能夠?yàn)槎鄻踊臉I(yè)務(wù)場(chǎng)景提供差異化的安全服務(wù)，保護(hù)用戶隱私，同時(shí)還能支持提供開放的安全能力。

在政府、運(yùn)營商和設(shè)備商的大力推動(dòng)下，中國5G的發(fā)展步入快車道。2017年11月30日，中國國家發(fā)改委在“2018年新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程”[2]中明確要求運(yùn)營商啟動(dòng)“5G規(guī)模組網(wǎng)建設(shè)及應(yīng)用示范工程”。2017年12月1日結(jié)束的3GPP美國里諾會(huì)議上，3GPP R15 NSA核心標(biāo)準(zhǔn)部分已經(jīng)凍結(jié)。中國的三大運(yùn)營商均已啟動(dòng)5G無線外場(chǎng)測(cè)試、5G承載技術(shù)研究等工作[3]。

2 5G承載的需求與挑戰(zhàn)

“5G建設(shè)，承載先行”，承載網(wǎng)絡(luò)對(duì)5G發(fā)展的重要性不言而喻。由于5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和業(yè)務(wù)特征相對(duì)于3G/4G有了較大變化，因此對(duì)5G承載網(wǎng)提出了挑戰(zhàn)性的需求，可以歸納為七大特征，如圖2所示。

5G網(wǎng)絡(luò)由于引入了大帶寬和低時(shí)延的應(yīng)用，因此需要對(duì)傳統(tǒng)的無線接入網(wǎng)（RAN）體系架構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

5G的RAN網(wǎng)絡(luò)將從4G/LTE網(wǎng)絡(luò)的基帶處理模塊（BBU）、射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）兩級(jí)結(jié)構(gòu)演進(jìn)到集中單元（CU）、分布單元（DU）和有源天線單元（AAU）的3級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。因此，5G承載網(wǎng)絡(luò)也將會(huì)從4G時(shí)代的前傳和回傳兩部分演變成5G時(shí)代的前傳（Fronthaul）、中傳（Middlehaul）和回傳（Backhaul）這3部分，它們分別對(duì)應(yīng)了AAU和DU之間，DU和CU之間，以及CU和核心網(wǎng)之間的通信承載。

4G時(shí)代就逐漸凸顯的單個(gè)基站帶寬大幅增加，基站部署密度加大所引起的基站選址困難、機(jī)房成本高、基站資源利用率低、維護(hù)工作量大等問題在5G時(shí)代將愈演愈烈。因此，作者認(rèn)為5G RAN網(wǎng)絡(luò)勢(shì)必延續(xù)4G BBU集中策略，將DU集中作為一種主流的組網(wǎng)架構(gòu)。

5G核心網(wǎng)必須滿足5G低時(shí)延業(yè)務(wù)處理的時(shí)效性需求，核心網(wǎng)下移成為一種趨勢(shì)，特別是針對(duì)uRLLC等時(shí)延敏感型業(yè)務(wù)。3GPP已經(jīng)將核心網(wǎng)下移納入討論范圍，并推動(dòng)移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）的標(biāo)準(zhǔn)化。

核心網(wǎng)下移并云化后，MEC將分擔(dān)核心網(wǎng)流量、運(yùn)算壓力，其數(shù)量會(huì)不斷增加。而不同的業(yè)務(wù)回傳可能歸屬到不同的云上，因此需要承載網(wǎng)具備將不同業(yè)務(wù)通過CU歸屬到不同MEC的L3路由轉(zhuǎn)發(fā)能力。而原來基站與每個(gè)演進(jìn)的分組網(wǎng)（EPC）建立的連接也演進(jìn)為CU到云（MEC）以及云到云（MEC到5G核心網(wǎng)（NGC））的連接關(guān)系。

綜上所述，5G承載網(wǎng)在帶寬容量、時(shí)延和組網(wǎng)靈活性等方面提出了新的需求。如何利用一張統(tǒng)一的承載網(wǎng)來滿足5G不同業(yè)務(wù)的承載需求是承載網(wǎng)所面臨著的巨大挑戰(zhàn)，具體包括：

（1）5G網(wǎng)絡(luò)帶寬相對(duì)4G預(yù)計(jì)將有數(shù)十倍增長，導(dǎo)致承載網(wǎng)帶寬急劇增加，25 G高速率將部署到網(wǎng)絡(luò)邊緣，低成本的25 G/50 G光模塊和波分復(fù)用（WDM）傳輸是承載網(wǎng)的第1個(gè)挑戰(zhàn)；endprint

（2）uRLLC業(yè)務(wù)提出的1 ms超低時(shí)延要求不僅需要站點(diǎn)合理布局，微秒量級(jí)超低時(shí)延性能是承載設(shè)備的第2個(gè)挑戰(zhàn)；

（3）5G核心網(wǎng)云化、網(wǎng)絡(luò)切片等需求導(dǎo)致5G回傳網(wǎng)絡(luò)對(duì)連接靈活性的要求更高，如何優(yōu)化路由轉(zhuǎn)發(fā)和控制技術(shù)，例如：引入分段路由（SR）、以太網(wǎng)虛擬專用網(wǎng)（EVPN）等新技術(shù)，滿足5G承載設(shè)備的成本限制和運(yùn)維便利性需求，是承載網(wǎng)的第3個(gè)挑戰(zhàn)。

3 5G承載技術(shù)方案探索

首先，需要明確的是5G承載網(wǎng)不會(huì)是獨(dú)立的存在，面向固移融合的發(fā)展趨勢(shì)，5G承載網(wǎng)、光纖固定寬帶網(wǎng)絡(luò)、政企專線網(wǎng)絡(luò)等勢(shì)必統(tǒng)籌考慮，特別是在光纖光纜、機(jī)房等基礎(chǔ)設(shè)施和傳輸承載設(shè)備方面，都需要考慮資源共享，降低成本。基礎(chǔ)設(shè)施和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)共享是5G承載必須考慮的前提條件。

其次，雖然5G承載網(wǎng)邏輯上分成前傳、中傳和回傳3部分，但是在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署中存在不同單元共機(jī)房部署甚至設(shè)備融合的場(chǎng)景，例如CU/DU合設(shè)、AAU/DU合設(shè)、AAU/DU/CU合設(shè)等。而且為了保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，不同業(yè)務(wù)的CU可能會(huì)部署在網(wǎng)絡(luò)的不同位置。此外，5G承載網(wǎng)還需要考慮對(duì)4G甚至3G業(yè)務(wù)的后向兼容能力。

綜上所述，5G承載技術(shù)方案必須考慮固移融合綜合承載，滿足3G/4G后向兼容，支持5G網(wǎng)絡(luò)多樣化部署等需求，而綜合承載正是光傳送網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，因此大帶寬光傳送網(wǎng)絡(luò)將在5G承載中扮演重要角色。

3.1 5G前傳承載方案探討

5G前傳對(duì)應(yīng)DU和AAU之間的接口，在4G及以前通常采用通用公共無線電接口（CPRI），但是進(jìn)入5G以后，若繼續(xù)采用CPRI接口，帶寬將達(dá)到300 Gbit/s以上，即使通過壓縮，帶寬也在100 Gbit/s左右，給前傳帶來的巨大的帶寬和成本壓力。為了解決此問題，業(yè)界定義了新的增強(qiáng)通用公共無線電接口（eCPRI），將帶寬控制到了25 Gbit/s以內(nèi)。eCPRI接口標(biāo)準(zhǔn)已于2017年8月底發(fā)布，目前中國市場(chǎng)主流無線設(shè)備廠商均計(jì)劃采用25 G eCPRI接口。

5G前傳對(duì)應(yīng)DU集中部署，AAU拉遠(yuǎn)（C-RAN）和AAU和DU共址部署（D-RAN）兩種場(chǎng)景。D-RAN場(chǎng)景相對(duì)簡(jiǎn)單，AAU和DU之間一般部署在塔上塔下，通常采用光纖連接，傳輸距離一般在100 m以內(nèi)，少量場(chǎng)景在100～200 m之間，此時(shí)可以選用eCPRI接口，少量廠商為了保持CPRI接口的性能優(yōu)勢(shì)，也在努力開發(fā)低成本的100 Gb/s光模塊，計(jì)劃在D-RAN使用。

C-RAN場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的拉遠(yuǎn)距離通常在10 km以內(nèi)，業(yè)界普遍認(rèn)為將采用25 Gbit/s eCPRI接口?？紤]成本和維護(hù)便利性等因素，5G前傳將以光纖直連為主，局部光纖資源不去的地區(qū)，可通過設(shè)備承載方案作為補(bǔ)充。

對(duì)于5G光纖直驅(qū)方案，筆者強(qiáng)烈推薦采用25 G單纖雙向（BiDi）光模塊方案。該方案不僅可以節(jié)約50%的光纖資源，還可以是保證往返路由長度和時(shí)延的一致性，從而提高同步傳輸精度。5G前傳光模塊需求數(shù)量巨大，呼吁業(yè)界高度重視，盡快形成一致方案并推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化，加速相關(guān)器件產(chǎn)業(yè)鏈的成熟。

5G前傳設(shè)備承載方案的思路是采用WDM技術(shù)節(jié)約光纖資源，包括粗波分復(fù)用（CWDM）和密集波分復(fù)用（DWDM）兩種，設(shè)備形態(tài)包括無源WDM、有源WDM、波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）等。

不同的設(shè)備類型和WDM技術(shù)方案存在不同的特點(diǎn)和適用范圍，后續(xù)將根據(jù)技術(shù)和設(shè)備發(fā)展情況進(jìn)一步研究其應(yīng)用場(chǎng)景。未來運(yùn)營商實(shí)際部署可能存在較大的差異化。

總之，5G前傳的設(shè)備承載方案的主要訴求是低成本和可維護(hù)性，業(yè)界還在努力尋找具有最高性價(jià)比優(yōu)勢(shì)的方案。

3.2 5G中傳/回傳承載方案探討

5G不同業(yè)務(wù)的需求差異較大，例如：mMTC物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需要處理大連接需求，業(yè)務(wù)帶寬和性能高要求較低，傾向于在核心網(wǎng)集中處理；而uRLLC業(yè)務(wù)由于時(shí)延等性能要求，核心網(wǎng)位置需要下移。因此5G核心網(wǎng)絡(luò)的局部下移和云化將成為發(fā)展趨勢(shì)，中/回傳承載網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)存在多樣性。

與前傳一樣，5G中/回傳首先需要解決的也是帶寬問題，根據(jù)模型計(jì)算，工作在3.5 GHz頻率和100 MHz帶寬的3載扇單基站的中回傳帶寬需求將達(dá)到3～5 Gbit/s。在DU/AAU合設(shè)或者DU小集中場(chǎng)景，DU節(jié)點(diǎn)上行帶寬將接近甚至超過10 Gbit/s；而在DU大集中場(chǎng)景，DU集中節(jié)點(diǎn)上行帶寬可能接近100 Gbit/s。這樣的帶寬需求已經(jīng)接近甚至超過了光纖到戶（FTTH）寬帶網(wǎng)絡(luò)光線路終端（OLT）上聯(lián)帶寬需求，因此5G中/回傳需要引入WDM/光傳送網(wǎng)（OTN）承載技術(shù)，采用WDM方式滿足帶寬和傳輸距離需求，并實(shí)現(xiàn)光層保護(hù)等質(zhì)量保障措施。在業(yè)務(wù)層面盡量采用光層波長直達(dá)（即物理上采用環(huán)形組網(wǎng)，邏輯上是樹形組網(wǎng)），有利于降低成本和功耗，同時(shí)波長直達(dá)方案減少了處理時(shí)延，優(yōu)異的時(shí)延性能也滿足了5G業(yè)務(wù)的低時(shí)延需求，如圖4所示。

靈活性是5G中/回傳網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)重要需求。靈活性需求主要源于3個(gè)方面：（1）5G網(wǎng)絡(luò)的eX2等橫向流量相對(duì)于4G網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)有明顯增加。（2）DU上聯(lián)CU、CU回傳的雙上聯(lián)、動(dòng)態(tài)遷移等安全性需求。（3）核心網(wǎng)云化部署以后帶來CU與MEC、NGC之間動(dòng)態(tài)連接和動(dòng)態(tài)遷移等需求。

5G中/回傳網(wǎng)絡(luò)的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能實(shí)現(xiàn)有兩種方式：（1）繼續(xù)采用現(xiàn)有的基于IP的無線接入網(wǎng)（IPRAN）技術(shù)，此時(shí)為了滿足5G對(duì)大容量的需求，IPRAN需考慮引入25 GE、50 GG甚至100 GE等高速接口，在市縣、縣鄉(xiāng)、城域核心層等區(qū)域還需要WDM/OTN網(wǎng)絡(luò)為IPRAN提供大量波長連接。（2）OTN/WDM方案在已經(jīng)具備光通路數(shù)據(jù)單元（ODUk）硬管道、以太網(wǎng)/多協(xié)議標(biāo)簽交換傳送應(yīng)用（MPLS-TP）分組業(yè)務(wù)處理能力的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增強(qiáng)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，以更加緊湊的設(shè)備形態(tài)和組網(wǎng)方案滿足5G承載的靈活組網(wǎng)需求。

目前通信設(shè)備L1/L2/L3的交換功能都可以通過統(tǒng)一信元交換技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)，因此在OTN/WDM設(shè)備上增強(qiáng)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能只需要配置相應(yīng)的線卡即可，具有較強(qiáng)的技術(shù)可行性和成本優(yōu)勢(shì)?；贠TN/WDM方案的硬管道能力，業(yè)界正在研究通過簡(jiǎn)化和低成本的路由轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，在滿足5G承載靈活性需求的同時(shí)，滿足5G大規(guī)模部署對(duì)低成本的要求，例如：SR、EVPN等新型路由和轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)得到了較多的關(guān)注。

網(wǎng)絡(luò)切片是5G的新需求，本質(zhì)上網(wǎng)絡(luò)切片就是對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的劃分和隔離。具體承載網(wǎng)對(duì)5G切片的支持，可以提供L1硬切片和L2/L3軟切片兩個(gè)層次的網(wǎng)絡(luò)切片承載方案。

4 結(jié)束語

5G不僅僅是移動(dòng)通信技術(shù)的升級(jí)換代，更是未來數(shù)字世界的驅(qū)動(dòng)平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，將真正創(chuàng)建一個(gè)全聯(lián)接的新世界。對(duì)于運(yùn)營商而言，5G只是一種重要業(yè)務(wù)，承載網(wǎng)絡(luò)必須考慮所有業(yè)務(wù)，包括5G、固定寬帶、云和政企專線等業(yè)務(wù)，提供統(tǒng)一的綜合承載。

參考文獻(xiàn)

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