5G 傳輸技術(shù)及組網(wǎng)架構(gòu)探究

宋法偉，陳明利，代校輝

（山東郵電工程有限公司 山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

當(dāng)前形勢下，5G 已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界以及移動通信行業(yè)的研究重點和熱點。以4G 移動通信系統(tǒng)為代表的長期演進(jìn)技術(shù)已經(jīng)全面實現(xiàn)了商用，但在移動數(shù)據(jù)需求暴增的形勢下，4G 技術(shù)遠(yuǎn)不能夠滿足現(xiàn)在以及未來的發(fā)展需求，因此5G 系統(tǒng)的研究、發(fā)展和運(yùn)用迫在眉睫。為了能夠促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)容量的更好提升，首先就要對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行智能化的應(yīng)用，不斷優(yōu)化用戶或業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)與類型，在多網(wǎng)并存的異構(gòu)移動網(wǎng)絡(luò)中促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)容量的有效拓展和提升，不斷給予用戶更好地體驗，使得人們?nèi)找嬖鲩L的移動流量需求得到更好地滿足，因而必須發(fā)展和研究5G 傳輸技術(shù)，清晰其組網(wǎng)架構(gòu)，為5G 通信數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。

與此同時，與LTE 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，5G 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)速率需求在持續(xù)增長，其將會應(yīng)用到多場景、多業(yè)務(wù)、多領(lǐng)域當(dāng)中，如更低時延、更高帶寬的移動寬帶eMBB 業(yè)務(wù)或者物聯(lián)網(wǎng)mMTC 業(yè)務(wù)，以及時延超低、可靠性超高的uRLLC 等。在移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展過程中，傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮著基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性的支撐作用和價值。當(dāng)處于LTE 階段時，PTN 或者IPRAN 技術(shù)是回傳網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要組成內(nèi)容和基礎(chǔ)，而WDM 無源技術(shù)與光纖直驅(qū)技術(shù)是前傳網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)和內(nèi)容。在5G 技術(shù)不斷發(fā)展過程中，新技術(shù)、新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、豐富多樣的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特性給當(dāng)前的傳輸結(jié)構(gòu)以及傳輸能力帶來了很大的挑戰(zhàn)與困難，而且當(dāng)前的LTE 傳輸技術(shù)對業(yè)務(wù)量增長上千倍以及業(yè)務(wù)類型屬性不同的業(yè)務(wù)內(nèi)容很難得到更好地滿足。同時5G 的CU/DU 分離架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)切片、虛擬化、MEC 下沉等會兒將5G 傳輸逐漸變成云之間的互聯(lián)組網(wǎng)，逐漸取代設(shè)備與設(shè)備之間的傳輸技術(shù)。因此，深入研究5G 的傳輸技術(shù)以及組網(wǎng)架構(gòu)，能夠推動5G技術(shù)得到更好的運(yùn)用與拓展，從而更好地滿足人們急劇增長的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)需求。

1 5G組網(wǎng)架構(gòu)的發(fā)展概況

隨著通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，5G 業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型不斷演變出新地承載技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，且以中國移動為代表的SPN 技術(shù)，推動5G 組網(wǎng)架構(gòu)逐漸走向成熟，促進(jìn)5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模更加成熟化和商業(yè)化，促使5G 組網(wǎng)架構(gòu)發(fā)生非常重要的變化，RAN 側(cè)DU 與CU 分離；核心網(wǎng)側(cè)UPF 下沉，并逐漸將MEC 引入進(jìn)來。與此同時，從業(yè)務(wù)指標(biāo)角度來分析，5G 對保護(hù)、時延、同步與帶寬做出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求[1]。承載網(wǎng)在SDN 網(wǎng)絡(luò)切片、以運(yùn)維中心的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型方面面臨非常大的困難和非常重要的挑戰(zhàn)，5G 業(yè)務(wù)新的標(biāo)準(zhǔn)和需求，促進(jìn)承載標(biāo)準(zhǔn)和承載技術(shù)的萌生和發(fā)展。針對當(dāng)前5G 市場需求的實際變化，移動通信企業(yè)要重視SPN 解決方案的提出和創(chuàng)新，重視5G 組網(wǎng)架構(gòu)的設(shè)計方案的制作和構(gòu)建，充分利用SPN 技術(shù)。而SPN 技術(shù)能夠支持端到端的承載，結(jié)合不同網(wǎng)絡(luò)切片的特點來對不同業(yè)務(wù)的定制化承載目標(biāo)進(jìn)行實現(xiàn)，提升5G 組網(wǎng)架構(gòu)的效率與效果。從節(jié)點架構(gòu)角度來分析，將L0-L3 技術(shù)融合到轉(zhuǎn)發(fā)面，支持軟硬管道的運(yùn)用，并運(yùn)用SDN 來智能調(diào)度管控面。當(dāng)前，SPN 與IETF SR-TP 系列標(biāo)準(zhǔn)、ITU-T 系列標(biāo)準(zhǔn)以及IEEE 50GE/B10K 系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行有效地融合，逐漸形成了新一代的5G傳送網(wǎng)技術(shù)體系。

此外，SPN 技術(shù)對TDM 和以太網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行有效的融合與綜合運(yùn)用，能夠?qū)Τ休d效率進(jìn)行保證，也能夠?qū)η衅枨筮M(jìn)行有效地滿足，保證其業(yè)務(wù)量和運(yùn)行安全性。同時SPN 具有低時延、穩(wěn)定性等特點，能夠?qū)?G 承載網(wǎng)新的部署需求進(jìn)行有效、全面的滿足。目前，SPN 已經(jīng)形成了比較完善、全面、標(biāo)準(zhǔn)的L0-L1層系統(tǒng)，其與相關(guān)儀表、模塊和系統(tǒng)設(shè)備已經(jīng)通過了互通測試，并驗證了5G 管控能力、同步能力、切片能力和業(yè)務(wù)連接能力，已經(jīng)具備了大規(guī)模運(yùn)用的基礎(chǔ)和能力。

2 5G傳輸技術(shù)及組網(wǎng)架構(gòu)研究

在研究5G 傳輸技術(shù)及組網(wǎng)架構(gòu)時，當(dāng)前社會對5G傳輸技術(shù)的具體需求和現(xiàn)狀進(jìn)行全面分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行5G 的傳輸技術(shù)與組網(wǎng)架構(gòu)的運(yùn)用方案進(jìn)行具體研究，推動5G 傳輸技術(shù)得到更好的運(yùn)用，滿足更多業(yè)務(wù)種類、不同用戶的需求，給人們的生產(chǎn)、生活、工作提供便利，推動5G 的傳輸技術(shù)及組網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)一步的研究和討論。

2.1 5G 傳輸技術(shù)及組網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)需求與標(biāo)準(zhǔn)分析

5G 技術(shù)的研究和開發(fā)，必須突破傳輸技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的限制。目前，在4G 網(wǎng)絡(luò)的傳輸技術(shù)上，5G 網(wǎng)絡(luò)對于傳輸網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性、靈活性以及其他性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)和要求更高。由于引入了5G 無線空口新技術(shù)和5G 更寬的頻譜資源，提升了單站點的帶寬，使得接口和網(wǎng)絡(luò)傳輸需要更大的帶寬傳輸技術(shù)和需求。5G 回傳時，補(bǔ)充盲點和熱點的覆蓋一般運(yùn)用高頻，而低頻一般運(yùn)用于廣覆蓋。如果假設(shè)頻譜資源的高頻帶寬是800 MHz，低頻的帶寬是100 MHz，那么低頻與高頻單小區(qū)的峰值在0.99 G ～3.3 G 之間，低頻與高頻單小區(qū)的均值估算在3.3 G ～13.2 G 之間，從中可以看出，當(dāng)前的LTE 帶寬根本不能夠滿足移動通信網(wǎng)絡(luò)的需求。從5G 前傳方面來看，為了能夠更好地滿足5G 基站的發(fā)展需求，CPRI 聯(lián)盟給前傳接口定義了新的以太網(wǎng)格式的eCPRI 接口協(xié)議，從物理層的功能切分方面來進(jìn)行考慮和分析，在相同條件下，eCPRI 接口協(xié)議會比CPRI 接口協(xié)議的帶寬接口左右，同時還能夠?qū)⒒竞奢d與帶寬相適應(yīng)的目標(biāo)得以更好地實現(xiàn)。在將來，5G 的eCPRI 接口會運(yùn)用N*25G 的接口。

在5G 時延方面，由于URLLC 業(yè)務(wù)的廣泛運(yùn)用，使得控制面與用戶面的傳輸時延得到了有效地降低。目前5G的前傳時延主要受到HARQLoop 的時間限制和3GPP 的空口時延限制。HARQLoop 的時間限制是從UE 到LOW-MAC，然后再從基站的LOW-MAC 返回到UE，但是目前缺乏確切的規(guī)定和完善的5G 基站處理流程。而HARQLoop 對5G 的主要場景有了不同的標(biāo)準(zhǔn)和要求，在eMBB 場景中的DL/UL 約為4 ms，而URLLC 場景則為0.5 ms。5G 回傳的傳輸時延通常會受到URLLC、eMBB 的業(yè)務(wù)端到剬的時延限制，尤其是eMBB 業(yè)務(wù)中的DL 和UL 時延為4 ms。而URLLC 的時延超低業(yè)務(wù)主要有遠(yuǎn)程金融、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能電網(wǎng)、工業(yè)控制、機(jī)械臂、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、輔助駕駛、車聯(lián)網(wǎng)等，這些業(yè)務(wù)在時延要求上也非常的嚴(yán)苛，時延要求通常為1 ms，這給5G回傳傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的時延要求提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和更大的挑戰(zhàn)[2-3]。

此外，5G 的需求會逐漸向更高層次的業(yè)務(wù)進(jìn)行拓展，需要5G 傳輸技術(shù)在性能方面有更高的要求，如時延、帶寬、能耗、吞吐量、往返時延、信道利用率等。為了能夠推動5G 系統(tǒng)適應(yīng)不同需求的業(yè)務(wù)，5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)需要不斷進(jìn)行改革與創(chuàng)新，迫切需要重整5G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，突破4G 固定模式架構(gòu)的局限和限制，積極地對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行虛擬化的切片和重構(gòu)，然后在按照具體的業(yè)務(wù)需求來串接網(wǎng)元，結(jié)合某類業(yè)務(wù)、某個客戶來實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)體系所提供的網(wǎng)絡(luò)功能和資源。而5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展需要更高密度的基站，以此來滿足基站間的協(xié)同需求，增強(qiáng)5G的應(yīng)用靈活性。通過運(yùn)用5G 移動網(wǎng)絡(luò)扁平化的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)5G 移動網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)功能實現(xiàn)云化，增強(qiáng)DC 之間的流量需求[4]。

2.2 5G 傳輸技術(shù)及組網(wǎng)架構(gòu)的方案探究

在研究5G 下一代傳輸技術(shù)及組網(wǎng)架構(gòu)時，其研究方案大體分為5G 網(wǎng)絡(luò)的總體方案、前傳網(wǎng)絡(luò)方案以及中傳和回傳融合組網(wǎng)方案。下面對5G 的下一代傳輸技術(shù)及組網(wǎng)架構(gòu)的方案進(jìn)行有效的探究和討論。

2.2.1 5G 網(wǎng)絡(luò)總體傳輸技術(shù)方案研究

5G 網(wǎng)絡(luò)基帶處理主要分為CU 與DU 兩個單元，且5G的網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)也要與5G 網(wǎng)絡(luò)基帶單元的變化相一致。5G 前傳網(wǎng)絡(luò)主要是DU 和RRU 之間的組網(wǎng)，5G 的中傳網(wǎng)絡(luò)主要是CU 和DU 之間的網(wǎng)絡(luò)，而5G 的回傳網(wǎng)絡(luò)主要是核心網(wǎng)與CU 之間的網(wǎng)絡(luò)。目前，DU 已經(jīng)具備了5G 基帶實時處理的作用和功能，且在流量調(diào)度、帶寬、時延、位置部署等方面的需要與CU、DU 合一的宏碁站相同。因此，在5G 的中傳網(wǎng)絡(luò)、回傳網(wǎng)絡(luò)上通常會運(yùn)用一張具有同等組網(wǎng)技術(shù)的物理網(wǎng)絡(luò)。而在前傳網(wǎng)絡(luò)上，由于DU 和RRU要求的時延和帶寬標(biāo)準(zhǔn)和需求很高，通常會使用單獨(dú)組網(wǎng)的前傳網(wǎng)絡(luò)。

2.2.2 5G 前傳網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案研究

5G 前傳網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案通常有3 種，分別為有源波分、無源波分和光纖直驅(qū)。5G 前傳網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案在部署中應(yīng)用場景不同，采用的前傳網(wǎng)絡(luò)方案也不盡相同，有時這幾種方案也會同時出現(xiàn)在同一場景之中。因而在運(yùn)用5G前傳網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案時，必須結(jié)合應(yīng)用場景的實際需求和標(biāo)準(zhǔn)來選擇恰當(dāng)、合理的應(yīng)用方法。采用光纖直驅(qū)方法時，運(yùn)用光纖在BBU 與RRU 之間進(jìn)行點對點的傳輸，這種光纖直驅(qū)方式時一種典型傳統(tǒng)的基站分布式承載方式，施工快速和簡單，但是會對光纖的資源進(jìn)行快速的消耗，大大地增加建設(shè)成本，因而在運(yùn)用光纖直驅(qū)方法時通常要保障光纖資源必須豐富和充足，才可以保障光纖直驅(qū)方式的高效運(yùn)用。在無源采光方案的基礎(chǔ)上，通常會運(yùn)用WDM 技術(shù)將若干通道通過合分波器運(yùn)用到BBU 和RRU之間，從而實現(xiàn)運(yùn)用一根光纖來接入多個RRU 的目標(biāo)，但是要實現(xiàn)這一目標(biāo)也要重視將配對的彩光模塊運(yùn)用到BBU 和RRU 上。無源采光方案一般適合運(yùn)用在具有密集業(yè)務(wù)的城區(qū)或者高速公路沿線、高鐵沿線的部署。有源采光的組網(wǎng)方案與無源采光的方案除了接入點之外，其他地方大體相同。前有源采光方法的運(yùn)用成本很高，并具有豐富的OTN 開銷字節(jié)，因此，在運(yùn)用有源采光方案時要考慮資金因素。但隨著最近幾年我國通信硬件基礎(chǔ)的高速發(fā)展，通信技術(shù)的不斷突破，WDM 設(shè)備價格劣勢不明顯，100 G 速率的WDM 設(shè)備已在現(xiàn)網(wǎng)中廣泛應(yīng)用，與之相反，隨著城市化進(jìn)程快速發(fā)展，光纜鋪設(shè)工程在城鎮(zhèn)中價格急驟飆升，所以在性價比方面，WDM 表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，將來還有進(jìn)一步的提升空間。并且在長途骨干網(wǎng)上需要更低的時延，更穩(wěn)定的通道，更高速率的帶寬來支撐5G 的性能更大限度的應(yīng)用[5]。

2.2.3 5G 中傳與回傳組網(wǎng)的融合利用方案研究

由于5G 中傳與回傳組網(wǎng)在流量調(diào)度、帶寬、時延、位置部署等方面的需求基本相同，因而在5G 的中傳網(wǎng)絡(luò)、回傳網(wǎng)絡(luò)上通常會運(yùn)用一張具有同等組網(wǎng)技術(shù)的物理網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合當(dāng)前5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與具體業(yè)務(wù)需求來制定端到端路由器方案、L3 OTN 方案以及SPN 網(wǎng)絡(luò)方案這三類組網(wǎng)融合利用方案。端到端的路由器方案則是以路由器為中心，在5G 網(wǎng)絡(luò)的核心層或者匯聚層、接入層運(yùn)用路由器組網(wǎng)，通過運(yùn)用端到端的FlexE 端到端技術(shù)來隔離業(yè)務(wù)，從而使得5G 不同業(yè)務(wù)類型的切片隔離需求得到更好地滿足。同時在路由器上可以通過SDN 來自動配置業(yè)務(wù)，能夠?qū)?G的運(yùn)維工作進(jìn)行有效地簡化。而L3 OTN 方案的實施必須依賴于OTN 技術(shù)，并在基礎(chǔ)上來增加L3 的功能，使得綜合承載網(wǎng)絡(luò)得以建成。同時SDN 是統(tǒng)計管控OTN 多業(yè)務(wù)綜合接入平臺的基礎(chǔ)，通過波長、ODUK 的利用來促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)切片功能的實現(xiàn)，使得多業(yè)務(wù)相互隔離的作用發(fā)揮出來。而L3 功能地發(fā)揮有賴于設(shè)備線路板卡與支路板卡的NP，OTN 則在源宿之間建立ODUK 連接通道，實現(xiàn)其作用與功能。SPN 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案一般分為業(yè)務(wù)層、鏈路層和物理層這三個層次。業(yè)務(wù)層通常會運(yùn)用支持L3VPN 的SR+SDN 組網(wǎng)技術(shù)，以此來對業(yè)務(wù)靈活調(diào)度的需求和要求進(jìn)行有效地滿足。SR 組網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點那個能夠發(fā)揮出拓?fù)湫畔⒌木S護(hù)作用，使得網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性得到更加的運(yùn)用。同時SR 網(wǎng)絡(luò)通過設(shè)置源節(jié)點的傳輸路徑來轉(zhuǎn)發(fā)報文，通過與SDN 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合與利用，平衡了集中優(yōu)化與智能分布式，使得路徑調(diào)整效率得到更好地提高。鏈路層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是以FlexE 技術(shù)為基礎(chǔ)，對端到端組網(wǎng)、交叉組網(wǎng)、接口進(jìn)行支持，能夠提供低時延和網(wǎng)絡(luò)分片應(yīng)用技術(shù)，促進(jìn)義務(wù)的捆綁和隔離，其是邏輯層主流技術(shù)中的新秀。物理層是以DWDM 技術(shù)為基礎(chǔ)和核心，且接入層的接口組網(wǎng)通常會運(yùn)用25G和50G的網(wǎng)絡(luò)，其能夠更好地擴(kuò)展帶寬，實現(xiàn)反向復(fù)用，對于持續(xù)演進(jìn)與大帶寬組網(wǎng)的要求得以有效地支持。

2.2.4 5G 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)新型構(gòu)架的主要特點

5G 系統(tǒng)提出了CU 和DU 的分離，同時傳送網(wǎng)絡(luò)的三部分在地理位置上是相互重疊的，光纖和機(jī)房資源是共享的，且面向分組的網(wǎng)絡(luò)是首選，所以可采用統(tǒng)一的具有分片功能的SPN 技術(shù)架構(gòu)技術(shù)來實現(xiàn)，以滿足其對帶寬、時延以及業(yè)務(wù)模型等方面的需求。在5G 部署初期，基站采用低頻段組網(wǎng)技術(shù)，CU 和DU 采用合設(shè)的方式，RRU 采用分離方式；在熱點區(qū)域部署高頻站進(jìn)行覆蓋，CU 與DU 采用分離的方式以實現(xiàn)統(tǒng)一錨點。在后期，采用高頻站組網(wǎng)，DU 與RRU 采用合設(shè)的方式，CU 采用小集中或大集中的方式。根據(jù)5G 頻譜對基站帶寬的需求測算，對匯聚核心層的傳輸通路采用新的接口技術(shù)，使用新的SPN 實現(xiàn)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時延，基于時隙利于在物理層上進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理，大幅時延干擾。

隨著智能通信技術(shù)的快速演進(jìn)，互聯(lián)網(wǎng)爆炸式增長已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出想象，諸多新業(yè)務(wù)也給運(yùn)營商建設(shè)、維護(hù)和升級帶來巨大挑戰(zhàn)。而SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）和NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）為解決以上問題提供了很好的方法。另外，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)條件和技術(shù)進(jìn)步的趨勢，提出了新型無線接入網(wǎng)構(gòu)架。C-RAN（基于云計算的無線接入網(wǎng)）是基于集中化處理，協(xié)作式無線電和實時云計算構(gòu)架的綠色無線網(wǎng)構(gòu)架。云架構(gòu)高性能更好的低成本的特點，有利于5G 通信技術(shù)發(fā)展。

3 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)如今，隨著互聯(lián)網(wǎng)信息科技的不斷發(fā)展，人們在5G 同步、流量調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)切片、延時低、大寬帶等方面的需求急劇增加，因而對于5G 傳輸技術(shù)需要更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。加快5G 傳輸技術(shù)方案的標(biāo)準(zhǔn)以及統(tǒng)一方面的研究和試驗，進(jìn)而推動其向新一代的方向發(fā)展和演進(jìn)。來不斷滿足大規(guī)模商用需求，推動社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)、健康發(fā)展。