李尊

【摘 要】分析了5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)趨勢(shì)和承載網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)策略。承載網(wǎng)接入層由環(huán)形向星型/樹(shù)形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變來(lái)應(yīng)對(duì)5G RAN的變化。結(jié)合目前各運(yùn)營(yíng)商主流技術(shù)，采用PON、有源WDM和無(wú)源WDM等技術(shù)對(duì)5G接入網(wǎng)承載的可行性進(jìn)行探討，相關(guān)結(jié)果可給今后國(guó)內(nèi)5G的試驗(yàn)網(wǎng)推動(dòng)提供一定的參考建議。

【關(guān)鍵詞】5G；C-RAN；WDM；承載網(wǎng)

Discussion on the Change of 5G Networks and the Response to Bearing Networks

LI Zun

[Abstract] The evolution trend of 5G network architecture and the challenge and countermeasure faced by bearing networks are analyzed. The transition of the access layer of bearing networks from ring to star/tree structure is used to tackle the change of 5G RAN. Combine with the mainstream technologies of operators， the feasibility of bearing based on PON， active WDM and passive WDM in 5G access networks is discussed. Related results can provide some references to the promotion of domestic 5G trial networks in the future.

[Key words]5G； C-RAN； WDM； bearing network

1 引言

隨著信息化的快速發(fā)展以及新一代智能終端設(shè)備的快速增長(zhǎng)，現(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，為進(jìn)一步滿足將來(lái)數(shù)據(jù)流量的高速增長(zhǎng)、萬(wàn)物互聯(lián)以及不斷涌現(xiàn)的新業(yè)務(wù)和新需求，5G移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[1]。5G技術(shù)面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，主要面向三個(gè)技術(shù)場(chǎng)景：高可靠低時(shí)延uRLLC，增強(qiáng)型移動(dòng)帶寬eMBB，大吞吐量和大規(guī)模機(jī)器通信mMTC，其分別具備低時(shí)延、大吞吐量、大連接的特征。三個(gè)技術(shù)場(chǎng)景都需要5G網(wǎng)絡(luò)更加靠近用戶，在5G核心層部分下移的同時(shí)，回傳方式由環(huán)形向樹(shù)形/星型轉(zhuǎn)變。而為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化，承載網(wǎng)也需要在結(jié)構(gòu)上、技術(shù)上進(jìn)行優(yōu)化，才能應(yīng)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的新挑戰(zhàn)。

2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)趨勢(shì)

5G是面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)的，各大運(yùn)營(yíng)商從業(yè)務(wù)需求及體驗(yàn)感出發(fā)，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中向用戶提供更好的體驗(yàn)和感知，融合多層次覆蓋、多接入技術(shù)、多業(yè)務(wù)系統(tǒng)等5G重要特征[2]。對(duì)于三個(gè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，5G要提供更大帶寬、更低時(shí)延，需對(duì)RAN（Radio Access Network）進(jìn)行優(yōu)化，如圖1所示：

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)演變趨勢(shì)

（1）AAU：將原4G網(wǎng)絡(luò)BBU的部分物理層處理功能與原RRU合并為AAU（Active Antenna Unit，有源天線處理單元）。

（2）CU：原BBU的非實(shí)時(shí)部分將分割出來(lái)，重新定義為CU（Centralized Unit，集中單元），負(fù)責(zé)處理非實(shí)時(shí)的協(xié)議和服務(wù)。

（3）DU：BBU的剩余功能重新定義為DU（Distribute

Unit，分布單元），負(fù)責(zé)處理物理層協(xié)議和實(shí)時(shí)服務(wù)[3]。

與此同時(shí)，為了滿足5G低時(shí)延業(yè)務(wù)處理的時(shí)效性，需要將原有部署在機(jī)樓的核心網(wǎng)部分功能下移。以減少UE（User Equipment，用戶設(shè)備）到核心網(wǎng)的時(shí)延。因此，核心網(wǎng)側(cè)需要推動(dòng)MEC（Mobile Edge Computing，移動(dòng)邊緣計(jì)算）的標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)考慮MEC下移以及云化。如圖1所示，首先將核心網(wǎng)從核心層下沉到匯聚層，原先的4G核心網(wǎng)拆分成New Core和MEC兩部分。其中New Core將云化部署在匯聚層的區(qū)域匯聚中心，MEC將部署在區(qū)域匯聚或更低的位置匯聚層，對(duì)于承載網(wǎng)提出更加靈活的Mesh組網(wǎng)需求。

3 5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)承載網(wǎng)的挑戰(zhàn)

工信部已經(jīng)明確采用3.5 GHz和4.9 GHz頻段來(lái)解決5G階段的廣覆蓋問(wèn)題，28 GHz和73 GHz鄰近高頻段主要用來(lái)進(jìn)行密集覆蓋和流量提升[4]。跟4G基站相比，5G基站的密度更大，接入點(diǎn)與終端設(shè)備的距離減少。根據(jù)站點(diǎn)覆蓋模擬推算，未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)宏基站、室內(nèi)和微站加起來(lái)的接入點(diǎn)部署密度將達(dá)到現(xiàn)有部署密度的10倍以上，接入點(diǎn)距離則從2G階段的700 m～1 000 m縮小到20 m～30 m甚至更小[5]，具體如圖2和圖3所示：

圖2 2G到5G的帶寬增加示意圖

圖3 2G到5G的站點(diǎn)間距減少示意圖

通過(guò)分析5G主要應(yīng)用場(chǎng)景的三個(gè)需求——大速率、大帶寬、大連接，每種場(chǎng)景需求都比現(xiàn)有業(yè)務(wù)有10倍以上的提升，則5G單位面積的接入速率是4G的1 000倍，5G網(wǎng)絡(luò)需要基站密度、頻譜帶寬、頻譜利用率都同時(shí)提升10倍。5G的需求與挑戰(zhàn)對(duì)傳輸網(wǎng)來(lái)說(shuō)近乎苛刻。

4 5G承載網(wǎng)應(yīng)對(duì)探討

4.1 承載網(wǎng)時(shí)延應(yīng)對(duì)

3GPP等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織對(duì)不同業(yè)務(wù)的時(shí)延要求指標(biāo)如表1所示[3]。

以上幾種業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延指標(biāo)的要求將會(huì)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及相應(yīng)的承載網(wǎng)架構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。

根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)演變趨勢(shì)來(lái)看，5G RAN主要有3種部署方式：?jiǎn)握?、CU+DU集中部署、CU集中部署，具體如圖4所示。

圖4 5G RAN主要部署方式

（1）對(duì)于單站方式，CU+DU可以合設(shè)在基站內(nèi)。

（2）對(duì)于CU+DU集中部署方式，CU+DU可以合設(shè)在匯聚機(jī)房?jī)?nèi)。

（3）對(duì)于CU集中部署方式，需要安裝的CU數(shù)量不需要太多，因此CU可部署在較高級(jí)別的骨干匯聚機(jī)房/區(qū)域匯聚機(jī)房?jī)?nèi)。而DU負(fù)責(zé)處理物理層協(xié)議和實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，需要很接近底層，可采用集中部署和分布部署的方式，集中方式DU可部署在基站或接入網(wǎng)機(jī)房，分布方式DU可部署在基站。

對(duì)于CU-DU的中傳，為了滿足時(shí)延要求最高的uRLLC業(yè)務(wù)，可考慮采用CU和DU合并部署的方式避免CU-DU間存在中傳時(shí)延。

而對(duì)于CU和DU分開(kāi)部署的情況，需要考慮中傳傳輸距離、設(shè)備數(shù)量對(duì)時(shí)延的影響。比如：

（1）減少匯聚層和接入層的站點(diǎn)數(shù)量；

（2）在小區(qū)域內(nèi)搭建接入層、匯聚層網(wǎng)狀網(wǎng)，提供直達(dá)路由，減少設(shè)備跳數(shù)；

（3）用超低時(shí)延技術(shù)的設(shè)備來(lái)組網(wǎng)。

4.2 承載網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在2G、3G、4G階段，站點(diǎn)數(shù)量較少，承載網(wǎng)采用雙歸環(huán)形方式可提高可靠性，這也是各運(yùn)營(yíng)商主要選擇的組網(wǎng)方式，具體如圖5所示：

圖5 2G到4G站點(diǎn)組網(wǎng)以環(huán)形為主

5G階段，主要采用DU+AAU的方式進(jìn)行組網(wǎng)，AAU的站點(diǎn)比之前的宏站、室分密度更大。既有進(jìn)行廣覆蓋的宏基站，也有進(jìn)行室內(nèi)覆蓋以及為了改善小區(qū)邊緣用戶質(zhì)量進(jìn)行熱點(diǎn)覆蓋而密集部署的小蜂窩，如皮站、飛站等微小站[6]。大量靈活的C-RAN組網(wǎng)需要承載網(wǎng)接入層考慮以樹(shù)形或星形為主，以更加適應(yīng)5G RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化，如圖6所示：

圖6 5G站點(diǎn)組網(wǎng)以環(huán)形/星型為主

4.3 承載新技術(shù)應(yīng)用

（1）PON網(wǎng)絡(luò)承載

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向C-RAN的方向發(fā)展，與此同時(shí)基站密度越來(lái)越大，這就需要結(jié)構(gòu)更加適應(yīng)，成本更加低廉的傳送承載網(wǎng)絡(luò)。5G中的站點(diǎn)覆蓋范圍小，AAU站點(diǎn)分布具備離散性和不確定性，要求回傳光纜網(wǎng)更加靈活。在目前各運(yùn)營(yíng)商的承載網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中，原有的基站承載網(wǎng)都無(wú)法滿足5G網(wǎng)絡(luò)的承載需求，現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)商采用的IPRAN、PTN等回傳技術(shù)對(duì)接入光纜網(wǎng)的消耗非常大，無(wú)法滿足所有5G站點(diǎn)建設(shè)需求。而前期運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)部署多年的家庭寬帶網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)恰好與5G RAN的結(jié)構(gòu)一致，所以采用家寬承載網(wǎng)PON對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行回傳是一個(gè)重要的思路[7]。

家庭寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是各大運(yùn)營(yíng)商爭(zhēng)奪的一個(gè)重要市場(chǎng)。原有的PON網(wǎng)絡(luò)覆蓋大部分小區(qū)，海量光纖已經(jīng)部署到商業(yè)、家庭小區(qū)樓下工作間甚至是用戶內(nèi)部。已經(jīng)部署的PON網(wǎng)絡(luò)ODN與DU-AAU的樹(shù)形/星型覆蓋十分吻合。近幾年經(jīng)過(guò)技術(shù)升級(jí)，PON網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)具備承載多種綜合業(yè)務(wù)的能力，帶寬從原來(lái)的1G可升級(jí)為10G，G.984.3 Amd 2標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 802.1AS標(biāo)準(zhǔn)也分別定義GPON和EPON系統(tǒng)時(shí)間傳遞的協(xié)議。PON可利用OLT設(shè)備內(nèi)置時(shí)鐘模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部時(shí)間的同步跟蹤，并生成內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)間，作為基準(zhǔn)時(shí)間同步，如圖7所示。目前采用1588V2時(shí)間同步基本可達(dá)（±50 ns）[8]，可以滿足μs級(jí)別的前傳（AAU-DU）時(shí)延。

圖7 PON網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步示意圖

與此同時(shí)，由于DU-AAU前傳網(wǎng)絡(luò)與PON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類(lèi)似，采用PON網(wǎng)絡(luò)承載前傳站點(diǎn)可以節(jié)省大量的光纖基礎(chǔ)資源。隨著城市化進(jìn)程的加速，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)區(qū)域統(tǒng)一規(guī)劃，建設(shè)難度會(huì)越來(lái)越大。采用PON網(wǎng)絡(luò)接入，可以快速地推進(jìn)5G RAN建設(shè)，也可以節(jié)省大量光纜投資。對(duì)于主干光纖可省80%的光纖，配纖可省50%的光纖，微基站的密度越高，節(jié)省的主干光纖量越大。PON網(wǎng)絡(luò)纖芯使用如圖8所示，非PON網(wǎng)絡(luò)纖芯使用如圖9所示。

圖8 PON網(wǎng)絡(luò)纖芯使用

圖9 非PON網(wǎng)絡(luò)纖芯使用

（2）無(wú)源DWDM

無(wú)源DWDM主要是將原有波分系統(tǒng)中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換模塊安裝在DU-AAU的對(duì)端，而波分系統(tǒng)中僅保留的D/W合分波板完成WDM功能[9]。這樣ODN網(wǎng)絡(luò)為1：N的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，DU-AAU之間只需要一對(duì)光纖即可滿足需求，如圖10所示。

無(wú)源DWDM的優(yōu)點(diǎn)是在AAU側(cè)安裝的光模塊可以不區(qū)分波長(zhǎng)，以提高可靠性及維護(hù)性。在CO（DU）節(jié)點(diǎn)使用集中光源，在CO節(jié)點(diǎn)調(diào)制上行。

（3）有源DWDM

有源DWDM方案在DU和AAU之間建設(shè)小型化OTN系統(tǒng)，AAU側(cè)和DU側(cè)均安裝有源的OTN設(shè)備，兩端OTN設(shè)備采用兩芯纖組網(wǎng)[10]。DU和AAU之間的OTN系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、環(huán)網(wǎng)的方式設(shè)置。優(yōu)點(diǎn)是可以利用OTN系統(tǒng)的高可靠性和可管理性。缺點(diǎn)是對(duì)于大量的站點(diǎn)均設(shè)置小型化OTN系統(tǒng)，接入成本非常高。所以有源DWDM方案可能會(huì)在DU-CU層面布置，在DU-AAU的承載只是作為一種可能性的方案。有源WDM方案點(diǎn)到點(diǎn)架構(gòu)如圖11所示，有源WDM方案環(huán)網(wǎng)架構(gòu)圖如圖12所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了滿足三大業(yè)務(wù)場(chǎng)景，5G要提供更大帶寬、更低時(shí)延，需對(duì)RAN進(jìn)行優(yōu)化。為了滿足5G低時(shí)延業(yè)務(wù)處理的時(shí)效性，需要將原有部署在機(jī)樓的核心網(wǎng)部分功能下移?；谶@些挑戰(zhàn)，提出承載網(wǎng)需要推動(dòng)PON、WDM技術(shù)進(jìn)一步成熟，可采用PON技術(shù)共同承載無(wú)線微基站業(yè)務(wù)和家庭寬帶業(yè)務(wù)。除此之外，采用無(wú)源DWDM、有源DWDM承載DU-AAU也是一種可行的思路?？梢灶A(yù)期，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，各上下游產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)一步成熟，這將進(jìn)一步激發(fā)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提升我國(guó)信息化水平，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及滿足人們的生活需要。

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