趙文姝+何杰+周秀方

【摘 要】為了研究如何實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的高效承載，先描述了5G典型應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)的需求及挑戰(zhàn)，再根據(jù)5G的應(yīng)用需求提出了多種傳輸承載方案，并著重分析了各種傳輸方案的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)不同方案的適用范圍進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】5G傳輸方案 波分組網(wǎng) 固移融合

Discussion on Multiple Transmission Schemes of 5G Networks

ZHAO Wenshu， HE Jie， ZHOU Xiufang

（Sichuan Communication Design Co.， Ltd.， Chengdu 610041， China）

[Abstract] In order to investigate the implementation the efficient carrying of 5G networks， the requirements and challenges of 5G typical scenarios for carrying networks were described firstly. Then， various transmission carrying schemes were proposed according to the application requirements of 5G. The advantages and disadvantages of the transmission schemes were analyzed. Finally， the application scenarios of different schemes were discussed.

[Key words]5G transmission scheme； wave division network； the fusion of wired network and wireless network

1 引言

目前5G技術(shù)發(fā)展非常迅速，國內(nèi)三大運(yùn)營商都已經(jīng)著手5G布局，2017年6月25日，在廣州大學(xué)城，中國移動(dòng)首個(gè)5G基站正式開通，這也標(biāo)志著5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用逐漸開啟。在5G正式部署之前，如何實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)高標(biāo)準(zhǔn)的承載需求，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，最大程度地節(jié)省建設(shè)投資，已經(jīng)成為整個(gè)光通信行業(yè)關(guān)注的重心和研究熱點(diǎn)，因此，本文接下來將提出多種傳輸承載方案，并對(duì)各種傳輸方案的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍進(jìn)行探討。

2 5G對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)的需求及挑戰(zhàn)

“5G”即第五代移動(dòng)通信技術(shù)，ITU已將5G標(biāo)準(zhǔn)正式命名為IMT-2020，是目前正在推進(jìn)的“4G”的延伸，但業(yè)界普遍認(rèn)為5G與4G截然不同，5G不僅是一次技術(shù)的更新，更是一個(gè)全新技術(shù)，是真正實(shí)現(xiàn)泛在、智能、融合、高速、綠色的強(qiáng)大通信網(wǎng)絡(luò)，是無線接入技術(shù)的演進(jìn)和革命。

5G使萬物互聯(lián)成為可能，提供人與人、人與物以及物與物之間高速、安全、自由的連接，也將驅(qū)動(dòng)更多新的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，典型的應(yīng)用場(chǎng)景包括廣覆蓋、高接入密度、高接入速率、突發(fā)流量和低時(shí)延等，這些應(yīng)用將帶領(lǐng)我們進(jìn)入人工智能時(shí)代。

（1）連續(xù)廣域覆蓋：以保證用戶移動(dòng)性和業(yè)務(wù)連續(xù)性為目標(biāo)，為用戶提供無縫高速業(yè)務(wù)體驗(yàn)，如無人駕駛。

（2）熱點(diǎn)高容量：主要面向局部熱點(diǎn)區(qū)域，可以為用戶提供1 Gbit·s-1用戶體驗(yàn)速率，數(shù)十Gbit·s-1峰值速率，滿足網(wǎng)絡(luò)極高的流量密度需求；單位面積吞吐量顯著提升，熱點(diǎn)區(qū)域數(shù)十T Gbit·s-1/km2的流量密度需求，如虛擬辦公。

（3）低功耗大連接：以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場(chǎng)景，具有小數(shù)據(jù)包、低功耗、海量連接等特點(diǎn)，要求網(wǎng)絡(luò)具備超千億連接的支持能力，滿足100萬/km2連接數(shù)密度指標(biāo)要求，還要保證終端的超低功耗和超低成本，如物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市。

（4）低時(shí)延高可靠：對(duì)時(shí)延和可靠性具有極高的指標(biāo)要求，需要為用戶提供毫秒級(jí)的端到端時(shí)延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證，如車聯(lián)網(wǎng)。

針對(duì)5G的主要應(yīng)用場(chǎng)景，總結(jié)承載網(wǎng)絡(luò)主要面臨以下需求及挑戰(zhàn)如表1所示：

廣覆蓋、高容量將要求5G的基站更加小型化，便于安裝于各種場(chǎng)景，同時(shí)具備更強(qiáng)大的功能；低功耗要求5G網(wǎng)絡(luò)綠色低碳節(jié)能，比如續(xù)航能力是4G網(wǎng)絡(luò)的100倍，終端可用5到10年；而低時(shí)延、高可靠、大帶寬等網(wǎng)絡(luò)需求，需要5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將進(jìn)一步扁平化，它將是功能強(qiáng)大的基站疊加一個(gè)大服務(wù)器集群。

5G的業(yè)務(wù)需求及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化將對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能提出新的要求，直接影響承載網(wǎng)絡(luò)的的技術(shù)指標(biāo)，如帶寬、時(shí)延、時(shí)鐘精度和可靠性等，因此研究如何在滿足5G技術(shù)指標(biāo)的前提下，進(jìn)行5G時(shí)代光傳送網(wǎng)的技術(shù)演進(jìn)尤為重要，這將是5G是否能推廣應(yīng)用的關(guān)鍵前提。

3 5G傳輸方案探討

本節(jié)將重點(diǎn)討論5G建設(shè)初期傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)選擇和組網(wǎng)方案的選擇。

3.1 方案一：端到端分組增強(qiáng)型OTN組網(wǎng)方案

如圖1所示，5G傳輸接入層采用100 G波分組網(wǎng)，匯聚層采用T級(jí)別波分的組網(wǎng)方式。

（1）組網(wǎng)方案

1）前傳方案：基站通過裸纖與DU（Distribute Unit，分布單元）連接，滿足未來移動(dòng)用戶大帶寬、低時(shí)延、高可靠信息傳送需求。

基站流量預(yù)測(cè)：5G基站帶寬均值將超過1 G，峰值或超10 G；對(duì)S111站型，CIR/PIR將達(dá)到4 G/16 G。

2）中傳方案：DU匯聚基站后接入物理網(wǎng)光交配線端子；物理網(wǎng)光交匯聚DU上行光纜后，DU通過物理網(wǎng)光交成環(huán)，物理網(wǎng)光交再通過主干光纜或波分設(shè)備上傳至局端CU（Centralized Unit，集中單元）。

接入層流量預(yù)測(cè)：按每接入環(huán)6個(gè)站，一個(gè)站達(dá)到峰值帶寬計(jì)算，接入環(huán)帶寬將達(dá)到40 G，考慮到5G基站的密集程度，100 G組網(wǎng)可能性更大；endprint

3）回傳方案：CU通過100 G～T級(jí)別波分或中繼光纜回傳至5G核心網(wǎng)。

匯聚層流量預(yù)測(cè)：匯聚層波分環(huán)考慮到將匯聚多個(gè)接入環(huán)，則有可能達(dá)到T級(jí)別組網(wǎng)。

（2）方案一優(yōu)點(diǎn)

1）大帶寬：融合分組技術(shù)及超100 G光傳送技術(shù)，能有效支撐5G網(wǎng)絡(luò)千倍接入速率；

2）低時(shí)延：融合形態(tài)，靈活實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)穿通節(jié)點(diǎn)光層直通，應(yīng)對(duì)5G端到端超低時(shí)延的巨大挑戰(zhàn)；

3）物理鏈路高安全：DU至光纖物理網(wǎng)光交采用雙上行，物理網(wǎng)光交至MS-OTN也采用雙上行連接，極大地提高了DU設(shè)備的安全性；

4）大容量、少節(jié)點(diǎn)：通過MS-OTN匯接DU后再接入CU（無線接入控制設(shè)備），可以有效收斂上行光纜，節(jié)省CU端口，并使CU覆蓋較大的地域面積，減少CU部署點(diǎn)位，有效降低設(shè)備組網(wǎng)、傳輸線路及維護(hù)等需求；

5）線路帶寬易升級(jí)：MS-OTN設(shè)備只需插卡，線路帶寬可輕松從100 G擴(kuò)展至400 G，設(shè)備不換、機(jī)房不改、平滑擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)“超100 G”帶寬。

（3）方案一缺點(diǎn)

1）投資大：需搭建兩張高速率高性能的OTN環(huán)網(wǎng)，在利用現(xiàn)網(wǎng)OTN設(shè)備的基礎(chǔ)上，仍需新增較多節(jié)點(diǎn)，投資巨大；

2）網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜：新建較多的MS-OTN設(shè)備用以5G基站信息傳輸，增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。

3.2 方案二：固移融合承載方案

固移融合5G承載方案如圖2所示。

（1）組網(wǎng)方案

1）前傳方案：基站通過裸纖與DU連接，滿足未來移動(dòng)用戶大帶寬、低時(shí)延信息傳送需求；室內(nèi)小基站（RRU+DC部分）可與ONU集成，易于部署。

2）中傳方案：

DU匯聚基站光纜后接入OLT設(shè)備PON口；

OLT下沉至小區(qū)后，同時(shí)接入有線PON業(yè)務(wù)及無線5G基站；

物理網(wǎng)光交匯聚OLT上行光纜后，通過主干光纜設(shè)備上行至局端CU。

3）回傳方案：CU通過中繼光纜回傳至5G核心網(wǎng)。

（2）方案二優(yōu)點(diǎn)

1）組網(wǎng)簡(jiǎn)單：利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，升級(jí)OLT設(shè)備，增加物理網(wǎng)光交數(shù)量，即可完成組網(wǎng)；

2）固移融合：有線、無線綜合承載，提高設(shè)備利用效率，有效節(jié)省機(jī)房空間，節(jié)約能耗，且有線無線業(yè)務(wù)帶寬、性能等實(shí)現(xiàn)同步升級(jí)；

3）大帶寬傳輸：除采用超10 G甚至100 G PON OLT設(shè)備進(jìn)行DU設(shè)備承載外，全程光鏈路直達(dá)，支持5G超大帶寬應(yīng)用；

4）物理鏈路高安全：DU（5G無線接入單元）至OLT采用雙上行，OLT至物理網(wǎng)光交也盡量采用雙上行連接，且物理網(wǎng)光交呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)，極大地提高了DU設(shè)備的安全性；

5）線路帶寬易升級(jí)：OLT設(shè)備可實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)，設(shè)備不換、機(jī)房不改、平滑擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)“超100 G”帶寬；

6）節(jié)省物理網(wǎng)光纖資源：采用OLT設(shè)備作為CU、DU之間的匯聚點(diǎn)，可以起到大幅匯聚基站上行光纜的作用，降低對(duì)光纖物理網(wǎng)資源的消耗。

（3）方案二缺點(diǎn)

1）需克服OLT時(shí)延較大問題：由于OLT的上行采用TDMA（時(shí)分復(fù)用）方式，因此上行信息流時(shí)延暫時(shí)無法滿足5G的超低時(shí)延需求。因此，如采用OLT融合承載無線及有線業(yè)務(wù)，需要對(duì)OLT時(shí)延進(jìn)行優(yōu)化，或者通過端到端QoS保障5G基站業(yè)務(wù)傳輸?shù)蜁r(shí)延、高可靠和大帶寬的需求；

2）CU覆蓋范圍有限：由于DU通過光纖物理網(wǎng)直接匯接到CU，且光纖物理網(wǎng)單環(huán)上僅能帶4～6個(gè)光交，密集城區(qū)每個(gè)光交覆蓋半徑為1 km左右，這意味著CU覆蓋范圍內(nèi)能接入的基站數(shù)量受覆蓋面積限制而容量有限，不能最大限度地發(fā)揮CU的效能。

3.3 其他傳輸方案

除以上兩種方案外，還可以采用以下方案：

（1）方案三：以方案一為基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，結(jié)合方案二，具體是將接入層的MS-OTN設(shè)備作為綜合接入設(shè)備，MS-OTN同時(shí)接入基站以及OLT設(shè)備，基站完成無線接入，OLT設(shè)備完成有線接入。

（2）方案四：以方案二為基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將OLT設(shè)備用超低時(shí)延交換機(jī)替代，采用三層交換機(jī)或路由器進(jìn)行回傳。

（3）方案五：以方案二為基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將OLT設(shè)備用高速IPRAN設(shè)備替代。

（4）方案六：以方案三為基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，暫時(shí)不建設(shè)接入層的MS-OTN環(huán)，DU直接通過光纖物理網(wǎng)接入CU。此方案占用纖芯資源較多，適用于少量補(bǔ)點(diǎn)，不適用于大規(guī)模建設(shè)。

在實(shí)際的建設(shè)過程中，具體采取何種傳輸組網(wǎng)方案，主要取決于以下條件：

（1）CU的定位：CU在網(wǎng)絡(luò)層級(jí)中的定位，即CU位置的選擇、覆蓋的范圍、接入用戶規(guī)模等。如果CU在匯聚層面，覆蓋廣、容量大，采用方案一更合理；反之，如果CU在接入?yún)R聚層面，位置與4G BBU機(jī)房位置類似，則可采用方案五。

（2）資金投入：投資的大小也對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的選擇起到重要的影響作用，方案一、方案三投資巨大，但網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)清晰、合理，能滿足5G傳輸各項(xiàng)指標(biāo)。方案二、三、五投資較低，適用于試點(diǎn)階段或少量補(bǔ)點(diǎn)建設(shè)。

（3）技術(shù)進(jìn)步：技術(shù)的進(jìn)步也可以改變網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方式，例如OLT設(shè)備能解決時(shí)延、同步，IPRAN設(shè)備能解決帶寬等技術(shù)難題，5G網(wǎng)絡(luò)的接入方式將更加豐富。

實(shí)際建設(shè)時(shí)，還是應(yīng)根據(jù)具體的情況，靈活選取組網(wǎng)方式，以期能達(dá)到網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)、投資最省的效果。

4 結(jié)束語

5G正在逐步成熟，給傳送網(wǎng)絡(luò)帶來的不僅是流量的攀升，低時(shí)延、高可靠、靈活智能等要求都是對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的挑戰(zhàn)，因此本文結(jié)合具體的建設(shè)需求，提供了多種傳輸解決方案。隨著5G標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步明確，筆者認(rèn)為傳送網(wǎng)目前還需要重點(diǎn)關(guān)注CU的定位、網(wǎng)絡(luò)層級(jí)、覆蓋密度，這將決定匹配何種傳輸組網(wǎng)方案更為合理，并按最優(yōu)的承載方案提前準(zhǔn)備光纖和機(jī)房資源，為迎接5G的部署做好充分的準(zhǔn)備工作。

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