5G 傳輸技術及組網架構探究

宋法偉，陳明利，代校輝

（山東郵電工程有限公司 山東 濟南 250001）

0 引言

當前形勢下，5G 已經成為學術界以及移動通信行業的研究重點和熱點。以4G 移動通信系統為代表的長期演進技術已經全面實現了商用，但在移動數據需求暴增的形勢下，4G 技術遠不能夠滿足現在以及未來的發展需求，因此5G 系統的研究、發展和運用迫在眉睫。為了能夠促進網絡容量的更好提升，首先就要對網絡資源進行智能化的應用，不斷優化用戶或業務結構與類型，在多網并存的異構移動網絡中促進網絡容量的有效拓展和提升，不斷給予用戶更好地體驗，使得人們日益增長的移動流量需求得到更好地滿足，因而必須發展和研究5G 傳輸技術，清晰其組網架構，為5G 通信數據的準確性和穩定性奠定基礎。

與此同時，與LTE 網絡技術相比，5G 網絡的數據速率需求在持續增長，其將會應用到多場景、多業務、多領域當中，如更低時延、更高帶寬的移動寬帶eMBB 業務或者物聯網mMTC 業務，以及時延超低、可靠性超高的uRLLC 等。在移動通信網絡技術發展過程中，傳輸網絡發揮著基礎性、關鍵性的支撐作用和價值。當處于LTE 階段時，PTN 或者IPRAN 技術是回傳網絡技術的重要組成內容和基礎，而WDM 無源技術與光纖直驅技術是前傳網絡的應用基礎技術和內容。在5G 技術不斷發展過程中，新技術、新型網絡架構、豐富多樣的網絡應用特性給當前的傳輸結構以及傳輸能力帶來了很大的挑戰與困難，而且當前的LTE 傳輸技術對業務量增長上千倍以及業務類型屬性不同的業務內容很難得到更好地滿足。同時5G 的CU/DU 分離架構、網絡切片、虛擬化、MEC 下沉等會兒將5G 傳輸逐漸變成云之間的互聯組網，逐漸取代設備與設備之間的傳輸技術。因此，深入研究5G 的傳輸技術以及組網架構，能夠推動5G技術得到更好的運用與拓展，從而更好地滿足人們急劇增長的網絡數據需求。

1 5G組網架構的發展概況

隨著通信技術的不斷演進，5G 業務與網絡轉型不斷演變出新地承載技術和標準，且以中國移動為代表的SPN 技術，推動5G 組網架構逐漸走向成熟，促進5G 網絡規模更加成熟化和商業化，促使5G 組網架構發生非常重要的變化，RAN 側DU 與CU 分離；核心網側UPF 下沉，并逐漸將MEC 引入進來。與此同時，從業務指標角度來分析，5G 對保護、時延、同步與帶寬做出了更高的標準和要求[1]。承載網在SDN 網絡切片、以運維中心的網絡轉型方面面臨非常大的困難和非常重要的挑戰，5G 業務新的標準和需求，促進承載標準和承載技術的萌生和發展。針對當前5G 市場需求的實際變化，移動通信企業要重視SPN 解決方案的提出和創新，重視5G 組網架構的設計方案的制作和構建，充分利用SPN 技術。而SPN 技術能夠支持端到端的承載，結合不同網絡切片的特點來對不同業務的定制化承載目標進行實現，提升5G 組網架構的效率與效果。從節點架構角度來分析，將L0-L3 技術融合到轉發面，支持軟硬管道的運用，并運用SDN 來智能調度管控面。當前，SPN 與IETF SR-TP 系列標準、ITU-T 系列標準以及IEEE 50GE/B10K 系列標準進行有效地融合，逐漸形成了新一代的5G傳送網技術體系。

此外，SPN 技術對TDM 和以太網的技術優勢進行有效的融合與綜合運用，能夠對承載效率進行保證，也能夠對切片需求進行有效地滿足，保證其業務量和運行安全性。同時SPN 具有低時延、穩定性等特點，能夠對5G 承載網新的部署需求進行有效、全面的滿足。目前，SPN 已經形成了比較完善、全面、標準的L0-L1層系統，其與相關儀表、模塊和系統設備已經通過了互通測試，并驗證了5G 管控能力、同步能力、切片能力和業務連接能力，已經具備了大規模運用的基礎和能力。

2 5G傳輸技術及組網架構研究

在研究5G 傳輸技術及組網架構時，當前社會對5G傳輸技術的具體需求和現狀進行全面分析，在此基礎上進行5G 的傳輸技術與組網架構的運用方案進行具體研究，推動5G 傳輸技術得到更好的運用，滿足更多業務種類、不同用戶的需求，給人們的生產、生活、工作提供便利，推動5G 的傳輸技術及組網架構進一步的研究和討論。

2.1 5G 傳輸技術及組網架構的基礎需求與標準分析

5G 技術的研究和開發，必須突破傳輸技術和網絡結構的限制。目前，在4G 網絡的傳輸技術上，5G 網絡對于傳輸網絡的可擴展性、靈活性以及其他性能指標的標準和要求更高。由于引入了5G 無線空口新技術和5G 更寬的頻譜資源，提升了單站點的帶寬，使得接口和網絡傳輸需要更大的帶寬傳輸技術和需求。5G 回傳時，補充盲點和熱點的覆蓋一般運用高頻，而低頻一般運用于廣覆蓋。如果假設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的峰值在0.99 G ～3.3 G 之間，低頻與高頻單小區的均值估算在3.3 G ～13.2 G 之間，從中可以看出，當前的LTE 帶寬根本不能夠滿足移動通信網絡的需求。從5G 前傳方面來看，為了能夠更好地滿足5G 基站的發展需求，CPRI 聯盟給前傳接口定義了新的以太網格式的eCPRI 接口協議，從物理層的功能切分方面來進行考慮和分析，在相同條件下，eCPRI 接口協議會比CPRI 接口協議的帶寬接口左右，同時還能夠將基站荷載與帶寬相適應的目標得以更好地實現。在將來，5G 的eCPRI 接口會運用N*25G 的接口。

在5G 時延方面，由于URLLC 業務的廣泛運用，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準和要求，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 的業務端到剬的時延限制，尤其是eMBB 業務中的DL 和UL 時延為4 ms。而URLLC 的時延超低業務主要有遠程金融、遠程醫療、智能電網、工業控制、機械臂、工業互聯網、輔助駕駛、車聯網等，這些業務在時延要求上也非常的嚴苛，時延要求通常為1 ms，這給5G回傳傳輸網絡技術的時延要求提出了更高的標準和更大的挑戰[2-3]。

此外，5G 的需求會逐漸向更高層次的業務進行拓展，需要5G 傳輸技術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 系統適應不同需求的業務，5G 網絡傳輸技術需要不斷進行改革與創新，迫切需要重整5G 網絡系統架構，突破4G 固定模式架構的局限和限制，積極地對網絡資源進行虛擬化的切片和重構，然后在按照具體的業務需求來串接網元，結合某類業務、某個客戶來實現5G 網絡體系所提供的網絡功能和資源。而5G 網絡技術的發展需要更高密度的基站，以此來滿足基站間的協同需求，增強5G的應用靈活性。通過運用5G 移動網絡扁平化的結構，促進5G 移動網絡的核心網功能實現云化，增強DC 之間的流量需求[4]。

2.2 5G 傳輸技術及組網架構的方案探究

在研究5G 下一代傳輸技術及組網架構時，其研究方案大體分為5G 網絡的總體方案、前傳網絡方案以及中傳和回傳融合組網方案。下面對5G 的下一代傳輸技術及組網架構的方案進行有效的探究和討論。

2.2.1 5G 網絡總體傳輸技術方案研究

5G 網絡基帶處理主要分為CU 與DU 兩個單元，且5G的網絡整體架構也要與5G 網絡基帶單元的變化相一致。5G 前傳網絡主要是DU 和RRU 之間的組網，5G 的中傳網絡主要是CU 和DU 之間的網絡，而5G 的回傳網絡主要是核心網與CU 之間的網絡。目前，DU 已經具備了5G 基帶實時處理的作用和功能，且在流量調度、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 的中傳網絡、回傳網絡上通常會運用一張具有同等組網技術的物理網絡。而在前傳網絡上，由于DU 和RRU要求的時延和帶寬標準和需求很高，通常會使用單獨組網的前傳網絡。

2.2.2 5G 前傳網絡技術方案研究

5G 前傳網絡技術方案通常有3 種，分別為有源波分、無源波分和光纖直驅。5G 前傳網絡技術方案在部署中應用場景不同，采用的前傳網絡方案也不盡相同，有時這幾種方案也會同時出現在同一場景之中。因而在運用5G前傳網絡技術方案時，必須結合應用場景的實際需求和標準來選擇恰當、合理的應用方法。采用光纖直驅方法時，運用光纖在BBU 與RRU 之間進行點對點的傳輸，這種光纖直驅方式時一種典型傳統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行快速的消耗，大大地增加建設成本，因而在運用光纖直驅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方式的高效運用。在無源采光方案的基礎上，通常會運用WDM 技術將若干通道通過合分波器運用到BBU 和RRU之間，從而實現運用一根光纖來接入多個RRU 的目標，但是要實現這一目標也要重視將配對的彩光模塊運用到BBU 和RRU 上。無源采光方案一般適合運用在具有密集業務的城區或者高速公路沿線、高鐵沿線的部署。有源采光的組網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用成本很高，并具有豐富的OTN 開銷字節，因此，在運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的高速發展，通信技術的不斷突破，WDM 設備價格劣勢不明顯，100 G 速率的WDM 設備已在現網中廣泛應用，與之相反，隨著城市化進程快速發展，光纜鋪設工程在城鎮中價格急驟飆升，所以在性價比方面，WDM 表現出了明顯的優勢，將來還有進一步的提升空間。并且在長途骨干網上需要更低的時延，更穩定的通道，更高速率的帶寬來支撐5G 的性能更大限度的應用[5]。

2.2.3 5G 中傳與回傳組網的融合利用方案研究

由于5G 中傳與回傳組網在流量調度、帶寬、時延、位置部署等方面的需求基本相同，因而在5G 的中傳網絡、回傳網絡上通常會運用一張具有同等組網技術的物理網絡。結合當前5G 網絡架構與具體業務需求來制定端到端路由器方案、L3 OTN 方案以及SPN 網絡方案這三類組網融合利用方案。端到端的路由器方案則是以路由器為中心，在5G 網絡的核心層或者匯聚層、接入層運用路由器組網，通過運用端到端的FlexE 端到端技術來隔離業務，從而使得5G 不同業務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 來自動配置業務，能夠對5G的運維工作進行有效地簡化。而L3 OTN 方案的實施必須依賴于OTN 技術，并在基礎上來增加L3 的功能，使得綜合承載網絡得以建成。同時SDN 是統計管控OTN 多業務綜合接入平臺的基礎，通過波長、ODUK 的利用來促進網絡切片功能的實現，使得多業務相互隔離的作用發揮出來。而L3 功能地發揮有賴于設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，實現其作用與功能。SPN 網絡技術方案一般分為業務層、鏈路層和物理層這三個層次。業務層通常會運用支持L3VPN 的SR+SDN 組網技術，以此來對業務靈活調度的需求和要求進行有效地滿足。SR 組網的轉發節點那個能夠發揮出拓撲信息的維護作用，使得網絡的可擴展性得到更加的運用。同時SR 網絡通過設置源節點的傳輸路徑來轉發報文，通過與SDN 網絡的結合與利用，平衡了集中優化與智能分布式，使得路徑調整效率得到更好地提高。鏈路層網絡技術是以FlexE 技術為基礎，對端到端組網、交叉組網、接口進行支持，能夠提供低時延和網絡分片應用技術，促進義務的捆綁和隔離，其是邏輯層主流技術中的新秀。物理層是以DWDM 技術為基礎和核心，且接入層的接口組網通常會運用25G和50G的網絡，其能夠更好地擴展帶寬，實現反向復用，對于持續演進與大帶寬組網的要求得以有效地支持。

2.2.4 5G 系統網絡新型構架的主要特點

5G 系統提出了CU 和DU 的分離，同時傳送網絡的三部分在地理位置上是相互重疊的，光纖和機房資源是共享的，且面向分組的網絡是首選，所以可采用統一的具有分片功能的SPN 技術架構技術來實現，以滿足其對帶寬、時延以及業務模型等方面的需求。在5G 部署初期，基站采用低頻段組網技術，CU 和DU 采用合設的方式，RRU 采用分離方式；在熱點區域部署高頻站進行覆蓋，CU 與DU 采用分離的方式以實現統一錨點。在后期，采用高頻站組網，DU 與RRU 采用合設的方式，CU 采用小集中或大集中的方式。根據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，使用新的SPN 實現設備轉發時延，基于時隙利于在物理層上進行轉發處理，大幅時延干擾。

隨著智能通信技術的快速演進，互聯網爆炸式增長已遠遠超出想象，諸多新業務也給運營商建設、維護和升級帶來巨大挑戰。而SDN（軟件定義網絡）和NFV（網絡功能虛擬化）為解決以上問題提供了很好的方法。另外，根據網絡條件和技術進步的趨勢，提出了新型無線接入網構架。C-RAN（基于云計算的無線接入網）是基于集中化處理，協作式無線電和實時云計算構架的綠色無線網構架。云架構高性能更好的低成本的特點，有利于5G 通信技術發展。

3 結語

綜上所述，現如今，隨著互聯網信息科技的不斷發展，人們在5G 同步、流量調度、網絡切片、延時低、大寬帶等方面的需求急劇增加，因而對于5G 傳輸技術需要更高的標準和要求。加快5G 傳輸技術方案的標準以及統一方面的研究和試驗，進而推動其向新一代的方向發展和演進。來不斷滿足大規模商用需求，推動社會經濟持續、健康發展。