5G網(wǎng)絡變化及承載網(wǎng)應對探討

1、5G網(wǎng)絡變化及承載網(wǎng)應對探討摘要】分析了5G網(wǎng)絡架構(gòu)的演進趨勢和承載網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)及應對策略。承載網(wǎng)接入層由環(huán)形向星型/樹形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變來應對5GRAN的變化。結(jié)合目前各運營商主流技術，采用PON、有源WDM和無源WDM等技術對5G接入網(wǎng)承載的可行性進行探討，相關結(jié)果可給今后國內(nèi)5G的試驗網(wǎng)推動提供一定的參考建議?！娟P鍵詞】5G；C-RAN；WDM；承載網(wǎng)DiscussionontheChangeof5GNetworksandtheResponsetoBearingNetworksLIZunAbstractTheevolutiontrendof5Gnetworkarchitectureandthec

2、hallengeandcountermeasurefacedbybearingnetworksareanalyzed.Thetransitionoftheaccesslayerofbearingnetworksfromringtostar/treestructureisusedtotacklethechangeof5GRAN.Combinewiththemainstreamtechnologiesofoperators，thefeasibilityofbearingbasedonPON，activeWDMandpassiveWDMin5Gaccessnetworksisdiscussed.Re

3、latedresultscanprovidesomereferencestothepromotionofdomestic5Gtrialnetworksinthefuture.Keywords5G；C-RAN；WDM；bearingnetwork1引言隨著信息化的快速開展以及新一代智能終端設備的快速增長，現(xiàn)有信息網(wǎng)絡面臨著巨大的挑戰(zhàn)，為進一步滿足將來數(shù)據(jù)流量的高速增長、萬物互聯(lián)以及不斷涌現(xiàn)的新業(yè)務和新需求，5G移動通信系統(tǒng)應運而生【1】。5G技術面向移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，主要面向三個技術場景：高可靠低時延uRLLC，增強型移動帶寬eMBB，大吞吐量和大規(guī)模機器通信mMTC，其分別具備低時延、大吞吐

4、量、大連接的特征。三個技術場景都需要5G網(wǎng)絡更加靠近用戶，在5G核心層局部下移的同時，回傳方式由環(huán)形向樹形/星型轉(zhuǎn)變。而為了滿足5G網(wǎng)絡架構(gòu)的變化，承載網(wǎng)也需要在結(jié)構(gòu)上、技術上進行優(yōu)化，才能應對5G網(wǎng)絡的新挑戰(zhàn)。25G網(wǎng)絡架構(gòu)演進趨勢5G是面向移動互聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)的，各大運營商從業(yè)務需求及體驗感出發(fā)，在異構(gòu)網(wǎng)絡中向用戶提供更好的體驗和感知，融合多層次覆蓋、多接入技術、多業(yè)務系統(tǒng)等5G重要特征【2】。對于三個業(yè)務場景，5G要提供更大帶寬、更低時延，需對RANRadioAccessNetwork進行優(yōu)化，如圖1所示：圖15G網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)演變趨勢1AAU：將原4G網(wǎng)絡BBU的局部物理層處理功能與原RRU

5、合并為AAUActiveAntennaUnit，有源天線處理單元。2CU：原BBU的非實時局部將分割出來，重新定義為CUCentralizedUnit，集中單元，負責處理非實時的協(xié)議和效勞。3DU：BBU的剩余功能重新定義為DUDistributeUnit，分布單元，負責處理物理層協(xié)議和實時效勞【3】。與此同時，為了滿足5G低時延業(yè)務處理的時效性，需要將原有部署在機樓的核心網(wǎng)局部功能下移。以減少UEUserEquipment，用戶設備到核心網(wǎng)的時延。因此，核心網(wǎng)側(cè)需要推動MECMobileEdgeComputing，移動邊緣計算的標準化，同時考慮MEC下移以及云化。如圖1所示，首先將核心網(wǎng)從核

6、心層下沉到會聚層，原先的4G核心網(wǎng)拆分成NewCore和MEC兩局部。其中NewCore將云化部署在會聚層的區(qū)域會聚中心，MEC將部署在區(qū)域會聚或更低的位置會聚層，對于承載網(wǎng)提出更加靈活的Mesh組網(wǎng)需求。35G網(wǎng)絡對承載網(wǎng)的挑戰(zhàn)工信部已經(jīng)明確采用3.5GHz和4.9GHz頻段來解決5G階段的廣覆蓋問題，28GHz和73GHz鄰近高頻段主要用來進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，接入點與終端設備的距離減少。根據(jù)站點覆蓋模擬推算，未來5G網(wǎng)絡宏基站、室內(nèi)和微站加起來的接入點部署密度將到達現(xiàn)有部署密度的10倍以上，接入點距離那么從2G階段的700m1000m縮小到20

7、m30m甚至更小【5】，具體如圖2和圖3所示：圖22G到5G的帶寬增加示意圖圖32G到5G的站點間距減少示意圖通過分析5G主要應用場景的三個需求大速率、大帶寬、大連接，每種場景需求都比現(xiàn)有業(yè)務有10倍以上的提升，那么5G單位面積的接入速率是4G的1000倍，5G網(wǎng)絡需要基站密度、頻譜帶寬、頻譜利用率都同時提升10倍。5G的需求與挑戰(zhàn)對傳輸網(wǎng)來說近乎苛刻。45G承載網(wǎng)應對探討4.1承載網(wǎng)時延應對3GPP等相關標準組織對不同業(yè)務的時延要求指標如表1所示【3】。以上幾種業(yè)務對時延指標的要求將會對5G網(wǎng)絡架構(gòu)以及相應的承載網(wǎng)架構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。根據(jù)5G網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)演變趨勢來看，5GRAN主要有3種部署方式

8、：單站、CU+DU集中部署、CU集中部署，具體如圖4所示。圖45GRAN主要部署方式1對于單站方式，CU+DU可以合設在基站內(nèi)。2對于CU+DU集中部署方式，CU+DU可以合設在會聚機房內(nèi)。3對于CU集中部署方式，需要安裝的CU數(shù)量不需要太多，因此CU可部署在較高級別的骨干會聚機房/區(qū)域會聚機房內(nèi)。而DU負責處理物理層協(xié)議和實時業(yè)務，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)機房，分布方式DU可部署在基站。對于CU-DU的中傳，為了滿足時延要求最高的uRLLC業(yè)務，可考慮采用CU和DU合并部署的方式防止CU-DU間存在中傳時延。而對于CU和DU分開部署的情

9、況，需要考慮中傳傳輸距離、設備數(shù)量對時延的影響。比方：1減少會聚層和接入層的站點數(shù)量；2在小區(qū)域內(nèi)搭建接入層、會聚層網(wǎng)狀網(wǎng)，提供直達路由，減少設備跳數(shù)；3用超低時延技術的設備來組網(wǎng)。4.2承載網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化在2G、3G、4G階段，站點數(shù)量較少，承載網(wǎng)采用雙歸環(huán)形方式可提高可靠性，這也是各運營商主要選擇的組網(wǎng)方式，具體如圖5所示：圖52G到4G站點組網(wǎng)以環(huán)形為主5G階段，主要采用DU+AAU的方式進行組網(wǎng)，AAU的站點比之前的宏站、室分密度更大。既有進行廣覆蓋的宏基站，也有進行室內(nèi)覆蓋以及為了改善小區(qū)邊緣用戶質(zhì)量進行熱點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

10、承載網(wǎng)接入層考慮以樹形或星形為主，以更加適應5GRAN網(wǎng)絡架構(gòu)的變化，如圖6所示：圖65G站點組網(wǎng)以環(huán)形/星型為主4.3承載新技術應用1PON網(wǎng)絡承載無線網(wǎng)絡向C-RAN的方向開展，與此同時基站密度越來越大，這就需要結(jié)構(gòu)更加適應，本錢更加低廉的傳送承載網(wǎng)絡。5G中的站點覆蓋范圍小，AAU站點分布具備離散性和不確定性，要求回傳光纜網(wǎng)更加靈活。在目前各運營商的承載網(wǎng)建設過程中，原有的基站承載網(wǎng)都無法滿足5G網(wǎng)絡的承載需求，現(xiàn)有運營商采用的IPRAN、PTN等回傳技術對接入光纜網(wǎng)的消耗非常大，無法滿足所有5G站點建設需求。而前期運營商已經(jīng)部署多年的家庭寬帶網(wǎng)絡，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)恰好與5GRAN的結(jié)構(gòu)一致，所

11、以采用家寬承載網(wǎng)PON對5G網(wǎng)絡進行回傳是一個重要的思路【7】。家庭寬帶網(wǎng)絡建設是各大運營商爭奪的一個重要市場。原有的PON網(wǎng)絡覆蓋大局部小區(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ODN與DU-AAU的樹形/星型覆蓋十分吻合。近幾年經(jīng)過技術升級，PON網(wǎng)絡已經(jīng)具備承載多種綜合業(yè)務的能力，帶寬從原來的1G可升級為10G，G.984.3Amd2標準和IEEE802.1AS標準也分別定義GPON和EPON系統(tǒng)時間傳遞的協(xié)議。PON可利用OLT設備內(nèi)置時鐘模塊，實現(xiàn)對外部時間的同步跟蹤，并生成內(nèi)部系統(tǒng)時間，作為基準時間同步，如圖7所示。目前采用1588V2時間

12、同步根本可達±50ns8，可以滿足s級別的前傳AAU-DU時延。圖7PON網(wǎng)絡時間同步示意圖與此同時，由于DU-AAU前傳網(wǎng)絡與PON網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)類似，采用PON網(wǎng)絡承載前傳站點可以節(jié)省大量的光纖根底資源。隨著城市化進程的加速，根底設施建設區(qū)域統(tǒng)一規(guī)劃，建設難度會越來越大。采用PON網(wǎng)絡接入，可以快速地推進5GRAN建設，也可以節(jié)省大量光纜投資。對于主干光纖可省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)絡纖芯使用如圖8所示，非PON網(wǎng)絡纖芯使用如圖9所示。圖8PON網(wǎng)絡纖芯使用圖9非PON網(wǎng)絡纖芯使用2無源DWDM無源DWDM主要是將原有波分系統(tǒng)

13、中的波長轉(zhuǎn)換模塊安裝在DU-AAU的對端，而波分系統(tǒng)中僅保存的D/W合分波板完成WDM功能9。這樣ODN網(wǎng)絡為1：N的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，DU-AAU之間只需要一對光纖即可滿足需求，如圖10所示。無源DWDM的優(yōu)點是在AAU側(cè)安裝的光模塊可以不區(qū)分波長，以提高可靠性及維護性。在CODU節(jié)點使用集中光源，在CO節(jié)點調(diào)制上行。3有源DWDM有源DWDM方案在DU和AAU之間建設小型化OTN系統(tǒng)，AAU側(cè)和DU側(cè)均安裝有源的OTN設備，兩端OTN設備采用兩芯纖組網(wǎng)10。DU和AAU之間的OTN系統(tǒng)可以根據(jù)實際需要進行點對點、環(huán)網(wǎng)的方式設置。優(yōu)點是可以利用OTN系統(tǒng)的高可靠性和可管理性。缺點是對于大量的站點均設

14、置小型化OTN系統(tǒng)，接入本錢非常高。所以有源DWDM方案可能會在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方案點到點架構(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)束語為了滿足三大業(yè)務場景，5G要提供更大帶寬、更低時延，需對RAN進行優(yōu)化。為了滿足5G低時延業(yè)務處理的時效性，需要將原有部署在機樓的核心網(wǎng)局部功能下移?；谶@些挑戰(zhàn)，提出承載網(wǎng)需要推動PON、WDM技術進一步成熟，可采用PON技術共同承載無線微基站業(yè)務和家庭寬帶業(yè)務。除此之外，采用無源DWDM、有源DWDM承載DU-AAU也是一種可行的思路?？梢灶A期，隨著5G網(wǎng)絡的開展，各上下游產(chǎn)業(yè)鏈

15、進一步成熟，這將進一步激發(fā)移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的開展，提升我國信息化水平，促進社會經(jīng)濟開展以及滿足人們的生活需要。參考文獻：【1】李章明.5G移動通信技術及開展趨勢的分析與探討J.廣東通信技術，20214：44-46.【2】李信，蔣雷敏.5G挑戰(zhàn)及技術趨勢J.通信觀察，20211：12-13.【3】中國電信集團.5G時代光傳送網(wǎng)技術白皮書R.2021.【4】王志勤，余泉，潘振崗，等.5G架構(gòu)、技術與開展方式探析J.電子技術展望，20211：14-17.【5】CHENSZ，QINF，HUB.User-centricultra-densenetworksUUDNfor5G：challenges，methodologiesanddirectionsJ.IEEEWirelessCommunicationsMagazine，2021，232：78-85.【6】雷秋