5G网络变化及承载网应对探讨

1、5G 网络变化及承载网应对探讨【摘 要】分析了 5G 网络架构的演进趋势和承载网面临的挑战及应对策略。 承载网接入层由环形向星型 / 树形结构转变来应对5G RAN 的变化。结合目前各运营商主流技术，采用PON、 有源WDM 和无源 WDM 等技术对 5G 接入网承载的可行性进行探讨，相关结果可给今后国内 5G 的试验网推 动提供一定的参考建议。【关键词】 5G； C-RAN； WDM ；承载网Discussion on the Change of 5G Networks and the Response to Bearing NetworksLI ZunAbstract The evolut

2、ion 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 ， th

3、e 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 words5G ；C-RAN；WDM ； bearing network1 引言?$着信息化的快速发展以及新一代智能终端设备的快速增长，现有信息网络面临着巨大的挑战，为进一步满足

4、将来数据流量的高速增长、万物互联以及不断涌现的新业务和新需求，5G移动通信系统应运而生1。5G技术面向移动互联网和物联网， 主要面向三个技术场景： 高可靠低时延uRLLC，增强型移动带宽 eMBB， 大吞吐量和大规模机器通信mMTC，其分别具备低时延、大吞吐量、大连接的特征。三个技术场景都需要 5G 网络更加靠近用户， 在 5G 核心层部分下移的同时，回传方式由环形向树形 / 星型转变。而为了满足5G 网络架构的变化，承载网也需要在结构上、技术上进行优化，才能应对 5G 网络的新挑战。2 5G 网络架构演进趋势5G 是面向移动互联网以及物联网的， 各大运营商从业务需求及体验感出发，在异构网络中

5、向用户提供更好的体验和感知，融合多层次覆盖、多接入技术、多业务系统等 5G 重要特征2 o对于三个业务场景，5G要提供更大带宽、更低时延，需对 RAN (Radio Access Network)进行优化，如图 1所示：1 5G 网络结构演变趋势 1） AAU:将原4G网络BBU的部分物理层处理功能与 原RRU合并为 AAU（Active Antenna Unit ,有源天线处理单元） 2） CUI：原BBU的非实时部分将分割由来，重新定义 为 CU（ Centralized Unit ， 集中单元） ， 负责处理非实时的协议 和服务。 3） 3） DU： BBU 的剩余功能重新定义为 DU（

6、 DistributeUnit ，分布单元） ，负责处理物理层协议和实时服务3与此同时，为了满足5G 低时延业务处理的时效性，需要将原有部署在机楼的核心网部分功能下移。以减少 UE（User Equipment,用户设备）到核心网的时延。因此，核心网侧需要推动 MEC（ Mobile Edge Computing ，移动边缘计算）的标准化，同时考虑MEC下移以及云化。如图 1所示,首先将核心网从核心层下沉到汇聚层，原先的 4G 核心网拆 分成New Core和MEC两部分。其中New Core将云化部署在 汇聚层的区域汇聚中心，MEC将部署在区域汇聚或更低的位置汇聚层，对于承载网提出更加灵活的

7、 Mesh 组网需求。3 5G 网络对承载网的挑战工信部已经明确采用 3.5 GHz和4.9 GHz频段来解决5G 阶段的广覆盖问题，28 GHz和73 GHz邻近高频段主要用来 进行密集覆盖和流量提升4 o跟4G基站相比,5G基站的密 度更大，接入点与终端设备的距离减少。根据站点覆盖模拟推算，未来5G 网络宏基站、室内和微站加起来的接入点部 署密度将达到现有部署密度的 10 倍以上，接入点距离则从2G阶段的700 m1 000 m缩小到20 m30 m甚至更小5,具体如图 2 和图 3 所示：图 2 2G 到 5G 的带宽增加示意图图 3 2G 到 5G 的站点间距减少示意图通过分析5G主要

8、应用场景的三个需求一一大速率、大带宽、大连接，每种场景需求都比现有业务有 10 倍以上的提升， 则 5G 单位面积的接入速率是 4G 的 1 000 倍， 5G 网络需要基站密度、频谱带宽、频谱利用率都同时提升10 倍。5G 的需求与挑战对传输网来说近乎苛刻。4 5G 承载网应对探讨4.1 承载网时延应对3GPP等相关标准组织对不同业务的时延要求指标如表1所示 3 。以上几种业务对时延指标的要求将会对5G 网络架构以及相应的承载网架构产生较大的影响。根据5G网络结构演变趋势来看，5G RAN主要有3种部 署方式：单站、CU+DU集中部署、CU集中部署，具体如图4 所示。图4 5G RAN主要部

9、署方式（ 1)对于单站方式，CU+DU可以合设在基站内。（ 2)对于CU+DU集中部署方式，CU+DU可以合设在汇 聚机房内。（ 3)对于CU 集中部署方式，需要安装的 CU 数量不需要太多，因此CU 可部署在较高级别的骨干汇聚机房/ 区域汇聚机房内。而DU 负责处理物理层协议和实时业务，需要很 接近底层， 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网机房，分布方式 DU 可部署在基站。对于CU-DU的中传，为了满足时延要求最高的 uRLLC业 务，可考虑采用 CU和DU合并部署的方式避免 CU-DU?g存 在中传时延。而对于 CU 和 DU 分开部署的情况， 需要考

10、虑中传传输距离、设备数量对时延的影响。比如：（ 1）减少汇聚层和接入层的站点数量；（ 2）在小区域内搭建接入层、汇聚层网状网，提供直达路由，减少设备跳数；（ 3）用超低时延技术的设备来组网。4.2 承载网结构优化在 2G、 3G、 4G 阶段，站点数量较少，承载网采用双归环形方式可提高可靠性，这也是各运营商主要选择的组网方式，具体如图 5 所示：图 5 2G 到 4G 站点组网以环形为主5G 阶段，主要采用 DU+AAU 的方式进行组网， AAU 的站点比之前的宏站、室分密度更大。既有进行广覆盖的宏基站，也有进行室内覆盖以及为了改善小区边缘用户质量进行热点覆盖而密集部署的小蜂窝，如皮站、飞站等

11、微小站6 。大量灵活的C-RAN组网需要承载网接入层考虑以树形或星形为主，以更加适应 5G RAN 网络架构的变化，如图 6 所示：图 6 5G 站点组网以环形/ 星型为主4.3 承载新技术应用（ 1） PON 网络承载无线网络向C-RAN的方向发展，与此同时基站密度越来越大，这就需要结构更加适应，成本更加低廉的传送承载网络。 5G 中的站点覆盖范围小， AAU 站点分布具备离散性和不确定性，要求回传光缆网更加灵活。在目前各运营商的承载网建设过程中，原有的基站承载网都无法满足5G 网络的承载需求，现有运营商采用的IPRAN PTN等回传技术对接入光缆网的消耗非常大，无法满足所有 5G 站点建设

12、需求。而前期运营商已经部署多年的家庭宽带网络，网络结构恰好与5G RAN的结构一致，所以采用家宽承载网 PON对5G网络进行回传是一个重要的思路7 。家庭宽带网络建设是各大运营商争夺的一个重要市场。原有的 PON 网络覆盖大部分小区， 海量光纤已经部署到商业、家庭小区楼下工作间甚至是用户内部。 已经部署的 PON 网络ODN 与 DU-AAU 的树形/ 星型覆盖十分吻合。近几年经过技术升级， PON 网络已经具备承载多种综合业务的能力，带宽从原来的 1G 可升级为10G， G.984.3 Amd 2 标准和IEEE 802.1AS标准也分别定义GPON和EPON系统时间传递的协议。PON可利用

13、OLT设备内置时钟模块，实现对外部时间的同步跟踪, 并生成内部系统时间，作为基准时间同步，如图 7 所示。目前采用 1588V2 时间同步基本可达（±50 ns） 8 ，可以满足以s级别的前传（AAU-DU）时延。图 7 PON 网络时间同步示意图与此同时，由于DU-AAU前传网络与PON网络结构类似，采用 PON 网络承载前传站点可以节省大量的光纤基础资源。随着城市化进程的加速，基础设施建设区域统一规划，建设难度会越来越大。采用 PON 网络接入，可以快速地推进5GRAN 建设， 也可以节省大量光缆投资。 对于主干光纤可省 80%的光纤，配纤可省50%的光纤，微基站的密度越高，节省

14、的主干光纤量越大。 PON 网络纤芯使用如图 8 所示，非 PON网络纤芯使用如图9 所示。图 8 PON 网络纤芯使用图 9 非 PON 网络纤芯使用（ 2）无源 DWDM无源 DWDM 主要是将原有波分系统中的波长转换模块安装在 DU-AAU 的对端， 而波分系统中仅保留的 D/W 合分波板完成 WDM 功能 9 。这样 ODN 网络为 1： N 的组网结构，DU-AAU 之间只需要一对光纤即可满足需求，如图 10 所示。无源 DWDM 的优点是在AAU 侧安装的光模块可以不区分波长，以提高可靠性及维护性。在 CO （DU）节点使用集中光源，在CO节点调制上行。（ 3）有源DWDM有源DW

15、DM方案在DU和AAU之间建设小型化 OTN系 统，AAU侧和DU侧均安装有源的 OTN设备，两端OTN设备 采用两芯纤组网10 o DU和AAU之间的OTN系统可以根据 实际需要进行点对点、 环网的方式设置。 优点是可以利用 OTN 系统的高可靠性和可管理性。缺点是对于大量的站点均设置 小型化 OTN 系统，接入成本非常高。所以有源DWDM 方案可能会在DU-CU层面布置，在DU-AAU的承载只是作为一种 可能性的方案。 有源 WDM 方案点到点架构如图 11 所示， 有 源 WDM 方案环网架构图如图 12 所示。（ 结束语为了满足三大业务场景， 5G 要提供更大带宽、 更低时延， 需对R

16、AN进行优化。为了满足5G低时延业务处理的时效性， 需要将原有部署在机楼的核心网部分功能下移。基于这些挑 战，提出承载网需要推动 PON、 WDM 技术进一步成熟，可 采用 PON 技术共同承载无线微基站业务和家庭宽带业务。 除 此之外，采用无源 DWDM、有源 DWDM承载DU-AAU也是 一种可行的思路。可以预期，随着5G 网络的发展，各上下游产业链进一步成熟，这将进一步激发移动互联网和物联网 产业的发展，提升我国信息化水平，促进社会经济发展以及 满足人们的生活需要。参考文献：I 李章明 . 5G 移动通信技术及发展趋势的分析与探讨J . 广东通信技术， 2015 （ 4） ： 44-46

17、.2 李信，蒋雷敏. 5G 挑战及技术趋势J. 通信观察，2014 （1） ：12-13.3 中国电信集团 . 5G 时代光传送网技术白皮书 R.2017.4 王志勤，余泉，潘振岗，等. 5G 架构、技术与发展方式探析 J. 电子技术展望， 2016 （ 1） ：14-17.5 CHEN S Z，QIN F，HU B. User-centric ultra-densenetworks （ UUDN） for 5G ： challenges， methodologies and directionsJ. IEEE Wireless Communications Magazine ， 2016 ， 23（ 2） ： 78-85.6 雷秋燕，张治中，程方，等.基于C-R