关于5G网络多种传输方案的探讨
赵文姝+何杰+周秀方
【摘 要】为了研究如何实现5G网络的高效承载，先描述了5G典型应用场景对承载网络的需求及挑战，再根据5G的应用需求提出了多种传输承载方案，并着重分析了各种传输方案的优缺点，对不同方案的适用范围进行了探讨。
【关键词】5G传输方案 波分组网 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技術发展非常迅速，国内三大运营商都已经着手5G布局，2017年6月25日，在广州大学城，中国移动首个5G基站正式开通，这也标志着5G网络应用逐渐开启。在5G正式部署之前，如何实现5G网络高标准的承载需求，同时结合现有网络架构，最大程度地节省建设投资，已经成为整个光通信行业关注的重心和研究热点，因此，本文接下来将提出多种传输承载方案，并对各种传输方案的优缺点及其适用范围进行探讨。
2 5G对承载网络的需求及挑战
“5G”即第五代移动通信技术，ITU已将5G标准正式命名为IMT-2020，是目前正在推进的“4G”的延伸，但业界普遍认为5G与4G截然不同，5G不仅是一次技术的更新，更是一个全新技术，是真正实现泛在、智能、融合、高速、绿色的强大通信网络，是无线接入技术的演进和革命。
5G使万物互联成为可能，提供人与人、人与物以及物与物之间高速、安全、自由的连接，也将驱动更多新的业务场景，典型的应用场景包括广覆盖、高接入密度、高接入速率、突发流量和低时延等，这些应用将带领我们进入人工智能时代。
（1）连续广域覆盖：以保证用户移动性和业务连续性为目标，为用户提供无缝高速业务体验，如无人驾驶。
（2）热点高容量：主要面向局部热点区域，可以为用户提供1 Gbit·s-1用户体验速率，数十Gbit·s-1峰值速率，满足网络极高的流量密度需求；单位面积吞吐量显著提升，热点区域数十T Gbit·s-1/km2的流量密度需求，如虚拟办公。
（3）低功耗大连接：以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特点，要求网络具备超千亿连接的支持能力，满足100万/km2连接数密度指标要求，还要保证终端的超低功耗和超低成本，如物联网、智慧城市。
（4）低时延高可靠：对时延和可靠性具有极高的指标要求，需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证，如车联网。
针对5G的主要应用场景，总结承载网络主要面临以下需求及挑战如表1所示：
广覆盖、高容量将要求5G的基站更加小型化，便于安装于各种场景，同时具备更强大的功能；低功耗要求5G网络绿色低碳节能，比如续航能力是4G网络的100倍，终端可用5到10年；而低时延、高可靠、大带宽等网络需求，需要5G网络架构将进一步扁平化，它将是功能强大的基站叠加一个大服务器集群。
5G的业务需求及网络架构的变化将对网络功能提出新的要求，直接影响承载网络的的技术指标，如带宽、时延、时钟精度和可靠性等，因此研究如何在满足5G技术指标的前提下，进行5G时代光传送网的技术演进尤为重要，这将是5G是否能推广应用的关键前提。
3 5G传输方案探讨
本节将重点讨论5G建设初期传输网络技术选择和组网方案的选择。
3.1 方案一：端到端分组增强型OTN组网方案
如图1所示，5G传输接入层采用100 G波分组网，汇聚层采用T级别波分的组网方式。
（1）组网方案
1）前传方案：基站通过裸纤与DU（Distribute Unit，分布单元）连接，满足未来移动用户大带宽、低时延、高可靠信息传送需求。
基站流量预测：5G基站带宽均值将超过1 G，峰值或超10 G；对S111站型，CIR/PIR将达到4 G/16 G。
2）中传方案：DU汇聚基站后接入物理网光交配线端子；物理网光交汇聚DU上行光缆后，DU通过物理网光交成环，物理网光交再通过主干光缆或波分设备上传至局端CU（Centralized Unit，集中单元）。
接入层流量预测：按每接入环6个站，一个站达到峰值带宽计算，接入环带宽将达到40 G，考虑到5G基站的密集程度，100 G组网可能性更大；
3）回传方案：CU通过100 G～T级别波分或中继光缆回传至5G核心网。
汇聚层流量预测：汇聚层波分环考虑到将汇聚多个接入环，则有可能达到T级别组网。
（2）方案一优点
1）大带宽：融合分组技术及超100 G光传送技术，能有效支撑5G网络千倍接入速率；
2）低时延：融合形态，灵活实现业务穿通节点光层直通，应对5G端到端超低时延的巨大挑战；
3）物理链路高安全：DU至光纤物理网光交采用双上行，物理网光交至MS-OTN也采用双上行连接，极大地提高了DU设备的安全性；
4）大容量、少节点：通过MS-OTN汇接DU后再接入CU（无线接入控制设备），可以有效收敛上行光缆，节省CU端口，并使CU覆盖较大的地域面积，减少CU部署点位，有效降低设备组网、传输线路及维护等需求；
5）线路带宽易升级：MS-OTN设备只需插卡，线路带宽可轻松从100 G扩展至400 G，设备不换、机房不改、平滑扩展，实现“超100 G”带宽。
（3）方案一缺点
1）投资大：需搭建两张高速率高性能的OTN环网，在利用现网OTN设备的基础上，仍需新增较多节点，投资巨大；
2）网络较复杂：新建较多的MS-OTN设备用以5G基站信息传输，增加了网络的复杂性。
3.2 方案二：固移融合承载方案
固移融合5G承载方案如图2所示。
（1）组网方案
1）前传方案：基站通过裸纤与DU连接，满足未来移动用户大带宽、低时延信息传送需求；室内小基站（RRU+DC部分）可与ONU集成，易于部署。
2）中传方案：
DU汇聚基站光缆后接入OLT设备PON口；
OLT下沉至小区后，同时接入有线PON业务及无线5G基站；
物理网光交汇聚OLT上行光缆后，通过主干光缆设备上行至局端CU。
3）回传方案：CU通过中继光缆回传至5G核心网。
（2）方案二优点
1）组网简单：利用现有网络结构，升级OLT设备，增加物理网光交数量，即可完成组网；
2）固移融合：有线、无线综合承载，提高设备利用效率，有效节省机房空间，节约能耗，且有线无线业务带宽、性能等实现同步升级；
3）大带宽传输：除采用超10 G甚至100 G PON OLT设备进行DU设备承载外，全程光链路直达，支持5G超大带宽应用；
4）物理链路高安全：DU（5G无线接入单元）至OLT采用双上行，OLT至物理网光交也尽量采用双上行连接，且物理网光交呈环状结构，极大地提高了DU设备的安全性；
5）线路带宽易升级：OLT设备可实现平滑升级，设备不换、机房不改、平滑扩展，实现“超100 G”带宽；
6）节省物理网光纤资源：采用OLT设备作为CU、DU之间的汇聚点，可以起到大幅汇聚基站上行光缆的作用，降低对光纤物理网资源的消耗。
（3）方案二缺点
1）需克服OLT时延较大问题：由于OLT的上行采用TDMA（时分复用）方式，因此上行信息流时延暂时无法满足5G的超低时延需求。因此，如采用OLT融合承载无线及有线业务，需要对OLT时延进行优化，或者通过端到端QoS保障5G基站业务传输低时延、高可靠和大带宽的需求；
2）CU覆盖范围有限：由于DU通過光纤物理网直接汇接到CU，且光纤物理网单环上仅能带4～6个光交，密集城区每个光交覆盖半径为1 km左右，这意味着CU覆盖范围内能接入的基站数量受覆盖面积限制而容量有限，不能最大限度地发挥CU的效能。
3.3 其他传输方案
除以上两种方案外，还可以采用以下方案：
（1）方案三：以方案一为基本网络架构，结合方案二，具体是将接入层的MS-OTN设备作为综合接入设备，MS-OTN同时接入基站以及OLT设备，基站完成无线接入，OLT设备完成有线接入。
（2）方案四：以方案二为基本网络架构，将OLT设备用超低时延交换机替代，采用三层交换机或路由器进行回传。
（3）方案五：以方案二为基本网络架构，将OLT设备用高速IPRAN设备替代。
（4）方案六：以方案三为基本网络架构，暂时不建设接入层的MS-OTN环，DU直接通过光纤物理网接入CU。此方案占用纤芯资源较多，适用于少量补点，不适用于大规模建设。
在实际的建设过程中，具体采取何种传输组网方案，主要取决于以下条件：
（1）CU的定位：CU在网络层级中的定位，即CU位置的选择、覆盖的范围、接入用户规模等。如果CU在汇聚层面，覆盖广、容量大，采用方案一更合理；反之，如果CU在接入汇聚层面，位置与4G BBU机房位置类似，则可采用方案五。
（2）资金投入：投资的大小也对网络架构的选择起到重要的影响作用，方案一、方案三投资巨大，但网络架构清晰、合理，能满足5G传输各项指标。方案二、三、五投资较低，适用于试点阶段或少量补点建设。
（3）技术进步：技术的进步也可以改变网络建设方式，例如OLT设备能解决时延、同步，IPRAN设备能解决带宽等技术难题，5G网络的接入方式将更加丰富。
实际建设时，还是应根据具体的情况，灵活选取组网方式，以期能达到网络最优、投资最省的效果。
4 结束语
5G正在逐步成熟，给传送网络带来的不仅是流量的攀升，低时延、高可靠、灵活智能等要求都是对现有网络架构的挑战，因此本文结合具体的建设需求，提供了多种传输解决方案。随着5G标准的进一步明确，笔者认为传送网目前还需要重点关注CU的定位、网络层级、覆盖密度，这将决定匹配何种传输组网方案更为合理，并按最优的承载方案提前准备光纤和机房资源，为迎接5G的部署做好充分的准备工作。
参考文献：
[1] ITU-Working Party 5D. Draft new Recommendation ITU-R M[S]. 2015.
[2] Network Technology R&D Center， SK Telecom. SK Telecom 5G White Paper[R]. 2014.
[3] IMT-2020（5G）推进组. 5G网络架构白皮书[S]. 2015.
[4] IMT-2020（5G）推进组. 5G概念白皮书[S]. 2015.
[5] NGMN. NGMN5G白皮书[S]. 2015.
[6] 中国电信CTNet2025网络重构开放实验室. 5G时代光传送网技术白皮书[R]. 2017.
[7] 陈晓贝，魏克军. 全球5G研究动态和标准进展[J]. 电信科学， 2015，31（5）： 10-13.
[8] 李信，蒋雷敏. 5G技术与应用[J]. 消费电子， 2014（14）： 92.
[9] 李信，栾文涛. 浅谈5G移动通信[J]. 信息技术与应用， 2015（17）： 26.
[10] 耿亮，张德朝，王世光，等. 5G回传网络技术探讨[J]. 电信网技术， 2015，9（9）： 15.
【摘 要】为了研究如何实现5G网络的高效承载，先描述了5G典型应用场景对承载网络的需求及挑战，再根据5G的应用需求提出了多种传输承载方案，并着重分析了各种传输方案的优缺点，对不同方案的适用范围进行了探讨。
【关键词】5G传输方案 波分组网 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技術发展非常迅速，国内三大运营商都已经着手5G布局，2017年6月25日，在广州大学城，中国移动首个5G基站正式开通，这也标志着5G网络应用逐渐开启。在5G正式部署之前，如何实现5G网络高标准的承载需求，同时结合现有网络架构，最大程度地节省建设投资，已经成为整个光通信行业关注的重心和研究热点，因此，本文接下来将提出多种传输承载方案，并对各种传输方案的优缺点及其适用范围进行探讨。
2 5G对承载网络的需求及挑战
“5G”即第五代移动通信技术，ITU已将5G标准正式命名为IMT-2020，是目前正在推进的“4G”的延伸，但业界普遍认为5G与4G截然不同，5G不仅是一次技术的更新，更是一个全新技术，是真正实现泛在、智能、融合、高速、绿色的强大通信网络，是无线接入技术的演进和革命。
5G使万物互联成为可能，提供人与人、人与物以及物与物之间高速、安全、自由的连接，也将驱动更多新的业务场景，典型的应用场景包括广覆盖、高接入密度、高接入速率、突发流量和低时延等，这些应用将带领我们进入人工智能时代。
（1）连续广域覆盖：以保证用户移动性和业务连续性为目标，为用户提供无缝高速业务体验，如无人驾驶。
（2）热点高容量：主要面向局部热点区域，可以为用户提供1 Gbit·s-1用户体验速率，数十Gbit·s-1峰值速率，满足网络极高的流量密度需求；单位面积吞吐量显著提升，热点区域数十T Gbit·s-1/km2的流量密度需求，如虚拟办公。
（3）低功耗大连接：以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特点，要求网络具备超千亿连接的支持能力，满足100万/km2连接数密度指标要求，还要保证终端的超低功耗和超低成本，如物联网、智慧城市。
（4）低时延高可靠：对时延和可靠性具有极高的指标要求，需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证，如车联网。
针对5G的主要应用场景，总结承载网络主要面临以下需求及挑战如表1所示：
广覆盖、高容量将要求5G的基站更加小型化，便于安装于各种场景，同时具备更强大的功能；低功耗要求5G网络绿色低碳节能，比如续航能力是4G网络的100倍，终端可用5到10年；而低时延、高可靠、大带宽等网络需求，需要5G网络架构将进一步扁平化，它将是功能强大的基站叠加一个大服务器集群。
5G的业务需求及网络架构的变化将对网络功能提出新的要求，直接影响承载网络的的技术指标，如带宽、时延、时钟精度和可靠性等，因此研究如何在满足5G技术指标的前提下，进行5G时代光传送网的技术演进尤为重要，这将是5G是否能推广应用的关键前提。
3 5G传输方案探讨
本节将重点讨论5G建设初期传输网络技术选择和组网方案的选择。
3.1 方案一：端到端分组增强型OTN组网方案
如图1所示，5G传输接入层采用100 G波分组网，汇聚层采用T级别波分的组网方式。
（1）组网方案
1）前传方案：基站通过裸纤与DU（Distribute Unit，分布单元）连接，满足未来移动用户大带宽、低时延、高可靠信息传送需求。
基站流量预测：5G基站带宽均值将超过1 G，峰值或超10 G；对S111站型，CIR/PIR将达到4 G/16 G。
2）中传方案：DU汇聚基站后接入物理网光交配线端子；物理网光交汇聚DU上行光缆后，DU通过物理网光交成环，物理网光交再通过主干光缆或波分设备上传至局端CU（Centralized Unit，集中单元）。
接入层流量预测：按每接入环6个站，一个站达到峰值带宽计算，接入环带宽将达到40 G，考虑到5G基站的密集程度，100 G组网可能性更大；
3）回传方案：CU通过100 G～T级别波分或中继光缆回传至5G核心网。
汇聚层流量预测：汇聚层波分环考虑到将汇聚多个接入环，则有可能达到T级别组网。
（2）方案一优点
1）大带宽：融合分组技术及超100 G光传送技术，能有效支撑5G网络千倍接入速率；
2）低时延：融合形态，灵活实现业务穿通节点光层直通，应对5G端到端超低时延的巨大挑战；
3）物理链路高安全：DU至光纤物理网光交采用双上行，物理网光交至MS-OTN也采用双上行连接，极大地提高了DU设备的安全性；
4）大容量、少节点：通过MS-OTN汇接DU后再接入CU（无线接入控制设备），可以有效收敛上行光缆，节省CU端口，并使CU覆盖较大的地域面积，减少CU部署点位，有效降低设备组网、传输线路及维护等需求；
5）线路带宽易升级：MS-OTN设备只需插卡，线路带宽可轻松从100 G扩展至400 G，设备不换、机房不改、平滑扩展，实现“超100 G”带宽。
（3）方案一缺点
1）投资大：需搭建两张高速率高性能的OTN环网，在利用现网OTN设备的基础上，仍需新增较多节点，投资巨大；
2）网络较复杂：新建较多的MS-OTN设备用以5G基站信息传输，增加了网络的复杂性。
3.2 方案二：固移融合承载方案
固移融合5G承载方案如图2所示。
（1）组网方案
1）前传方案：基站通过裸纤与DU连接，满足未来移动用户大带宽、低时延信息传送需求；室内小基站（RRU+DC部分）可与ONU集成，易于部署。
2）中传方案：
DU汇聚基站光缆后接入OLT设备PON口；
OLT下沉至小区后，同时接入有线PON业务及无线5G基站；
物理网光交汇聚OLT上行光缆后，通过主干光缆设备上行至局端CU。
3）回传方案：CU通过中继光缆回传至5G核心网。
（2）方案二优点
1）组网简单：利用现有网络结构，升级OLT设备，增加物理网光交数量，即可完成组网；
2）固移融合：有线、无线综合承载，提高设备利用效率，有效节省机房空间，节约能耗，且有线无线业务带宽、性能等实现同步升级；
3）大带宽传输：除采用超10 G甚至100 G PON OLT设备进行DU设备承载外，全程光链路直达，支持5G超大带宽应用；
4）物理链路高安全：DU（5G无线接入单元）至OLT采用双上行，OLT至物理网光交也尽量采用双上行连接，且物理网光交呈环状结构，极大地提高了DU设备的安全性；
5）线路带宽易升级：OLT设备可实现平滑升级，设备不换、机房不改、平滑扩展，实现“超100 G”带宽；
6）节省物理网光纤资源：采用OLT设备作为CU、DU之间的汇聚点，可以起到大幅汇聚基站上行光缆的作用，降低对光纤物理网资源的消耗。
（3）方案二缺点
1）需克服OLT时延较大问题：由于OLT的上行采用TDMA（时分复用）方式，因此上行信息流时延暂时无法满足5G的超低时延需求。因此，如采用OLT融合承载无线及有线业务，需要对OLT时延进行优化，或者通过端到端QoS保障5G基站业务传输低时延、高可靠和大带宽的需求；
2）CU覆盖范围有限：由于DU通過光纤物理网直接汇接到CU，且光纤物理网单环上仅能带4～6个光交，密集城区每个光交覆盖半径为1 km左右，这意味着CU覆盖范围内能接入的基站数量受覆盖面积限制而容量有限，不能最大限度地发挥CU的效能。
3.3 其他传输方案
除以上两种方案外，还可以采用以下方案：
（1）方案三：以方案一为基本网络架构，结合方案二，具体是将接入层的MS-OTN设备作为综合接入设备，MS-OTN同时接入基站以及OLT设备，基站完成无线接入，OLT设备完成有线接入。
（2）方案四：以方案二为基本网络架构，将OLT设备用超低时延交换机替代，采用三层交换机或路由器进行回传。
（3）方案五：以方案二为基本网络架构，将OLT设备用高速IPRAN设备替代。
（4）方案六：以方案三为基本网络架构，暂时不建设接入层的MS-OTN环，DU直接通过光纤物理网接入CU。此方案占用纤芯资源较多，适用于少量补点，不适用于大规模建设。
在实际的建设过程中，具体采取何种传输组网方案，主要取决于以下条件：
（1）CU的定位：CU在网络层级中的定位，即CU位置的选择、覆盖的范围、接入用户规模等。如果CU在汇聚层面，覆盖广、容量大，采用方案一更合理；反之，如果CU在接入汇聚层面，位置与4G BBU机房位置类似，则可采用方案五。
（2）资金投入：投资的大小也对网络架构的选择起到重要的影响作用，方案一、方案三投资巨大，但网络架构清晰、合理，能满足5G传输各项指标。方案二、三、五投资较低，适用于试点阶段或少量补点建设。
（3）技术进步：技术的进步也可以改变网络建设方式，例如OLT设备能解决时延、同步，IPRAN设备能解决带宽等技术难题，5G网络的接入方式将更加丰富。
实际建设时，还是应根据具体的情况，灵活选取组网方式，以期能达到网络最优、投资最省的效果。
4 结束语
5G正在逐步成熟，给传送网络带来的不仅是流量的攀升，低时延、高可靠、灵活智能等要求都是对现有网络架构的挑战，因此本文结合具体的建设需求，提供了多种传输解决方案。随着5G标准的进一步明确，笔者认为传送网目前还需要重点关注CU的定位、网络层级、覆盖密度，这将决定匹配何种传输组网方案更为合理，并按最优的承载方案提前准备光纤和机房资源，为迎接5G的部署做好充分的准备工作。
参考文献：
[1] ITU-Working Party 5D. Draft new Recommendation ITU-R M[S]. 2015.
[2] Network Technology R&D Center， SK Telecom. SK Telecom 5G White Paper[R]. 2014.
[3] IMT-2020（5G）推进组. 5G网络架构白皮书[S]. 2015.
[4] IMT-2020（5G）推进组. 5G概念白皮书[S]. 2015.
[5] NGMN. NGMN5G白皮书[S]. 2015.
[6] 中国电信CTNet2025网络重构开放实验室. 5G时代光传送网技术白皮书[R]. 2017.
[7] 陈晓贝，魏克军. 全球5G研究动态和标准进展[J]. 电信科学， 2015，31（5）： 10-13.
[8] 李信，蒋雷敏. 5G技术与应用[J]. 消费电子， 2014（14）： 92.
[9] 李信，栾文涛. 浅谈5G移动通信[J]. 信息技术与应用， 2015（17）： 26.
[10] 耿亮，张德朝，王世光，等. 5G回传网络技术探讨[J]. 电信网技术， 2015，9（9）： 15.
