5G网络变化及承载网应对探讨
李尊
【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 Networks
LI Zun
[Abstract] The evolution 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， the 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 words]5G； C-RAN； WDM； bearing network
1 引言
隨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]。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：
图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）CU：原BBU的非实时部分将分割出来，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）DU：BBU的剩余功能重新定义为DU（Distribute
Unit，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]。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 m～1 000 m缩小到20 m～30 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主要应用场景的三个需求——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間存在中传时延。
而对于CU和DU分开部署的情况，需要考虑中传传输距离、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μs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5G RAN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DWDM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]。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。
5 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RAN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：
[1] 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.
[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-dense networks （UUDN） for 5G： challenges， methodologies and directions[J]. IEEE Wireless Communications Magazine， 2016，23（2）： 78-85.
[6] 雷秋燕，张治中，程方，等. 基于C-RAN的5G无线接入网架构[J]. 电信科学， 2015（1）： 106-115.
[7] 刘宜明，李曦，纪红，等. 面向5G超密集场景下的网络自组织关键技术[J]. 电信科学， 2016（6）： 34-36.
[8] 霍晓莉，荆瑞泉. BBU集中部署时CPRI链路承载方案[J]. 电信科学， 2015（8）： 161-165.
[9] 王昌廷，韩冬梅. C-RAN传输解决的新思路[J]. 通信世界， 2015（6）： 8-10.
[10] 月球，王晓周，杨小乐. 5G网络新技术及核心网架构探讨[J]. 现代电信科技， 2014（12）： 27-31.
【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 Networks
LI Zun
[Abstract] The evolution 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， the 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 words]5G； C-RAN； WDM； bearing network
1 引言
隨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]。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：
图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）CU：原BBU的非实时部分将分割出来，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）DU：BBU的剩余功能重新定义为DU（Distribute
Unit，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]。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 m～1 000 m缩小到20 m～30 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主要应用场景的三个需求——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間存在中传时延。
而对于CU和DU分开部署的情况，需要考虑中传传输距离、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μs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5G RAN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DWDM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]。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。
5 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RAN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：
[1] 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.
[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-dense networks （UUDN） for 5G： challenges， methodologies and directions[J]. IEEE Wireless Communications Magazine， 2016，23（2）： 78-85.
[6] 雷秋燕，张治中，程方，等. 基于C-RAN的5G无线接入网架构[J]. 电信科学， 2015（1）： 106-115.
[7] 刘宜明，李曦，纪红，等. 面向5G超密集场景下的网络自组织关键技术[J]. 电信科学， 2016（6）： 34-36.
[8] 霍晓莉，荆瑞泉. BBU集中部署时CPRI链路承载方案[J]. 电信科学， 2015（8）： 161-165.
[9] 王昌廷，韩冬梅. C-RAN传输解决的新思路[J]. 通信世界， 2015（6）： 8-10.
[10] 月球，王晓周，杨小乐. 5G网络新技术及核心网架构探讨[J]. 现代电信科技， 2014（12）： 27-31.
