5G網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)與應(yīng)用場景解析

移動通信網(wǎng)絡(luò)在大面積普及4G網(wǎng)絡(luò)以后，中國用戶的使用體驗和網(wǎng)絡(luò)速率得到較大提升。隨著技術(shù)進(jìn)步和多方面因素的驅(qū)動，美日韓及歐洲的5G測試與商用正在加速，國內(nèi)方面，工信部也在積極推進(jìn)5G的進(jìn)程，IMT2020推進(jìn)組的5G技術(shù)研發(fā)驗證已從關(guān)鍵技術(shù)驗證階段到了技術(shù)方案驗證階段，中移動集團(tuán)也在積極布局5G，加緊進(jìn)行5G的外場驗證。

1.1??3GPP時間表

以目前3GPP標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)奏，預(yù)判2020年試商用能相對比較成熟，而隨著產(chǎn)業(yè)環(huán)境加速的趨勢，也可能基于目前的Rel-14版本或Rel-15版本開展試點或試商用，試商用中將更側(cè)重于增強版的移動寬帶（eMBB）應(yīng)用場景。如圖1所示。

圖1??? 3GPP標(biāo)準(zhǔn)節(jié)奏

1.2? 5G的典型應(yīng)用場景

5G的典型應(yīng)用場景如圖2所示包含eMBB（增強版的移動寬帶）應(yīng)用場景、mMTC（大規(guī)模機(jī)器通信）應(yīng)用場景、uRLLC（高可靠低時延通信）應(yīng)用場景。

圖2??? 5G的三類典型應(yīng)用場景

這三類場景在5G建網(wǎng)初期最典型的應(yīng)用是增強版的移動寬帶（eMBB）應(yīng)用場景，比如隨時隨地高清視頻直播和分享、虛擬現(xiàn)實、高速上網(wǎng)等方面。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，大規(guī)模機(jī)器通信（mMTC）應(yīng)用場景應(yīng)用會越來越多，比如智能抄表、自動停車、智能交通等。相對而言高可靠低時延通信（uRLLC）應(yīng)用場景在初期應(yīng)用可能不多，比如自動駕駛汽車、工業(yè)互聯(lián)、遠(yuǎn)程機(jī)械作業(yè)控制等會隨著5G網(wǎng)絡(luò)的部署成熟出現(xiàn)應(yīng)用，但這類應(yīng)用對傳輸網(wǎng)時延要求會比較高，在1ms~4ms之間，對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的影響較大。

2.1? 超高帶寬需求

由于5G的單位面積的接入速率比4G提升1000倍，這里的1000倍一般認(rèn)為“千倍速率提升=10倍基站密度x10倍頻譜帶寬x10倍頻譜利用率”，在實際應(yīng)用中，拋開基站密度因素，單基站帶寬提升30~50倍。因此，5G基站帶寬均值將超過2G，峰值更是超過10G。以S111站型為例，CIR/PIR將達(dá)到4G/16G，按每接入環(huán)6個站，一個站達(dá)到峰值帶寬計算，接入環(huán)帶寬將達(dá)到40G，考慮到5G基站的密集程度，100G組網(wǎng)可能性更大，而核心層/匯聚層則有可能達(dá)到T級別組網(wǎng)。

2.2? 低時延需求

5G定義的場景和需求里面，高可靠低時延通信（uRLLC）應(yīng)用場景提到端到端1ms延時，低延時主要滿足一些特殊場景，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織提到的主要場景是自動駕駛。但1ms場景存在爭議。例如，自動駕駛場景中，100km時速，1ms移動距離約3cm，3cm的移動距離對自動駕駛來說時沒有必要的，對安全性也沒有威脅。相對而言，比較符合應(yīng)用實際的S1接口單向時延10ms，分解到傳輸網(wǎng)延時為2ms，X2/ex2接口單向時延20ms，分解到承載網(wǎng)延時為4ms，所以傳輸網(wǎng)絡(luò)以2ms~4ms的低時延考慮較為合理。

2.3 網(wǎng)絡(luò)分片的需求

5G網(wǎng)絡(luò)將滲透到社會的各個領(lǐng)域，除了移動互聯(lián)網(wǎng)，還將實現(xiàn)萬物互聯(lián)，海量的連接設(shè)備、不斷涌現(xiàn)的各類新業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景，給5G網(wǎng)絡(luò)帶來豐富應(yīng)用的同時，也為5G網(wǎng)絡(luò)的承載提出了不同的傳輸需求，車聯(lián)網(wǎng)、移動醫(yī)療、工業(yè)控制等應(yīng)用對傳輸時延要求較苛刻，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、高清視頻則對帶寬要求較高，為滿足各種業(yè)務(wù)的需求，同時又最高效地利用無線、承載網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備資源，需要對無線、承載網(wǎng)絡(luò)的資源進(jìn)行切片，采用不同的資源來承載不同的業(yè)務(wù)，按需實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的合理編排。

網(wǎng)絡(luò)分片需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件和軟件平臺支持，將與SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）結(jié)合緊密。

2.4? 站間流量的需求

5G場景下，5G高密流量/高密聯(lián)接的特征將使移動承載流量模型mesh化：基站-基站、EPC-EPC之間的移動時交接流量占可能占比相對4G有較大幅度的提升，流量模型偏向mesh化。站間流量有兩個場景，一是基站站間協(xié)同的X2/eX2接口而產(chǎn)生的流量，二是部分應(yīng)用，因為網(wǎng)關(guān)/EPC/MEC的位置可能比較低，從而產(chǎn)生了站間流量。站間流量的需求對傳輸網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)也提出了一定的要求。

2.5? 高精度時間同步

在超密集組網(wǎng)場景下，基站聯(lián)合發(fā)送對同步提出更高要求：非相鄰載波下的聯(lián)合發(fā)送要求時間同步精度為260ns；相鄰載波下的聯(lián)合發(fā)送要求時間同步精度為130ns；同一載波下的聯(lián)合發(fā)送要求時間同步精度為65ns。而在65ns的時間同步精度下，即使是基站直接從GPS獲取時間，也難以保證該同步精度，需要考慮采用承載網(wǎng)實現(xiàn)高精度的時間同步。

3.1? 基礎(chǔ)資源儲備分析

面向5G的發(fā)展，基礎(chǔ)資源的儲備極為關(guān)鍵?？紤]高頻衰竭實際覆蓋縮短，5G基站的密度會是4G的1.5倍左右，微站超密級分布，同時低時延和站間流量需求會對成環(huán)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀化提出一定的要求。

基于以上的特點，基礎(chǔ)資源的儲備關(guān)鍵是：

一是進(jìn)行局房和匯聚節(jié)點等重要節(jié)點的資源儲備，尤其是匯聚節(jié)點自有率的提升和機(jī)房面積的提升。首先，推動核心機(jī)房的能力儲備，5G對于核心節(jié)點的裝機(jī)需求約30~50個機(jī)架，功耗約120~200kw，核心機(jī)房裝機(jī)條件的改善和電源、空調(diào)等條件的提前儲備很關(guān)鍵；其次，中移動的匯聚機(jī)房條件并不算好，還有不少依然是租用機(jī)房，剩余的裝機(jī)位也不多，面向5G的布網(wǎng)對這些資源提出了新購以及現(xiàn)網(wǎng)整治以改善裝機(jī)條件的需求。

二是光交網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格化的部署和延伸，靠近接入點，實現(xiàn)資源的網(wǎng)格化、有序化、靈活安全的接入。5G基站依然以光交網(wǎng)為主要的光纖接入、組網(wǎng)手段，面對超密集組網(wǎng)的站址接入需求，光交資源需要著重從“密度”和“健康度”兩個方面規(guī)劃考慮?！懊芏取钡木S度以綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)為單位，考察其覆蓋半徑及接入能力，按照基站站址密度提高到1.5倍考慮，需要著重增強綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)的覆蓋范圍并加大二級分纖點的建設(shè)?！敖】刀取钡木S度則是從“微網(wǎng)格”的角度，考察基礎(chǔ)資源的持續(xù)可接入能力，對微網(wǎng)格范圍內(nèi)“規(guī)整率”、 “覆蓋率”、“連通率”、“接入率”等指標(biāo)推動建設(shè)和優(yōu)化。

三是道路管道的新增或擴(kuò)容，滿足設(shè)備組網(wǎng)的需求。面向5G，基礎(chǔ)資源層面也需重視管道的加排、疏通建設(shè)，要提早進(jìn)行管道加排，增強線路連通的能力，并推廣紡織子管等應(yīng)用，盤活已建管孔資源，為5G的CRAN和DRAN部署及傳輸設(shè)備的組網(wǎng)做好準(zhǔn)備。

3.2? 網(wǎng)絡(luò)分片的實現(xiàn)探討

網(wǎng)絡(luò)分片是面向5G的一個特征，可分為轉(zhuǎn)發(fā)層分片、管理層分片、控制層分片，面向5G的幾種場景也可進(jìn)行連續(xù)廣覆蓋切片、低時延高可靠切片，而SDN的應(yīng)用是實現(xiàn)這些網(wǎng)絡(luò)分片的一種重要方式。

相對而言，在中移動的倡導(dǎo)下，在PTN網(wǎng)絡(luò)中引入SDN是近期可能應(yīng)用的一種方案。SPTN的組網(wǎng)和應(yīng)用可通過引入S-Controller和D-Controller來實現(xiàn)。目前，SPTN的驗證在多個城市做個試點，但在現(xiàn)網(wǎng)的應(yīng)用還很少，隨著5G的臨近其部署將會越來越多。

同時，隨著PTN技術(shù)的不斷發(fā)展，正向第二代PTN演進(jìn)。第二代PTN將具有FlexE（基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)輕量級增強）等特性，F(xiàn)lexE可實現(xiàn)業(yè)務(wù)的隔離和捆綁，可在轉(zhuǎn)發(fā)層實現(xiàn)分片，從而5G的網(wǎng)絡(luò)分片特征可以通過FlexE及SDN同時實現(xiàn)硬隔離和軟隔離，其應(yīng)用更具價值。

3.3? 高精度時間同步部署要求

5G空口需要高精度時間同步，在6G以下頻段的厘米波甚至達(dá)到150ns，這對超高精度時間同步提出了要求。為了達(dá)到時間同步的要求，尤其在傳輸網(wǎng)絡(luò)傳遞的場景中，一方面需要部署超高精度時間同步服務(wù)器，另一方面改進(jìn)時間同步算法，以提高時間同步的精度。

3.4? 三層網(wǎng)絡(luò)下移的探討

目前傳輸網(wǎng)絡(luò)以二層設(shè)備為主，中移動PTN網(wǎng)絡(luò)的三層設(shè)備一般部署在核心層，同時成對部署L2/L3橋接設(shè)備，匯聚層和接入層均為二層設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)為一個小三層的網(wǎng)絡(luò)，對站間流量等X2業(yè)務(wù)，其路徑為接入->匯聚->橋接->匯聚->接入，X2業(yè)務(wù)所經(jīng)過的跳數(shù)多、距離遠(yuǎn)，時延相對也較大。

低時延的要求、站間流量的增多和5G無線跟核心的云化都對傳輸網(wǎng)絡(luò)的三層下移提出了需求。

三層網(wǎng)絡(luò)的下移有下沉到匯聚和下沉到接入邊緣兩種方案。下沉到接入的方案將是一個非常復(fù)雜的三層網(wǎng)絡(luò)，其站間流量和到業(yè)務(wù)網(wǎng)元的時延將大為降低，但網(wǎng)絡(luò)維護(hù)相對復(fù)雜。下沉到匯聚的方案能將時延降到1.5ms以內(nèi)，其路徑為接入->匯聚->接入，對絕大部分5G的業(yè)務(wù)能滿足其要求，匯聚點由于相對穩(wěn)定，對網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的復(fù)雜性相對降低。無論是下沉到匯聚還是下沉到接入，這都將成為一個大三層的網(wǎng)絡(luò)，靜態(tài)路由方式需改為動態(tài)路由方式。

3.5? 城域傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)的探討

（1）城域傳輸網(wǎng)內(nèi)帶寬測算

5G基站峰值帶寬按7G，平均帶寬按3.5G考慮，接入環(huán)帶8個節(jié)點，按7*單站平均帶寬+單站峰值，則接入環(huán)帶寬約為31.5G；對于匯聚環(huán)，以環(huán)形組網(wǎng)估算，假定每匯聚環(huán)6臺設(shè)備，每對設(shè)備帶3個接入環(huán)，按6*3*接入環(huán)帶寬*匯聚收斂比/2估算，匯聚收斂比暫定為4:3，則匯聚環(huán)帶寬約為213G。

對于CRAN方式，按每個接入環(huán)可帶20個RRU考慮，5G基站峰值帶寬7G，平均帶寬3.5G，接入環(huán)帶4個節(jié)點，按23*單站平均帶寬+單站峰值，則接入環(huán)帶寬約為87.5G；對于匯聚環(huán)，以環(huán)形組網(wǎng)估算，假定每匯聚環(huán)6臺設(shè)備，每對設(shè)備帶3個接入環(huán)，按6*3*接入環(huán)帶寬*匯聚收斂比/2估算，匯聚收斂比暫定為4:3，則匯聚環(huán)帶寬約為590G。

以上測算可見，接入層設(shè)備需考慮40GE的環(huán)或直接組50G/100G的環(huán)；匯聚層設(shè)備需逐步考慮組400GE的環(huán)或疊加。

對于核心層，每對節(jié)點可帶3000個站以上，假定按4:2的收斂算法，測算帶寬約為6T，核心層更需采用大容量的設(shè)備。

（2）城域傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)探討

結(jié)合三層網(wǎng)絡(luò)下移、網(wǎng)絡(luò)分片的實現(xiàn)和帶寬的測算，城域網(wǎng)的架構(gòu)將向著智能化、扁平化、高速帶寬和靈活組網(wǎng)的方向發(fā)展。

1）三層網(wǎng)絡(luò)下移方面，下移到匯聚層還是接入層目前還存在爭議。從現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的利用來滿足5G試點和初期發(fā)展來講，下移到匯聚層會是折中的一個選擇，能將業(yè)務(wù)路徑經(jīng)匯聚層疏導(dǎo)到下沉的業(yè)務(wù)終結(jié)點，時延相比目前已大為降低；從滿足5G的所有場景和長期發(fā)展來看，下移到接入層也將是一個選擇，整個城域傳輸網(wǎng)將成為一個三層網(wǎng)絡(luò)，可最大程度滿足各類業(yè)務(wù)終結(jié)和站間流量的低時延傳輸和最短路徑傳輸，但是整網(wǎng)將新建平面，投資成本較高。

2）網(wǎng)絡(luò)分片方面，目前討論較多的是FlexE和SDN。FlexE是傳統(tǒng)以太網(wǎng)輕量級增強的技術(shù)，基于以太網(wǎng)的多速率子接口在多PHY鏈路上的承載技術(shù)實現(xiàn)業(yè)務(wù)的隔離和捆綁，支持多速率接口，網(wǎng)絡(luò)分片，多業(yè)務(wù)綜合承載，目前該技術(shù)的應(yīng)用方式存在較多爭議，但在一定層面的應(yīng)用較大。SDN的引入尤其是SPTN的應(yīng)用目前取得共識較多，通過SDN實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分片在未來可能性較大。

傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)如圖3所示。

圖3??? 傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)

3）帶寬速率提升和網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方面，將呈現(xiàn)高速帶寬和靈活組網(wǎng)的特征。

大城市的核心層組網(wǎng)將以網(wǎng)狀網(wǎng)為主，通過分區(qū)組網(wǎng)實現(xiàn)分區(qū)的接入，采用L3設(shè)備進(jìn)行架構(gòu)搭建，需采用單端口400G以上的大容量設(shè)備。

匯聚層逐步采用L3設(shè)備進(jìn)行架構(gòu)搭建，可由環(huán)網(wǎng)考慮逐步改為口字型上聯(lián)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的下沉網(wǎng)元設(shè)置進(jìn)行半mesh結(jié)構(gòu)的靈活組網(wǎng)，也需采用單端口400G以上的大容量設(shè)備以滿足5G帶寬陡增的需求。

接入層可仍以環(huán)網(wǎng)形式接入，也可進(jìn)行半mesh結(jié)構(gòu)的靈活組網(wǎng)，帶寬由目前的GE環(huán)/10GE環(huán)升級為單環(huán)40G或50G/100G。

隨著4G網(wǎng)絡(luò)為人們提供了視頻、圖片、以及話音、短信等高質(zhì)量的通信服務(wù)，人們的移動通信使用體驗相比10年前甚至5年前已有很大不同和提升，這也讓人們對5G網(wǎng)絡(luò)充滿了期待。本文從5G標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展和場景典型應(yīng)用開始，論述了5G布網(wǎng)對傳輸?shù)年P(guān)鍵需求是超高帶寬、低時延需求、網(wǎng)絡(luò)分片、站間流量和高精度時間同步。通過帶寬流量的推算建立了各層帶寬模型，提出了傳輸網(wǎng)核心層、匯聚層、接入層的帶寬速率提升和網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)特征，并探討了面向5G的傳輸網(wǎng)會逐步將三層下移，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分片的努力、基礎(chǔ)資源的儲備和高精度時間同步的部署，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)向智能化、扁平化、高速帶寬和靈活組網(wǎng)的方向發(fā)展。