5G網(wǎng)正逐漸成熟，對(duì)于5G的傳輸有哪些解決方案？

1 引言

目前5G技術(shù)發(fā)展非常迅速，國內(nèi)三大運(yùn)營商都已經(jīng)著手5G布局，2017年6月25日，在廣州大學(xué)城，中國移動(dòng)首個(gè)5G基站正式開通，這也標(biāo)志著5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用逐漸開啟。在5G正式部署之前，如何實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)高標(biāo)準(zhǔn)的承載需求，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，最大程度地節(jié)省建設(shè)投資，已經(jīng)成為整個(gè)光通信行業(yè)關(guān)注的重心和研究熱點(diǎn)，因此，本文接下來將提出多種傳輸承載方案，并對(duì)各種傳輸方案的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍進(jìn)行探討。

2 5G對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)的需求及挑戰(zhàn)

“5G”即第五代移動(dòng)通信技術(shù)，ITU已將5G標(biāo)準(zhǔn)正式命名為IMT-2020，是目前正在推進(jìn)的“4G”的延伸，但業(yè)界普遍認(rèn)為5G與4G截然不同，5G不僅是一次技術(shù)的更新，更是一個(gè)全新技術(shù)，是真正實(shí)現(xiàn)泛在、智能、融合、高速、綠色的強(qiáng)大通信網(wǎng)絡(luò)，是無線接入技術(shù)的演進(jìn)和革命。

5G使萬物互聯(lián)成為可能，提供人與人、人與物以及物與物之間高速、安全、自由的連接，也將驅(qū)動(dòng)更多新的業(yè)務(wù)場景，典型的應(yīng)用場景包括廣覆蓋、高接入密度、高接入速率、突發(fā)流量和低時(shí)延等，這些應(yīng)用將帶領(lǐng)我們進(jìn)入人工智能時(shí)代。

（1）連續(xù)廣域覆蓋：以保證用戶移動(dòng)性和業(yè)務(wù)連續(xù)性為目標(biāo)，為用戶提供無縫高速業(yè)務(wù)體驗(yàn)，如無人駕駛；

（2）熱點(diǎn)高容量：主要面向局部熱點(diǎn)區(qū)域，可以為用戶提供1 Gbps用戶體驗(yàn)速率，數(shù)十Gbps峰值速率，滿足網(wǎng)絡(luò)極高的流量密度需求；單位面積吞吐量顯著提升，熱點(diǎn)區(qū)域數(shù)十Tbps/km2的流量密度需求，如虛擬辦公；

（3）低功耗大連接：以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場景，具有小數(shù)據(jù)包、低功耗、海量連接等特點(diǎn)，要求網(wǎng)絡(luò)具備超千億連接的支持能力，滿足100萬/km2連接數(shù)密度指標(biāo)要求，還要保證終端的超低功耗和超低成本，如物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市；

（4）低時(shí)延高可靠：對(duì)時(shí)延和可靠性具有極高的指標(biāo)要求，需要為用戶提供毫秒級(jí)的端到端時(shí)延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證，如車聯(lián)網(wǎng)。

針對(duì)5G的主要應(yīng)用場景，總結(jié)承載網(wǎng)絡(luò)主要面臨以下需求及挑戰(zhàn)如表1所示：

表1 IMT-2020發(fā)布的5G主要場景與關(guān)鍵性能挑戰(zhàn)

廣覆蓋、高容量將要求5G的基站更加小型化，便于安裝于各種場景，同時(shí)具備更強(qiáng)大的功能；低功耗要求5G網(wǎng)絡(luò)綠色低碳節(jié)能，比如續(xù)航能力是4G網(wǎng)絡(luò)的100倍，終端可用5到10年；而低時(shí)延、高可靠、大帶寬等網(wǎng)絡(luò)需求，需要5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將進(jìn)一步扁平化，它將是功能強(qiáng)大的基站疊加一個(gè)大服務(wù)器集群。

5G的業(yè)務(wù)需求及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化將對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能提出新的要求，直接影響承載網(wǎng)絡(luò)的的技術(shù)指標(biāo)，如帶寬、時(shí)延、時(shí)鐘精度和可靠性等，因此研究如何在滿足5G技術(shù)指標(biāo)的前提下，進(jìn)行5G時(shí)代光傳送網(wǎng)的技術(shù)演進(jìn)尤為重要，這將是5G是否能推廣應(yīng)用的關(guān)鍵前提。

3 5G傳輸方案探討

本節(jié)將重點(diǎn)討論5G建設(shè)初期傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)選擇和組網(wǎng)方案的選擇。

3.1 方案一：端到端分組增強(qiáng)型OTN組網(wǎng)方案

如圖1所示，5G傳輸接入層采用100 G波分組網(wǎng)，匯聚層采用T級(jí)別波分的組網(wǎng)方式。

圖1 波分組網(wǎng)5G承載方案

（1）組網(wǎng)方案

1）前傳方案：基站通過裸纖與DU（Distribute Unit，分布單元）連接，滿足未來移動(dòng)用戶大帶寬、低時(shí)延、高可靠信息傳送需求。

基站流量預(yù)測：5G基站帶寬均值將超過1 G，峰值或超10 G；對(duì)S111站型，CIR/PIR將達(dá)到4 G/16 G。

2）中傳方案：DU匯聚基站后接入物理網(wǎng)光交配線端子；物理網(wǎng)光交匯聚DU上行光纜后，DU通過物理網(wǎng)光交成環(huán)，物理網(wǎng)光交再通過主干光纜或波分設(shè)備上傳至局端CU（Centralized Unit，集中單元）。

接入層流量預(yù)測：按每接入環(huán)6個(gè)站，一個(gè)站達(dá)到峰值帶寬計(jì)算，接入環(huán)帶寬將達(dá)到40 G，考慮到5G基站的密集程度，100 G組網(wǎng)可能性更大；

3）回傳方案：CU通過100 G~T級(jí)別波分或中繼光纜回傳至5G核心網(wǎng)。

匯聚層流量預(yù)測：匯聚層波分環(huán)考慮到將匯聚多個(gè)接入環(huán)，則有可能達(dá)到T級(jí)別組網(wǎng)。

（2）方案一優(yōu)點(diǎn)

1）大帶寬：融合分組技術(shù)及超100 G光傳送技術(shù)，能有效支撐5G網(wǎng)絡(luò)千倍接入速率；

2）低時(shí)延：融合形態(tài)，靈活實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)穿通節(jié)點(diǎn)光層直通，應(yīng)對(duì)5G端到端超低時(shí)延的巨大挑戰(zhàn)；

3）物理鏈路高安全：DU至光纖物理網(wǎng)光交采用雙上行，物理網(wǎng)光交至MS-OTN也采用雙上行連接，極大地提高了DU設(shè)備的安全性；

4）大容量、少節(jié)點(diǎn)：通過MS-OTN匯接DU后再接入CU（無線接入控制設(shè)備），可以有效收斂上行光纜，節(jié)省CU端口，并使CU覆蓋較大的地域面積，減少CU部署點(diǎn)位，有效降低設(shè)備組網(wǎng)、傳輸線路、維護(hù)等需求；

5）線路帶寬易升級(jí)：MS-OTN設(shè)備只需插卡，線路帶寬可輕松從100 G擴(kuò)展至400 G，設(shè)備不換、機(jī)房不改、平滑擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)“超100 G”帶寬。

（3）方案一缺點(diǎn)

1）投資大：需搭建兩張高速率高性能的OTN環(huán)網(wǎng)，在利用現(xiàn)網(wǎng)OTN設(shè)備的基礎(chǔ)上，仍需新增較多節(jié)點(diǎn)，投資巨大；

2）網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜：新建較多的MS-OTN設(shè)備用以5G基站信息傳輸，增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。

3.2 方案二：固移融合承載方案

固移融合5G承載方案如圖2所示：

圖2 固移融合5G承載方案

（1）組網(wǎng)方案

1）前傳方案：基站通過裸纖與DU連接，滿足未來移動(dòng)用戶大帶寬、低時(shí)延信息傳送需求；室內(nèi)小基站（RRU+DC部分）可與ONU集成，易于部署。

2）中傳方案：

◆DU匯聚基站光纜后接入OLT設(shè)備PON口；

◆OLT下沉至小區(qū)后，同時(shí)接入有線PON業(yè)務(wù)及無線5G基站；

◆物理網(wǎng)光交匯聚OLT上行光纜后，通過主干光纜設(shè)備上行至局端CU。

3）回傳方案：CU通過中繼光纜回傳至5G核心網(wǎng)。

（2）方案二優(yōu)點(diǎn)

1）組網(wǎng)簡單：利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，升級(jí)OLT設(shè)備，增加物理網(wǎng)光交數(shù)量，即可完成組網(wǎng)；

2）固移融合：有線、無線綜合承載，提高設(shè)備利用效率，有效節(jié)省機(jī)房空間，節(jié)約能耗，且有線無線業(yè)務(wù)帶寬、性能等實(shí)現(xiàn)同步升級(jí)；

3）大帶寬傳輸：除采用超10 G甚至100 G PON OLT設(shè)備進(jìn)行DU設(shè)備承載外，全程光鏈路直達(dá)，支持5G超大帶寬應(yīng)用；

4）物理鏈路高安全：DU（5G無線接入單元）至OLT采用雙上行，OLT至物理網(wǎng)光交也盡量采用雙上行連接，且物理網(wǎng)光交呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)，極大地提高了DU設(shè)備的安全性；

5）線路帶寬易升級(jí)：OLT設(shè)備可實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)，設(shè)備不換、機(jī)房不改、平滑擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)“超100 G”帶寬；

6）節(jié)省物理網(wǎng)光纖資源：采用OLT設(shè)備作為CU、DU之間的匯聚點(diǎn)，可以起到大幅匯聚基站上行光纜的作用，降低對(duì)光纖物理網(wǎng)資源的消耗。

（3）方案二缺點(diǎn)

1）需克服OLT時(shí)延較大問題：由于OLT的上行采用TDMA（時(shí)分復(fù)用）方式，因此上行信息流時(shí)延暫時(shí)無法滿足5G的超低時(shí)延需求。因此，如采用OLT融合承載無線及有線業(yè)務(wù)，需要對(duì)OLT時(shí)延進(jìn)行優(yōu)化，或者通過端到端QoS保障5G基站業(yè)務(wù)傳輸?shù)蜁r(shí)延、高可靠和大帶寬的需求；

2）CU覆蓋范圍有限：由于DU通過光纖物理網(wǎng)直接匯接到CU，且光纖物理網(wǎng)單環(huán)上僅能帶4~6個(gè)光交，密集城區(qū)每個(gè)光交覆蓋半徑為1 km左右，這意味著CU覆蓋范圍內(nèi)能接入的基站數(shù)量受覆蓋面積限制而容量有限，不能最大限度地發(fā)揮CU的效能。

3.3 其他傳輸方案

除以上兩種方案外，還可以采用以下方案：

（1）方案三：以方案一為基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，結(jié)合方案二，具體是將接入層的MS-OTN設(shè)備作為綜合接入設(shè)備，MS-OTN同時(shí)接入基站以及OLT設(shè)備，基站完成無線接入，OLT設(shè)備完成有線接入。

（2）方案四：以方案二為基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將OLT設(shè)備用超低時(shí)延交換機(jī)替代，采用三層交換機(jī)或路由器進(jìn)行回傳。

（3）方案五：以方案二為基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將OLT設(shè)備用高速IPRAN設(shè)備替代。

（4）方案六：以方案三為基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，暫時(shí)不建設(shè)接入層的MS-OTN環(huán)，DU直接通過光纖物理網(wǎng)接入CU。此方案占用纖芯資源較多，適用于少量補(bǔ)點(diǎn)，不適用于大規(guī)模建設(shè)。

在實(shí)際的建設(shè)過程中，具體采取何種傳輸組網(wǎng)方案，主要取決于以下條件：

（1）CU的定位：CU在網(wǎng)絡(luò)層級(jí)中的定位，即CU位置的選擇、覆蓋的范圍、接入用戶規(guī)模等。如果CU在匯聚層面，覆蓋廣、容量大，采用方案一更合理；反之，如果CU在接入?yún)R聚層面，位置與4G BBU機(jī)房位置類似，則可采用方案五。

（2）資金投入：投資的大小也對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的選擇起到重要的影響作用，方案一、方案三投資巨大，但網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)清晰、合理，能滿足5G傳輸各項(xiàng)指標(biāo)。方案二、三、五投資較低，適用于試點(diǎn)階段或少量補(bǔ)點(diǎn)建設(shè)。

（3）技術(shù)進(jìn)步：技術(shù)的進(jìn)步也可以改變網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方式，例如OLT設(shè)備能解決時(shí)延、同步，IPRAN設(shè)備能解決帶寬等技術(shù)難題，5G網(wǎng)絡(luò)的接入方式將更加豐富。

實(shí)際建設(shè)時(shí)，還是應(yīng)根據(jù)具體的情況，靈活選取組網(wǎng)方式，以期能達(dá)到網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)、投資最省的效果。

4 結(jié)束語

5G正在逐步成熟，給傳送網(wǎng)絡(luò)帶來的不僅是流量的攀升，低時(shí)延、高可靠、靈活智能等要求都是對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的挑戰(zhàn)，因此本文結(jié)合具體的建設(shè)需求，提供了多種傳輸解決方案。隨著5G標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步明確，筆者認(rèn)為傳送網(wǎng)目前還需要重點(diǎn)關(guān)注CU的定位、網(wǎng)絡(luò)層級(jí)、覆蓋密度，這將決定匹配何種傳輸組網(wǎng)方案更為合理，并按最優(yōu)的承載方案提前準(zhǔn)備光纖和機(jī)房資源，為迎接5G的部署做好充分的準(zhǔn)備工作。