5G承載的挑戰與技術方案探討

李俊杰+唐建軍

摘要：5G的網絡架構和業務特征相對于3G/4G時代出現了較大變化，對5G承載網提出了挑戰性的需求。針對大帶寬、超低時延、高可靠、高精度同步、靈活性、網絡切片、智能協同等七大特征，探討了5G承載技術方案，涵蓋前傳、中傳和回傳承載方案，并分別對應有源天線單元（AAU）和分布單元（DU）之間，DU和集中單元（CU）之間，以及CU和核心網之間的通信承載。

關鍵詞： 5G；承載；前傳；中傳；回傳

Abstract： Comparing with 3G/4G， 5G network architecture and service characteristics have changed greatly， which brings challenging requirements for 5G bearing network. In this paper， seven features of 5G are proposed， such as wide bandwidth， ultra low latency， high reliability， high-precision synchronization， flexibility， network section， and intelligent cooperation. And 5G bearing technical proposals are also discussed， including fronthaul， middlehaul and backhaul which correspond to the bearing network between active antenna unit （AAU） and distributed unit （DU）， the bearing network between DU and centralized unit （CU）， and the bearing network between CU and core network.

Key words： 5G； bearing network； fronthaul； middlehaul； backhaul

1 5G發展概況

5G致力于構建信息與通信技術的生態系統，是未來無線產業發展的創新前沿，也是目前產業界最熱的課題之一。5G的愿景是為了應對未來爆炸性的移動數據流量增長、海量的設備連接、不斷涌現的各類新業務和應用場景，同時與行業深度融合，滿足垂直行業終端互聯的多樣化需求，實現真正的“萬物互聯”，構建社會經濟數字化轉型的基石。

國際電信聯盟（ITU）為5G定義了增強型移動寬帶（eMBB）、大規模機器類通信（mMTC）、超可靠低時延通信（uRLLC）三大業務場景[1]，如圖1所示。實際上，不同行業往往在多個關鍵指標上存在著差異化的要求，因而5G系統還需支持可靠性、時延、吞吐量、定位、計費、安全、可用性的優化組合；萬物互聯也帶來了更高的安全風險，5G能夠為多樣化的業務場景提供差異化的安全服務，保護用戶隱私，同時還能支持提供開放的安全能力。

在政府、運營商和設備商的大力推動下，中國5G的發展步入快車道。2017年11月30日，中國國家發改委在“2018年新一代信息基礎設施建設工程”[2]中明確要求運營商啟動“5G規模組網建設及應用示范工程”。2017年12月1日結束的3GPP美國里諾會議上，3GPP R15 NSA核心標準部分已經凍結。中國的三大運營商均已啟動5G無線外場測試、5G承載技術研究等工作[3]。

2 5G承載的需求與挑戰

“5G建設，承載先行”，承載網絡對5G發展的重要性不言而喻。由于5G網絡架構和業務特征相對于3G/4G有了較大變化，因此對5G承載網提出了挑戰性的需求，可以歸納為七大特征，如圖2所示。

5G網絡由于引入了大帶寬和低時延的應用，因此需要對傳統的無線接入網（RAN）體系架構進行改進。

5G的RAN網絡將從4G/LTE網絡的基帶處理模塊（BBU）、射頻拉遠單元（RRU）兩級結構演進到集中單元（CU）、分布單元（DU）和有源天線單元（AAU）的3級結構，如圖3所示。因此，5G承載網絡也將會從4G時代的前傳和回傳兩部分演變成5G時代的前傳（Fronthaul）、中傳（Middlehaul）和回傳（Backhaul）這3部分，它們分別對應了AAU和DU之間，DU和CU之間，以及CU和核心網之間的通信承載。

4G時代就逐漸凸顯的單個基站帶寬大幅增加，基站部署密度加大所引起的基站選址困難、機房成本高、基站資源利用率低、維護工作量大等問題在5G時代將愈演愈烈。因此，作者認為5G RAN網絡勢必延續4G BBU集中策略，將DU集中作為一種主流的組網架構。

5G核心網必須滿足5G低時延業務處理的時效性需求，核心網下移成為一種趨勢，特別是針對uRLLC等時延敏感型業務。3GPP已經將核心網下移納入討論范圍，并推動移動邊緣計算（MEC）的標準化。

核心網下移并云化后，MEC將分擔核心網流量、運算壓力，其數量會不斷增加。而不同的業務回傳可能歸屬到不同的云上，因此需要承載網具備將不同業務通過CU歸屬到不同MEC的L3路由轉發能力。而原來基站與每個演進的分組網（EPC）建立的連接也演進為CU到云（MEC）以及云到云（MEC到5G核心網（NGC））的連接關系。

綜上所述，5G承載網在帶寬容量、時延和組網靈活性等方面提出了新的需求。如何利用一張統一的承載網來滿足5G不同業務的承載需求是承載網所面臨著的巨大挑戰，具體包括：

（1）5G網絡帶寬相對4G預計將有數十倍增長，導致承載網帶寬急劇增加，25 G高速率將部署到網絡邊緣，低成本的25 G/50 G光模塊和波分復用（WDM）傳輸是承載網的第1個挑戰；endprint

（2）uRLLC業務提出的1 ms超低時延要求不僅需要站點合理布局，微秒量級超低時延性能是承載設備的第2個挑戰；

（3）5G核心網云化、網絡切片等需求導致5G回傳網絡對連接靈活性的要求更高，如何優化路由轉發和控制技術，例如：引入分段路由（SR）、以太網虛擬專用網（EVPN）等新技術，滿足5G承載設備的成本限制和運維便利性需求，是承載網的第3個挑戰。

3 5G承載技術方案探索

首先，需要明確的是5G承載網不會是獨立的存在，面向固移融合的發展趨勢，5G承載網、光纖固定寬帶網絡、政企專線網絡等勢必統籌考慮，特別是在光纖光纜、機房等基礎設施和傳輸承載設備方面，都需要考慮資源共享，降低成本。基礎設施和基礎網絡共享是5G承載必須考慮的前提條件。

其次，雖然5G承載網邏輯上分成前傳、中傳和回傳3部分，但是在實際網絡部署中存在不同單元共機房部署甚至設備融合的場景，例如CU/DU合設、AAU/DU合設、AAU/DU/CU合設等。而且為了保證網絡質量，不同業務的CU可能會部署在網絡的不同位置。此外，5G承載網還需要考慮對4G甚至3G業務的后向兼容能力。

綜上所述，5G承載技術方案必須考慮固移融合綜合承載，滿足3G/4G后向兼容，支持5G網絡多樣化部署等需求，而綜合承載正是光傳送網絡的優勢，因此大帶寬光傳送網絡將在5G承載中扮演重要角色。

3.1 5G前傳承載方案探討

5G前傳對應DU和AAU之間的接口，在4G及以前通常采用通用公共無線電接口（CPRI），但是進入5G以后，若繼續采用CPRI接口，帶寬將達到300 Gbit/s以上，即使通過壓縮，帶寬也在100 Gbit/s左右，給前傳帶來的巨大的帶寬和成本壓力。為了解決此問題，業界定義了新的增強通用公共無線電接口（eCPRI），將帶寬控制到了25 Gbit/s以內。eCPRI接口標準已于2017年8月底發布，目前中國市場主流無線設備廠商均計劃采用25 G eCPRI接口。

5G前傳對應DU集中部署，AAU拉遠（C-RAN）和AAU和DU共址部署（D-RAN）兩種場景。D-RAN場景相對簡單，AAU和DU之間一般部署在塔上塔下，通常采用光纖連接，傳輸距離一般在100 m以內，少量場景在100～200 m之間，此時可以選用eCPRI接口，少量廠商為了保持CPRI接口的性能優勢，也在努力開發低成本的100 Gb/s光模塊，計劃在D-RAN使用。

C-RAN場景對應的拉遠距離通常在10 km以內，業界普遍認為將采用25 Gbit/s eCPRI接口。考慮成本和維護便利性等因素，5G前傳將以光纖直連為主，局部光纖資源不去的地區，可通過設備承載方案作為補充。

對于5G光纖直驅方案，筆者強烈推薦采用25 G單纖雙向（BiDi）光模塊方案。該方案不僅可以節約50%的光纖資源，還可以是保證往返路由長度和時延的一致性，從而提高同步傳輸精度。5G前傳光模塊需求數量巨大，呼吁業界高度重視，盡快形成一致方案并推動標準化，加速相關器件產業鏈的成熟。

5G前傳設備承載方案的思路是采用WDM技術節約光纖資源，包括粗波分復用（CWDM）和密集波分復用（DWDM）兩種，設備形態包括無源WDM、有源WDM、波分復用無源光網絡（WDM-PON）等。

不同的設備類型和WDM技術方案存在不同的特點和適用范圍，后續將根據技術和設備發展情況進一步研究其應用場景。未來運營商實際部署可能存在較大的差異化。

總之，5G前傳的設備承載方案的主要訴求是低成本和可維護性，業界還在努力尋找具有最高性價比優勢的方案。

3.2 5G中傳/回傳承載方案探討

5G不同業務的需求差異較大，例如：mMTC物聯網業務需要處理大連接需求，業務帶寬和性能高要求較低，傾向于在核心網集中處理；而uRLLC業務由于時延等性能要求，核心網位置需要下移。因此5G核心網絡的局部下移和云化將成為發展趨勢，中/回傳承載網絡的結構存在多樣性。

與前傳一樣，5G中/回傳首先需要解決的也是帶寬問題，根據模型計算，工作在3.5 GHz頻率和100 MHz帶寬的3載扇單基站的中回傳帶寬需求將達到3～5 Gbit/s。在DU/AAU合設或者DU小集中場景，DU節點上行帶寬將接近甚至超過10 Gbit/s；而在DU大集中場景，DU集中節點上行帶寬可能接近100 Gbit/s。這樣的帶寬需求已經接近甚至超過了光纖到戶（FTTH）寬帶網絡光線路終端（OLT）上聯帶寬需求，因此5G中/回傳需要引入WDM/光傳送網（OTN）承載技術，采用WDM方式滿足帶寬和傳輸距離需求，并實現光層保護等質量保障措施。在業務層面盡量采用光層波長直達（即物理上采用環形組網，邏輯上是樹形組網），有利于降低成本和功耗，同時波長直達方案減少了處理時延，優異的時延性能也滿足了5G業務的低時延需求，如圖4所示。

靈活性是5G中/回傳網絡的另一個重要需求。靈活性需求主要源于3個方面：（1）5G網絡的eX2等橫向流量相對于4G網絡預計有明顯增加。（2）DU上聯CU、CU回傳的雙上聯、動態遷移等安全性需求。（3）核心網云化部署以后帶來CU與MEC、NGC之間動態連接和動態遷移等需求。

5G中/回傳網絡的路由轉發功能實現有兩種方式：（1）繼續采用現有的基于IP的無線接入網（IPRAN）技術，此時為了滿足5G對大容量的需求，IPRAN需考慮引入25 GE、50 GG甚至100 GE等高速接口，在市縣、縣鄉、城域核心層等區域還需要WDM/OTN網絡為IPRAN提供大量波長連接。（2）OTN/WDM方案在已經具備光通路數據單元（ODUk）硬管道、以太網/多協議標簽交換傳送應用（MPLS-TP）分組業務處理能力的基礎上，進一步增強路由轉發功能，以更加緊湊的設備形態和組網方案滿足5G承載的靈活組網需求。

目前通信設備L1/L2/L3的交換功能都可以通過統一信元交換技術加以實現，因此在OTN/WDM設備上增強路由轉發功能只需要配置相應的線卡即可，具有較強的技術可行性和成本優勢。基于OTN/WDM方案的硬管道能力，業界正在研究通過簡化和低成本的路由轉發技術，在滿足5G承載靈活性需求的同時，滿足5G大規模部署對低成本的要求，例如：SR、EVPN等新型路由和轉發技術得到了較多的關注。

網絡切片是5G的新需求，本質上網絡切片就是對網絡資源的劃分和隔離。具體承載網對5G切片的支持，可以提供L1硬切片和L2/L3軟切片兩個層次的網絡切片承載方案。

4 結束語

5G不僅僅是移動通信技術的升級換代，更是未來數字世界的驅動平臺和物聯網發展的基礎設施，將真正創建一個全聯接的新世界。對于運營商而言，5G只是一種重要業務，承載網絡必須考慮所有業務，包括5G、固定寬帶、云和政企專線等業務，提供統一的綜合承載。

參考文獻

[1] ITU-R. IMT愿景：5G架構和總體目標：ITU-R M.2083[S]. Geneva： ITU， 2015：9

[2] 中華人民共和國國家發展和改革委員會. 國家發展改革委辦公廳關于組織實施2018年 新一代信息基礎設施建設工程的通知[R/OL]. （2017-11-27） [2017-12-05]. http：//www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201711/t20171127_867953.html

[3] C114. 5G時代即將來臨 三大運營商是如何布局的[R/OL]. （2017-07-23） [2017-12-05]. http：//www.c114.com.cn/news/41/a1017303.htmlendprint