5G承載網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)以及關(guān)鍵技術(shù)研究

劉 宇

（吉林吉大通信設(shè)計院股份有限公司，吉林 長春 130012）

0 引 言

5G承載網(wǎng)的出現(xiàn)與發(fā)展加快了信息傳播的速度，也實現(xiàn)了人與物、物與物之間的相互聯(lián)系，為社會經(jīng)濟數(shù)字化的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。5G承載網(wǎng)不僅需要抓住市場機遇，還要克服巨大的困難才能實現(xiàn)真正的萬物互聯(lián)。相對于以往的4G網(wǎng)絡(luò)而言，5G承載網(wǎng)的靈活性更高、能耗更低、時延更短。

1 5G承載網(wǎng)的應(yīng)用場景

在競爭激烈的市場環(huán)境中，大部分通信企業(yè)為了在市場上獲得獨特的競爭優(yōu)勢，開始引入5G承載網(wǎng)。5G承載網(wǎng)的應(yīng)用加快了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，提高了企業(yè)在市場中的競爭力。對特殊的產(chǎn)業(yè)而言，4G網(wǎng)絡(luò)傳播信息速度比較慢，已經(jīng)無法滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。5G承載網(wǎng)的出現(xiàn)，為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展注入了新活力[1]。目前，國際電信聯(lián)盟通過對5G網(wǎng)的調(diào)查研究總結(jié)了5G網(wǎng)絡(luò)的3大應(yīng)用場景，如圖1所示。其中，增強型移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）可以滿足用戶對網(wǎng)絡(luò)流量的使用需求。隨著通信技術(shù)水平的提高，人們普遍擁有了智能手機，智能手機的出現(xiàn)使人們的交流不受時間、地點、距離的限制，網(wǎng)絡(luò)流量已經(jīng)成為了互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的重要部分，各個互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)開始走上了網(wǎng)絡(luò)流量的探索之路。網(wǎng)絡(luò)運營商的5G互聯(lián)網(wǎng)首要目標(biāo)是提高用戶的體驗感以及網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，據(jù)相關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，普通場景下的用戶體驗速率已經(jīng)達到了1 Gb/s，而峰值速率達到了10 Gb/s。增強型移動寬帶在連續(xù)廣域覆蓋和熱點高容量的場景中都得到了廣泛的應(yīng)用[2]。超高可靠超低時延通信（ultra-Reliable Low-Latency Communication，uRLLC）的主要特征就是能耗低、可靠性強，適用于車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等垂直領(lǐng)域。大規(guī)模機器類通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）的主要特征在于能耗比較低、數(shù)據(jù)包小但是連接數(shù)量大，應(yīng)用于智慧城市、智能農(nóng)業(yè)以及環(huán)境監(jiān)測等方面，需要具有連接大量數(shù)據(jù)的能力，對終端產(chǎn)品也提出了相應(yīng)的需求。5G承載網(wǎng)為了應(yīng)對時代的挑戰(zhàn)，必須具備低能耗、短時延、高可靠性等技術(shù)優(yōu)勢。

圖1 5G承載網(wǎng)的應(yīng)用場景

2 5G承載網(wǎng)的特點

2.1 靈活性

各項業(yè)務(wù)的發(fā)展速度和發(fā)展要求都存在差異，5G網(wǎng)絡(luò)為了適應(yīng)不同業(yè)務(wù)的發(fā)展需求需要具備靈活性。5G網(wǎng)絡(luò)的具體內(nèi)容比較復(fù)雜，只有網(wǎng)絡(luò)具備靈活性才可以針對具體業(yè)務(wù)的不同需求進行調(diào)整，從而可以滿足各項產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。

2.2 低時延

在5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景中，低時延可以為5G網(wǎng)絡(luò)吸引大量用戶[3]。通信技術(shù)水平的提高導(dǎo)致人們對網(wǎng)絡(luò)流量的使用標(biāo)準(zhǔn)上升。用戶往往更傾向于低時延的網(wǎng)絡(luò)，可以迅速收集到自己需要的信息。在自動化行業(yè)的發(fā)展中，5G網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用過程中需要考慮端到端的傳輸時延。為了更好地滿足自動化行業(yè)的發(fā)展需求，網(wǎng)絡(luò)運營商需要對現(xiàn)有的5G網(wǎng)絡(luò)進行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，盡最大努力減少節(jié)點的數(shù)量，優(yōu)化傳輸設(shè)備的性能，提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度[4]。

2.3 高可靠性

用戶在享受5G網(wǎng)絡(luò)帶來便利的同時也面臨著隱私信息泄露的威脅，只有提高5G網(wǎng)絡(luò)的可靠性才能保證用戶隱私的安全，而且5G網(wǎng)絡(luò)的承載力直接影響用戶的使用體驗，只有用戶使用體驗好才能建立用戶基礎(chǔ)。對此，為了提高5G網(wǎng)絡(luò)的可靠性，網(wǎng)絡(luò)運營商可以采用與4G網(wǎng)絡(luò)相似的組網(wǎng)方式。

2.4 速度快

相對于4G網(wǎng)絡(luò)而言，5G網(wǎng)絡(luò)的速度更快。高速度可以提高用戶的使用體驗，例如用戶在過去的4G網(wǎng)絡(luò)中下載超清電影需要一定的時間，而使用5G網(wǎng)絡(luò)只需要幾秒鐘就可以將超清電影下載完畢。5G承載網(wǎng)的速度加快可以滿足其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，如遠程教育與遠程醫(yī)療等，有利于提高產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平，促進產(chǎn)業(yè)進步。

2.5 泛在網(wǎng)

隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的發(fā)展速度更快。面對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，5G網(wǎng)絡(luò)通過小型基站擴大網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋面的方式獲得更為穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)運營效果。同時，只有擴大網(wǎng)絡(luò)信號的覆蓋面才能使5G網(wǎng)絡(luò)在更復(fù)雜的場景中得到高效運行。泛在網(wǎng)主要包括廣泛覆蓋與縱深覆蓋兩種，廣泛覆蓋是指人們生活的地方都需要5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，在5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋過程中，可以通過部署大量的傳感器實現(xiàn)對地形地貌、環(huán)境變化以及空氣質(zhì)量的檢測[5]。而縱深覆蓋主要是指人們生活的地方雖然已經(jīng)被5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，但是這種覆蓋需要更深層次的全面覆蓋。

3 5G承載網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

5G承載網(wǎng)由于出現(xiàn)的時間比較短，而且網(wǎng)絡(luò)的安全性與穩(wěn)定性暫時還無法得到充分保障，同時網(wǎng)絡(luò)的影響力比較大，故一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題，社會的秩序就可能因此出現(xiàn)混亂，如信息泄漏等，大量的信息數(shù)據(jù)泄露不利于維護社會和諧、促進社會主義事業(yè)的進步[6]。只有充分保障5G承載網(wǎng)的安全性與穩(wěn)定性，才能在復(fù)雜的市場中吸引大量的用戶群體，擴大市場需求。圖2為5G承載網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)。

圖2 5G承載網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

3.1 5G承載網(wǎng)的安全性

隨著通信技術(shù)水平的提高，許多行業(yè)的發(fā)展對互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的依賴程度逐漸上升。目前，網(wǎng)絡(luò)的安全性可以促進行業(yè)的安全發(fā)展，如許多行業(yè)的重要數(shù)據(jù)資料需要進行加密，以避免外泄。商業(yè)機密的泄露會使企業(yè)損失大量的利益，因此企業(yè)在使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)時更加關(guān)注互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安全性。人們在日常生活中也更依賴互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以通過網(wǎng)絡(luò)進行溝通與交流、開展娛樂活動，可見網(wǎng)絡(luò)給人們的生活帶來了極大的便利[7]。目前，世界信息化技術(shù)正處于不斷發(fā)展的過程中，一方面為各行業(yè)的發(fā)展帶來了機遇，另一方面不法分子利用信息技術(shù)會對網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)生威脅[8]。因此，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)需要吸引大量的計算機專業(yè)人才，加大對計算機網(wǎng)絡(luò)信息保護技術(shù)的研發(fā)力度，為網(wǎng)絡(luò)提供安全保障。

3.2 5G承載網(wǎng)的穩(wěn)定性

在各行業(yè)的發(fā)展過程中，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性可以提高行業(yè)的發(fā)展速度。隨著科學(xué)技術(shù)水平以及通信技術(shù)水平的提高，5G承載網(wǎng)的應(yīng)用范圍逐漸擴大。但是就目前而言，大多數(shù)行業(yè)還在堅持使用4G網(wǎng)絡(luò)，這是因為網(wǎng)絡(luò)運營商并不能確保5G承載網(wǎng)的穩(wěn)定性。在眾多行業(yè)的發(fā)展中，數(shù)據(jù)資料是最機密的文件。企業(yè)傾向于選擇使用發(fā)展時間較長的4G網(wǎng)絡(luò)，不愿意冒險使用5G承載網(wǎng)。目前使用的無線基本設(shè)備具體包括基帶數(shù)字處理單元、變頻以及射頻前端的模擬部件等，且5G承載網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)時延、速度的要求更加嚴(yán)格，現(xiàn)階段的承載網(wǎng)各類部件的質(zhì)量暫時還無法滿足5G承載網(wǎng)發(fā)展的需求。雖然網(wǎng)絡(luò)運營商加大了對各類模擬部件的投資力度與研發(fā)力度，但是模擬部件的性能有待提升，各類模擬部件在速度、穩(wěn)定性以及性價比方面還存在問題，只有全面提升模擬部件的性能，才能提高5G承載網(wǎng)的穩(wěn)定性。

4 5G承載網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)分析

5G承載網(wǎng)可以為物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持，它的出現(xiàn)提升了網(wǎng)絡(luò)運行速度，也讓“網(wǎng)網(wǎng)互聯(lián)”成為可能。現(xiàn)如今，5G承載網(wǎng)已經(jīng)滲透到社會的方方面面，包括行業(yè)發(fā)展、人們的日常生產(chǎn)生活等。但由于其內(nèi)容多且復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)運營商只有引進先進的計算機技術(shù)人才，才能加大對該技術(shù)的研發(fā)力度，并讓5G互聯(lián)網(wǎng)惠及人們的生活。此外，5G承載網(wǎng)出現(xiàn)的時間比較短，無法在短時間內(nèi)吸引大量的用戶，所以在發(fā)展過程中引入關(guān)鍵技術(shù)有利于滿足行業(yè)發(fā)展需求，主要包括承載大帶寬、低時延、高可靠性能、靈活性以及智能化。只有充分了解并掌握5G承載網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，才能從根本上解決穩(wěn)定性與安全性等問題。

4.1 承載大帶寬

5G承載網(wǎng)與以往的4G網(wǎng)絡(luò)相比，網(wǎng)絡(luò)的峰值在原來的基礎(chǔ)上提升了幾十倍，對接入層設(shè)備來說是一項巨大的挑戰(zhàn)。而且5G承載網(wǎng)的設(shè)備數(shù)量多，需要根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場景使用不同的設(shè)備，接口消耗量比較大。5G承載網(wǎng)基站密度與傳統(tǒng)的4G基站存在較大的差異，在應(yīng)用過程中鏈接設(shè)備需要具備較強的適用性與靈活性，網(wǎng)絡(luò)必須具有大帶寬、大容量的能力，才能滿足業(yè)務(wù)變化的需求。

4.2 低時延需求

低時延不僅可以提高5G承載網(wǎng)在其他產(chǎn)業(yè)的覆蓋范圍，還可以提高用戶的使用體驗。相對于傳統(tǒng)的4G網(wǎng)絡(luò)，5G承載網(wǎng)必須具備低時延需求，但在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，5G承載網(wǎng)還無法滿足低時延需求。由于主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、車聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)，而這些行業(yè)的發(fā)展對時間的敏感性比較強，因此為了適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展，5G承載網(wǎng)需要讓時延得到更大尺度的降低[9]。

4.3 高精度時間同步需求

5G承載網(wǎng)的同步需求主要包括3大方面，分別是基本業(yè)務(wù)時間同步需求、協(xié)同業(yè)務(wù)時間同步需求以及新業(yè)務(wù)同步需求。據(jù)相關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，5G網(wǎng)絡(luò)的同步需求與以往的4G網(wǎng)絡(luò)時間同步需求相同。

4.4 網(wǎng)絡(luò)靈活性需求

5G承載網(wǎng)被應(yīng)用于各種業(yè)務(wù)場景中。業(yè)務(wù)發(fā)展速度以及發(fā)展規(guī)模存在明顯的差異，因此網(wǎng)絡(luò)運營商需要提高5G承載網(wǎng)的靈活性，同時滿足不同業(yè)務(wù)的發(fā)展需求。

4.5 智能化

當(dāng)今社會的未來發(fā)展趨向于智能化。智能電器、智能家居的出現(xiàn)給人們的生活帶來了極大的便利，網(wǎng)絡(luò)也朝著智能化的方向發(fā)展。相對于4G網(wǎng)絡(luò)而言，5G承載網(wǎng)更加靈活、時延較短、效率高，可以在未來的網(wǎng)絡(luò)市場中占據(jù)優(yōu)勢。

5 5G承載網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃分析

5.1 結(jié)合多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)運營商在5G承載網(wǎng)的研發(fā)過程中可以總結(jié)4G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展經(jīng)驗，4G網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的時間比較長，網(wǎng)絡(luò)的安全性與穩(wěn)定性在長期社會運用中得到了確定。在以往的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷程中，4G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)推動了各行業(yè)的進步，提高了網(wǎng)絡(luò)發(fā)展水平，而4G網(wǎng)絡(luò)面對的是移動互聯(lián)網(wǎng)。現(xiàn)如今，5G承載網(wǎng)不僅需要面對移動互聯(lián)網(wǎng)，還需要面對物聯(lián)網(wǎng)。不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有不同的特征，5G承載網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍比較廣，網(wǎng)絡(luò)信號可以傳達到人們生活的各個地方。

以往的4G網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展歷程中占據(jù)了重要地位。雖然網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展存在差異，但是近些年來5G承載網(wǎng)出現(xiàn)之后，4G網(wǎng)絡(luò)正在逐漸與5G承載網(wǎng)相互融合，甚至逐漸成為了5G承載網(wǎng)的一部分。但是在實際的應(yīng)用過程中，5G承載網(wǎng)的使用要求更加嚴(yán)格，因為5G承載網(wǎng)的涵蓋內(nèi)容多、范圍廣，需要進行大量的數(shù)據(jù)處理工作。網(wǎng)絡(luò)運營商想要節(jié)約研發(fā)成本，提高經(jīng)濟效益，就必須加大力度升級基站建設(shè)相關(guān)的設(shè)備與硬件設(shè)施，縮減成本[10]。為此，網(wǎng)絡(luò)運營商以4G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)開始5G承載網(wǎng)的探索之路，同時4G網(wǎng)絡(luò)也為5G承載網(wǎng)的發(fā)展奠定了大量的用戶群體使用基礎(chǔ)。

5.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)扁平化

放眼未來，為了滿足5G承載網(wǎng)的發(fā)展需求，網(wǎng)絡(luò)運營商可以將現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化，從而提高5G承載網(wǎng)的運行效率。業(yè)務(wù)層沿著下沉方向發(fā)展可以降低網(wǎng)絡(luò)時延，提高用戶以及企業(yè)的體驗感。眾多企業(yè)對網(wǎng)絡(luò)的速度以及時延有著嚴(yán)格的要求。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)扁平化有利于未來的5G承載網(wǎng)充分滿足現(xiàn)代企業(yè)的需求，提高企業(yè)對5G網(wǎng)絡(luò)的信任度。當(dāng)前社會已經(jīng)進入了5G時代，和以往的4G時代不同，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對5G承載網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)更高，要求更加嚴(yán)格，因此網(wǎng)絡(luò)運營商需要在未來的發(fā)展中實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)扁平化目標(biāo)。只有不斷進行技術(shù)層面的升級與優(yōu)化，才能保證5G網(wǎng)絡(luò)既可以擁有4G網(wǎng)絡(luò)一樣的穩(wěn)定性，同時又具備較有優(yōu)勢的帶寬和數(shù)據(jù)傳輸效率，促使在可連接網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，人們的網(wǎng)絡(luò)使用更為安全有保障。同時，扁平化的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)沒有中心交換機和分交換機，后期的技術(shù)維護工作也可節(jié)省大量的人力物力。

5.3 網(wǎng)絡(luò)承載前移

在5G承載網(wǎng)的發(fā)展過程中可以發(fā)現(xiàn)單扇區(qū)接口帶寬具有明顯的提升。相對于以往的4G網(wǎng)絡(luò)，接口帶寬至少在原來的基礎(chǔ)上提升了100倍，但是5G承載網(wǎng)的時延并沒有提升，反而出現(xiàn)了下降，并且在具體實踐過程中發(fā)現(xiàn)通用公共無線電接口（Common Public Radio Interface，CPRI）的工作能力無法滿足5G承載網(wǎng)的發(fā)展需求，已經(jīng)無法使用傳統(tǒng)的CPRI構(gòu)建前傳網(wǎng)，如若該問題沒有得到妥善解決，那么在未來的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展中，5G承載網(wǎng)的廣泛使用可能會面臨較大的障礙。網(wǎng)絡(luò)運營商需要及時處理網(wǎng)絡(luò)承載遷移問題，找到更為適宜的解決方法或是技術(shù)升級方式，保證使用最少的資金獲得最好的處理效果，避免對后續(xù)技術(shù)的進一步發(fā)展產(chǎn)生不利影響。

6 結(jié) 論

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的科學(xué)構(gòu)建受多種外界因素的干擾，如市場需求、網(wǎng)絡(luò)安全等，但是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展對社會經(jīng)濟發(fā)展水平具有不可替代的作用。當(dāng)前社會朝著智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展，只有不斷提升網(wǎng)絡(luò)發(fā)展技術(shù)才能夠與時俱進，推動社會事業(yè)的發(fā)展。