5G 传输技术及组网架构探究

宋法伟，陈明利，代校辉

（山东邮电工程有限公司 山东 济南 250001）

0 引言

当前形势下，5G 已经成为学术界以及移动通信行业的研究重点和热点。以4G 移动通信系统为代表的长期演进技术已经全面实现了商用，但在移动数据需求暴增的形势下，4G 技术远不能够满足现在以及未来的发展需求，因此5G 系统的研究、发展和运用迫在眉睫。为了能够促进网络容量的更好提升，首先就要对网络资源进行智能化的应用，不断优化用户或业务结构与类型，在多网并存的异构移动网络中促进网络容量的有效拓展和提升，不断给予用户更好地体验，使得人们日益增长的移动流量需求得到更好地满足，因而必须发展和研究5G 传输技术，清晰其组网架构，为5G 通信数据的准确性和稳定性奠定基础。

与此同时，与LTE 网络技术相比，5G 网络的数据速率需求在持续增长，其将会应用到多场景、多业务、多领域当中，如更低时延、更高带宽的移动宽带eMBB 业务或者物联网mMTC 业务，以及时延超低、可靠性超高的uRLLC 等。在移动通信网络技术发展过程中，传输网络发挥着基础性、关键性的支撑作用和价值。当处于LTE 阶段时，PTN 或者IPRAN 技术是回传网络技术的重要组成内容和基础，而WDM 无源技术与光纤直驱技术是前传网络的应用基础技术和内容。在5G 技术不断发展过程中，新技术、新型网络架构、丰富多样的网络应用特性给当前的传输结构以及传输能力带来了很大的挑战与困难，而且当前的LTE 传输技术对业务量增长上千倍以及业务类型属性不同的业务内容很难得到更好地满足。同时5G 的CU/DU 分离架构、网络切片、虚拟化、MEC 下沉等会儿将5G 传输逐渐变成云之间的互联组网，逐渐取代设备与设备之间的传输技术。因此，深入研究5G 的传输技术以及组网架构，能够推动5G技术得到更好的运用与拓展，从而更好地满足人们急剧增长的网络数据需求。

1 5G组网架构的发展概况

随着通信技术的不断演进，5G 业务与网络转型不断演变出新地承载技术和标准，且以中国移动为代表的SPN 技术，推动5G 组网架构逐渐走向成熟，促进5G 网络规模更加成熟化和商业化，促使5G 组网架构发生非常重要的变化，RAN 侧DU 与CU 分离；核心网侧UPF 下沉，并逐渐将MEC 引入进来。与此同时，从业务指标角度来分析，5G 对保护、时延、同步与带宽做出了更高的标准和要求[1]。承载网在SDN 网络切片、以运维中心的网络转型方面面临非常大的困难和非常重要的挑战，5G 业务新的标准和需求，促进承载标准和承载技术的萌生和发展。针对当前5G 市场需求的实际变化，移动通信企业要重视SPN 解决方案的提出和创新，重视5G 组网架构的设计方案的制作和构建，充分利用SPN 技术。而SPN 技术能够支持端到端的承载，结合不同网络切片的特点来对不同业务的定制化承载目标进行实现，提升5G 组网架构的效率与效果。从节点架构角度来分析，将L0-L3 技术融合到转发面，支持软硬管道的运用，并运用SDN 来智能调度管控面。当前，SPN 与IETF SR-TP 系列标准、ITU-T 系列标准以及IEEE 50GE/B10K 系列标准进行有效地融合，逐渐形成了新一代的5G传送网技术体系。

此外，SPN 技术对TDM 和以太网的技术优势进行有效的融合与综合运用，能够对承载效率进行保证，也能够对切片需求进行有效地满足，保证其业务量和运行安全性。同时SPN 具有低时延、稳定性等特点，能够对5G 承载网新的部署需求进行有效、全面的满足。目前，SPN 已经形成了比较完善、全面、标准的L0-L1层系统，其与相关仪表、模块和系统设备已经通过了互通测试，并验证了5G 管控能力、同步能力、切片能力和业务连接能力，已经具备了大规模运用的基础和能力。

2 5G传输技术及组网架构研究

在研究5G 传输技术及组网架构时，当前社会对5G传输技术的具体需求和现状进行全面分析，在此基础上进行5G 的传输技术与组网架构的运用方案进行具体研究，推动5G 传输技术得到更好的运用，满足更多业务种类、不同用户的需求，给人们的生产、生活、工作提供便利，推动5G 的传输技术及组网架构进一步的研究和讨论。

2.1 5G 传输技术及组网架构的基础需求与标准分析

5G 技术的研究和开发，必须突破传输技术和网络结构的限制。目前，在4G 网络的传输技术上，5G 网络对于传输网络的可扩展性、灵活性以及其他性能指标的标准和要求更高。由于引入了5G 无线空口新技术和5G 更宽的频谱资源，提升了单站点的带宽，使得接口和网络传输需要更大的带宽传输技术和需求。5G 回传时，补充盲点和热点的覆盖一般运用高频，而低频一般运用于广覆盖。如果假设频谱资源的高频带宽是800 MHz，低频的带宽是100 MHz，那么低频与高频单小区的峰值在0.99 G ～3.3 G 之间，低频与高频单小区的均值估算在3.3 G ～13.2 G 之间，从中可以看出，当前的LTE 带宽根本不能够满足移动通信网络的需求。从5G 前传方面来看，为了能够更好地满足5G 基站的发展需求，CPRI 联盟给前传接口定义了新的以太网格式的eCPRI 接口协议，从物理层的功能切分方面来进行考虑和分析，在相同条件下，eCPRI 接口协议会比CPRI 接口协议的带宽接口左右，同时还能够将基站荷载与带宽相适应的目标得以更好地实现。在将来，5G 的eCPRI 接口会运用N*25G 的接口。

在5G 时延方面，由于URLLC 业务的广泛运用，使得控制面与用户面的传输时延得到了有效地降低。目前5G的前传时延主要受到HARQLoop 的时间限制和3GPP 的空口时延限制。HARQLoop 的时间限制是从UE 到LOW-MAC，然后再从基站的LOW-MAC 返回到UE，但是目前缺乏确切的规定和完善的5G 基站处理流程。而HARQLoop 对5G 的主要场景有了不同的标准和要求，在eMBB 场景中的DL/UL 约为4 ms，而URLLC 场景则为0.5 ms。5G 回传的传输时延通常会受到URLLC、eMBB 的业务端到剬的时延限制，尤其是eMBB 业务中的DL 和UL 时延为4 ms。而URLLC 的时延超低业务主要有远程金融、远程医疗、智能电网、工业控制、机械臂、工业互联网、辅助驾驶、车联网等，这些业务在时延要求上也非常的严苛，时延要求通常为1 ms，这给5G回传传输网络技术的时延要求提出了更高的标准和更大的挑战[2-3]。

此外，5G 的需求会逐渐向更高层次的业务进行拓展，需要5G 传输技术在性能方面有更高的要求，如时延、带宽、能耗、吞吐量、往返时延、信道利用率等。为了能够推动5G 系统适应不同需求的业务，5G 网络传输技术需要不断进行改革与创新，迫切需要重整5G 网络系统架构，突破4G 固定模式架构的局限和限制，积极地对网络资源进行虚拟化的切片和重构，然后在按照具体的业务需求来串接网元，结合某类业务、某个客户来实现5G 网络体系所提供的网络功能和资源。而5G 网络技术的发展需要更高密度的基站，以此来满足基站间的协同需求，增强5G的应用灵活性。通过运用5G 移动网络扁平化的结构，促进5G 移动网络的核心网功能实现云化，增强DC 之间的流量需求[4]。

2.2 5G 传输技术及组网架构的方案探究

在研究5G 下一代传输技术及组网架构时，其研究方案大体分为5G 网络的总体方案、前传网络方案以及中传和回传融合组网方案。下面对5G 的下一代传输技术及组网架构的方案进行有效的探究和讨论。

2.2.1 5G 网络总体传输技术方案研究

5G 网络基带处理主要分为CU 与DU 两个单元，且5G的网络整体架构也要与5G 网络基带单元的变化相一致。5G 前传网络主要是DU 和RRU 之间的组网，5G 的中传网络主要是CU 和DU 之间的网络，而5G 的回传网络主要是核心网与CU 之间的网络。目前，DU 已经具备了5G 基带实时处理的作用和功能，且在流量调度、带宽、时延、位置部署等方面的需要与CU、DU 合一的宏碁站相同。因此，在5G 的中传网络、回传网络上通常会运用一张具有同等组网技术的物理网络。而在前传网络上，由于DU 和RRU要求的时延和带宽标准和需求很高，通常会使用单独组网的前传网络。

2.2.2 5G 前传网络技术方案研究

5G 前传网络技术方案通常有3 种，分别为有源波分、无源波分和光纤直驱。5G 前传网络技术方案在部署中应用场景不同，采用的前传网络方案也不尽相同，有时这几种方案也会同时出现在同一场景之中。因而在运用5G前传网络技术方案时，必须结合应用场景的实际需求和标准来选择恰当、合理的应用方法。采用光纤直驱方法时，运用光纤在BBU 与RRU 之间进行点对点的传输，这种光纤直驱方式时一种典型传统的基站分布式承载方式，施工快速和简单，但是会对光纤的资源进行快速的消耗，大大地增加建设成本，因而在运用光纤直驱方法时通常要保障光纤资源必须丰富和充足，才可以保障光纤直驱方式的高效运用。在无源采光方案的基础上，通常会运用WDM 技术将若干通道通过合分波器运用到BBU 和RRU之间，从而实现运用一根光纤来接入多个RRU 的目标，但是要实现这一目标也要重视将配对的彩光模块运用到BBU 和RRU 上。无源采光方案一般适合运用在具有密集业务的城区或者高速公路沿线、高铁沿线的部署。有源采光的组网方案与无源采光的方案除了接入点之外，其他地方大体相同。前有源采光方法的运用成本很高，并具有丰富的OTN 开销字节，因此，在运用有源采光方案时要考虑资金因素。但随着最近几年我国通信硬件基础的高速发展，通信技术的不断突破，WDM 设备价格劣势不明显，100 G 速率的WDM 设备已在现网中广泛应用，与之相反，随着城市化进程快速发展，光缆铺设工程在城镇中价格急骤飙升，所以在性价比方面，WDM 表现出了明显的优势，将来还有进一步的提升空间。并且在长途骨干网上需要更低的时延，更稳定的通道，更高速率的带宽来支撑5G 的性能更大限度的应用[5]。

2.2.3 5G 中传与回传组网的融合利用方案研究

由于5G 中传与回传组网在流量调度、带宽、时延、位置部署等方面的需求基本相同，因而在5G 的中传网络、回传网络上通常会运用一张具有同等组网技术的物理网络。结合当前5G 网络架构与具体业务需求来制定端到端路由器方案、L3 OTN 方案以及SPN 网络方案这三类组网融合利用方案。端到端的路由器方案则是以路由器为中心，在5G 网络的核心层或者汇聚层、接入层运用路由器组网，通过运用端到端的FlexE 端到端技术来隔离业务，从而使得5G 不同业务类型的切片隔离需求得到更好地满足。同时在路由器上可以通过SDN 来自动配置业务，能够对5G的运维工作进行有效地简化。而L3 OTN 方案的实施必须依赖于OTN 技术，并在基础上来增加L3 的功能，使得综合承载网络得以建成。同时SDN 是统计管控OTN 多业务综合接入平台的基础，通过波长、ODUK 的利用来促进网络切片功能的实现，使得多业务相互隔离的作用发挥出来。而L3 功能地发挥有赖于设备线路板卡与支路板卡的NP，OTN 则在源宿之间建立ODUK 连接通道，实现其作用与功能。SPN 网络技术方案一般分为业务层、链路层和物理层这三个层次。业务层通常会运用支持L3VPN 的SR+SDN 组网技术，以此来对业务灵活调度的需求和要求进行有效地满足。SR 组网的转发节点那个能够发挥出拓扑信息的维护作用，使得网络的可扩展性得到更加的运用。同时SR 网络通过设置源节点的传输路径来转发报文，通过与SDN 网络的结合与利用，平衡了集中优化与智能分布式，使得路径调整效率得到更好地提高。链路层网络技术是以FlexE 技术为基础，对端到端组网、交叉组网、接口进行支持，能够提供低时延和网络分片应用技术，促进义务的捆绑和隔离，其是逻辑层主流技术中的新秀。物理层是以DWDM 技术为基础和核心，且接入层的接口组网通常会运用25G和50G的网络，其能够更好地扩展带宽，实现反向复用，对于持续演进与大带宽组网的要求得以有效地支持。

2.2.4 5G 系统网络新型构架的主要特点

5G 系统提出了CU 和DU 的分离，同时传送网络的三部分在地理位置上是相互重叠的，光纤和机房资源是共享的，且面向分组的网络是首选，所以可采用统一的具有分片功能的SPN 技术架构技术来实现，以满足其对带宽、时延以及业务模型等方面的需求。在5G 部署初期，基站采用低频段组网技术，CU 和DU 采用合设的方式，RRU 采用分离方式；在热点区域部署高频站进行覆盖，CU 与DU 采用分离的方式以实现统一锚点。在后期，采用高频站组网，DU 与RRU 采用合设的方式，CU 采用小集中或大集中的方式。根据5G 频谱对基站带宽的需求测算，对汇聚核心层的传输通路采用新的接口技术，使用新的SPN 实现设备转发时延，基于时隙利于在物理层上进行转发处理，大幅时延干扰。

随着智能通信技术的快速演进，互联网爆炸式增长已远远超出想象，诸多新业务也给运营商建设、维护和升级带来巨大挑战。而SDN（软件定义网络）和NFV（网络功能虚拟化）为解决以上问题提供了很好的方法。另外，根据网络条件和技术进步的趋势，提出了新型无线接入网构架。C-RAN（基于云计算的无线接入网）是基于集中化处理，协作式无线电和实时云计算构架的绿色无线网构架。云架构高性能更好的低成本的特点，有利于5G 通信技术发展。

3 结语

综上所述，现如今，随着互联网信息科技的不断发展，人们在5G 同步、流量调度、网络切片、延时低、大宽带等方面的需求急剧增加，因而对于5G 传输技术需要更高的标准和要求。加快5G 传输技术方案的标准以及统一方面的研究和试验，进而推动其向新一代的方向发展和演进。来不断满足大规模商用需求，推动社会经济持续、健康发展。