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关于5G网络多种传输方案的探讨

http://www.c114.com.cn ( 2018/8/8 14:16 )

【摘要】为了研究如何实现5G网络的高效承载,先描述了5G典型应用场景对承载网络的需求及挑战,再根据5G的应用需求提出了多种传输承载方案,并着重分析了各种传输方案的优缺点,对不同方案的适用范围进行了探讨。

【关键词】5G传输方案    波分组网    固移融合

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.01.000      中图分类号:TN914.3      文献标志码:A      文章编号:1006-1010(2018)01-0000-00

引用格式:赵文姝,何杰,周秀方. 关于5G网络多种传输方案的探[J]. 移动通信, 2017,42(1): 00-00.

Discussion on Multiple Transmission Schemes of 5G Network

ZHAO Wenshu, HE Jie, ZHOU Xiufang

(Sichuan Communication Design Co., Ltd., Chengdu 610041, China)

[Abstract] 5G is coming , How to carry the 5G network efficiently is a problem that needs to be thought ahead of time.Firstly, describe the network requirements and challenges of typical application scenarios, according to the application requirements of 5G put forward a variety of transmission bearing scheme, and analyzes the advantages and disadvantages of various transmission schemes, the applicable scope of different schemes are discussed.

[Key words] 5G transmission scheme    wave division network    the fusion of wired network and wireless network

1   引言

目前5G技术发展非常迅速,国内三大运营商都已经着手5G布局,2017年6月25日,在广州大学城,中国移动首个5G基站正式开通,这也标志着5G网络应用逐渐开启。在5G正式部署之前,如何实现5G网络高标准的承载需求,同时结合现有网络架构,最大程度地节省建设投资,已经成为整个光通信行业关注的重心和研究热点,因此,本文接下来将提出多种传输承载方案,并对各种传输方案的优缺点及其适用范围进行探讨。

2   5G对承载网络的需求及挑战

“5G”即第五代移动通信技术,ITU已将5G标准正式命名为IMT-2020,是目前正在推进的“4G”的延伸,但业界普遍认为5G与4G截然不同,5G不仅是一次技术的更新,更是一个全新技术,是真正实现泛在、智能、融合、高速、绿色的强大通信网络,是无线接入技术的演进和革命。

5G使万物互联成为可能,提供人与人、人与物以及物与物之间高速、安全、自由的连接,也将驱动更多新的业务场景,典型的应用场景包括广覆盖、高接入密度、高接入速率、突发流量和低时延等,这些应用将带领我们进入人工智能时代。

(1)连续广域覆盖:以保证用户移动性和业务连续性为目标,为用户提供无缝高速业务体验,如无人驾驶;

(2)热点高容量:主要面向局部热点区域,可以为用户提供1 Gbps用户体验速率,数十Gbps峰值速率,满足网络极高的流量密度需求;单位面积吞吐量显著提升,热点区域数十Tbps/km2的流量密度需求,如虚拟办公;

(3)低功耗大连接:以传感和数据采集为目标的应用场景,具有小数据包、低功耗、海量连接等特点,要求网络具备超千亿连接的支持能力,满足100万/km2连接数密度指标要求,还要保证终端的超低功耗和超低成本,如物联网、智慧城市;

(4)低时延高可靠:对时延和可靠性具有极高的指标要求,需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证,如车联网。

针对5G的主要应用场景,总结承载网络主要面临以下需求及挑战如表1所示:

表1    IMT-2020发布的5G主要场景与关键性能挑战

广覆盖、高容量将要求5G的基站更加小型化,便于安装于各种场景,同时具备更强大的功能;低功耗要求5G网络绿色低碳节能,比如续航能力是4G网络的100倍,终端可用5到10年;而低时延、高可靠、大带宽等网络需求,需要5G网络架构将进一步扁平化,它将是功能强大的基站叠加一个大服务器集群。

5G的业务需求及网络架构的变化将对网络功能提出新的要求,直接影响承载网络的的技术指标,如带宽、时延、时钟精度和可靠性等,因此研究如何在满足5G技术指标的前提下,进行5G时代光传送网的技术演进尤为重要,这将是5G是否能推广应用的关键前提。

3   5G传输方案探讨

本节将重点讨论5G建设初期传输网络技术选择和组网方案的选择。

3.1  方案一:端到端分组增强型OTN组网方案

如图1所示,5G传输接入层采用100 G波分组网,汇聚层采用T级别波分的组网方式。

图1    波分组网5G承载方案

(1)组网方案

1)前传方案:基站通过裸纤与DU(Distribute Unit,分布单元)连接,满足未来移动用户大带宽、低时延、高可靠信息传送需求。

基站流量预测:5G基站带宽均值将超过1 G,峰值或超10 G;对S111站型,CIR/PIR将达到4 G/16 G。

2)中传方案:DU汇聚基站后接入物理网光交配线端子;物理网光交汇聚DU上行光缆后,DU通过物理网光交成环,物理网光交再通过主干光缆或波分设备上传至局端CU(Centralized Unit,集中单元)。

接入层流量预测:按每接入环6个站,一个站达到峰值带宽计算,接入环带宽将达到40 G,考虑到5G基站的密集程度,100 G组网可能性更大;

3)回传方案:CU通过100 G~T级别波分或中继光缆回传至5G核心网。

汇聚层流量预测:汇聚层波分环考虑到将汇聚多个接入环,则有可能达到T级别组网。

(2)方案一优点

1)大带宽:融合分组技术及超100 G光传送技术,能有效支撑5G网络千倍接入速率;

2)低时延:融合形态,灵活实现业务穿通节点光层直通,应对5G端到端超低时延的巨大挑战;

3)物理链路高安全:DU至光纤物理网光交采用双上行,物理网光交至MS-OTN也采用双上行连接,极大地提高了DU设备的安全性;

4)大容量、少节点:通过MS-OTN汇接DU后再接入CU(无线接入控制设备),可以有效收敛上行光缆,节省CU端口,并使CU覆盖较大的地域面积,减少CU部署点位,有效降低设备组网、传输线路、维护等需求;

5)线路带宽易升级:MS-OTN设备只需插卡,线路带宽可轻松从100 G扩展至400 G,设备不换、机房不改、平滑扩展,实现“超100 G”带宽。

(3)方案一缺点

1)投资大:需搭建两张高速率高性能的OTN环网,在利用现网OTN设备的基础上,仍需新增较多节点,投资巨大;

2)网络较复杂:新建较多的MS-OTN设备用以5G基站信息传输,增加了网络的复杂性。

3.2  方案二:固移融合承载方案

固移融合5G承载方案如图2所示:

图2    固移融合5G承载方案

(1)组网方案

1)前传方案:基站通过裸纤与DU连接,满足未来移动用户大带宽、低时延信息传送需求;室内小基站(RRU+DC部分)可与ONU集成,易于部署。

2)中传方案:

◆DU汇聚基站光缆后接入OLT设备PON口;

◆OLT下沉至小区后,同时接入有线PON业务及无线5G基站;

◆物理网光交汇聚OLT上行光缆后,通过主干光缆设备上行至局端CU。

3)回传方案:CU通过中继光缆回传至5G核心网。

(2)方案二优点

1)组网简单:利用现有网络结构,升级OLT设备,增加物理网光交数量,即可完成组网;

2)固移融合:有线、无线综合承载,提高设备利用效率,有效节省机房空间,节约能耗,且有线无线业务带宽、性能等实现同步升级;

3)大带宽传输:除采用超10 G甚至100 G PON OLT设备进行DU设备承载外,全程光链路直达,支持5G超大带宽应用;

4)物理链路高安全:DU(5G无线接入单元)至OLT采用双上行,OLT至物理网光交也尽量采用双上行连接,且物理网光交呈环状结构,极大地提高了DU设备的安全性;

5)线路带宽易升级:OLT设备可实现平滑升级,设备不换、机房不改、平滑扩展,实现“超100 G”带宽;

6)节省物理网光纤资源:采用OLT设备作为CU、DU之间的汇聚点,可以起到大幅汇聚基站上行光缆的作用,降低对光纤物理网资源的消耗。

(3)方案二缺点

1)需克服OLT时延较大问题:由于OLT的上行采用TDMA(时分复用)方式,因此上行信息流时延暂时无法满足5G的超低时延需求。因此,如采用OLT融合承载无线及有线业务,需要对OLT时延进行优化,或者通过端到端QoS保障5G基站业务传输低时延、高可靠和大带宽的需求;

2)CU覆盖范围有限:由于DU通过光纤物理网直接汇接到CU,且光纤物理网单环上仅能带4~6个光交,密集城区每个光交覆盖半径为1 km左右,这意味着CU覆盖范围内能接入的基站数量受覆盖面积限制而容量有限,不能最大限度地发挥CU的效能。

3.3  其他传输方案

除以上两种方案外,还可以采用以下方案:

(1)方案三:以方案一为基本网络架构,结合方案二,具体是将接入层的MS-OTN设备作为综合接入设备,MS-OTN同时接入基站以及OLT设备,基站完成无线接入,OLT设备完成有线接入.

(2)方案四:以方案二为基本网络架构,将OLT设备用超低时延交换机替代,采用三层交换机或路由器进行回传。

(3)方案五:以方案二为基本网络架构,将OLT设备用高速IPRAN设备替代。

(4)方案六:以方案三为基本网络架构,暂时不建设接入层的MS-OTN环,DU直接通过光纤物理网接入CU。此方案占用纤芯资源较多,适用于少量补点,不适用于大规模建设。

在实际的建设过程中,具体采取何种传输组网方案,主要取决于以下条件:

(1)CU的定位:CU在网络层级中的定位,即CU位置的选择、覆盖的范围、接入用户规模等。如果CU在汇聚层面,覆盖广、容量大,采用方案一更合理;反之,如果CU在接入汇聚层面,位置与4G BBU机房位置类似,则可采用方案五。

(2)资金投入:投资的大小也对网络架构的选择起到重要的影响作用,方案一、方案三投资巨大,但网络架构清晰、合理,能满足5G传输各项指标。方案二、三、五投资较低,适用于试点阶段或少量补点建设。

(3)技术进步:技术的进步也可以改变网络建设方式,例如OLT设备能解决时延、同步,IPRAN设备能解决带宽等技术难题,5G网络的接入方式将更加丰富。

实际建设时,还是应根据具体的情况,灵活选取组网方式,以期能达到网络最优、投资最省的效果。

4   结束语

5G正在逐步成熟,给传送网络带来的不仅是流量的攀升,低时延、高可靠、灵活智能等要求都是对现有网络架构的挑战,因此本文结合具体的建设需求,提供了多种传输解决方案。随着5G标准的进一步明确,笔者认为传送网目前还需要重点关注CU的定位、网络层级、覆盖密度,这将决定匹配何种传输组网方案更为合理,并按最优的承载方案提前准备光纤和机房资源,为迎接5G的部署做好充分的准备工作。

参考文献:

[1] ITU-Working Party 5D. Draft new Recommendation ITU-R M[S]. 2015.

[2] Network Technology R&D Center, SK Telecom. SK Telecom 5G White Paper[R]. 2014.

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[4] IMT-2020(5G)推进组. 5G概念白皮书[S]. 2015.

[5] NGMN. NGMN5G白皮书[S]. 2015.

[6] 中国电信CTNet2025网络重构开放实验室. 5G时代光传送网技术白皮书[R]. 2017.

[7] 陈晓贝,魏克军. 全球5G研究动态和标准进展[J]. 电信科学, 2015,31(5): 10-13.

[8] 李信,蒋雷敏. 5G技术与应用[J]. 消费电子, 2014(14): 92.

[9] 李信,栾文涛. 浅谈5G移动通信[J]. 信息技术与应用, 2015(17): 26.

[10] 耿亮,张德朝,王世光,等. 5G回传网络技术探讨[J]. 电信网技术, 2015,9(9): 15. ★

作者简介

赵文姝:学士毕业于四川师范大学通信工程专业,曾受聘为四川大学锦城学院客座讲师、中国电信光接入网讲师,现任四川通信科研规划设计有限责任公司光传送网技术专家,曾主持云南电信2013年有线网络规划、四川电信2014年至2017年有线网络规划、光网络演进及宽带乡村等重要项目。

何杰:一级建造师,学士毕业于西南交通大学工商管理专业,现任四川通信科研规划设计有限责任公司光传送网技术专家,负责并参与各地省级、本地网级有线接入网滚动规划及专项规划等重要项目。

周秀方:建造师,学士毕业于重庆邮电大学,现任四川通信科研规划设计有限责任公司光传送网专家,从事光传送网规划、咨询、研究工作,曾参与四川、重庆、内蒙等全国多个省市的电信、联通等运营商网络滚动规划,参与四川电信千兆城市、宽带乡村等重要建设项目。

作者:赵文姝 何杰 周秀方   来源:《移动通信》2018年1月

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