探析5G承载的挑战与接入技术方案

2020-02-20邬张帆庄常进

通信电源技术 2020年1期

邬张帆，庄常进

（湖北邮电规划设计有限公司，湖北武汉 430023）

0 引言

5G（第五代通信技术）致力于构建信息与通信技术的生态系统，是未来无线网络发展的前言，对全世界发展相关行业产生了巨大的推动作用。与目前成熟的4G技术相比，5G技术可以更好地满足未来爆炸性的移动数据流量增长，并支持海量设备连接，通过与行业之间的深度融合，满足不同企业终端互联网的个性化需求。

1 目前5G承载面临的挑战

现阶段，各地区正在积极开展5G网络建设，其中“5G建设，承载先行”的口号阐述了承载网络对5G发展的重要性[1]。但是，实际上5G时代下的业务特征及其网络架构明显区别于4G，这对于5G技术是一个巨大挑战。

（1）5G的RAN网络能够在原有4G技术上进行技术结构演进。传统的4G网络采用了两级结构模式，主要包括RRU（射频拉远单元）和BBU（基带处理模块）；5G网络则采用了三级结构模式，包括AAU（有源天线单元）、DU（分布单元）和CU（集中单元），具体结构如图1所示。在这种结构改变下，5G网络的数据传输渠道进一步改变，带给承载网挑战。

（2）在目前的4G网络时代，逐渐凸显的单个基站宽带显著增加，基站不稳定的密度加大，造成基站选址困难、基站利用率低、机房成本增加等。在5G环境下，上述问题没有得到解决甚至会呈现出“愈演愈烈”的情况。基于这一特征可以判断，在未来5G技术快速发展的情况下，还需要进一步延续目前4G网络的BBU基础策略，将5G网络架构中的DU作为核心组网架构。

图1 5G与4G技术的结构比较

（3）在5G技术环境下，核心网的建设应该考虑5G低时延业务的时效性特征。所以，在5G环境下，核心网的下移将会成为一个主流的发展趋势，尤其是未来较为常见的uRLLC等具有时延敏感性的业务[2]。

（4）在核心网下移并云化后，MEC将会承担运算压力，分担核心网流量的功能，因此数量会随着时间的推移而逐渐增多。但是，不同类型的业务还是会归属到不同云上，这就决定了需要承载网能够提供不同业务结构，在CU归属的基础上分类到不同的MEC上。

综上所述，在目前5G技术快速发展的情况下，5G承载网面临的挑战严峻，突出表现在组网灵活性、时延性以及带宽容量等方面。所以，为了更好地满足未来社会发展对5G技术的需求，如何通过一个承载网满足不同的业务需求已经成为相关人员必须要关注的内容。第一，与当前的4G技术相比，5G的网络带宽预计会有数十倍的增长，会造成承载网带宽快速增加，此时25G高速率能被部署到网络边缘，而成本相对较低的25G/50G光模块和WDM（波分复用）已经成为5G承载网必须要面临的挑战。第二，受5G核心网云化、网络切片等实际业务需求的影响，5G回传网络对连接提出了更高的灵活性要求。所以，为了能够更好地适应这种网络技术的发展变化，需要进一步探索数据传输过程中的质量控制。从当前相关技术的发展情况来看，以太网虚拟专用网、引入分段路由等新基础满足5G承载的运行要求，但是如何更好地实现两者之间的结合，已经成为工作人员重点探索的内容。

2 5G承载的接入技术分析

2.1 全频接入技术

2.1.1 全频接入技术的技术特征

作为5G技术的重要技术组成部分，基于承载网的全频接入技术得到了充分发展。现阶段，全频接入技术包含了6 GHz以下的低频段和6 GHz的高频段，其中5G技术的核心是低频段，是保证无缝覆盖的关键，而高频段则作为辅助功能保证覆盖区域内的热点速度提升。全频接入技术下，通过低频与高频共存的方法，技术中充分结合了低频技术与高频技术的优点，因此能更好地满足5G承载业务需求。目前，全频接入技术的主要研究方向是高频段与蜂窝通信的结合。虽然多数研究证明这种情况可能会影响其覆盖范围，但是数据传输功能更强。

2.1.2 高效新波形

在4G LTE技术下采用的OFDM频率已经得到了5 bit/Hz。相比之下，5G技术采用的新型F-OFDM滤波正交频分复用技术的频率在理论上可以实现50 bit/Hz，与目前的4G技术相比实现了显著突破。F-OFDM的基本原理是将系统带宽划分为不同子带，而子带之间设置灵活可变的保护间隔，且子带可以根据QoE的报文水平配置相应的子带带宽，各子带之间在子带滤波器的作用下完成滤波，实现子带波形解耦。

此外，F-OFDM具有更强的稳定性，每个子带传送的数据不易被干扰、泄露，因此在数据指标稳定的情况下，可以获得理想的数据传输效果。从场景动态划分情况来看，能够按照不同的场景分布采用相应的场景模式。此时，不同的子带不仅能够采用单载波分散模式，还能在上行模式下联合使用多种模型，如近端采用CP-OFDM，此时的基站不需要为UE分配域设置连续的子载波，而在远端的用户则可以采用DF-SOFDM波形。这种设计方法能够确保每个子带配置不同的子载波间隔，且CP长度也存在差异，保证了灵活运用，可满足5G承载网的功能需求。

2.1.3 高频技术与低频技术的混合接入

混合组网是5G技术的主要特征，也是承载网未来技术发展的重点内容。从前文研究可知，现阶段5G承载网面临着高速率网络传输分布差的情况。因此，在全频接入技术的基础上，可以通过高频与低频混合接入的方法有效解决这一问题。

一方面，5G通过上下行频率耦合技术，在下行功率传输阶段通过高频波段的有效覆盖，使不同范围内的网络数据传输获得更理想效果。此时，在上行可以采用频率共享的方法，由蜂窝小区自动识别各个移动终端的信号情况，保证目标区域的任何一个交流都可以获得满意的5G网络覆盖[3]。

另一方面，在混合组网的设计中，可以采用数据面与控制面相分离的方法。这种设计方法可以确保终端处于热点区域时能直接通过低频蜂窝移动网络监控各类数据的传输情况，此时的高频蜂窝移动网络完成数据传输。而在终端处于非热点区域的情况下，高频与低频之间的工作模式直接调换，可以确保无论在热点还是在非热点的环境下都可以确保5G数据的准确传输。

2.2 中转/回传的承载方案

在5G环境下，用户的业务需求产生了更加明显的变化。例如，mMTC物联网业务的处理需要采用大连接的模式，此时的业务带宽与业务需求存在差异。所以，为了更好地满足这种承载网的业务需求，可以考虑通过中转/回传的承载方案。

目前，主流的5G回传网络路由转发功能的实现主要有两种模式：（1）继续使用现有的IPRAN技术（基于IP的无线接入网），而为了可以更好地适应5G环境下对更大数据传输容量的需求，可以在IPRAN技术的基础上添加50GG或者25GE，且针对县级单位等提供基于WDM/OTN网络的大量波长链接；（2）若此时的WDM/OTN方案已经具备相应的ODUK（光通路数据单元）和MPLS-TP（以太网/多协议标签转换传送应用）的分组业务处理模式，则可以在现有业务数据处理的基础上进一步增强其中的数据处理功能，采用一种更加紧凑的组网方案与设备形态来满足5G环境下的承载网灵活应用要求。

同时，网络切片被认为是5G技术的新需求，其中的核心内容是对网络资源做不同的隔离与划分。为了满足这种需求，在中转/回传的承载方案中，可以考虑提供基于L1的硬切片与L2/L3软切片两个层次的网络切片传承方案。