1 5G演進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展與典型場景
移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在大面積普及4G網(wǎng)絡(luò)以后,,中國用戶的使用體驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)速率得到較大提升。隨著技術(shù)進(jìn)步和多方面因素的驅(qū)動(dòng),,美日韓及歐洲的5G測試與商用正在加速,,國內(nèi)方面,工信部也在積極推進(jìn)5G的進(jìn)程,,IMT2020推進(jìn)組的5G技術(shù)研發(fā)驗(yàn)證已從關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段到了技術(shù)方案驗(yàn)證階段,,中移動(dòng)集團(tuán)也在積極布局5G,,加緊進(jìn)行5G的外場驗(yàn)證,。
1.1 3GPP時(shí)間表
以目前3GPP標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)奏,,預(yù)判2020年試商用能相對比較成熟,而隨著產(chǎn)業(yè)環(huán)境加速的趨勢,,也可能基于目前的Rel-14版本或Rel-15版本開展試點(diǎn)或試商用,,試商用中將更側(cè)重于增強(qiáng)版的移動(dòng)寬帶(eMBB)應(yīng)用場景。如圖1所示,。
圖1 3GPP標(biāo)準(zhǔn)節(jié)奏
1.2 5G的典型應(yīng)用場景
5G的典型應(yīng)用場景如圖2所示包含eMBB(增強(qiáng)版的移動(dòng)寬帶)應(yīng)用場景,、mMTC(大規(guī)模機(jī)器通信)應(yīng)用場景、uRLLC(高可靠低時(shí)延通信)應(yīng)用場景,。
圖2 5G的三類典型應(yīng)用場景
這三類場景在5G建網(wǎng)初期最典型的應(yīng)用是增強(qiáng)版的移動(dòng)寬帶(eMBB)應(yīng)用場景,,比如隨時(shí)隨地高清視頻直播和分享、虛擬現(xiàn)實(shí),、高速上網(wǎng)等方面。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,,大規(guī)模機(jī)器通信(mMTC)應(yīng)用場景應(yīng)用會(huì)越來越多,,比如智能抄表、自動(dòng)停車、智能交通等,。相對而言高可靠低時(shí)延通信(uRLLC)應(yīng)用場景在初期應(yīng)用可能不多,,比如自動(dòng)駕駛汽車、工業(yè)互聯(lián),、遠(yuǎn)程機(jī)械作業(yè)控制等會(huì)隨著5G網(wǎng)絡(luò)的部署成熟出現(xiàn)應(yīng)用,,但這類應(yīng)用對傳輸網(wǎng)時(shí)延要求會(huì)比較高,在1ms~4ms之間,,對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的影響較大,。
2 5G布網(wǎng)對傳輸?shù)年P(guān)鍵需求
2.1 超高帶寬需求
由于5G的單位面積的接入速率比4G提升1000倍,這里的1000倍一般認(rèn)為“千倍速率提升=10倍基站密度x10倍頻譜帶寬x10倍頻譜利用率”,,在實(shí)際應(yīng)用中,,拋開基站密度因素,單基站帶寬提升30~50倍,。因此,,5G基站帶寬均值將超過2G,峰值更是超過10G,。以S111站型為例,,CIR/PIR將達(dá)到4G/16G,按每接入環(huán)6個(gè)站,,一個(gè)站達(dá)到峰值帶寬計(jì)算,,接入環(huán)帶寬將達(dá)到40G,考慮到5G基站的密集程度,,100G組網(wǎng)可能性更大,,而核心層/匯聚層則有可能達(dá)到T級(jí)別組網(wǎng)。
2.2 低時(shí)延需求
5G定義的場景和需求里面,,高可靠低時(shí)延通信(uRLLC)應(yīng)用場景提到端到端1ms延時(shí),,低延時(shí)主要滿足一些特殊場景,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織提到的主要場景是自動(dòng)駕駛,。但1ms場景存在爭議,。例如,自動(dòng)駕駛場景中,,100km時(shí)速,,1ms移動(dòng)距離約3cm,3cm的移動(dòng)距離對自動(dòng)駕駛來說時(shí)沒有必要的,,對安全性也沒有威脅,。相對而言,比較符合應(yīng)用實(shí)際的S1接口單向時(shí)延10ms,,分解到傳輸網(wǎng)延時(shí)為2ms,,X2/ex2接口單向時(shí)延20ms,,分解到承載網(wǎng)延時(shí)為4ms,所以傳輸網(wǎng)絡(luò)以2ms~4ms的低時(shí)延考慮較為合理,。
2.3 網(wǎng)絡(luò)分片的需求
5G網(wǎng)絡(luò)將滲透到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域,,除了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng),還將實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián),,海量的連接設(shè)備,、不斷涌現(xiàn)的各類新業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景,給5G網(wǎng)絡(luò)帶來豐富應(yīng)用的同時(shí),,也為5G網(wǎng)絡(luò)的承載提出了不同的傳輸需求,,車聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)醫(yī)療,、工業(yè)控制等應(yīng)用對傳輸時(shí)延要求較苛刻,,而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、高清視頻則對帶寬要求較高,,為滿足各種業(yè)務(wù)的需求,,同時(shí)又最高效地利用無線、承載網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備資源,,需要對無線,、承載網(wǎng)絡(luò)的資源進(jìn)行切片,采用不同的資源來承載不同的業(yè)務(wù),,按需實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的合理編排,。
網(wǎng)絡(luò)分片需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件和軟件平臺(tái)支持,將與SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))結(jié)合緊密,。
2.4 站間流量的需求
5G場景下,,5G高密流量/高密聯(lián)接的特征將使移動(dòng)承載流量模型mesh化:基站-基站、EPC-EPC之間的移動(dòng)時(shí)交接流量占可能占比相對4G有較大幅度的提升,,流量模型偏向mesh化,。站間流量有兩個(gè)場景,一是基站站間協(xié)同的X2/eX2接口而產(chǎn)生的流量,,二是部分應(yīng)用,,因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)/EPC/MEC的位置可能比較低,從而產(chǎn)生了站間流量,。站間流量的需求對傳輸網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)也提出了一定的要求,。
2.5 高精度時(shí)間同步
在超密集組網(wǎng)場景下,基站聯(lián)合發(fā)送對同步提出更高要求:非相鄰載波下的聯(lián)合發(fā)送要求時(shí)間同步精度為260ns,;相鄰載波下的聯(lián)合發(fā)送要求時(shí)間同步精度為130ns,;同一載波下的聯(lián)合發(fā)送要求時(shí)間同步精度為65ns。而在65ns的時(shí)間同步精度下,,即使是基站直接從GPS獲取時(shí)間,,也難以保證該同步精度,,需要考慮采用承載網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間同步。
3 面向5G的傳輸網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)探討
3.1 基礎(chǔ)資源儲(chǔ)備分析
面向5G的發(fā)展,,基礎(chǔ)資源的儲(chǔ)備極為關(guān)鍵??紤]高頻衰竭實(shí)際覆蓋縮短,,5G基站的密度會(huì)是4G的1.5倍左右,微站超密級(jí)分布,,同時(shí)低時(shí)延和站間流量需求會(huì)對成環(huán)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀化提出一定的要求,。
基于以上的特點(diǎn),基礎(chǔ)資源的儲(chǔ)備關(guān)鍵是:
一是進(jìn)行局房和匯聚節(jié)點(diǎn)等重要節(jié)點(diǎn)的資源儲(chǔ)備,,尤其是匯聚節(jié)點(diǎn)自有率的提升和機(jī)房面積的提升,。首先,推動(dòng)核心機(jī)房的能力儲(chǔ)備,,5G對于核心節(jié)點(diǎn)的裝機(jī)需求約30~50個(gè)機(jī)架,,功耗約120~200kw,核心機(jī)房裝機(jī)條件的改善和電源,、空調(diào)等條件的提前儲(chǔ)備很關(guān)鍵,;其次,中移動(dòng)的匯聚機(jī)房條件并不算好,,還有不少依然是租用機(jī)房,,剩余的裝機(jī)位也不多,面向5G的布網(wǎng)對這些資源提出了新購以及現(xiàn)網(wǎng)整治以改善裝機(jī)條件的需求,。
二是光交網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格化的部署和延伸,,靠近接入點(diǎn),實(shí)現(xiàn)資源的網(wǎng)格化,、有序化,、靈活安全的接入。5G基站依然以光交網(wǎng)為主要的光纖接入,、組網(wǎng)手段,,面對超密集組網(wǎng)的站址接入需求,光交資源需要著重從“密度”和“健康度”兩個(gè)方面規(guī)劃考慮,?!懊芏取钡木S度以綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)為單位,考察其覆蓋半徑及接入能力,,按照基站站址密度提高到1.5倍考慮,,需要著重增強(qiáng)綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)的覆蓋范圍并加大二級(jí)分纖點(diǎn)的建設(shè)?!敖】刀取钡木S度則是從“微網(wǎng)格”的角度,,考察基礎(chǔ)資源的持續(xù)可接入能力,,對微網(wǎng)格范圍內(nèi)“規(guī)整率”、 “覆蓋率”,、“連通率”,、“接入率”等指標(biāo)推動(dòng)建設(shè)和優(yōu)化。
三是道路管道的新增或擴(kuò)容,,滿足設(shè)備組網(wǎng)的需求,。面向5G,基礎(chǔ)資源層面也需重視管道的加排,、疏通建設(shè),,要提早進(jìn)行管道加排,增強(qiáng)線路連通的能力,,并推廣紡織子管等應(yīng)用,,盤活已建管孔資源,為5G的CRAN和DRAN部署及傳輸設(shè)備的組網(wǎng)做好準(zhǔn)備,。
3.2 網(wǎng)絡(luò)分片的實(shí)現(xiàn)探討
網(wǎng)絡(luò)分片是面向5G的一個(gè)特征,,可分為轉(zhuǎn)發(fā)層分片、管理層分片,、控制層分片,,面向5G的幾種場景也可進(jìn)行連續(xù)廣覆蓋切片、低時(shí)延高可靠切片,,而SDN的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)這些網(wǎng)絡(luò)分片的一種重要方式,。
相對而言,在中移動(dòng)的倡導(dǎo)下,,在PTN網(wǎng)絡(luò)中引入SDN是近期可能應(yīng)用的一種方案,。SPTN的組網(wǎng)和應(yīng)用可通過引入S-Controller和D-Controller來實(shí)現(xiàn)。目前,,SPTN的驗(yàn)證在多個(gè)城市做個(gè)試點(diǎn),,但在現(xiàn)網(wǎng)的應(yīng)用還很少,隨著5G的臨近其部署將會(huì)越來越多,。
同時(shí),,隨著PTN技術(shù)的不斷發(fā)展,正向第二代PTN演進(jìn),。第二代PTN將具有FlexE(基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)輕量級(jí)增強(qiáng))等特性,,F(xiàn)lexE可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的隔離和捆綁,可在轉(zhuǎn)發(fā)層實(shí)現(xiàn)分片,,從而5G的網(wǎng)絡(luò)分片特征可以通過FlexE及SDN同時(shí)實(shí)現(xiàn)硬隔離和軟隔離,,其應(yīng)用更具價(jià)值。
3.3 高精度時(shí)間同步部署要求
5G空口需要高精度時(shí)間同步,,在6G以下頻段的厘米波甚至達(dá)到150ns,,這對超高精度時(shí)間同步提出了要求,。為了達(dá)到時(shí)間同步的要求,尤其在傳輸網(wǎng)絡(luò)傳遞的場景中,,一方面需要部署超高精度時(shí)間同步服務(wù)器,,另一方面改進(jìn)時(shí)間同步算法,以提高時(shí)間同步的精度,。
3.4 三層網(wǎng)絡(luò)下移的探討
目前傳輸網(wǎng)絡(luò)以二層設(shè)備為主,,中移動(dòng)PTN網(wǎng)絡(luò)的三層設(shè)備一般部署在核心層,同時(shí)成對部署L2/L3橋接設(shè)備,,匯聚層和接入層均為二層設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)小三層的網(wǎng)絡(luò),,對站間流量等X2業(yè)務(wù),,其路徑為接入->匯聚->橋接->匯聚->接入,X2業(yè)務(wù)所經(jīng)過的跳數(shù)多,、距離遠(yuǎn),,時(shí)延相對也較大。
低時(shí)延的要求,、站間流量的增多和5G無線跟核心的云化都對傳輸網(wǎng)絡(luò)的三層下移提出了需求,。
三層網(wǎng)絡(luò)的下移有下沉到匯聚和下沉到接入邊緣兩種方案。下沉到接入的方案將是一個(gè)非常復(fù)雜的三層網(wǎng)絡(luò),,其站間流量和到業(yè)務(wù)網(wǎng)元的時(shí)延將大為降低,,但網(wǎng)絡(luò)維護(hù)相對復(fù)雜。下沉到匯聚的方案能將時(shí)延降到1.5ms以內(nèi),,其路徑為接入->匯聚->接入,,對絕大部分5G的業(yè)務(wù)能滿足其要求,匯聚點(diǎn)由于相對穩(wěn)定,,對網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的復(fù)雜性相對降低,。無論是下沉到匯聚還是下沉到接入,這都將成為一個(gè)大三層的網(wǎng)絡(luò),,靜態(tài)路由方式需改為動(dòng)態(tài)路由方式,。
3.5 城域傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)的探討
(1)城域傳輸網(wǎng)內(nèi)帶寬測算
5G基站峰值帶寬按7G,平均帶寬按3.5G考慮,,接入環(huán)帶8個(gè)節(jié)點(diǎn),,按7*單站平均帶寬+單站峰值,則接入環(huán)帶寬約為31.5G,;對于匯聚環(huán),,以環(huán)形組網(wǎng)估算,假定每匯聚環(huán)6臺(tái)設(shè)備,,每對設(shè)備帶3個(gè)接入環(huán),,按6*3*接入環(huán)帶寬*匯聚收斂比/2估算,,匯聚收斂比暫定為4:3,則匯聚環(huán)帶寬約為213G,。
對于CRAN方式,,按每個(gè)接入環(huán)可帶20個(gè)RRU考慮,5G基站峰值帶寬7G,,平均帶寬3.5G,,接入環(huán)帶4個(gè)節(jié)點(diǎn),按23*單站平均帶寬+單站峰值,,則接入環(huán)帶寬約為87.5G,;對于匯聚環(huán),以環(huán)形組網(wǎng)估算,,假定每匯聚環(huán)6臺(tái)設(shè)備,,每對設(shè)備帶3個(gè)接入環(huán),按6*3*接入環(huán)帶寬*匯聚收斂比/2估算,,匯聚收斂比暫定為4:3,,則匯聚環(huán)帶寬約為590G。
以上測算可見,,接入層設(shè)備需考慮40GE的環(huán)或直接組50G/100G的環(huán),;匯聚層設(shè)備需逐步考慮組400GE的環(huán)或疊加。
對于核心層,,每對節(jié)點(diǎn)可帶3000個(gè)站以上,,假定按4:2的收斂算法,測算帶寬約為6T,,核心層更需采用大容量的設(shè)備,。
(2)城域傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)探討
結(jié)合三層網(wǎng)絡(luò)下移、網(wǎng)絡(luò)分片的實(shí)現(xiàn)和帶寬的測算,,城域網(wǎng)的架構(gòu)將向著智能化,、扁平化、高速帶寬和靈活組網(wǎng)的方向發(fā)展,。
1)三層網(wǎng)絡(luò)下移方面,,下移到匯聚層還是接入層目前還存在爭議。從現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的利用來滿足5G試點(diǎn)和初期發(fā)展來講,,下移到匯聚層會(huì)是折中的一個(gè)選擇,,能將業(yè)務(wù)路徑經(jīng)匯聚層疏導(dǎo)到下沉的業(yè)務(wù)終結(jié)點(diǎn),時(shí)延相比目前已大為降低,;從滿足5G的所有場景和長期發(fā)展來看,,下移到接入層也將是一個(gè)選擇,整個(gè)城域傳輸網(wǎng)將成為一個(gè)三層網(wǎng)絡(luò),可最大程度滿足各類業(yè)務(wù)終結(jié)和站間流量的低時(shí)延傳輸和最短路徑傳輸,,但是整網(wǎng)將新建平面,,投資成本較高。
2)網(wǎng)絡(luò)分片方面,,目前討論較多的是FlexE和SDN,。FlexE是傳統(tǒng)以太網(wǎng)輕量級(jí)增強(qiáng)的技術(shù),基于以太網(wǎng)的多速率子接口在多PHY鏈路上的承載技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的隔離和捆綁,,支持多速率接口,,網(wǎng)絡(luò)分片,多業(yè)務(wù)綜合承載,,目前該技術(shù)的應(yīng)用方式存在較多爭議,,但在一定層面的應(yīng)用較大。SDN的引入尤其是SPTN的應(yīng)用目前取得共識(shí)較多,,通過SDN實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分片在未來可能性較大,。
傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)如圖3所示。
圖3 傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)
3)帶寬速率提升和網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方面,,將呈現(xiàn)高速帶寬和靈活組網(wǎng)的特征。
大城市的核心層組網(wǎng)將以網(wǎng)狀網(wǎng)為主,,通過分區(qū)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)分區(qū)的接入,采用L3設(shè)備進(jìn)行架構(gòu)搭建,,需采用單端口400G以上的大容量設(shè)備,。
匯聚層逐步采用L3設(shè)備進(jìn)行架構(gòu)搭建,可由環(huán)網(wǎng)考慮逐步改為口字型上聯(lián),,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的下沉網(wǎng)元設(shè)置進(jìn)行半mesh結(jié)構(gòu)的靈活組網(wǎng),,也需采用單端口400G以上的大容量設(shè)備以滿足5G帶寬陡增的需求。
接入層可仍以環(huán)網(wǎng)形式接入,,也可進(jìn)行半mesh結(jié)構(gòu)的靈活組網(wǎng),,帶寬由目前的GE環(huán)/10GE環(huán)升級(jí)為單環(huán)40G或50G/100G。
4 結(jié)語
隨著4G網(wǎng)絡(luò)為人們提供了視頻,、圖片,、以及話音、短信等高質(zhì)量的通信服務(wù),,人們的移動(dòng)通信使用體驗(yàn)相比10年前甚至5年前已有很大不同和提升,,這也讓人們對5G網(wǎng)絡(luò)充滿了期待。本文從5G標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展和場景典型應(yīng)用開始,,論述了5G布網(wǎng)對傳輸?shù)年P(guān)鍵需求是超高帶寬,、低時(shí)延需求、網(wǎng)絡(luò)分片、站間流量和高精度時(shí)間同步,。通過帶寬流量的推算建立了各層帶寬模型,,提出了傳輸網(wǎng)核心層、匯聚層,、接入層的帶寬速率提升和網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)特征,,并探討了面向5G的傳輸網(wǎng)會(huì)逐步將三層下移,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分片的努力,、基礎(chǔ)資源的儲(chǔ)備和高精度時(shí)間同步的部署,,網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)向智能化、扁平化,、高速帶寬和靈活組網(wǎng)的方向發(fā)展,。