5G 承載關鍵技術與規劃設計
羅成 程思遠 江巧捷 謝維信 張欽宇 編著
| 1.1 5G 網絡概述 |
從 1G 到 4G，現有幾代移動通信系統着眼于提供更快、更好的語音和資料傳輸服務使人與人之間互聯。移動通信已經深深地改變了人們的生活，但人們對更高性能移動通信的追求從未停止。為了應對未來爆炸性的移動資料流量增長、海量的裝置連接配接、不斷湧現的各類新業務和應用場景，第五代移動通信（5G）系統應運而生。
從不同的資訊互動對象角度，5G 應用将涵蓋三大類場景，如圖 1.1 所示。
（1）增強移動寬帶（eMBB，enhanced Mobile Broad Band）：面向增強的移動網際網路應用場景，5G 提供更高體驗速率和更大帶寬的接入能力，支援解析度更高、體驗更鮮活的多媒體内容；
（2）海量機器類通信（mMTC，massive MachineType Communications）：面向物聯網裝置互聯場景，5G 提供更高連接配接密度時優化的信令控制能力，支援大規模、低成本、低能耗物聯網裝置的高效接入和管理；
（3）超可靠低延遲時間（uRLLC，ultra-Reliable Low-Latency Communications）：面向車聯網、應急通信、工業網際網路等垂直行業應用場景，5G 提供低延遲時間和高可靠的資訊互動能力，支援互聯實體間高度實時、高度精密和高度安全的業務協作。
為了适應業務場景的差異化要求，在關鍵能力名額方面，除了傳統的峰值速率、移動性、時延和頻譜效率之外，國際電信聯盟（ITU，International Telecommunication Union）還提出了使用者體驗速率、連接配接數密度、流量密度和能量效率 4 個新增關鍵能力名額，具體如圖 1.2 所示。5G 使用者體驗速率高至100 Mbit/s，能夠支援移動虛拟現實等業務；5G 峰值速率可達 10 ～ 20 Gbit/s，流量密度可達 10 Mbit/s·m-2，能夠支援未來千倍流量增長；5G 連接配接數密度可達每平方千米 100 萬個，支援海量物聯網裝置接入；5G 傳輸時延降至毫秒量級，滿足車聯網和遠端工業控制的嚴格要求；5G 能夠提供 500 km/h 的移動速度（如高鐵環境）下順暢的使用者體驗；最後，為了保證對頻譜和能源的有效利用，對于 4G 而言，5G 的頻譜效率提高了 3 ～ 5 倍，能效提升了 100 倍。
“4G 改變生活，5G 改變社會”。5G 網絡的部署将會掀起新一輪移動通信建設高潮，通信行業成為直接受益者，同時也會帶動 ICT（Information and Communication Technology）行業和其他行業（如工業制造、物聯網、醫療、能源等）的快速發展。2G、3G、4G 主要滿足人與人之間的通信需求，5G 将會實作人與人、人與機器、機器與機器之間的通信需求，使移動通信從個人通信向行業應用方向發展。5G 網絡不僅能給我們帶來更好的帶寬體驗，還背負着一個重要的使命—使能垂直行業，以超高帶寬、超低延遲時間以及超大規模連接配接改變垂直行業核心業務的營運方式和作業模式，全面提升傳統垂直行業的營運效率和決策智能化水準。
初期的 5G 網絡與 4G 網絡相比最大的性能提升是顯著增加的帶寬和超低的端到端時延。目前，比較明确的能夠從這兩方面特性中受益的新興用例主要有如下幾個。
（1）增強現實（AR，Augmented Reality）、混合現實（MR，Mixed Reality）
和虛拟現實（VR，Virtual Reality）。
（2）移動多媒體：360°、4K/8K 分辨率的演出或體育賽事直播。
（3）遠端教育服務。
1．增強現實、混合現實和虛拟現實
AR、MR 和 VR 裝置被認為是即将到來的最大技術革命之一。根據 ABIResearch 的預測，2021 年全球 AR 智能眼鏡裝置将達到 4800 萬台、VR 裝置将超過 2 億台。
AR、MR 和 VR 這 3 種現實模式各自有其獨特的用例和機遇。雖然 4G 網絡能夠支撐這些現實技術的基本功能，但是一旦開啟大規模商用，必将在短時間内耗盡 4G LTE 基礎設施資源，并使使用者體驗變得難以接受。5G eMBB具備支撐 AR、MR 和 VR 大規模商用的能力，将會為這些技術帶來新的發展機遇。
智能手機從誕生至今，其性能一直在不斷提高，未來也必将發展成能夠與VR/AR 頭盔配合使用的終端裝置。例如，谷歌的 Tango 技術使用一種視覺定位服務（VPS，Visual Positioning Service）實作室内導航，但是目前這種服務很大程度上依賴本地 Wi-Fi 網絡來确定其自身位置以及映射空間。5G 技術能夠實作更一緻的信号覆寫，這将幫助 VPS 組合相機、蜂窩位置和 GPS 的資訊進行更精準的空間映射和定位。
目前，VR 裝置的分辨率一般為 1200×1080@90 fps（每隻眼睛）。為了提高保真度和沉浸感，業界正在積極開發 4K 甚至 8K@90 ～ 120 fps（每隻眼睛）的下一代裝置。裝置的不斷更新産生的是對無線資料傳輸速率的更高需求，考慮不同的資料壓縮政策，下一代 VR 裝置的視訊資料帶寬需求将會提高幾十倍。
一般來說，AR/MR/VR 裝置本身的能力是有限的，通常需要依賴智能手機和可穿戴裝置，如三星的 Gear VR 和微軟的 Hololens，然而智能手機等終端的能力也受到電池、晶片等限制。一種 5G 的革命性用例可以将 AR/MR/VR 傳感器的輸入上傳至雲端，并将圖形渲染處理從智能終端解除安裝到雲端。在這種情況下，隻需要一個更簡單、低功耗的使用者裝置，該裝置僅作為傳感器的記錄器、5G 蜂窩發射器和視訊解碼器。顯然這正将顯著降低 AR/MR/VR 的使用成本，并實作基于雲服務使用時間服務模式的更大的市場潛力。
為了實作下一代 AR/MR/VR 裝置和 6 自由度（6DoF，6 Degree of Freedom）視訊，預計需要 200 Mbit/s ～ 1 Gbit/s 的流帶寬，為避免眩暈則需要低于 10 ms的動作到手機延遲。
2．移動多媒體：360°、4K/8K 分辨率的演出或體育賽事直播
大型的體育賽事和娛樂活動都是非常具有投資價值的。以體育賽事為例，每年定期舉辦的正常性比賽的觀衆數量可達數億，如 2017 年美國超級碗有 1.113億人觀看，F1 賽事全球有 4.25 億觀衆，其中潛在的巨大市場價值可見一斑，體育賽事也是展示最新技術的絕佳平台。2018 年平昌冬季奧運會上，南韓啟用預商用 5G 系統，提供了同步觀賽、360°VR 直播等 5G 體驗（與 ITU 定義的 5G體驗尚有差距）。賽事舉辦方和營運商已經着眼于一系列賽事相關 App 的開發，将一進步推廣 5G 在體育賽事中的應用。日本已經明确将在 2020 年東京奧運會上推出全球首個 8K 體育賽事現場直播，下一屆奧運會也将成為首個擁有 5G 網絡覆寫的體育賽事之一。
智能手機顯示器正朝着更高分辨率的高動态範圍圖像（HDR，High-Dynamic Range）品質發展。随着越來越多的消費者擁有高端智能裝置，超高清的視訊流服務也會越來越豐富。NTT DoCoMo 承諾在2020 年東京奧運會上使用的 5G 網絡能夠向 VR 裝置提供高速率的資料流，使使用者擁有與運動員一起在體育場館内的體驗。
另外，目前的 360°視訊體驗基于 3 自由度位置（3DoF），能夠允許使用者在固定位置環顧四周。未來的體驗将擴充到 6DoF，使使用者能夠四處走動。顯然這類體驗将在電子遊戲領域大受歡迎。
4K 流媒體對資料速率的需求為 25 ～ 75 Mbit/s，目前的 4G LTE 也可以滿足。但是，8K 流媒體的資料速率需求預計在 100 ～ 500 Mbit/s，具體取決于編碼選擇和多聲道混音。而 6DoF、360°視訊帶寬需求更大，預計為 400 ～ 600 Mbit/s，甚至更高，同時要求延遲不超過 20 ms，具體取決于分辨率、壓縮、使用者回報性能預期（快 / 慢移動）和移動範圍等因素。
3．遠端教育服務
遠端教育服務并不是一個新的概念，借助于個人電腦的遠端教育服務已經發展許多年。随着無線網絡和移動裝置的發展，越來越多的年輕人可以利用移動裝置享受各種不同等級的教育服務（如基礎教育、再進修等）。遠端教育服務對于偏遠地區的學齡兒童來說尤為重要。這些學生上學困難、師資極度有限，遠端教育能夠在一定程度上緩解現有困難。
5G 移動服務可以利用固定無線接入（FWA，Fixed Wireless Access）技術等向偏遠農村地區提供快速連接配接和高速率傳輸服務，提供的高品質視訊流将有利于教師表達完整的文本和圖像資訊，不會因為資料壓縮或低分辨率丢失細節。同時遠端的學生可以在根據需求進行局部放大時仍然能夠清晰地閱讀。
更進一步地，可以借助 VR 為學生提供原生的課堂風格沉浸式體驗，讓學生和教師自然有效地進行互動。
上述這些遠端教育服務将需要 100 ～ 200 Mbit/s 資料速率和低于 20 ms 的端到端延遲，以確定實作舒适的、實時的互動。為了能夠服務到偏遠地區的學生，還需要全面、可靠的移動網絡覆寫。
綜上所述，目前，比較明确的 5G 用例及需求見表 1.1。
未來，5G 将滲透到社會的各個領域，以使用者為中心建構全方位的資訊生态系統；5G 将使資訊突破時空限制，提供極佳的互動體驗，為使用者帶來身臨其境的資訊盛宴；5G 将拉近萬物的距離，通過無縫融合的方式，便捷地實作人與萬物的智能互聯；5G 将為使用者提供光纖般的接入速率，“零”時延的使用體驗，千億裝置的連接配接能力，超高流量密度、超高連接配接數密度和超高移動性等多場景的一緻服務，業務及使用者感覺的智能優化。同時将為網絡帶來超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，最終實作“資訊随心至，萬物觸手及”的整體願景。
| 1.2 5G RAN 的演進 |
相比于 4G LTE 接入網的基帶處理單元（BBU，Base Band Unit）和射頻拉遠單元（RRU，Radio Remote Unit）兩級架構，5G 無線接入網（RAN，Radio Access Network）将演進為集中單元（CU，Centralized Unit）、分布單元（DU，Distribute Unit）和有源天線處理單元（AAU，Active Antenna Unit）三級結構。與之對應，5G 承載網絡也由 4G 時代的回傳、前傳演進為回傳、中傳和前傳三級新型網絡架構。5G 網絡的演進過程如圖 1.3 所示。在 CU、DU 合設情況下，則隻有回傳和前傳兩級架構。
前傳網絡與 4G 相比，接口速率（容量）和接口類型都發生了明顯變化。中傳是面向 5G 新引入的承載網絡層次，在承載網絡實際部署時城域接入層可能同時承載中傳和前傳業務。随着 CU 和 DU 歸屬關系由相對固定向雲化部署的方向發展，中傳也需要支援面向雲化應用的靈活承載。
5G 回傳網絡實作 CU 和核心網、CU 和 CU 之間等相關流量的承載，由接入、彙聚和核心 3 層構成。考慮到移動核心網将由 4G 演進的分組核心網（EPC，Evolved Packet Core）發展為 5G 核心網（5GC，5G Core）和移動邊緣計算（MEC，Mobile Edge Computing）等，同時核心網将雲化部署在省幹和城域核心的大型資料中心，MEC 将部署在城域彙聚或更低位置的邊緣資料中心。是以，城域核心 / 彙聚網絡将演進為面向 5G 回傳和資料中心互聯統一承載的網絡，如圖 1.4 所示。
核心網重構對承載網挑戰較大。4G 和 5G 核心網架構的對比如圖 1.5 所示。受業務發展驅動，5G 核心網将發展成為滿足全業務接入、服務全業務場景的雲化泛在網絡，采用服務化網絡架構和軟體定義網絡（SDN，Software Defined Networking）/ 網絡功能虛拟化（NFV，Network Function Virtualization）技術實作網絡重構，具有業務虛拟隔離（網絡切片）、轉發與控制分離、功能分布式
部署、基礎設施雲化等核心特征。
1．業務虛拟隔離
5G 需要同時承載移動網際網路、高清視訊、車聯網、物聯網、工業控制等各類業務應用，這些場景在移動性、計費、帶寬、時延、可靠性、安全性等方面存在着巨大差異，為适配一張網絡滿足幾百種行業的需求，營運商需要部署更加經濟、綠色的網絡切片技術方案，以實作不同業務的虛拟隔離。5G 核心網将全面支援網絡切片技術，即在同一張基礎實體網絡上，采用軟硬切片實作業務邏輯隔離、動态配置設定和管理資源，适配不同的業務特征需求，提供不同的服務等級協定（SLA，Service Level Agreement），并服務于不同的垂直行業應用。
2．轉發與控制分離
5G 核心網的重構将遵循網絡虛拟化、功能輕量化、轉發和控制分離等原則。網絡虛拟化有利于向全面雲化的趨勢進行演進；功能輕量化極大地簡化子產品、接口和協定的複雜度，網元功能采用子產品化設計，有利于實作應用程式編輯接口（API，Application Programming Interface）調用，提升通用性；轉發和控制分離實作網管的控制面和使用者面分離，保證未來網絡的分布式部署需求。
3．功能分布式部署
5G 核心網絡架構将控制面功能（CPF，Control Plane Function）和使用者面功能（UPF，User Plane Function）分離，統一的 CPF（包括接入和移動管理功能以及會話管理功能等）部署在省幹或大區的核心機房或資料中心（DC，Data Center），實作集中管控營運；分布式的 UPF 可根據業務需要分布式部署在省幹核心 DC、本地 DC 或者邊緣 DC。部署在邊緣 DC 的 UPF 與 MEC 平台融合，可以進行本地分流，滿足低延遲時間業務場景需求，有利于按需快速部署業務，并向第三方開放使用者位置、碼号、網絡負荷能力等資訊，拓展面向企業園區及場館的視訊直播等本地化創新應用。
4．基礎設施雲化
網絡雲化能降低裝置的投資成本，利用雲計算的快速部署能力進行網絡快速配置和調整，實作業務創新。引入 SDN/NFV 技術，有利于快速實作 5G 網絡雲化。基礎設施電信雲是營運商進行雲化轉型的目标，5G 網絡雲化包括核心網雲化、無線接入網雲化和控制系統雲化 3 個部分。核心網目标架構如圖 1.6所示。
5G 承載網須适應 5G 核心網架構變革帶來的挑戰，一是需提供階層化網絡切片方案來滿足不同業務場景的 5G 網絡切片需求；二是需要将 L3 功能下移至UPF 和 MEC 所在的位置，進而提供網狀動态連接配接的靈活排程；三是适應 5G 網絡雲化發展趨勢，支援城域核心和邊緣資料中心之間互連的需求。
下一節：| 1.3 5G 網絡裝置部署方式 |