第 2 章 5G 網絡結構
2.6 5G NR 基站架構
2.7 5G 承載技術
5G 的無線接入網架構中，将 4G 的 BBU 功能分成了 CU 和 DU 兩個部分。CU、DU 可以合設，也可以根據需求進行分離和集中化處理。在 CU、DU 分離的情況下，5G 承載相比于 4G 承載增加了 CU 與 DU 之間的中傳部分，即分為前傳、中傳和回傳 3 個部分。其中，前傳承載 AAU 與 DU 之間的流量，中傳承載 DU 與 CU 之間的流量，回傳承載 CU 與核心網之間的流量。5G 前傳仍将以光纖直連為主，中/回傳的組網架構主要由城域接入層、城域彙聚層、城域核心層和省内/省際幹線組成，如圖 2-32 所示。
2.7.1 5G 承載需求
IMT-2020（5G）推進組在 2018 年 6 月釋出的《5G 承載需求分析》白皮書中指出，5G 承載網需要滿足三大性能需求和六大功能需求。在性能方面，5G承載網需具有更大帶寬、超低延遲時間和高精度同步，以滿足 5G 三大應用場景的需求。在組網及功能方面，5G 承載網應實作多層級承載網絡、靈活化連接配接排程、階層化網絡切片、智能化協同管理、4G/5G 混合承載以及低成本高速組網等，促進承載資源的統一管理和靈活排程。
相比于 4G，5G 單站的帶寬将有數十倍的增長，為承載網的能力帶來了巨大的挑戰。5G 前傳距離一般為 10～20 km，前傳帶寬需求與基站能力有關，其中頻寬和天線數量是影響前傳帶寬的兩個重要因素。為了提供高速率、高可靠性的無線服務，5G 基站在低頻頻段上的頻寬可達到 100 MHz（高頻頻段上可達800 MHz），天線數量增加到 64T64R，甚至更高。目前，4G 的前傳采用通用公共無線接口（CPRI，Common Public Radio Interface）。如果沿用 CPRI，5G前傳速率需達到 300 Gbit/s 以比對基站的無線傳輸能力，應用壓縮技術後速率需求也在 100 Gbit/s 量級。為了降低前傳的壓力，業界推出了增強通用公共無線接口（eCPRI，enhance Common Public Radio Interface），可将前傳帶寬壓縮在 25G 之内。5G 中傳的距離與 CU、DU 的集中化程度密切相關，一般情況下在 20～40 km 範圍内。考慮前傳 25 Gbit/s 的帶寬需求，5G 中傳的帶寬為 25/50/100 Gbit/s。回傳鍊路的距離最遠，一般可達 40～80 km，5G 回傳需要 N×100/200/400 Gbit/s 速率。表 2-1 總結了 5G 承載網的帶寬需求。
低延遲是 5G 的重要特性之一。eMBB 業務的使用者面時延（使用者終端到 CU）不超過 4 ms，控制面時延（使用者終端到核心網）不超過 10 ms；uRLLC 業務對時延要求更嚴苛，規定使用者面時延不能超過 0.5 ms。從終端到核心網，5G 延遲的主要組成如圖 2-33 所示。對于承載網來說，延遲除了與傳輸距離有關之外，還與承載裝置的處理能力密切相關。光纖的傳輸時延與傳輸距離成正比，而且是不可進一步優化的，是以，承載網延遲優化的側重點在于承載裝置的處理能力和承載網架構。
高精度時間同步是 5G 承載的關鍵需求之一，主要展現在 3 個方面：基本業務時間同步需求、協同業務時間同步需求和新業務同步需求。基本業務同步需求是指在 TDD 制式中為了避免上、下行時隙幹擾而必需的時間同步。5G 的時隙結構具有自包含性，且相比于 4G 更為靈活，是以，維持與 4G 相同的基本業務同步需求即可滿足 5G 系統，即不同基站空口時延偏差不多于 5 µs。相比于基本業務，協同業務具有更高的同步需求。為了提高系統性能，5G 需要充分發揮分布式 MIMO、協同多點傳輸（CoMP，Coordinated Multi-Point）和載波聚合（CA，Carrier Aggregation）等協同技術的優勢。這些技術通常要求同一AAU 的不同天線，甚至多個 AAU 之間同步協作，共同完成傳輸，是以，要求天線或基站之間保持嚴格的時間同步。對于車聯網、工業網際網路等新型 5G 業務，業界希望依托 5G 基站實作精準定位。5G 定位技術基于到達時間差（TDoA，Time Difference of Arrival），是以，基站間的時間相位誤差直接影響了定位的精度，因而高精度的時間同步尤為重要。
5G 承載的網絡結構基于 4G 承載網架構，但有顯著差別。由于出現了 CU、DU 分離的部署場景，5G 承載網将出現前傳、中傳和回傳三級結構，其中，中傳是 5G 承載網的新增層級。另外，雖然 5G 的中回傳也分為接入、彙聚和核心3 層，但由于核心網雲化、MEC 下沉等，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 2-34 所示。
5G 網絡服務化結構中的網絡功能分布部署程度較高，與 4G 網絡的集中部署相比，對業務連接配接的靈活排程需求更高。4G 基站主要以南北向的 S1 接口與
核心網連接配接，且使用者面 S1-U 與控制面 S1-C 的終止位置基本相同。5G 将使用者面 UPF 下沉，而控制面 AMF 仍然位居集中化程度較高的核心網中，因而使用者面 N3 接口和控制面 N2 接口的終止位置有很大差異。另外，5G 中一個使用者可與多個 UPF 連接配接，UPF 與 UPF 之間也可通過 N9 接口連接配接。在無線側，基站間的協同技術需要基站間 Xn 接口能力的配合。由此可見，在 5G 網絡中的業務流量呈現網狀連接配接，對承載網的排程能力具有很高的要求。是以，5G 承載應至少将 L3 功能下移到 UPF 和 MEC 的位置，以滿足靈活連接配接排程的需求。
為了支援 5G 網絡切片，承載需要提供支援硬隔離和軟隔離的階層化網絡切片方案。對于 uRLLC 業務和政企專線等，5G 承載應提供安全性高、延遲小的硬切片。對于 eMBB 等延遲和可靠性不敏感的業務，可利用軟切片技術在 L2與 L3 層級進行隔離并支援帶寬捆綁，即可提高承載資源的使用率，又能滿足5G 高傳輸速率的業務需求。5G 承載階層化網絡切片示意圖如圖 2-35 所示。
與 4G 相比，5G 承載網在結構和功能上更為複雜。同時，為了更有效地利用光纜資源，在同一承載網上同時承載 4G、5G、專線等業務成為必然趨勢。面對複雜的功能需求，需要先進的承載網管控系統。圖 2-36 展示了 5G 承載網管控系統的主要需求。端到端 SDN 化靈活管控有助于實作 L0～L3 的管控，并可支援跨層的業務關聯控制，同時，SDN 化有利于實作業務的快速提供。網絡切片管控應能夠支援切片網絡的自動化部署和優化計算，支援網絡切片的按需定制。資源協同管控主要是指與上層的編排器、管控系統、業務系統進行協同互動，接收來自上層系統的需求，完成自上而下的自動化業務編排。統一管控依托雲化方案，将管理、控制、智能運維等功能進行整合，提供統一的維護界面。智能化運維将人工智能（AI，Artificial Intelligence）引入到管理體系中，以降低人工成本和運維的複雜度、提高運維效率和精度。
5G 系統與 4G 系統之間存在協作關系，因而 4G/5G 混合承載将更有利于4G、5G 之間的緊密互操作。另外，成本低、組網速度快的承載網對營運商的成本控制及快速部署尤為重要。
2.7.2 5G 前傳技術
5G 前傳主要有分布式無線接入網（D-RAN，Distributed Radio Access Network）和集中式無線接入網（C-RAN，Centralized Radio Access Network）兩種部署模式。其中，D-RAN 模式主要針對 CU/DU 合設的場景。C-RAN 又分為小集中和大集中兩種部署模式。在 C-RAN 小集中部署模式中，CU/DU 分離、CU 雲化部署；在 C-RAN 大集中部署模式中，CU 雲化部署的同時，DU 也按需進行池化。5G 前傳部署模式如圖 2-37 所示。
考慮成本和維護便利性等因素，5G 前傳将以光纖直連為主。光纖直連采用點對點的拓撲結構，支援的傳輸距離較短，尤其需要較多的光纖資源。另外，光纖直連方式無法進行智能運維管理。在光纖資源不足的地區，可通過裝置承載方案作為補充。5G 前傳考慮的裝置承載方案主要包括無源波分複用（WDM）、有源光傳輸網絡（WDM/OTN，WDM/Optical Transport Network）、切片分組網（SPN，Slicing Packet Network）等。波分複用是在單個光纖上同時傳輸多個不同波長光載信号的傳輸技術。波分複用實作了單光纖上的雙向通信，同時獲得容量倍增。無源 WDM 系統在發射機處使用多路複用器将幾個信号連接配接在一起，并且在接收機處使用多路分解器将它們分開。無源 WDM 僅支援點對點拓撲，其光性能監控、光功率預算和傳輸距離常常受到限制，并且安裝和管理過程比較複雜。有源 WDM/OTN 可實作包括環形、鍊形、星形等結構在内的全拓撲。ITU-T 将 OTN 定義為通過光纖鍊路連接配接的一組光網絡元件（ONE，OpticalNetwork Element），能夠提供承載客戶信号的光信道的傳輸、複用、交換、管理、監督和恢複能力。WDM/OTN 是 L0/L1 的傳輸技術，具有大帶寬、低延遲等特性。更重要的是，WDM/OTN 技術可同時承載 4G 和 5G 業務。SPN 是中國移動創新提出的一種傳輸技術，具備前傳、中傳和回傳承載能力，便于實作端到端承載的統一管理。5G 前傳的典型方案如圖 2-38 所示。
2.7.3 5G 中回傳技術
為了滿足多層級承載、靈活化排程、階層化切片和 4G/5G 混合承載等需求，5G 的中回傳承載需要支援 L0～L3 的綜合傳送能力，并通過 L0 的波分複用、L1 的時分複用（TDM，Time DivisionMultiplexing）通道、L2 和 L3 分組隧道來實作階層化網絡切片的能力。5G 和專線等大帶寬業務需要 5G 承載網絡具備L0 的單通路高速光接口和多波長的光層傳輸、組網和排程能力。L1 層 TDM 通道層技術不僅可以為 5G 三大類業務應用提供支援硬管道隔離、OAM、保護和低延遲時間的網絡切片服務，并且為高品質的政企和金融等專線提供高安全和低延遲時間的服務能力。L2/L3 層分組轉發層技術是為 5G 提供靈活連接配接排程和統計複用功能的關鍵，主要包括以太網、面向傳送的多協定标簽交換（MPLS-TP，TransportProfile for MPLS）和新興的分段路由（SR，Segment Routing）等技術。在我國，對 5G 中回傳承載方案的讨論主要集中在 SPN、面向移動承載優化的 OTN（MOTN）、IPRAN 增強+光層 3 種技術解決方案上。IMT-2020（5G）推動組在《5G承載網絡架構和技術方案》中對比了上述 3 種方案，見表 2-2。