5G 承载关键技术与规划设计
罗成 程思远 江巧捷 谢维信 张钦宇 编著
| 1.1 5G 网络概述 |
从 1G 到 4G，现有几代移动通信系统着眼于提供更快、更好的语音和数据传输服务使人与人之间互联。移动通信已经深深地改变了人们的生活，但人们对更高性能移动通信的追求从未停止。为了应对未来爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景，第五代移动通信（5G）系统应运而生。
从不同的信息交互对象角度，5G 应用将涵盖三大类场景，如图 1.1 所示。
（1）增强移动宽带（eMBB，enhanced Mobile Broad Band）：面向增强的移动互联网应用场景，5G 提供更高体验速率和更大带宽的接入能力，支持解析度更高、体验更鲜活的多媒体内容；
（2）海量机器类通信（mMTC，massive MachineType Communications）：面向物联网设备互联场景，5G 提供更高连接密度时优化的信令控制能力，支持大规模、低成本、低能耗物联网设备的高效接入和管理；
（3）超可靠低时延（uRLLC，ultra-Reliable Low-Latency Communications）：面向车联网、应急通信、工业互联网等垂直行业应用场景，5G 提供低时延和高可靠的信息交互能力，支持互联实体间高度实时、高度精密和高度安全的业务协作。
为了适应业务场景的差异化要求，在关键能力指标方面，除了传统的峰值速率、移动性、时延和频谱效率之外，国际电信联盟（ITU，International Telecommunication Union）还提出了用户体验速率、连接数密度、流量密度和能量效率 4 个新增关键能力指标，具体如图 1.2 所示。5G 用户体验速率高至100 Mbit/s，能够支持移动虚拟现实等业务；5G 峰值速率可达 10 ～ 20 Gbit/s，流量密度可达 10 Mbit/s·m-2，能够支持未来千倍流量增长；5G 连接数密度可达每平方千米 100 万个，支持海量物联网设备接入；5G 传输时延降至毫秒量级，满足车联网和远程工业控制的严格要求；5G 能够提供 500 km/h 的移动速度（如高铁环境）下顺畅的用户体验；最后，为了保证对频谱和能源的有效利用，对于 4G 而言，5G 的频谱效率提高了 3 ～ 5 倍，能效提升了 100 倍。
“4G 改变生活，5G 改变社会”。5G 网络的部署将会掀起新一轮移动通信建设高潮，通信行业成为直接受益者，同时也会带动 ICT（Information and Communication Technology）行业和其他行业（如工业制造、物联网、医疗、能源等）的快速发展。2G、3G、4G 主要满足人与人之间的通信需求，5G 将会实现人与人、人与机器、机器与机器之间的通信需求，使移动通信从个人通信向行业应用方向发展。5G 网络不仅能给我们带来更好的带宽体验，还背负着一个重要的使命—使能垂直行业，以超高带宽、超低时延以及超大规模连接改变垂直行业核心业务的运营方式和作业模式，全面提升传统垂直行业的运营效率和决策智能化水平。
初期的 5G 网络与 4G 网络相比最大的性能提升是显著增加的带宽和超低的端到端时延。目前，比较明确的能够从这两方面特性中受益的新兴用例主要有如下几个。
（1）增强现实（AR，Augmented Reality）、混合现实（MR，Mixed Reality）
和虚拟现实（VR，Virtual Reality）。
（2）移动多媒体：360°、4K/8K 分辨率的演出或体育赛事直播。
（3）远程教育服务。
1．增强现实、混合现实和虚拟现实
AR、MR 和 VR 设备被认为是即将到来的最大技术革命之一。根据 ABIResearch 的预测，2021 年全球 AR 智能眼镜设备将达到 4800 万台、VR 设备将超过 2 亿台。
AR、MR 和 VR 这 3 种现实模式各自有其独特的用例和机遇。虽然 4G 网络能够支撑这些现实技术的基本功能，但是一旦开启大规模商用，必将在短时间内耗尽 4G LTE 基础设施资源，并使用户体验变得难以接受。5G eMBB具备支撑 AR、MR 和 VR 大规模商用的能力，将会为这些技术带来新的发展机遇。
智能手机从诞生至今，其性能一直在不断提高，未来也必将发展成能够与VR/AR 头盔配合使用的终端设备。例如，谷歌的 Tango 技术使用一种视觉定位服务（VPS，Visual Positioning Service）实现室内导航，但是目前这种服务很大程度上依赖本地 Wi-Fi 网络来确定其自身位置以及映射空间。5G 技术能够实现更一致的信号覆盖，这将帮助 VPS 组合相机、蜂窝位置和 GPS 的信息进行更精准的空间映射和定位。
目前，VR 设备的分辨率一般为 1200×1080@90 fps（每只眼睛）。为了提高保真度和沉浸感，业界正在积极开发 4K 甚至 8K@90 ～ 120 fps（每只眼睛）的下一代设备。设备的不断升级产生的是对无线数据传输速率的更高需求，考虑不同的数据压缩策略，下一代 VR 设备的视频数据带宽需求将会提高几十倍。
一般来说，AR/MR/VR 设备本身的能力是有限的，通常需要依赖智能手机和可穿戴设备，如三星的 Gear VR 和微软的 Hololens，然而智能手机等终端的能力也受到电池、芯片等限制。一种 5G 的革命性用例可以将 AR/MR/VR 传感器的输入上传至云端，并将图形渲染处理从智能终端卸载到云端。在这种情况下，只需要一个更简单、低功耗的用户设备，该设备仅作为传感器的记录器、5G 蜂窝发射器和视频解码器。显然这正将显著降低 AR/MR/VR 的使用成本，并实现基于云服务使用时间服务模式的更大的市场潜力。
为了实现下一代 AR/MR/VR 设备和 6 *度（6DoF，6 Degree of Freedom）视频，预计需要 200 Mbit/s ～ 1 Gbit/s 的流带宽，为避免眩晕则需要低于 10 ms的动作到手机延迟。
2．移动多媒体：360°、4K/8K 分辨率的演出或体育赛事直播
大型的体育赛事和娱乐活动都是非常具有投资价值的。以体育赛事为例，每年定期举办的常规性比赛的观众数量可达数亿，如 2017 年美国超级碗有 1.113亿人观看，F1 赛事全球有 4.25 亿观众，其中潜在的巨大市场价值可见一斑，体育赛事也是展示最新技术的绝佳平台。2018 年平昌冬季奥运会上，韩国启用预商用 5G 系统，提供了同步观赛、360°VR 直播等 5G 体验（与 ITU 定义的 5G体验尚有差距）。赛事举办方和运营商已经着眼于一系列赛事相关 App 的开发，将一进步推广 5G 在体育赛事中的应用。日本已经明确将在 2020 年东京奥运会上推出全球首个 8K 体育赛事现场直播，下一届奥运会也将成为首个拥有 5G 网络覆盖的体育赛事之一。
智能手机显示器正朝着更高分辨率的高动态范围图像（HDR，High-Dynamic Range）品质发展。随着越来越多的消费者拥有高端智能设备，超高清的视频流服务也会越来越丰富。NTT DoCoMo 承诺在2020 年东京奥运会上使用的 5G 网络能够向 VR 设备提供高速率的数据流，使用户拥有与运动员一起在体育场馆内的体验。
另外，当前的 360°视频体验基于 3 *度位置（3DoF），能够允许用户在固定位置环顾四周。未来的体验将扩展到 6DoF，使用户能够四处走动。显然这类体验将在电子游戏领域大受欢迎。
4K 流媒体对数据速率的需求为 25 ～ 75 Mbit/s，目前的 4G LTE 也可以满足。但是，8K 流媒体的数据速率需求预计在 100 ～ 500 Mbit/s，具体取决于编码选择和多声道混音。而 6DoF、360°视频带宽需求更大，预计为 400 ～ 600 Mbit/s，甚至更高，同时要求延迟不超过 20 ms，具体取决于分辨率、压缩、用户反馈性能预期（快 / 慢移动）和移动范围等因素。
3．远程教育服务
远程教育服务并不是一个新的概念，借助于个人电脑的远程教育服务已经发展许多年。随着无线网络和移动设备的发展，越来越多的年轻人可以利用移动设备享受各种不同等级的教育服务（如基础教育、再进修等）。远程教育服务对于偏远地区的学龄儿童来说尤为重要。这些学生上学困难、师资极度有限，远程教育能够在一定程度上缓解现有困难。
5G 移动服务可以利用固定无线接入（FWA，Fixed Wireless Access）技术等向偏远农村地区提供快速连接和高速率传输服务，提供的高质量视频流将有利于教师表达完整的文本和图像信息，不会因为数据压缩或低分辨率丢失细节。同时远端的学生可以在根据需求进行局部放大时仍然能够清晰地阅读。
更进一步地，可以借助 VR 为学生提供原生的课堂风格沉浸式体验，让学生和教师自然有效地进行互动。
上述这些远程教育服务将需要 100 ～ 200 Mbit/s 数据速率和低于 20 ms 的端到端延迟，以确保实现舒适的、实时的交互。为了能够服务到偏远地区的学生，还需要全面、可靠的移动网络覆盖。
综上所述，目前，比较明确的 5G 用例及需求见表 1.1。
未来，5G 将渗透到社会的各个领域，以用户为中心构建全方位的信息生态系统；5G 将使信息突破时空限制，提供极佳的交互体验，为用户带来身临其境的信息盛宴；5G 将拉近万物的距离，通过无缝融合的方式，便捷地实现人与万物的智能互联；5G 将为用户提供光纤般的接入速率，“零”时延的使用体验，千亿设备的连接能力，超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的一致服务，业务及用户感知的智能优化。同时将为网络带来超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，最终实现“信息随心至，万物触手及”的整体愿景。
| 1.2 5G RAN 的演进 |
相比于 4G LTE 接入网的基带处理单元（BBU，Base Band Unit）和射频拉远单元（RRU，Radio Remote Unit）两级架构，5G 无线接入网（RAN，Radio Access Network）将演进为集中单元（CU，Centralized Unit）、分布单元（DU，Distribute Unit）和有源天线处理单元（AAU，Active Antenna Unit）三级结构。与之对应，5G 承载网络也由 4G 时代的回传、前传演进为回传、中传和前传三级新型网络架构。5G 网络的演进过程如图 1.3 所示。在 CU、DU 合设情况下，则只有回传和前传两级架构。
前传网络与 4G 相比，接口速率（容量）和接口类型都发生了明显变化。中传是面向 5G 新引入的承载网络层次，在承载网络实际部署时城域接入层可能同时承载中传和前传业务。随着 CU 和 DU 归属关系由相对固定向云化部署的方向发展，中传也需要支持面向云化应用的灵活承载。
5G 回传网络实现 CU 和核心网、CU 和 CU 之间等相关流量的承载，由接入、汇聚和核心 3 层构成。考虑到移动核心网将由 4G 演进的分组核心网（EPC，Evolved Packet Core）发展为 5G 核心网（5GC，5G Core）和移动边缘计算（MEC，Mobile Edge Computing）等，同时核心网将云化部署在省干和城域核心的大型数据中心，MEC 将部署在城域汇聚或更低位置的边缘数据中心。因此，城域核心 / 汇聚网络将演进为面向 5G 回传和数据中心互联统一承载的网络，如图 1.4 所示。
核心网重构对承载网挑战较大。4G 和 5G 核心网架构的对比如图 1.5 所示。受业务发展驱动，5G 核心网将发展成为满足全业务接入、服务全业务场景的云化泛在网络，采用服务化网络架构和软件定义网络（SDN，Software Defined Networking）/ 网络功能虚拟化（NFV，Network Function Virtualization）技术实现网络重构，具有业务虚拟隔离（网络切片）、转发与控制分离、功能分布式
部署、基础设施云化等核心特征。
1．业务虚拟隔离
5G 需要同时承载移动互联网、高清视频、车联网、物联网、工业控制等各类业务应用，这些场景在移动性、计费、带宽、时延、可靠性、安全性等方面存在着巨大差异，为适配一张网络满足几百种行业的需求，运营商需要部署更加经济、绿色的网络切片技术方案，以实现不同业务的虚拟隔离。5G 核心网将全面支持网络切片技术，即在同一张基础物理网络上，采用软硬切片实现业务逻辑隔离、动态分配和管理资源，适配不同的业务特征需求，提供不同的服务等级协议（SLA，Service Level Agreement），并服务于不同的垂直行业应用。
2．转发与控制分离
5G 核心网的重构将遵循网络虚拟化、功能轻量化、转发和控制分离等原则。网络虚拟化有利于向全面云化的趋势进行演进；功能轻量化极大地简化模块、接口和协议的复杂度，网元功能采用模块化设计，有利于实现应用程序编辑接口（API，Application Programming Interface）调用，提升通用性；转发和控制分离实现网管的控制面和用户面分离，保证未来网络的分布式部署需求。
3．功能分布式部署
5G 核心网络架构将控制面功能（CPF，Control Plane Function）和用户面功能（UPF，User Plane Function）分离，统一的 CPF（包括接入和移动管理功能以及会话管理功能等）部署在省干或大区的核心机房或数据中心（DC，Data Center），实现集中管控运营；分布式的 UPF 可根据业务需要分布式部署在省干核心 DC、本地 DC 或者边缘 DC。部署在边缘 DC 的 UPF 与 MEC 平台融合，可以进行本地分流，满足低时延业务场景需求，有利于按需快速部署业务，并向第三方开放用户位置、码号、网络负荷能力等信息，拓展面向企业园区及场馆的视频直播等本地化创新应用。
4．基础设施云化
网络云化能降低设备的投资成本，利用云计算的快速部署能力进行网络快速配置和调整，实现业务创新。引入 SDN/NFV 技术，有利于快速实现 5G 网络云化。基础设施电信云是运营商进行云化转型的目标，5G 网络云化包括核心网云化、无线接入网云化和控制系统云化 3 个部分。核心网目标架构如图 1.6所示。
5G 承载网须适应 5G 核心网架构变革带来的挑战，一是需提供层次化网络切片方案来满足不同业务场景的 5G 网络切片需求；二是需要将 L3 功能下移至UPF 和 MEC 所在的位置，从而提供网状动态连接的灵活调度；三是适应 5G 网络云化发展趋势，支持城域核心和边缘数据中心之间互连的需求。