5G承载网结构和需求分析
摘要：本文首先阐述了5G无线网、核心网的变化对承载网的影响，对5G承载网的的光纤需求做了对比，然后分析光纤的各种承载方案，最后给出了移动城域网中传和回传网络的带宽计算模型。
本文源自科学与技术【2020年第23期】《科学与技术》杂志坚持以科学技术是第一生产力的思想为宗旨。以马克思列宁主义、毛泽东思想、邓小平理论和“三个代表”重要思想为指导，促进科学技术的繁荣和发展，促进科学技术的普及和推广，促进科学技术人才的成长和提高，促进科学技术与经济的结合，致力为读者打造成一份学术性、知识性和动态性的杂志。
关键词：承载网;5G;光纤;带宽
概述
随着我国5G试验网的推进，5G承载网的建设越来越受到各大运营商的关注。与4G承载网相比，5G承载网从网络架构和网络带宽上都发生了很大的变化，因此研究5G承载网架构和带宽的变化，提前规划5G承载网对5G网络的建设有着非常重要的意义。
5G承载网的架构演进
5G无线网和核心网的架构变化导致对承载网的需求也发生了变化，下面分别给出分析。
2.1无线网的变化对承载网的影响
4G无线网的BBU网元在5G时代发生了很大的变化， BBU物理层的一部分下移到AAU，下移后前传接口由10Gbit/s的CPRI变成了25Gbit/s的eCPRI;BBU的一部分非实时功能上移到CU，CU的集中部署为未来无线网络的云化做好了准备;分离出CU后，BBU剩下的部分为DU，从承载网的角度看，AAU到DU部分是前传，DU到CU的部分是中传，CU往核心网的部分是回传。
2.2核心网的变化对承载网的影响
5G时代，业务分为大连接的MMTC、大带宽的eMBB和低时延的uRLLC3类业务，后两种业务要求核心网从省中心下沉到地市核心乃至地市边缘节点。
核心网的下沉使4G时代的“大接入、小核心”承载网架构演变为5G时代的“小接入、大核心”的网络架构，5G时代的承载网除了移动接入的承载外，还有核心网之间内部流量的承载，这部分承载可以被视为DC之间流量的承载。5G时代核心网到公网的出口可以在地市的核心或边缘节点，因此对于本地节点的访问，无需迂回到省中心节点，这样既可以节约带宽，又能降低时延。
5G承载网前传部分对光纤数量需求
下面分析5G前传对光纤的需求，并将其与固网光宽对光纤的需求做比较。
3.1移动前传的光纤需求
4G基站工作在800MHz、1.8GHz、2.1GHz和2.6GHz共4个频点，5G低频基站工作在3.5GHz或4.9GHz频点，未来还可能有28GHz或更多的高频点，考虑到基站频点的平均情况，假设5G+4G共站的情况下平均每站4个载频，假设一个综合接入机房集中放置20个物理基站的BBU/DU，那么该综合接入机房前传光纤的数量计算如下：前传光纤芯数=每RRU纤芯数x每基站扇区数x载频数x基站数=2x3x4x20=420芯光缆，即便基站前传全部采用单纤双向的技术以节约纤芯，从综合接入机房出局的主干光缆也需要有240芯。
3.2有线光宽的光纤需求
假如综合接入机房放置的OLT设备覆盖周边8000个家庭用户，按固定光宽PON口下平均40个用户共享一根主干光纤，则主干光缆的芯数将达到200芯;两者相比较可见，5G阶段移动前传光纤的需求量将可能超过固定光宽的纤芯需求。因此5G时代接入主干光缆的规划需要考虑5G时代的纤芯需求;未来5G成熟期，尤其是引入高频点后，5G将迎来新的接入光纤建设高潮。
5G前传的设备解决方案
在光纤稀缺的地区，5G前传可以采用无源粗波分、有源OTN或WDM-PON的方式解决。无源粗波分技术在4G中已经使用，只是其速率在10Gbit/s以下，5G时期速率需提升到25Gbit/s;有源波分可以采用睿频技术，将10Gbit/s、25Gbit/s的芯片超频到50Gbit/s、/100Gbit/s速率以降低接口成本，或者可以采用25Gbit/s的彩光技术，同样需要降低成本;WDM-PON类似于点对点波分技术，只是将放在单个基站的合/分波器放在光宽ODN的分光器的位置以便服务于多个基站，WDM-PON不同于TWDM-PON，前者波长数量大，没有时分复用，主要提供带宽需求大的波长业务，如基站前传，后者波长数量少，既有波分复用也有时分复用，主要用于光宽用户的带宽提速。
5G移动城域承载网络架构及带宽需求
根据5G基站建设模型，假设某本地网有10000个基站、1000个综合接入机房，DU采用小集中的方式部署，每个综合接入机房带有10个物理基站;考虑5G网络规模应用的成熟期，5G核心网下沉至城域网的核心DC和边缘DC，城域边缘节点20个，每个城域边缘节点带50个综合接入节点;城域核心出口节点1对(2个)，该对核心节点带20个城域边缘节点。假设在城域网的核心节点和汇聚节点部署CDN和MEC将流量本地化，节点的下联和上联带宽的比例为5:1，即80%的流量只需访问本地的节点，仅20%的流量需要去更高的网络层面访问。
由以上分析可见，5G承载网的中传总带宽高达25Tbit/s，汇聚和核心层面总带宽分别为5Tbit/s和1Tbit/s;相对4G网络，5G网络无线侧带宽的增大虽然造成中传/回传带宽大大增加，但由于核心网的下沉以及CDN和MEC的部署，减缓了回传和城域出口的带宽增长趋势;前传网络总带宽需求高达750Tbit/s，是带宽需求最大的层面，因此前传的承载应主要以光纤为主，以避免对设备组网造成过大的压力。
总结
5G对承载网建设的投资需求取决于5G覆盖的厚度和广度，考虑到4G会长期与5G共存，5G初期很可能是单频点的热点覆盖，因此承载网的建设只需满足单一频率下的部分热点即可，采用非独立组网。随着5G的推出及其向万物互联的演进，移动网的流量占比将逐步提升，未来有望接近甚至超过固定宽带的水平;从网络架构上看，5G核心网的下沉也使得城域移动IP网和IP城域网架构越来越类似，这两张网未来有可能逐步融合成一张综合的IP城域承载网。
参考文献
[1]万芬余蕾.《5G时代的承载网》.北京：人民邮电出版社。
[2]张传福.《5G移动通信系统及关键技术》.北京：电子工业出版社。
作者简介：
李海舟，现就职于中国联合网络通信有限公司玉林市分公司云网运营中心，主要研究无线网络优化;
李性南，现就职于中国联合网络通信有限公司玉林市分公司云网运营中心，主要研究无线网络建设和优化;