5G技术被夸大？专家来测试一下

像大多数新技术一样，5G也带来了大量媒体宣传。这种炒作中有些伴随着事实的严重扭曲和5G技术实际功能的放大。但是，有一个普遍共识的说法是5G将实现“极速”，换句话说，与前几代产品相比，带宽要高得多。

这些更高的带宽要求意味着用于传输移动业务的基础IP和光传输也将需要升级和重新设计。但是，这些变化不仅会在更高的带宽处停止，因为网络还将寻求实现比前几代移动技术所需的更低的延迟，更高的可用性和更高的可扩展性。

在这篇文章中，笔者将从IP和光传输网络的角度讨论5G技术变革的本质。

5G用例

3GPP（移动规范开发的主要机构）正在致力于三个基本用例：

1. 增强型移动宽带（eMBB）：此用例主要关注更高的带宽。
2. 大规模机器类型通信（mMTC）：专注于物联网（IoT）应用，其关键要求是对大量低成本端点的支持和较低的电池寿命。
3. 关键机器类型通信（cMTC）：专注于要求超高可靠性和低延迟的关键工业IoT应用。

图1 — 5G用例。

这三个用例需要潜在矛盾的网络功能。因此，需要精心设计5G网络，以在服务能力和网络投资之间实现最佳平衡。

图2：典型的移动网络架构。

传统的（5G之前的）移动传输网络具有许多不同的组件：

• 用户设备（UE）：通过“空中接口”连接到移动网络的最终用户终端。其中包括手机，数据调制解调器和平板电脑。
• 基站：提供“空中接口”，UE通过该接口连接到移动网络。基站位于小区站点，包括射频处理（远程无线头，RRH）和基带处理（BaseBand Unit，BBU）的元素。对于4G网络，基站称为eNodeB。对于5G，它们称为gNodeB。
• RAN：描述用于向UE提供无线电连接的无线电网络的元素。这包括基站和天线等组件。
• 移动核心：一组功能，包括信令，身份验证，订户管理，移动性以及与外部网络以及其他控制平面和管理平面服务的接口。移动核心倾向于集中在3G和4G部署中。
• 回程网络：用于在RAN和移动核心网之间传输流量的传输网络。对于4G网络，该网络通常是运行在MPLS上的IP传输网络。

5G技术的新元素

在考虑5G技术对IP网络的影响之前，您必须了解上一代产品的关键架构变化。这些变化可以广义地描述为无线电接入网（RAN）或移动核心网的变化，对于5G，这称为5G核心（5GC）。

无线电接入网（RAN）的变化

新光谱

5G开辟了比传统上用于移动通信的更多的频段。当今存在的大多数移动接入网络已部署在3 GHz以下的无线电频谱中。

5G频谱被分配在三个主要频段中，如图3所示。

图3 — 5G频谱。

为5G解锁的两个有趣的频谱带是cmWave和mmWave范围。这些频带的特征在于较高的频率和较低的波长。这些更高的频带很有吸引力，因为它们提供的频谱比3 GHz以下频带内的频谱要多得多。

但是，它们确实需要权衡：使用频率越高，我们可以达到的范围越短。这是由于高频RF传输会遭受更大的衰减。

其结果是，移动运营商将需要致密其网络以提供完整的覆盖范围。因此，移动运营商正在考虑使用低频段频谱来提供覆盖范围，并考虑使用高频段频谱来提供容量。

多输入多输出

多输入多输出（MIMO）是一种技术，其中可以在移动小区站点和UE上使用多个发射机和接收机，以提供改进的性能和容量。

在4G网络中通常部署使用多达4个发射机和接收机的实现。5G通过引入更多数量的天线（超过16个）使这一步骤更进一步，以提供通过单个移动小区内的相同，共享的频域和时域资源发送多个独立数据流的能力（空间复用） 。最终结果是每个单元站点内容量的倍增。

RAN演进

由于努力分解基站的组件，因此有许多实现5G RAN的方法。

如图4所示，4G网络使用一个称为基带单元（BBU）的元素，该元素执行所有不同的基带处理功能。此外，还有一个称为远程无线电头（RRH）的元素，它可以执行射频（RF）功能。

部署RRH和BBU功能有两种潜在的体系结构。

到目前为止，第一种模型更受欢迎，称为分布式RAN（D-RAN），它在每个小区站点上同时部署BBU和RRH功能。

在第二个模型中，BBU功能位于更中央的位置，通常称为BBU酒店。此模式被称为集中式RAN，已被一些运营商部署，因为它允许他们简化小区站点的设备，从而减少空间和功耗要求。另外，它允许BBU元素在多个小区站点之间共享。

图4 — 4G RAN部署架构。

为了理解5G RAN部署模型，以3GPP无线电协议栈的形式表示基带处理和RF处理的功能非常重要，如图5所示。

图5 —无线电协议栈。

与业界其他努力一样，5G试图分解许多以前已经垂直集成的RAN功能。图6显示了我们如何通过拆分基带处理功能来推导RAN功能的三个新分组。

图6 — 5G RAN功能划分。

如上所述，RAN功能元素可以分为三个功能单元：

1. 中央单元（CU）：承载L3 RRC和L2 PDCP层的非实时功能。
2. 分布式单元（DU）：承载L2 RLC，L2 MAC和更高层PHY功能的实时功能。
3. 无线电单元（RU）：承载高层PHY功能以及RF处理。

RU和DU之间的接口称为前传低层（Fronthaul-LL）接口。由于此接口需要低延迟传输（150-200秒），因此RU和DU之间的物理距离受到限制。

DU和CU之间的接口称为Fronthaul-High Layer（Fronthaul-HL）接口。该接口有时也称为Midhaul接口。与Fronthaul-LL接口不同，此接口对延迟的敏感性不高，因此CU可以进一步集中。

CU，DU和RU的三个功能块可以进行物理解耦，并位于传输网络的各个层上，从而形成不同的潜在架构（图7）。

图7 — 5G RAN功能架构。

与之前描述的传统移动传输网络相比，用于5G的传输网络采用不同的架构。

图8 — 5G传输网络。

RAN体系结构的选择以不同的方式影响传输网络。它要求某些元素之间的低延迟传输以及取决于通信元素的不同带宽量。

移动核心网（CN）的变化

控制和用户平面分离（CUPS）

5G核心使用基于服务的架构，该架构将5G核心组件定义为网络功能（NF）以及可用于调用服务的API。此外，5G内核将用户平面（或数据平面）与控制平面解耦。

此功能的主要好处是控制平面可以集中化，而用户平面功能（UPF）可以分布到网络的各个部分，以实现低延迟或将流量分流到更接近实际用户的位置。

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图9 — 5G CUPS。

CUPS功能的关键应用是允许在网络的不同部分分解移动IP流量。在图10中，我们看到一个示例，其中：

• 超可靠的低延迟通信（URLLC）通信在聚合网络内终止，从而降低了端到端延迟。
• eMBB流量在网络边缘的eMBB缓存上终止，因此不需要将该流量进一步带入核心。
• 非关键物联网流量在核心位置终止。

图10-分布式内容交付。

对IP和光传输网络的影响

从较高的角度来看，对5G架构和功能的更改对IP和光传输网络提出了以下要求：

• 从接入接口到RAN元素一直到移动核心的更高容量，以实现更高容量的5G流量。移动运营商正在部署具有10GE或25GE接口的5g gNodeB。
• 网络的前传部分以及关键物联网应用中的低延迟传输。
• 从点对点连接转移到多点转发体系结构。
• 支持跨传统WAN和虚拟化网络功能的连接，以适应流量模式的按需性质以及动态创建和扩展网络功能的必要性。
• 更高的可用性以满足关键物联网应用的严格需求。
• 基于数据包的同步技术，可有效分解RAN功能，并支持高级RAN合作技术。

摘要

如我们所见，5G网络将在RAN和核心域中分解。

RAN域可以分为RU，CU和DU功能。连接这些功能的传输网络将受到不同的要求，具体取决于操作员选择在何处进行物理定位。

移动核心也采用了类似的方法，将控制平面和数据平面功能完全分开。这些功能还需要通过通用IP网络进行互连。

知名网络黑客安全专家，东方联盟创始人郭盛华微博曾透露：“由于5G支持的用例数量和类型，5G网络中的流量模式将更加动态。底层的传输网络将需要允许程序控制，以使其几乎实时地响应移动网络不断变化的流量需求。响应移动网络不断变化的流量需求。”（欢迎转载分享）