第五代 (5G) 技术标准已持续演进多年。随着 3GPP Release 16 的标准化，以及 ITU 认为 3GPP 5G 新无线 (NR) 标准正式满足 2015 年最初制定的 IMT-2020 标准，似乎实现 5G 技术飞跃指日可待。
为实现 IMT-2020 标准设定的关键性能指标 (KPI)，无数先进的协议、无线电技术和基础设施改进都可供利用。本文重点讨论 5G 回传，以及如何通过特定的 gNB 类型和回传技术实现延迟和吞吐量要求。
5G 的意义何在？
在最基本的形式中，5G 的目标是为用户提供无缝连接之感，尽管存在明显的障碍。这些障碍因场景而异，在城市环境中，这可能意味着所用频谱内的拥堵和干扰。在农村环境中，这可能意味着由于无法到达本地基站而普遍缺乏接入。这也可能意味着流式数据密集型应用程序的连接速度缓慢，例如高清视频、增强/虚拟现实 (AR/VR)、自动驾驶或触觉互联网 (TI) 的使用等。其他用例还可能包括为跟踪/监控机器设备，确保一切正常，从而试图从数千个传感器节点接收数据的工业应用程序。
上述所有场景都有其各自在基站架构、回传和频谱使用方面的设计考虑。为此，发布的许多设计参数和标准都围绕着 5G 的关键性能参数展开。KPI 构成不同 5G 用例的标称和上限。这些用例通常定义如下：
- 增强型移动宽带 (eMBB)
- 超可靠低延迟通信 (uRLLC)
- 大规模机器类通信 (mMTC)
在各种类型的流式传输（例如，音频、网页浏览、社交媒体、软件下载等）中，预计到 2024 年，视频流将占移动数据流量的 74% [1]。此外，根据预测，到 2023 年，全球 70% 的人口将拥有移动连接，使联网设备的数量达到近 300 亿台，比 2018 年增加 60% 以上 [2]。因此，尽管容量很大，eMBB 用例场景还是围绕着满足高数据速率需求而展开的。
另一方面，mMTC 支持数百亿台设备的同时连接，这些设备通常不发送/接收大量数据，因此吞吐量相对较低。这是由于物联网 (IoT) 设备的激增――预计到 2030 年将有 500 亿台设备支持物联网 [3]。顾名思义，uRLLC 场景需要可靠的低延迟通信。例如，这适用于医疗/可穿戴设备、关键任务（军事）、公共安全或工厂自动化应用。对于这些应用，通信的任何延迟或停机都会带来工厂停机、设备损坏或寿命损失的风险。
达到关键性能指标
IMT-2020（国际移动通信-2020）规范了 5G 网络要求，由国际电信联盟 (ITU) 于 2015 年发布。然而，这是 ITU 与另一个主要蜂窝网络标准组织 3GPP（第三代合作伙伴计划）之间的合作成果。就在 2020 年 7 月，ITU 得出结论，3GPP 5G（Releases 15 和 16）同时满足 5G 第 1 阶段和第 2 阶段的要求，这使得满足 IMT-2020 标准的技术要求成为可能[4]。IMT-2020 制定的 5G 常规 KPI 见图 1。
图 1：5G 要求。
为达到 5G 关键性能指标，许多技术改进和里程碑已显露。图 2 列出了一些 3GPP 增强功能，以及各种无线电方面和系统方面如何帮助满足所有行业垂直领域和三大主要用例的需求。
图 2：垂直行业与 3GPP Rel-16 的集成 [4]。[图片来源：ITU]
5G 的关键支持技术
一些主要的技术“支柱”，包括大规模 MIMO 和毫米波频谱的使用，可以在各种用例中实现 5G KPI。此外，在非独立组网 (NSA) 5G 中，使用 5G 新无线 (NR) 增强当前的 4G 基础设施，是最终满足真正 5G 的关键阶段。本文暂不深入讨论这些技术的详细情况及其在 5G 基础设施中的实现。然而，各种 5G gNB 与 5GC 的连接是满足吞吐量、延迟和频谱效率要求的一个关键挑战。这就需要 5G 回传架构发挥关键作用。回传结构的类型取决于许多参数。图 3 显示了 5G 基础设施公私合作伙伴关系 (5G-PPP) 用于限定基本 KPI 的一些基本范围，以便对六大用例（即密集城区、宽带、互联车辆、智能办公室、物联网、电信）进行分类 [5]。
图 3：围绕各种 5G 用例需要考虑的参数 [5]。
5G 回传的基本要素：功能切分
3GPP 下一代无线接入网 (NG-RAN) 架构是一种分列式网络拓扑结构，其中 5G NR 基站 (gNB) 的功能在一个集中式单元 (CU) 和一个或多个分布式单元 (DU) 之间切分，并可能增加一个单独的无线单元 (RU)。
通常，CU 处理非实时协议，而 DU 旨在处理 PHY 级协议和实时服务，以满足特定应用的低延迟需求。部署场景因基站类型和移动网络运营商 (MNO) 而异。在每种情况下，前传、中传和回传网络都会有所不同表 1 列出了 RAN 部署场景的各种拓扑结构。在每种情况下，前传或中传网络的使用因部署类型而异。例如，一个热点或一个小基站可能有一个集成的 RU、DU 和 CU，没有前传或中传，只有到 5GC 的回传。
表 1：RAN 部署场景
如图 4 所示，gNB 内的功能切分可能是在开放系统互连 (OSI) 模型（一种显示网络系统内功能层的模型）中的低层切分 (LLS) 或高层切分 (HLS)。HLS 通常可以在 LLS 上实现更低的延迟和更高的吞吐量通信。PHY 内部切分，或物理层内的功能切分，具有支持载波聚合 (CA)、网络多输入多输出 (MIMO)、协调式多点 (CoMP) 和双连接 (DC) 等 NR 功能的优势。传统上，CPRI 协议用于支持基带单元 (BBU) 和射频拉远头 (RRH) 之间的通信。然而，由于 CPRI 不能与配备 PHY 内部切分的 gNB 一起扩展，因此，增强型 CPRI (eCPRI) 协议被标准化，以支持前传（RU 和 DU 之间的通信）的功能分解。
图 4：CU 和 DU 功能之间的切分点，具有 (a) 高层切分、(b) 低层切分和 (c) 级联切分 [6]。[图片来源：ITU]
物理层的这些功能切分需要高层的协调，这使得延迟要求非常严格。例如，3GPP 对时间对齐误差 (TAE) 或特定配置/传输模式的任意两个 NR 信号之间的最大定时差设置了限制，对于这些 NR 信号来说大约为 100 纳秒，因为这些信号的帧在辐射域中的时间没有完全对齐 [7]。这需要高度同步，因为通信的最大单向帧延迟可以低至 25 µs (uRLLC)，端到端时间同步为 1.5 µs [8]。
表 2 列出了各种类型回传的单向延迟，这些延迟基于 3GPP 标准中列出的运营商输入以及亚 GHz 和 mmW 频率的无线回传 [9]。为满足低延迟要求，5G 启用了位于 MAC 中的混合 ARQ (HARQ) 进程。此进程需要 5 ms 的往返时间，相当于 CU 和 DU 之间 40 km 的光纤距离 [10]。换言之，NR 信号和使用场景多种多样，既包括小基站之间的同步信号和非同步信号，也包括小基站和宏基站之间的同步信号。xhaul 应相应变化，其中利用干扰协调、CA 和 CoMP 等操作的小基站和宏基站可以通过同步部署小基站集群和协调通信来增强。这就需要在 CU、DU 和 RU 之间进行特定的 gNB 布置，并进行特定的功能分解，以及拥有适当的回传主干（光纤或无线）。
表 2：回传技术以及各自的单向延迟和吞吐量 [9]。
回传技术的选择：光纤还是无线
正如 5G 利用各种无线电技术和频谱空间来实现无缝连接一样，有线和无线技术之间的前传、中传和回传基础设施也很灵活。根据区域和使用场景，有已知的站点配置和所使用的 gNB 类型。如表 3 所示，这在小基站或宏基站之间可能有所不同，gNB 可能利用 mmW 频谱、5G MIMO，甚至是 eNB [11][12]。密集城区环境可以通过重型小基站基础设施可靠地实现高容量，光纤可以通过短传输距离接入 5GC，以实现低延迟通信。郊区和农村环境的主要问题是接入问题，在这种情况下，可以通过宏基站的无线回传，以及最近通过地球同步轨道 (GEO) 高通量卫星 (HTS) 或近地轨道 (LEO) 卫星群的卫星回传，实现高数据传输率。
