面向5G的承載網需求及關鍵技術

師嚴+王光全+王海軍

摘要：認為5G傳輸承載網是支撐5G業務的基礎。針對新的業務需求，提出了低成本城域波分、高精度同步、低時延傳送技術、FlexE切片技術以及軟件定義網絡（SDN）控制等新技術，以應對5G對傳輸承載網的傳輸能力、設備性能，以及智能管控的挑戰，從而滿足移動互聯網、物聯網等多種應用場景的需求。

關鍵詞： 傳輸網；5G網絡；同步；SDN；網絡切片

Abstract： 5G transmission bearing network is the base of 5G services. According to the new service demands， several key technologies are proposed in this paper， such as metro wavelength division multiplexing （WDM） with lost cost， high-definition synchronization， transport technology with low latency， network slicing with Flex-E and soft-defined network （SDN） technology. With these technologies， the challenges of 5G in transport ability， equipment performance and intelligent control can be well addressed， and the variable scenarios of mobile internet and Internet of things （IoT） can be realized.

Key words： transmission network； 5G network； synchronization； SDN； network slicing

相對于4G網絡，5G將采用更寬的無線頻譜，并通過大規模多進多出（MIMO）、高階正交振幅調制（QAM）等技術提升空口帶寬，峰值帶寬和用戶體驗帶寬提升數十倍，對承載網提出更大帶寬需求；遠程醫療、自動駕駛等業務對承載網帶來了超低時延（1 ms）和高可靠性的要求；5G網絡的廣域覆蓋、高密度、大容量等的海量需求對承載網提出了低成本、低功耗及易維護的要求；5G網絡的靈活智能和高效開放、網絡功能虛擬化（NFV）技術的廣泛應用，推動承載網絡采用軟件定義網絡（SDN）技術，高效、敏捷、開放性地滿足差異化的業務需求。同時，5G無線核心網架構的變化也促進承載傳送網絡架構和功能進行變革[1]。

國際電信聯盟無線電通信局（ITU-R）確定未來的5G具有以下三大主要的應用場景（如圖1所示）：增強型移動寬帶（eMMB）、大規模機器類通信（mMTC）、超可靠低時延通信（uRLLC），這3類業務場景各具不同特點。

eMMB主要應對4 K/8 K超高清視頻、虛擬現實（VR）/增強現實（AR）等大流量應用。eMMB是5G在4G移動寬帶場景下的增強。目前的4G主流帶摘要：寬為20 MHz，單基站的峰值吞吐量目前為240 Mbit/s，而5G網絡單基站的吞吐量是4G的20多倍，空口頻寬達到100～200 MHz甚至更高，單用戶的接入帶寬可與現在的固網寬帶接入相比。

mMTC主要應對以傳感和數據采集為目標的應用場景，如物聯網等。mMTC具有小數據包、低功耗、海量連接等特點。這類終端分布范圍廣、數量眾多，要求網絡具備海量連接的支持能力。mMTC可以促進物聯網的提質增速，人類與機器、機器與機器間的交流將能夠更加智能和快捷。

uRLLC主要應對車聯網、工業控制等垂直行業的特殊應用需求。為了應對無人駕駛、智能工廠等低時延應用，uRLLC要求5G時延必須低于1 ms。這類應用需要網絡對巨大的數據擁有超高速、低時延等的處理能力。

1 面向5G的承載網需求和

挑戰

對于承載網而言，5G的需求和挑戰主要來自于網絡帶寬、網絡時延、資源動態分配，以及差異化承載等幾個方面[2]。

網絡帶寬是5G網絡的關鍵性指標之一。在3.5 G頻段，按照帶寬為100 MHz計算，單站峰值帶寬將達到5 Gbit/s，單站均值帶寬也將能夠達到3 Gbit/s。5G高頻基站帶寬為20 Gbit/s，回傳帶寬主要與空口頻率寬度和天線有關，高頻點可用頻率帶寬會更寬，因此回傳帶寬需求會更大。

網絡時延同樣是5G網絡的關鍵性指標之一。不同場景下對時延的要求不同，這也會導致對承載網架構的影響。eMBB的低時延場景包括AR/VR、高速列車、飛行器、任意50 M等，要求端到端（E2E）的時延不超過10 ms；大規模物聯網（IoT）的低時延場景包括可穿戴設備、視頻監測等，要求E2E時延最小為10 ms；Critical IoT的超低時延場景包括觸摸互聯網、車聯網/遙控駕駛、工業機器人等，要求E2E時延不超過1 ms。

從5G業務顆粒和業務性能來看，eMBB超大寬帶、uRLLC超低時延、mMTC對時延不敏感的萬物互聯等，對資源的利用和需求不同，存在動態的彈性需求。5G網絡靈活性具體體現在以下4個方面：

（1）支撐全網資源靈活調度，滿足潮汐效應等導致的流量波動；

（2）支持流量的靈活路徑調整，網絡負載動態均衡；

（3）網絡開放、可編程，支撐新增業務快速部署；

（4）組播能力，災難/自動駕駛等場景下，信息快速推送。

5G業務在關鍵績效指標（KPI）差異化的需求明顯，對網絡的安全性也提出了更高的要求，如果像4G一樣統一承載，僅僅依靠服務質量（QoS）很難滿足5G三大場景應用需求，因此業界提出以網絡切片來應對差異化承載。網絡切片的目的在于通過切片實現差異化的服務，保證每種業務都能根據其業務特點得到最佳承載要求，同時切片有助于設備和存儲資源的安全管理。承載網絡需要思考前傳/中傳/回傳網絡如何滿足5G不同場景下的差異化需求，以及考慮面向網絡切片的承載網方案。endprint

2 面向5G的承載傳送網

關鍵技術

5G基站高密度、大容量、靈活部署的特點，以及到目前為止還有很大不確定性的網絡部署架構，要求承載網應具備靈活、高效、低成本、智能的品質。在研究面向5G承載的技術方案時，主要考慮以下原則：

（1）架構清晰，通過架構優化降低網絡建設成本，提高網絡靈活適應業務發展和5G網絡部署不確定性；

（2）網絡穩定，適當集約，推動以綜合業務接入點為目標的集中式無線接入網（C-RAN）部署，快速滿足基站接入的需要；

（3）網絡智能，能夠快速進行業務的優化調整，滿足大量業務發展、調整；快速響應業務路由變化和調度；具備全網智能編排調度的能力；

（4）低成本接入，研究和采用低成本末端接入和邊緣匯聚技術，降低接入段成本。采用合理的網絡收斂機制，充分利用承載帶寬；

（5）綜合接入承載，不但能夠滿足5G業務承載需要，還能夠滿足專線等業務承載的需要。

2.1 G.metro低成本城域接入技術

由于G.metro系統支持室內和室外全場景復雜環境接入應用，可調光模塊需要滿足不同的工作環境要求（商業級、擴展級和工業級），尤其是用于室外環境。實現波長可調，自身沒有很大技術挑戰，目前已在10 G/40 G/100 G中廣泛應用，難點和挑戰在于如何實現低成本，滿足城域接入層海量且成本敏感的應用場景。降低成本的主要途徑有簡化現有可調激光器結構及功能，設計新結構，引入新材料，并引入全新的共享波長鎖定機制等[4]。

5G前傳增強通用公共無線電接口（eCPRI）功能劃分及帶寬預估如圖2所示，業內傾向于采用IID和IU切分，對于100 MHz頻譜、64T64R、16流的應用，eCPRI接口需要支持25 G速率。移動前傳應用工作距離較短（拉遠光纖傳輸距離小于20 km，絕大部分小于10 km），基于低成本光器件和數字信號處理（DSP）算法的非相干技術成為主要選擇。對于25G速率，可以通過不歸零碼（NRZ）、脈幅調制（PAM4）或光雙二進制調制格式（ODB）/電雙二進制調制格式（EDB）等調制方式實現。25 G光模塊主要在數據中心的短距應用和100 G BASE LR4/ER4應用，工作于單模光纖的單通道長距離25 G和密集型光波復用（DWDM）25 G光模塊并不夠成熟，相關標準化工作尚未完成。25 G電芯片和光芯片在逐步成熟中，部分廠家已發布25 G DWDM光模塊，波長可調25 G光模塊也即將發布[5]。

2.2 低時延全光組網技術

超低時延是5G業務相對4G非常重要的一個性能提升，對承載網提出苛刻的要求。因此，如何實現全光傳送網是5G對承載傳送網的一個重要關鍵點。

在前傳，采用G.Metro技術實現全光接入網絡，并能夠實現固定與移動的統一承載；在中傳段，超低時延全光傳送網絡拓撲示意如圖3所示。利用G.Metro或波分復用（WDM）進行端口匯聚；在核心匯聚層，通過可重構光分插復用器（ROADM）靈活的光層調度，減少電交叉部分的業務調度量，實現光層直達，免去了中間不必要的光-電-光轉換，減少端到端的時延，降低整網功耗通過簡化光傳送網（OTN）映射封裝路線，減少映射復用層次等技術，提高OTN封裝和解封裝的效率，從而降低OTN設備的單點時延。此外，通過引入SDN技術，實現分組與光融合后的統一控制，集中計算多層網絡下的最優轉發路徑，實現對全網光層的有效管理，最大幅度減少傳輸時延。

2.3 高精度同步傳送技術

對于5G基本業務，第3代合作伙伴計劃（3GPP）目前已經確定時間精度指標要求為±1.5 μs，標準將在2018年6月正式發布。對于5G超短幀等需求，目前3GPP尚未確定具體指標，可能在幾百納秒量級的水平。采用以下兩種方式：

（1）提升單設備靜態誤差性能，但基于不帶來較大成本提升的原則，將單個1588v2的邊界時鐘（BC）設備靜態誤差由現有的20～25 ns提升至10～15 ns。

（2）5G承載傳送中采用G.Metro技術。G.Metro技術中的頭端設備（HEE）及尾端設備（TEE）設備之間僅為一跳，其中經過的設備均為無源設備，不影響時間同步的傳遞精度。采用G.Metro方式的優點為：可以大幅度減少鏈路經過跳數，提高時間傳遞精度；G.Metro技術本身為單纖雙向，可避免因為鏈路非對稱性產生的時間誤差，進而可以提高網絡時間傳遞精度。

對于載波聚合、MIMO等特殊業務，指標要求甚至達到幾十納秒量級，可考慮采用將小型化時間同步節點設備下沉至靠近5G基站位置，減少鏈路所經過節點跳數，提高時間同步精度[6]。

2.4 端到端智能管控

面向5G的承載網絡具有海量連接、大流量、靈活調度等特點，同時在中傳段與回傳段之間，以及回傳段本身均存在IP+光的異構網絡協同需求，因此對于管理和運維均提出了新的挑戰。面對這些新的需求，5G承載傳送網將全面引入SDN技術，實現端到端智能管控。

SDN管控運維系統應同時具備網絡規劃仿真、網絡業務部署和發放、網絡監測控制、保障和優化等功能，目標是實現網絡連接服務從月到天甚至分鐘級的快速開通；實現規劃、部署、監測控制、維護和保障的智能化運營，大幅度提升運維效率，極大地降低運營成本（OPEX）。

基于SDN的管控系統應具備如下功能：

（1）全局管控，智能調優。智能的路徑計算，包括提供低時延路徑、鏈路負載均衡，一方面可以滿足用戶體驗要求，滿足不同業務服務等級協議（SLA）需求；另一方面，基于全局算路和調優，可以提升整網的帶寬利用效率。

（2）跨網協同，統一管控。基于SDN系統的控制模塊可以支持跨域協同，包括跨承載網自治域的協同，以及未來光網絡等網絡協同，將傳統網絡中部門之間的人工協作轉變為機機交互，提升效率。通過北向開放，SDN系統支持包括專線業務自動發放APP等網絡應用，具備網絡業務快速發放，帶寬快速調整，故障快速恢復等功能。endprint

SDN系統可以針對用戶的不同業務，對丟包率、誤碼率、時延、抖動等KPI指標進行高精度測量，支持快速故障定界和定位，對流量趨勢進行精準評估和預測，對不同類型的客戶提供差異化的服務和保障。同時，基于豐富的大數據匯總和實時分析對于告警數據、流量數據等進行智能分析，提高網絡運維效率，自動提供有效的承載網絡優化建議。

2.5 FlexE與網絡切片

對于網絡切片的應用，無論是企業專線、低時延業務SLA保證，還是垂直行業的獨立管控，綜合承載多業務之間的隔離，本質上都是要求分片網絡之間需要做到一定程度的剛性或彈性的隔離。

FlexE在普通以太網基礎上定義了基于N ×5G的多種子速率可配置、調整以及Client層的互連互通機制。FlexE定義為以太網L2（媒體接入控制（MAC））/L1（物理層（PHY））之間的中間層FlexE Shim，是以太網的多速率子接口在多PHY鏈路上的新技術[7]。FlexE應用場景包括：

（1）適配路由器不同業務子接口與通道化靈活以太網，實現路由器端到端直連硬管道，實現5G不同業務和客戶的網絡要求；

（2）通過可變帶寬以太網，路由器子接口與光網絡ODUflex管道結合起來，實現IP+光進一步協同；

（3）端口捆綁，如將N ×100 GE捆綁成的超100 GE大管道接口。

FlexE技術是實現網絡切片的主流技術方案之一，基于Flexible Ethernet可以建立端到端FlexE硬管道，提供約束延時/低延時/低抖動、實時業務的IP承載網絡。

3 結束語

5G時代將開創一個新的產業，從以前的網絡為中心變為以業務為中心，從以前的以人為中心變為以人和物為中心。5G網絡中，承載網是不可或缺的一部分，同時也面臨著超低時延、大帶寬、高靈活性、超高精度時間同步等挑戰，面對5G不同應用場景，需要引入G.metro低成本城域接入、可調諧激光器、25G光模塊、高精度時間同步傳送等技術，以低成本建網，充分利用現有網絡資源和產業鏈成熟快速的部署為原則，以滿足eMMB、mMTC、uRLLC等應用場景下的多樣化的業務需求。

參考文獻

[1] IMT 2020推進組. 5G網絡技術架構白皮書[R]. 2015

[2] LI H， HAN L Y， DUAN R， et al. Analysis of the Synchronization Requirements of 5G and Corresponding Solutions[J]. IEEE Communication Standards Magazine， 2017， 1（1）：52-58

[3] 中國移動. 邁向5G-C-RAN：需求、架構與挑戰[R]. 2016

[4] ITU-T. Draft New Recommendation ITU-T G.Metro （version 0.10）[R]. 2017

[5] OTN transport of CPRI Signals： ITU-T G.sup.56[S]. 2015

[6] Considerations on Sync Requirements and Network Budget for 5G： ITU-T C165[S]. 2017

[7] Flexible Ethernet Implementation Agreement： OIF-FLEXE-01.1[S]. 2017endprint