5G承載網(wǎng)絡(luò)典型架構(gòu)及技術(shù)方案分析

羅小平

（四川通信科研規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

0 引 言

經(jīng)濟(jì)和科技的同步發(fā)展，推動(dòng)了人們生活水平和生活質(zhì)量的穩(wěn)步提升。人們對(duì)通信和網(wǎng)絡(luò)傳輸要求越來(lái)越高，更注重傳輸質(zhì)量和傳輸速度。自2G、3G技術(shù)衍生以來(lái)，4G、5G技術(shù)也迅速發(fā)展與普及。雖然5G發(fā)展給人們的生活和生產(chǎn)帶來(lái)了更多的可能，但是5G技術(shù)的發(fā)展也對(duì)原有的傳輸承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出了更高的要求，在此背景下基于4G網(wǎng)絡(luò)的承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)面臨挑戰(zhàn)也面臨更多機(jī)遇。尤其是國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）定義了大規(guī)模連接（massive Machine Type of Communication，mMTC）、增強(qiáng)移動(dòng)帶寬（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）和高可靠低時(shí)延（Ultrarelaible and Low Latency Communication，uRLLC）3 類(lèi)5G業(yè)務(wù)場(chǎng)景，不同新型業(yè)務(wù)的出現(xiàn)進(jìn)一步提出相關(guān)要求，其中5G網(wǎng)絡(luò)承載需求成為核心。同時(shí)，核心網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)相比也具有一定變化，更提高了5G承載網(wǎng)的智能協(xié)同、靈活管理/部署需求。運(yùn)營(yíng)商在這一契機(jī)下需要對(duì)4G承載網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架進(jìn)行進(jìn)一步分析，結(jié)合現(xiàn)有承載網(wǎng)絡(luò)提出并優(yōu)化5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

1 5G承載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求

5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是基于完善5G承載網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的，與傳統(tǒng)4G承載網(wǎng)絡(luò)相比，5G承載網(wǎng)對(duì)性能、靈活性等要求更高。

1.1 高帶寬上行

表1列出了5G網(wǎng)絡(luò)下高/低頻基站的單站峰值帶寬和單站均值帶寬，與4G網(wǎng)絡(luò)下的單站均值帶寬及單站峰值帶寬相比明顯提高，高頻的單站峰值帶寬超過(guò)10 G。在提升5G承載網(wǎng)承載需求的同時(shí)，還提高了接口帶寬的明確要求，在其相關(guān)設(shè)備及其平滑擴(kuò)展能力方面也具有明確提升需求，以此來(lái)滿足5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)和業(yè)務(wù)發(fā)展的實(shí)際需求。

表1 5G基站流量理論值

1.2 寬差異時(shí)延

5G發(fā)展的新業(yè)務(wù)需求包括大規(guī)模連接（mMTC）、增強(qiáng)移動(dòng)帶寬（eMBB）和高可靠低時(shí)延（uRLLC）3類(lèi)5G業(yè)務(wù)場(chǎng)景，其中uRLLC場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延提出了明確要求，要求其低于1 ms。這種低時(shí)延對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提出了更高的要求，承載網(wǎng)需要協(xié)同核心網(wǎng)功能，實(shí)現(xiàn)下沉來(lái)滿足低時(shí)延要求[1]。

1.3 高精度同步

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)隨之不斷發(fā)展，對(duì)無(wú)線基站建設(shè)提出了更高要求，不僅要求相鄰基站之間不能相互干擾，而且要求相鄰基站之間能實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)協(xié)同。就傳統(tǒng)4G和目前5G網(wǎng)絡(luò)中的端到端時(shí)間同步精度要求來(lái)說(shuō)，具有明顯區(qū)別，目前5G網(wǎng)絡(luò)要求其達(dá)到微秒級(jí)別，某些5G應(yīng)用場(chǎng)景下的高精度業(yè)務(wù)如定位服務(wù)則要求時(shí)間同步精度達(dá)到納秒級(jí)別，精度要求更高。

1.4 網(wǎng)絡(luò)切片

基于SDN（Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）/NFV（Network Function Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）的云化切片架構(gòu)建立相應(yīng)的核心網(wǎng)絡(luò)及RAN網(wǎng)絡(luò)（Radio Access Network，無(wú)線接入網(wǎng)），對(duì)不同場(chǎng)景、不同業(yè)務(wù)以及不同需求具有不同功能切片要求。這就對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可靠性、網(wǎng)絡(luò)功能以及時(shí)延等提出了不同新需求，而解決和應(yīng)對(duì)這一需求的關(guān)鍵是解決5G承載網(wǎng)問(wèn)題。因此，需要在5G承載網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程中不斷引入新技術(shù)，包括控制技術(shù)、接口技術(shù)等，以實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的低時(shí)延、大帶寬、高精度以及網(wǎng)絡(luò)切片等要求[2]。

2 5G承載網(wǎng)搭建需要的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 低成本城域接入技術(shù)

在5G承載網(wǎng)中引入G.Metro（融合超帶寬），可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外復(fù)雜環(huán)境的有機(jī)聯(lián)系，保證5G網(wǎng)絡(luò)能應(yīng)用于不同的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境，如拓展級(jí)、商業(yè)級(jí)及工業(yè)級(jí)等不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。在5G承載網(wǎng)搭建過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際的環(huán)境需求調(diào)整網(wǎng)絡(luò)波長(zhǎng)，以適應(yīng)不同的環(huán)境需求。另外，在承載網(wǎng)功能搭建以及激光器機(jī)構(gòu)構(gòu)件的安裝過(guò)程中，需要綜合考慮不同業(yè)務(wù)和不同環(huán)境的承載需求，引入新型材料，同時(shí)引入共享的波長(zhǎng)鎖定機(jī)制，以此在保證5G承載網(wǎng)接入成本的同時(shí)確保5G承載網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量，提高5G承載網(wǎng)的綜合運(yùn)行能力[3]。

2.2 低時(shí)延全光組網(wǎng)技術(shù)

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，4G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施日益完善，5G承載網(wǎng)的發(fā)展需要在現(xiàn)有4G承載網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷優(yōu)化，以提升其低延時(shí)性能，建議在其中引入光傳送網(wǎng)技術(shù)。

在前傳引入G.Metro技術(shù)全光接入網(wǎng)絡(luò)中，以此保障5G承載網(wǎng)移動(dòng)性能和固定性能統(tǒng)一[4]。

在中傳引入ROADM（Reconfigurable Op cal Add-Drop Multiplexer，可重構(gòu)光分插復(fù)用器）和WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分復(fù)用）OTN（Optical Transport Network，光傳送網(wǎng)）技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)承載網(wǎng)的優(yōu)化，以此降低點(diǎn)交叉部分業(yè)務(wù)調(diào)度頻次。這樣可保障5G承載網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中業(yè)務(wù)能迅速到達(dá)光層，有效減少以往4G網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)光電轉(zhuǎn)換操作，最終達(dá)到端口與端口之間的低延時(shí)效應(yīng)。在5G承載網(wǎng)絡(luò)搭建及其運(yùn)行過(guò)程中，需要考慮光傳送網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的簡(jiǎn)化和升級(jí)，最終實(shí)現(xiàn)OTN系統(tǒng)的解封裝，以此降低OTN設(shè)備的單點(diǎn)時(shí)延效應(yīng)。另外，還可以將SDN技術(shù)引入5G承載網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)光融合和分組的協(xié)調(diào)管理與統(tǒng)一，保證5G承載網(wǎng)絡(luò)多層架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，以確保其具備有效的傳輸性能。通過(guò)引入SDN技術(shù)進(jìn)一步提升了5G承載網(wǎng)絡(luò)的低延時(shí)性能，同時(shí)保障了5G承載網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸、傳播效率。

2.3 高精度同步技術(shù)

高精度同步技術(shù)是5G承載網(wǎng)絡(luò)中最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵的技術(shù)之一，國(guó)家對(duì)5G承載網(wǎng)的時(shí)間精度提出了明確要求（2018年6月發(fā)布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)），基于具體的要求，在5G承載網(wǎng)中引入3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作計(jì)劃）技術(shù)。但隨著5G承載網(wǎng)的發(fā)展，不斷提出更高要求，如時(shí)間控制精度提高，要求達(dá)到納秒量級(jí)。在此背景下需要進(jìn)行以下操作。一方面，保證5G承載網(wǎng)穩(wěn)定性。通過(guò)保證各個(gè)單項(xiàng)設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性來(lái)保證承載網(wǎng)的穩(wěn)定性，同時(shí)需要考慮設(shè)備運(yùn)行成本。在其中引入1588v2邊界時(shí)鐘設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)誤差的鎖定和監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步提升5G承載網(wǎng)的運(yùn)行精度，從原有的20～25 ns水平提升至10～15 ns水平，縮小5G承載網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間，保證其在最小誤差滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上保障網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。另一方面，保障5G承載網(wǎng)絡(luò)的傳輸精度和相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行精度。通過(guò)引入G.Metro技術(shù)在頭端設(shè)備（HEE）與尾端設(shè)備（TEE）之間設(shè)定一個(gè)隔間跳板，實(shí)現(xiàn)5G承載網(wǎng)中相關(guān)數(shù)據(jù)的同步傳輸，保證5G承載網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量的同時(shí)也符合5G承載網(wǎng)的運(yùn)行理念。在5G承載網(wǎng)絡(luò)中引入G.Metro技術(shù)提高了5G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間傳遞準(zhǔn)確度，同時(shí)有效降低了路徑跳數(shù)。另外，還可在5G承載網(wǎng)中引入單纖雙向技術(shù)，以此來(lái)提升5G承載網(wǎng)相關(guān)設(shè)備之間的對(duì)稱(chēng)性，縮小5G承載網(wǎng)中可能出現(xiàn)的細(xì)微誤差，避免影響其可能對(duì)5G承載網(wǎng)絡(luò)時(shí)間傳遞準(zhǔn)確性的影響。在5G承載網(wǎng)中科學(xué)運(yùn)用高精度同步技術(shù)，需要保證傳輸同步精度在幾十納秒等級(jí)，通過(guò)減少過(guò)點(diǎn)跳數(shù)、下沉節(jié)點(diǎn)設(shè)備等方式保障5G承載網(wǎng)中各個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間傳輸精準(zhǔn)性。

2.4 端與端智能控制技術(shù)

5G承載網(wǎng)具有較大的數(shù)據(jù)量，導(dǎo)致其運(yùn)行過(guò)程中端口之間具有非常大的連接量。在此種情況下，為保障網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行，需要進(jìn)一步提升5G承載網(wǎng)不同端口間的靈活性。通過(guò)引入SDN技術(shù)在回傳段和中傳段之間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同運(yùn)輸，以保障不同端口之間的智能管理與控制。通過(guò)SDN技術(shù)保障實(shí)現(xiàn)5G承載網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)管理，若5G承載網(wǎng)運(yùn)行中出現(xiàn)了某些突發(fā)狀況，在SDN技術(shù)的支持下能給出警報(bào)信號(hào)，最終通過(guò)及時(shí)干預(yù)等手段來(lái)保障5G承載網(wǎng)健康運(yùn)行。SDN技術(shù)的引入實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)中不同模塊的科學(xué)整合和有效管理，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行智能優(yōu)化和全局管理，通過(guò)不同模塊之間的跨網(wǎng)統(tǒng)一管理有效保障5G承載網(wǎng)的安全高效運(yùn)行[5]。

3 5G承載網(wǎng)絡(luò)典型架構(gòu)實(shí)證分析

3.1 IP RAN運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

多種傳輸設(shè)備的協(xié)調(diào)配合構(gòu)成了IP RAN運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有的傳輸網(wǎng)絡(luò)，涵蓋早期的SDH（Plesiochronous Digital Hierarchy，準(zhǔn)同步數(shù)字系列）、PDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體系），分組網(wǎng)的IP RAN，以及后期的光接入網(wǎng)。

不同的設(shè)備承載不同的業(yè)務(wù)類(lèi)型：VC（Virtual Concatenation，虛級(jí)聯(lián)）被技術(shù)應(yīng)用于構(gòu)建SDH，其作為剛性管道網(wǎng)絡(luò)代表，目前在政企類(lèi)及相關(guān)專(zhuān)線業(yè)務(wù)方面具有很好的承載性。基于此構(gòu)建的SDH網(wǎng)絡(luò)資源和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)資源相比具有更高的利用率，但是也帶來(lái)了通道資源緊張、網(wǎng)絡(luò)拓展性較差等問(wèn)題，導(dǎo)致很多廠家已經(jīng)停產(chǎn)MSTP及相關(guān)設(shè)備。

基于光接入網(wǎng)絡(luò)（Optical Transport Network，OTN）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)作為剛性管道網(wǎng)絡(luò)又一代表，在設(shè)備中引入ODU（OracleDatabaseUnloader，集光纖配線單元）技術(shù)用以網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，目前主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)類(lèi)大顆粒業(yè)務(wù)領(lǐng)域。基于該設(shè)備的承載網(wǎng)雖具有豐富的通道資源，但網(wǎng)絡(luò)覆蓋率較低，建設(shè)成本相對(duì)較高。

IP承載網(wǎng)絡(luò)和IP RAN網(wǎng)絡(luò)采用分組交換技術(shù)，在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和運(yùn)營(yíng)中主要應(yīng)用于4G LTE和3G網(wǎng)絡(luò)的承載。其也是目前IP RAN運(yùn)營(yíng)商基站業(yè)務(wù)的唯一承載平臺(tái)。

IP RAN運(yùn)營(yíng)商傳輸網(wǎng)絡(luò)支持三層靜態(tài)路由，并且基于IP RAN的承載網(wǎng)具有極強(qiáng)的尋址能力，因此保障了其具有較低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本的同時(shí)具備良好的網(wǎng)絡(luò)拓展性能。IP RAN 運(yùn)營(yíng)商在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展基礎(chǔ)上開(kāi)始進(jìn)行完善，該網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和完善進(jìn)一步拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域，通道類(lèi)政企業(yè)務(wù)開(kāi)始引入并應(yīng)用，傳統(tǒng)MSTP網(wǎng)絡(luò)承載壓力因此得到有效釋放。這便進(jìn)一步推動(dòng)了IP RAN網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)型和完善，綜合承載平臺(tái)逐漸出現(xiàn)。

3.2 IR PAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在目前的3G、4G LTE承載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與建設(shè)中，IP RAN運(yùn)營(yíng)商主要基于IP RAN設(shè)備構(gòu)成核心層、匯聚層以及接入層的三級(jí)架構(gòu)。核心層、匯聚層及接入層分別由高端、終端、低端路由器構(gòu)成，其中各個(gè)路由器設(shè)備均成對(duì)出現(xiàn)。接入層的構(gòu)建以環(huán)狀結(jié)構(gòu)為主、鏈狀結(jié)構(gòu)為輔，接入層鏈路采用小于10 GB的上行帶寬，核心層至匯聚層采用20～40 GE上行帶寬。

3.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)扁平化

5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和演進(jìn)的關(guān)鍵是承載大寬帶和無(wú)線空口技術(shù)，并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)扁平化要求更高，IP RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在未來(lái)的發(fā)展中有衍生出扁平化的趨勢(shì)。匯聚層的發(fā)展呈現(xiàn)出匯聚ER部署的削減及取消，通過(guò)這種方式有效降低網(wǎng)絡(luò)層級(jí)，同時(shí)有效縮減時(shí)延開(kāi)銷(xiāo)。C-RAN部署模式在接入層的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域網(wǎng)格的科學(xué)規(guī)劃，綜合業(yè)務(wù)區(qū)機(jī)房也基于此進(jìn)行了有效劃分。農(nóng)村地區(qū)新建桿路的出現(xiàn)以及城區(qū)管道資源日益緊張，導(dǎo)致5G承載網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的光纜建設(shè)成本不斷提高，而網(wǎng)絡(luò)扁平化的發(fā)展可有效節(jié)約機(jī)房資源和光纜資源。

3.3.2 網(wǎng)絡(luò)智能化

人們對(duì)5G承載網(wǎng)具有靈活調(diào)度、海量連接以及大流量等典型需求，因此提高了對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的挑戰(zhàn)。前面已經(jīng)提出在5G承載網(wǎng)的發(fā)展中需要不斷引入SDN智能技術(shù)，以此降低IP RAN網(wǎng)絡(luò)資本性支出（Capital Expenditure，CAPEX）和運(yùn)營(yíng)成本（Operating Expense，OPEX），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的科學(xué)快速部署，更快地?fù)屨伎蛻艏笆袌?chǎng)。

4 結(jié) 論

目前，5G承載網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及相關(guān)設(shè)備日趨成熟，進(jìn)一步完善網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的時(shí)候需要綜合考慮各個(gè)因素，包括平臺(tái)投資效益、網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)以及成本效益等。很多運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始規(guī)劃部署5G網(wǎng)絡(luò)，充分借用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源和發(fā)展契機(jī)，在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)層級(jí)以提升承載效率。