5G承載網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)及其組網(wǎng)方案分析

陳 劭

引言

隨著科技發(fā)展，人們通信方式也越來越豐富，通信便捷性也越來越強(qiáng)。在4G通信時代，技術(shù)更多的關(guān)注點(diǎn)是人與人的通信互聯(lián)，而隨著5G通信時代來臨，通信更多的是將人與物、物與物之間以更便捷、更安全的方式進(jìn)行互聯(lián)互通。因此，5G通信時代承載網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信安全及其他諸多方面也都有了很大的變化和進(jìn)步。通過對5G承載網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的分析與探討，剖析5G承載網(wǎng)的組網(wǎng)方案，必將對我國5G通信建設(shè)有較好促進(jìn)作用[1]。

1 5G承載網(wǎng)技術(shù)要求

通信網(wǎng)絡(luò)從最初的1G不斷升級5G，其承載網(wǎng)也顯現(xiàn)從小規(guī)模到大規(guī)模、從低帶寬到高帶寬的變化，其性能也越來越強(qiáng)大，功能也越來越完善。尤其是進(jìn)入5G后，通信網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)指標(biāo)得到大幅提升，這些相關(guān)通信指標(biāo)高標(biāo)準(zhǔn)，如果僅僅只依靠無線空中接口部分的提升已無法滿足5G通信需求，因此，必須對承載網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行技術(shù)升級。其主要體現(xiàn)在以上方面:（1）帶寬。帶寬作為5G承載網(wǎng)最重要技術(shù)指標(biāo)之一，也是最基礎(chǔ)通信指標(biāo)。在空口速率提升數(shù)十倍的情況上，承載網(wǎng)帶寬也必須進(jìn)行大幅度提升才能滿足要求。在當(dāng)前階段，5G仍處于初始時期，eMBB（Enhanced Mobile Broadband）增強(qiáng)移動寬帶要實現(xiàn)業(yè)務(wù)場景，最需要關(guān)注也是帶寬。（2）低時延、高可靠性。在5G時代，承載網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)時延和可靠性提出更高要求，這也是5G通信重要需求之一。為了達(dá)到低時延，需要實現(xiàn)端到端時延達(dá)到個位數(shù)毫秒級，才能滿足5G通信技術(shù)要求。在5G的諸多場景中，對承載網(wǎng)可靠性要求也達(dá)到99.9999%，其強(qiáng)大的故障恢復(fù)能力和容災(zāi)容錯能力，也都體現(xiàn)其高可靠性的特點(diǎn)。（3）高精度同步能力。高精度同步能力體現(xiàn)在承載網(wǎng)頻率同步和時間同步方面。其主要作用有:一方面，5G通信中多點(diǎn)協(xié)同、載波聚合以及超短幀等，都對通信時間同步精度提出更高要求。另一方面，在5G通信中，時分雙工（TDD）是其通信業(yè)務(wù)采用的主要制式，這必須要求精確時間同步才能完成。還有通信中諸多的增值性服務(wù)，也都要求必須有較精確時間同步才能實現(xiàn)。目前5G網(wǎng)采用的關(guān)鍵技術(shù)包括:高精度同步源頭技術(shù)、高精度同步傳輸技術(shù)、高精度同步局內(nèi)分配技術(shù)、高精度同步檢測技術(shù)。（4）低能耗。5G運(yùn)行設(shè)備較多，網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大，低能耗不僅可以降低故障率，降低運(yùn)行成本，也符合低碳發(fā)展要求[2]。

2 5G承載網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析

承載網(wǎng)是5G移動通信重要組成部分，對5G發(fā)展具有重要意義。其關(guān)鍵技術(shù)分析如上:

2.1 切片分組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

作為5G承載網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一的切片分組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不僅可以在過去3G、4G承載網(wǎng)絡(luò)分組傳輸技術(shù)基礎(chǔ)，進(jìn)一步滿足5G承載網(wǎng)業(yè)務(wù)承載要求。同時，通過切片技術(shù)不斷創(chuàng)新和技術(shù)融合，還可能滿足5G承載SPN組網(wǎng)架構(gòu)的相關(guān)要求。5G承載網(wǎng)前傳、中傳以及回傳端對端組網(wǎng)能力都是依靠SPN組網(wǎng)架構(gòu)的主要功能來實現(xiàn)的，其在充分發(fā)揮以太網(wǎng)通道、切片技術(shù)和FlexE結(jié)構(gòu)的作用，同時對切片技術(shù)提供支持，將L3功能上沉到匯聚層直至接入層，也較好保證連接的靈活性。通過在接入層導(dǎo)入50GE，也可以滿足匯聚層和核心層引入100Gb/s、200Gb/s以及400Gb/s彩光方案。切片分組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（SPN）通過實現(xiàn)大帶寬、低時延、網(wǎng)絡(luò)切片、L3層靈活連接、高精度同步和SDN管控，更好滿足5G承載需求。5G通信網(wǎng)絡(luò)承載的SPN組網(wǎng)架構(gòu)，其主要由傳輸層、通道層和切片分組層組成，同時，為了規(guī)范化和統(tǒng)一化5G承載的SPN組網(wǎng)架構(gòu)管理，增加具有較高準(zhǔn)確性、同頻性的時鐘同步功能模塊，進(jìn)一步提高承載網(wǎng)管理精度。總之，切片分組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（SPN）能夠?qū)崿F(xiàn)大帶寬、低時延、網(wǎng)絡(luò)切片、L3層靈活連接、高精度同步和SDN管控，滿足5G承載需求[3]。

2.2 靈活以太網(wǎng)技術(shù)

靈活以太網(wǎng)技術(shù)是5G承載網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一。靈活以太網(wǎng)（Flexible Ethernet）從2015年起步，主要面向5G網(wǎng)絡(luò)中的云服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)切片、AR/VR/超高清視頻等時延敏感業(yè)務(wù)需求。其對接口技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，從而保證高速大端口400GE、1TE等技術(shù)應(yīng)用，有助于智能端對端鏈路的建立，滿足數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)對IP低時延、高QoS服務(wù)的要求。Flexible Ethernet是在OIF接口物理層標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)發(fā)展起來的，由于Flexible Ethernet技術(shù)自身所具有靈活性、可調(diào)節(jié)性、優(yōu)秀的數(shù)據(jù)隔離性能，使其能夠與5G承載網(wǎng)通信要求相匹配，因此，F(xiàn)lexible Ethernet被世界各地的通信運(yùn)營商和服務(wù)商所應(yīng)用。Flexible Ethernet技術(shù)較好的實現(xiàn)以太網(wǎng)在時隙調(diào)度基礎(chǔ)進(jìn)行劃分，同時還有豐富的以太網(wǎng)彈性硬管道，也正是基于此項技術(shù)應(yīng)用，使得5G通信網(wǎng)絡(luò)不僅具有很強(qiáng)的隔離性、TDM獨(dú)占時隙，同時，也具有良好的高效性、統(tǒng)計復(fù)用的優(yōu)勢[4]。

2.3 分段路由（SR）技術(shù)

分段路由（SR）技術(shù)是依據(jù)路徑標(biāo)簽進(jìn)一步對路由數(shù)據(jù)所需經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)路徑進(jìn)行確認(rèn)。其每個路由器都有一個與之相對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，多數(shù)情況上，利用分段路由技術(shù)可以將固定標(biāo)簽以及32位標(biāo)簽分別于各個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。如果轉(zhuǎn)發(fā)器所支持的標(biāo)簽深度低于標(biāo)簽棧深度時，便會導(dǎo)致整條LSP的鏈路標(biāo)簽沒有辦法通過一個標(biāo)簽棧完成攜帶。這時，就應(yīng)將整條路徑分隔為若干個標(biāo)簽棧攜帶，并通過一種特殊標(biāo)簽將相鄰的標(biāo)簽棧粘連在一起，多個標(biāo)簽棧首尾相連，從而標(biāo)識一條完整LSP。像PCE（路徑計算元件）這樣的外部系統(tǒng)，應(yīng)用了SR后，可以定義路徑。一個PCE能夠創(chuàng)建不共享拓?fù)浠驈呐繑?shù)據(jù)流中分離出來的實時UC&C流量路徑。PCE與路由協(xié)議交互獲得拓?fù)浜推渌畔ⅲ糜诖_定添加到數(shù)據(jù)包的標(biāo)簽組。其結(jié)果是，在一個SR系統(tǒng)上既包含了運(yùn)行在控制平面上用于收集拓?fù)湫畔⒌穆酚善鳎舶嗽赑CE上運(yùn)行的使用該拓?fù)湫畔碛嬎悴煌瑧?yīng)用路徑的路由協(xié)議[4]。

4 5G承載網(wǎng)建設(shè)方案分析

4.1 5G承載網(wǎng)整體架構(gòu)（見圖1）

圖1 承載網(wǎng)架構(gòu)簡圖

在通常情況上，按每一個接入環(huán)建設(shè)8個站點(diǎn)計處，基站建設(shè)規(guī)范應(yīng)為24個。經(jīng)過NGMN收斂模型分析，如果收斂比按1/2計算，則接入環(huán)理論帶寬應(yīng)每個接入環(huán)8個站點(diǎn)規(guī)模為宜，其計算公式為:基站規(guī)模=站點(diǎn)規(guī)模×3=24。其帶寬應(yīng)為28.87Gbit/s。計算公式為:[1×峰值+（n-1）×均值]/收斂比=[1×4.84+23×2.3]/2=28.87Gbit/s，結(jié)合上述計算，接入環(huán)采用50 GE環(huán)網(wǎng)為宜。每個匯聚環(huán)，一般情況上應(yīng)上掛4-8個接入環(huán)，結(jié)合1/2的收斂比計算，匯聚環(huán)的帶寬應(yīng)為57.74或115.48Gbit/s，因此，匯聚環(huán)宜采用100 GE環(huán)網(wǎng)較為科學(xué)[5]。

4.2 前傳網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)對DU進(jìn)行集中設(shè)置后，如果仍然在DU和RRU/AAU間采用光纖直驅(qū)方式建立前傳網(wǎng)絡(luò)，需要耗費(fèi)大量光纜資源，為降低5G承載網(wǎng)建設(shè)成本，需要結(jié)合方面因素，科學(xué)選擇高性價比的承載方案（見表1）。

表1 前傳網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)劣分析

從表1可以看出，有源OTN方式與光纖直驅(qū)、無源CWDM方式相比，其光纖資源占用較少，可維護(hù)性較強(qiáng)，其解決方案技術(shù)優(yōu)勢明顯，但其所需的投資成本較高。因此，需結(jié)合承載網(wǎng)影響因素，合理選取布署方案:（1）DU上掛RRU/AAU數(shù)量較少情況上，且距離相對較近，如果光纖資源也較為充足，采用光纖直驅(qū)方案較為科學(xué)。（2）DU上掛RRU/AAU數(shù)量較多情況上，且距離相對較遠(yuǎn)，光纖資源也不充足，則可以根據(jù)建設(shè)資金現(xiàn)狀，在有源OTN方案或無源CWDM方案二者中選取方案較為合理[6]。

4.3 低時延保障

低時延是5G通信的一個重要指標(biāo)。對于承載網(wǎng)時延而言，設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時延和光纖時延是其產(chǎn)生主要原因。為降低承載時延，應(yīng)從三個方面給予重視:一是有效QoS手段。其主要通過FlexE等技術(shù)應(yīng)用，達(dá)到子MAC間物理隔離的目的，從而實現(xiàn)良好的擁塞控制，在網(wǎng)絡(luò)重載情況上，優(yōu)先保障高優(yōu)先業(yè)務(wù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)。二是降低設(shè)備時延。在這方面，可通過轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的應(yīng)用，縮短接口處理時延。采用對NP內(nèi)核優(yōu)化的方法，為低時延業(yè)務(wù)提供專用通道；應(yīng)用多種技術(shù)手段優(yōu)化設(shè)備時延。三是優(yōu)化傳輸距離。一方面，為了縮短傳輸距離，可以采用核心網(wǎng)、MEC上沉的方法；另一方面，可以通過優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸路徑的方法來實現(xiàn)。同時，可以將二者結(jié)合應(yīng)用，優(yōu)化傳輸距離，達(dá)到降低時延目的。

4.4 靈活切片

在5G網(wǎng)絡(luò)方案中，為了滿足不同業(yè)務(wù)對帶寬、時延、可靠性的要求，靈活的SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在核心網(wǎng)和無線網(wǎng)得到廣泛應(yīng)用，這也要求承載網(wǎng)必須能夠?qū)`活切片技術(shù)給予支持，才能滿足網(wǎng)絡(luò)資源動態(tài)釋放，并實現(xiàn)相互隔離不同切片網(wǎng)絡(luò)資源的功能。因此，承載網(wǎng)需要通過FlexE以及SDN/NFV 2項關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)切片創(chuàng)建、刪除、調(diào)整等功能，才能實現(xiàn)與核心網(wǎng)和無線網(wǎng)切片協(xié)同目的。在這方面，為了實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)多網(wǎng)協(xié)同，需建立一個包含核心網(wǎng)、無線網(wǎng)、承載網(wǎng)的端對端邏輯網(wǎng)絡(luò)，承載網(wǎng)則需要采用轉(zhuǎn)發(fā)面與控制面分離的SDN架構(gòu)。其中轉(zhuǎn)發(fā)面為實現(xiàn)切片間相互隔離，通常采用lexE和VPN來實現(xiàn)。控制面則是需要與核心網(wǎng)、無線網(wǎng)通過SDN控制器開展協(xié)同，為實現(xiàn)編排端到端的業(yè)務(wù)鏈，需要上層編排器的統(tǒng)一管理。在這些方面，因為涉及到諸多領(lǐng)域，其接口的統(tǒng)一性與標(biāo)準(zhǔn)性一定要給充分重視，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，也應(yīng)對通信技術(shù)升級與發(fā)展預(yù)留一定拓展空間[7]。

5 結(jié)束語

隨著5G建設(shè)快速推進(jìn)，其承載網(wǎng)技術(shù)與5G業(yè)務(wù)性能提升關(guān)系密切。5G通信網(wǎng)絡(luò)無線頻譜更寬，MIMO的規(guī)模也更大，其用戶體現(xiàn)帶寬也提高了10倍甚數(shù)十倍。而大規(guī)模的業(yè)務(wù)對承載網(wǎng)的時延與可靠的要求也更高。高效、開放、靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)應(yīng)用，推動了承載網(wǎng)架構(gòu)的革新，靈活的組網(wǎng)和調(diào)度方案應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)切片、協(xié)同管控、高精度同步等功能的實現(xiàn)，進(jìn)一步滿足5G時代豐富的通信業(yè)務(wù)需求。