05G承載網(wǎng)的需求與架構(gòu)分析

鄭新勇

【摘要】? ? 本文簡要概述了5G承載網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)帶寬、超低時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)切片、時(shí)針同步、靈活性能以及智能管控上的需求，并對該承載網(wǎng)SDN架構(gòu)、轉(zhuǎn)發(fā)平面、網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)、CRAN架構(gòu)以及同步組網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行了分析，對其中的大帶寬技術(shù)、超低時(shí)延技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)以及時(shí)針同步技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)展開了深入地探討。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G承載網(wǎng)? ? 需求分析? ? 架構(gòu)分析

引言：

在信息高速發(fā)展的時(shí)代下，5G承載網(wǎng)在該環(huán)境中不斷成熟，并且體現(xiàn)諸多優(yōu)勢，該技術(shù)被逐漸應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)之中，能夠滿足當(dāng)前大多數(shù)通信運(yùn)輸?shù)男枨蟆Ｔ谄鋵?shí)際的應(yīng)用之中需要對該承載網(wǎng)的需求與架構(gòu)予以重視，只有滿足其需求、完善其架構(gòu)，才能夠確保5G承載網(wǎng)獲得更好的運(yùn)行效果。

一、5G承載網(wǎng)的需求

1.1網(wǎng)絡(luò)帶寬

5G承載網(wǎng)造部署時(shí)較低的成本需求與其靈活演進(jìn)的特點(diǎn)使其具備較大的商業(yè)價(jià)值。使用無線基站推導(dǎo)的公式可以測算出5G承載網(wǎng)的接入環(huán)需要控制在50GE～100GE之間，其匯聚環(huán)應(yīng)當(dāng)在200GE～400GE之間。要想加強(qiáng)5G業(yè)務(wù)功能，必須要最大限度提升其無線頻譜效率和相應(yīng)基站的峰值帶寬，同時(shí)需要關(guān)注其均值帶寬的提升狀態(tài)。

1.2超低時(shí)延

uRLLC作為5G主要應(yīng)用的場景之一，其能夠節(jié)省大量的工作時(shí)間，將其勞動效率大大提高，改善生產(chǎn)產(chǎn)品的良品率，將溝通的體驗(yàn)進(jìn)一步升級，在無人駕駛、VR體驗(yàn)以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著重要作用。國際標(biāo)準(zhǔn)對超低時(shí)延做出了相關(guān)規(guī)定，低時(shí)延相關(guān)的業(yè)務(wù)必須要滿足其時(shí)延低于1ms的條件。

1.3網(wǎng)絡(luò)切片

作為數(shù)字信息社會的重要賦能技術(shù)和功能網(wǎng)絡(luò)，5G的定位早已不再局限于通信手段，其作為功能性網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)字信息時(shí)代已然成為了物聯(lián)基礎(chǔ)，其應(yīng)對業(yè)務(wù)場景較多，服務(wù)的等級具有較大的指標(biāo)差異，即便商業(yè)模式有非常大的差異，其業(yè)務(wù)流量也能夠在同片網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)切片對引導(dǎo)數(shù)字化轉(zhuǎn)型具有重要作用，其將基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)切分成大量子網(wǎng)絡(luò)，其子網(wǎng)絡(luò)的功能各不相同，能夠切實(shí)多種業(yè)的需求。因此5G承載網(wǎng)需要對網(wǎng)絡(luò)切片的應(yīng)用進(jìn)行滿足[1]。

1.4時(shí)針同步

以5G網(wǎng)絡(luò)為支撐的多項(xiàng)業(yè)務(wù)大多需要滿足高精度同步，其中囊括了高精度定位、高速移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及時(shí)延精確測量等業(yè)務(wù)。其時(shí)間同步的精度關(guān)系著定位的精度。當(dāng)其定位精度需要達(dá)到3m時(shí)的，空口信號能夠接受的最大偏差為10ns，若要定位精度達(dá)到m級，其對應(yīng)的空口信號能夠接受的最大偏差為3ns。

1.5靈活性能

5G承載網(wǎng)核心的虛擬化、SD等技術(shù)對其靈敏性的需求更大。為了確保突發(fā)業(yè)務(wù)能夠得到合適的承載，傳送網(wǎng)需要將L3沉放于UPF、MEC機(jī)房，按照網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中流向不同的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)請求，更靈敏地處理網(wǎng)絡(luò)流量，應(yīng)對路由功能，將客戶的體驗(yàn)感受大大提升并將帶寬的實(shí)際使用效率提高。

1.6智能管控

5G承載網(wǎng)需要滿足諸多功能需求，為了更好地應(yīng)對需求，需要使用SDN技術(shù)進(jìn)行配合，以提升5G承載網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行的效率，將OPEX大幅度減輕。隨著功能需求的逐漸擴(kuò)大，運(yùn)營商迫切需要5G承載網(wǎng)滿足智能管控。實(shí)現(xiàn)智能管控需求的技術(shù)有Telemetry技術(shù)，其可以對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，該技術(shù)擁有的數(shù)據(jù)采樣能力非常高，能夠到達(dá)毫秒級的水平。同時(shí)其推送模式的智能化還可以確保數(shù)據(jù)的匯報(bào)及時(shí)、可靠、精確，獲得全面、有效的監(jiān)控信息，更有利于應(yīng)對突發(fā)狀況。

二、5G承載網(wǎng)的架構(gòu)

2.1 SDN架構(gòu)

SDN架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)管理員能夠在控制臺中對流量進(jìn)行調(diào)整，不用直接接觸交換機(jī)。服務(wù)器連接設(shè)備的方式不會對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)造成影響，集中式類型的SDN控制器能夠?qū)粨Q機(jī)下達(dá)指示，任何需要網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的地方都能夠獲得相應(yīng)服務(wù)。比較具有典型性的SDN架構(gòu)主要包含三層架構(gòu)，第一層為應(yīng)用層，第二層為控制層，第三層為基礎(chǔ)設(shè)施層。應(yīng)用層中囊括了各項(xiàng)電信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用以及其網(wǎng)絡(luò)功能，控制層代表著集中類型的控制器軟件。此類控制器通常長期駐留于服務(wù)器，對整個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行的策略與產(chǎn)生的流量進(jìn)行管理。基礎(chǔ)設(shè)施層由物理交換機(jī)構(gòu)建而成。其作為網(wǎng)絡(luò)硬件具有將SDN數(shù)據(jù)路徑實(shí)現(xiàn)并完成實(shí)際流量轉(zhuǎn)發(fā)的功能。

2.2轉(zhuǎn)發(fā)平面

5G承載網(wǎng)的主要組成部分是省內(nèi)干線以及城域網(wǎng)，其中城域網(wǎng)的接入層包含前傳網(wǎng)絡(luò)與中回傳網(wǎng)絡(luò)，其提供前傳CPRI/e CPRI類型的接口，也提供中傳 F1類型的接口，回傳類型的N2、N3 接口也在其提供范圍之內(nèi)，其核心層、匯聚層以及省骨干網(wǎng)不但要承擔(dān)回傳基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的功能，還要供給核心網(wǎng)中某些設(shè)備的N4、N6、N9類型的接口[2]。

2.3網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)

5G承載網(wǎng)需要實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)的協(xié)同管控，其網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)需要滿足以下要求。首先，確保提供的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)靈敏便捷，在5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)云化后，應(yīng)當(dāng)快速地響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)配置;供應(yīng)通信設(shè)備需要具備即插即用的方便特性，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化的規(guī)劃部署，自動化業(yè)務(wù)應(yīng)當(dāng)滿足分鐘級別。其次，確保靈活控制端到端的網(wǎng)絡(luò)，此技術(shù)能夠幫助業(yè)務(wù)跨層次實(shí)現(xiàn)，跨區(qū)域進(jìn)行業(yè)務(wù)部署并對其進(jìn)行有效的運(yùn)行維護(hù)。再次，合理管控網(wǎng)絡(luò)切片，按照業(yè)務(wù)賦予的不同功能請求，為客戶及時(shí)提供切片管理服務(wù)，例如自動化部署網(wǎng)絡(luò)切片、隔離切片資源等管理式服務(wù)。最后，進(jìn)行智能化運(yùn)維。落實(shí)智能化運(yùn)維功能，把客戶的實(shí)際需求當(dāng)做架構(gòu)宗旨，在大數(shù)據(jù)的智能分析下，對故障進(jìn)行智能化處理和監(jiān)測。

2.4同步組網(wǎng)架構(gòu)

5G承載在同步組網(wǎng)時(shí)大多沿用4G方案，其主要技術(shù)為逐點(diǎn)物理層同步。改同步網(wǎng)絡(luò)的具體傳遞方向一般為從左往右。具備高精度效果的時(shí)間服務(wù)器作為源頭設(shè)備通常采用衛(wèi)星授時(shí)來獲取精度較高的時(shí)間同步信號以控制5G同步網(wǎng)的祖時(shí)鐘功能。此類具備高精度效果的時(shí)間服務(wù)器需要滿足的性能指標(biāo)應(yīng)滿足ITU-TG.8272.1的性能指標(biāo)，5G組網(wǎng)中，重新劃分了無線接入網(wǎng)側(cè)的相關(guān)功能，對前傳中以太網(wǎng)e CPRI類型接口的使用進(jìn)行了規(guī)范。

2.5 CRAN架構(gòu)

CRAN架構(gòu)是新興的組網(wǎng)架構(gòu)，其以集中化處理（Centralized）為基礎(chǔ)，協(xié)作式無線電（Cooperative Radio）為輔助，同時(shí)搭載實(shí)時(shí)云計(jì)算（Real-time Cloud Infrastructure）以確保綠色節(jié)能需求得到滿足。未來 5G承載網(wǎng)絡(luò)在發(fā)展過程中必然會面對隨著建設(shè)大量基站引發(fā)的能源大量消耗、潮汐效應(yīng)以及較低的資源利用率等挑戰(zhàn)，而集中式的CRAN架構(gòu)是當(dāng)前最節(jié)能的選擇，該架構(gòu)提供的解決方法性價(jià)比最高，解決效率較好。該架構(gòu)中應(yīng)用的光纖資源需要被認(rèn)真考慮，其作為實(shí)際建設(shè)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的決定因素，其CPRI 接口能否滿足帶寬需求對網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的影響較大[3]。

三、5G承載網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1大帶寬技術(shù)

大帶寬是對5G承載網(wǎng)是否具備優(yōu)秀性能進(jìn)行衡量的最重要的指標(biāo)。5G的頻譜通常分成Sub6G與超高頻頻段。Sub6G頻段的分布范圍在3.4GHz～3.6GHz，其連續(xù)頻譜大致為150Mhz。超高頻段正常的頻譜范圍在24GHz～52GHz之間，其連續(xù)可用的最大頻譜資源是800Mhz。由此看來更高的頻段與更大的連續(xù)頻譜結(jié)合NR 技術(shù)將5G 基站需求的帶寬大大提高，由此估計(jì)該帶寬需求應(yīng)當(dāng)為第四代的10倍以上。接入層至少需要保持25G的接口速率，其匯聚層至少要保證25G 或 50G以上的接口速率，由于核心層的業(yè)務(wù)流量最為集中，因此其接口速率至少需要達(dá)到100G。50GE作為5G承載網(wǎng)絡(luò)最為基礎(chǔ)的接口速率，其市場需求較大，并隨著5G承載網(wǎng)的普及獲得了井噴式地爆發(fā)，擁有廣闊的發(fā)展空間。

3.2超低時(shí)延技術(shù)

5G承載網(wǎng)單獨(dú)依靠局部時(shí)延的優(yōu)化難以滿足極致時(shí)延的相關(guān)要求，為了達(dá)到極致時(shí)延的目的，需要應(yīng)用超低時(shí)延技術(shù)，該技術(shù)需要將空口傳輸時(shí)延的時(shí)間大幅度降低，同時(shí)還需要將轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)盡可能地減少，同時(shí)要將源與目的節(jié)點(diǎn)的距離有效縮短。5G的核心網(wǎng)依靠多種接口協(xié)議為用戶進(jìn)行了服務(wù)規(guī)劃。其集中控制的有關(guān)平面將信令傳遞的次數(shù)大大減少，在用戶平面實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層級的簡化，設(shè)備的布置較為分散并且更加靠近用戶側(cè)，最大化滿足5G時(shí)延需求，MEC網(wǎng)絡(luò)通常單獨(dú)設(shè)置，該網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)元能夠放置于無線側(cè)、城域網(wǎng)核心的邊緣側(cè)。該技術(shù)還可以靈活調(diào)度L3 VPN，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)的計(jì)算功能，使用戶更加貼近業(yè)務(wù)處理的單元，為城域網(wǎng)內(nèi)用戶提供業(yè)務(wù)服務(wù)，打造具備全連接功能的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)[4]。

3.3網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

切片技術(shù)的引進(jìn)主要是為了滿足5G承載網(wǎng)的個(gè)性化需求，達(dá)到靈活、可靠的要求。該技術(shù)將基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源按照不同業(yè)務(wù)的需求份額成多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)都能夠獲得虛擬資源，進(jìn)而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)隔離效果，每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的控制、管理平面各不相同。單獨(dú)的切片網(wǎng)絡(luò)都是完整的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)基本運(yùn)營、管理、維護(hù)功能。網(wǎng)絡(luò)切片一般分為三部分，其一為RAN 側(cè)，其二為承載網(wǎng)，其三為核心網(wǎng)。該技術(shù)有軟切片、硬切片兩種模式，如今應(yīng)用范圍較廣的VPN 技術(shù)是軟切片技術(shù)，而以太網(wǎng)則是硬切片技術(shù)。以太網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)成本較低，其網(wǎng)絡(luò)帶寬的配置較為靈活，能夠承載多種業(yè)務(wù)。

3.4時(shí)針同步技術(shù)

5G覆蓋網(wǎng)要求的高精度同步需要依靠時(shí)針同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)，由于衛(wèi)星信號的覆蓋盲點(diǎn)引發(fā)的信號接收問題能夠因此得到解決。該技術(shù)能夠使同步網(wǎng)絡(luò)更加可靠，并且節(jié)約其設(shè)備成本與運(yùn)營成本。在時(shí)針同步技術(shù)的支持下，高精度、高靈敏的同步網(wǎng)絡(luò)指日可待。

四、結(jié)束語

5G網(wǎng)絡(luò)代表著新舊技術(shù)的更迭，在不久的將來，其將成為承載海量數(shù)字信息的平臺，雖然當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)難以滿足5G承載網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)帶寬、超低時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)切片、時(shí)針同步、靈活性能以及智能管控上的諸多需求，需要通過CRAN技術(shù)、大帶寬技術(shù)、超低時(shí)延技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)以及時(shí)針同步技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)配置合理的網(wǎng)絡(luò)資源。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]張繼云，符積磊，徐成軍.5G承載網(wǎng)與綜合業(yè)務(wù)區(qū)融合建設(shè)研究[J].數(shù)字通信世界，2020（05）：149-150.

[2]馬亞燕.5G承載網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)現(xiàn)方法及應(yīng)用[J].江蘇通信，2021，37（04）：9-12+17.

[3]王磊.5G承載網(wǎng)接入環(huán)若干關(guān)鍵保護(hù)技術(shù)[J].網(wǎng)絡(luò)安全和信息化，2021（08）：149-153.

[4]楊蔭宇.基于5G業(yè)務(wù)承載的新型智能城域網(wǎng)重構(gòu)分析[J].無線互聯(lián)科技，2021，18（14）：5-6+14.