5G承載網(wǎng)的需求、架構(gòu)和解決方案

李光　趙福川　王延松

摘要：認(rèn)為5G承載面臨超大帶寬、低時(shí)延、靈活連接、網(wǎng)絡(luò)切片和超高精度時(shí)間同步等諸多挑戰(zhàn)。分析了中興通訊在5G承載技術(shù)方面的研究和創(chuàng)新，包括：基于FlexE的大帶寬、低時(shí)延和業(yè)務(wù)隔離技術(shù)、滿足5G泛在靈活連接的Segment Routing路由優(yōu)化技術(shù)、基于網(wǎng)絡(luò)切片的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）架構(gòu)和控制技術(shù)、超高精度時(shí)間同步技術(shù)等。

關(guān)鍵詞： 5G承載；靈活以太網(wǎng)（FlexE）；Segment Routing；SDN；超高精度時(shí)間同步

Abstract： In this paper， challenges for 5G transport network are described， such as ultra-high bandwidth， low latency， ubiquitous connectivity， network slicing and high-precision time synchronization. ZTE's research and innovation on 5G transport technology are then analyzed， including ultra-high bandwidth， low latency and service isolation technology based on FlexE， Segment Routing optimization technology， software defined networking（SDN） architecture and control technology based on network slicing， and ultra-precision time synchronization technology.

Key words： 5G transport； flexible ethernet（FlexE）； Segment Routing； SDN； ultra-precision time synchronization

1 5G承載網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

5G的“萬物互聯(lián)”相對(duì)于4G將帶來革命性網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)和新的商業(yè)應(yīng)用模式，同時(shí)也對(duì)作為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的承載網(wǎng)提出了巨大挑戰(zhàn)。

5G采用新的空口技術(shù)，支持包括超高可靠性超低時(shí)延業(yè)務(wù)（URLLC）、增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）和海量物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)（mMTC）等新業(yè)務(wù)。按照預(yù)測(cè)，未來5G網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量相對(duì)于4G網(wǎng)絡(luò)將增長(zhǎng)500～1 000倍，典型用戶數(shù)據(jù)速率可提升10～100倍，峰值傳輸速率可達(dá)10 Gbit/s或更高，端到端時(shí)延縮短了5～10倍，網(wǎng)絡(luò)綜合能效提升了1 000倍[1]。

5G核心網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)相對(duì)于4G也發(fā)生了較大的變化。核心網(wǎng)云化、轉(zhuǎn)發(fā)和控制分離，采用基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（SDN/NFV）的虛擬化切片技術(shù)，可將核心網(wǎng)功能分布式部署為多個(gè)虛擬網(wǎng)元，切片化部署有利于5G的新業(yè)務(wù)開展，例如：URLLC業(yè)務(wù)的核心網(wǎng)切片將下沉到靠近基站的位置，從而滿足對(duì)網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延的需求。

5G無線基站的密度更大，基站的協(xié)同和移動(dòng)性切換問題驅(qū)動(dòng)無線架構(gòu)集中處理的無線接入網(wǎng)（C-RAN）化。在5G的C-RAN架構(gòu)下[2]， RAN功能被重構(gòu)為集中單元（CU）、分布單元（DU）和有源天線單元（AAU）這3個(gè)功能實(shí)體。CU和DU之間按照RAN的高層功能劃分，CU和DU的接口帶寬與回傳接近。DU和AAU之間按照RAN的底層功能劃分，目前接口還沒有標(biāo)準(zhǔn)化，趨向于采用增強(qiáng)通用公共無線電接口（eCPRI）接口。eCPRI接口采用分組化以太網(wǎng)接口，帶寬與天線數(shù)解耦，相對(duì)于傳統(tǒng)CPRI傳輸帶寬降低10倍以上，有助于降低成本。5G的承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

在這個(gè)架構(gòu)下，CU和DU之間的承載網(wǎng)絡(luò)為Midhaul（中傳），DU和AAU之間的承載網(wǎng)絡(luò)為Fronthaul（前傳），5G承載網(wǎng)所面臨著的主要挑戰(zhàn)如下。

（1）前傳和中傳網(wǎng)：5G的前傳、中傳對(duì)承載網(wǎng)的時(shí)延要求非常高。按照目前的技術(shù)預(yù)估，前傳傳輸時(shí)延的預(yù)算不超過30 us，中傳的時(shí)延需求不超過150 us。

（2）回傳網(wǎng)：帶寬增加10倍以上，流量模型從匯聚為主變?yōu)槿玬esh。4G和5G網(wǎng)絡(luò)融合的雙連接、基站的站間協(xié)同、核心網(wǎng)云化部署的負(fù)載均衡和多歸屬備份，以及更加復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的流量，推動(dòng)5G承載網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，支持靈活的業(yè)務(wù)連接。

（3）超高精度時(shí)間同步：引入5G的超短幀、載波聚合和多點(diǎn)協(xié)作傳輸（COMP）多點(diǎn)協(xié)同技術(shù)，驅(qū)動(dòng)時(shí)間同步精度提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，能夠從4G的±1.5 us提升到±130 ns。

（4）網(wǎng)絡(luò)切片：核心網(wǎng)和RAN采用基于SDN/NFV的云化切片架構(gòu)，不同的切片對(duì)帶寬、時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)功能和可靠性的要求也不相同，這就要求5G承載網(wǎng)也具備提供網(wǎng)絡(luò)切片的能力，使不同切片的承載網(wǎng)絡(luò)資源能夠靈活動(dòng)態(tài)地分配和釋放。為了滿足不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，5G的核心網(wǎng)和無線接入網(wǎng)均采用了網(wǎng)絡(luò)切片的架構(gòu)。

2 5G承載關(guān)鍵技術(shù)和解決

方案研究

2.1 FlexE技術(shù)及其創(chuàng)新

靈活以太網(wǎng)（FlexE）技術(shù)[3]由光互連論壇（OIF）標(biāo)準(zhǔn)所定義，F(xiàn)lexE增強(qiáng)了以太網(wǎng)的物理編碼子層（PCS）能力，實(shí)現(xiàn)了媒體接入控制（MAC）層和物理（PHY）層接口收發(fā)器的解耦，從而大大增強(qiáng)了以太網(wǎng)的組網(wǎng)靈活性，如圖2所示。

FlexE可以通過多個(gè)物理鏈路捆綁擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的容量，滿足5G所需要的大帶寬需求，解決了傳統(tǒng)以太網(wǎng)鏈路聚合組（LAG）在多鏈路傳輸時(shí)因?yàn)镠ash導(dǎo)致的鏈路容量不均勻分配問題，同時(shí)FlexE可以通過Shim層的時(shí)隙配置支持多個(gè)客戶業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)客戶業(yè)務(wù)之間的物理隔離功能。但是FlexE只是一個(gè)接口技術(shù)，針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的前傳和回傳的網(wǎng)絡(luò)虛擬切片和低時(shí)延傳送等一系列的需求，還需要進(jìn)一步地進(jìn)行功能擴(kuò)展和技術(shù)創(chuàng)新。

FlexE 隧道技術(shù)是其中的一個(gè)重要功能擴(kuò)展，F(xiàn)lexE 隧道技術(shù)包括FlexE交換，操作、管理、維護(hù)（OAM）以及保護(hù)倒換技術(shù)。FlexE交換是基于時(shí)間片的66 bit數(shù)據(jù)塊交換技術(shù)，工作在L1層。交換不需要隊(duì)列調(diào)度，不需要查找報(bào)文的MAC和IP地址，交換時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)極低，不同的業(yè)務(wù)通過時(shí)間片進(jìn)行隔離，相互之間完全不會(huì)產(chǎn)生影響。采用FlexE交換技術(shù)可以在多個(gè)網(wǎng)元之間建立FlexE 隧道。FlexE隧道是端到端的剛性電路信道，在FlexE隧道的中間轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)，不需要彈出分組，從而實(shí)現(xiàn)了超低時(shí)延和嚴(yán)格的物理隔離特性，如圖3所示。

FlexE OAM用于檢測(cè)隧道的性能和故障，在發(fā)生故障時(shí)，可以對(duì)FlexE隧道配置1+1線性保護(hù)，實(shí)現(xiàn)故障時(shí)的故障快速倒換。

FlexE Tunnel技術(shù)將FlexE從接口級(jí)的技術(shù)擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)級(jí)的技術(shù)，從而很好地滿足了5G網(wǎng)絡(luò)前傳和回傳的網(wǎng)絡(luò)虛擬切片和低時(shí)延傳送需求。

2.2 源路由技術(shù)

5G的云化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

5G采用基于SDN/NFV的信息通信（ICT）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，核心網(wǎng)和基站的云化分布式部署帶來了泛在連接的傳送需求，包括：下一代核心網(wǎng)（NGC）/Cloud RAN pooling、異地Multi-home、數(shù)據(jù)中心（DC）互聯(lián)容災(zāi)等，也要求承載網(wǎng)應(yīng)具備按需建立海量靈活連接的能力。傳統(tǒng)的承載網(wǎng)采用互聯(lián)網(wǎng)多協(xié)議標(biāo)簽（IP/MPLS）或者傳送特性的多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS-TP），動(dòng)態(tài)或者靜態(tài)地創(chuàng)建業(yè)務(wù)承載的隧道連接，設(shè)備需要維護(hù)的路徑信息隨著連接數(shù)線性增加，信令壓力增大，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性和運(yùn)維成本。

Segment Routing（分段路由）[4]是一種源路由技術(shù)，采用該技術(shù)，轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)不需要感知業(yè)務(wù)狀態(tài)，只維護(hù)拓?fù)湫畔ⅲ瑢?shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)實(shí)例數(shù)與網(wǎng)絡(luò)的解耦，大大提升了網(wǎng)絡(luò)支持泛在連接的能力和擴(kuò)展性。Segment Routing的原理是在源節(jié)點(diǎn)通過把攜帶路由信息的指令壓棧到報(bào)文頭中，中間轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)逐跳提前并彈出相關(guān)的指令進(jìn)行報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，如圖5所示。

Segment Routing技術(shù)非常便于與SDN技術(shù)融合，SDN通過網(wǎng)絡(luò)的流量和拓?fù)滟Y源的情況，集中計(jì)算出符合業(yè)務(wù)需求的最佳轉(zhuǎn)發(fā)路徑，把路由信息下發(fā)給源節(jié)點(diǎn)即可，不需要對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制或者信令交互，從而極大地提升了網(wǎng)絡(luò)的控制性能。Segment Routing支持嚴(yán)格約束路由和松散約束路由，在松散約束路由的場(chǎng)景下，轉(zhuǎn)發(fā)面需要支持內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（IGP）協(xié)議，松散約束路由可以支持拓?fù)錈o關(guān)-快速路由恢復(fù)（TI-LFA FRR）抗多點(diǎn)失效的局部保護(hù)。在傳送網(wǎng)中引入Segment Routing技術(shù)還存在著部分問題有待研究，例如：Segment Routing是與業(yè)務(wù)無關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，針對(duì)業(yè)務(wù)的層次化的服務(wù)質(zhì)量（H-QoS）應(yīng)該如何部署等一些問題。

2.3 5G承載的SDN架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)引入了切片的概念，網(wǎng)絡(luò)切片是一組專業(yè)的邏輯網(wǎng)絡(luò)的集合，該集合作為服務(wù)，支持網(wǎng)絡(luò)的差異化，滿足垂直行業(yè)的多元化需求。5G的網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例是一個(gè)端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)，由一組網(wǎng)絡(luò)功能、資源和連接關(guān)系組成。包括了無線、傳送網(wǎng)和核心網(wǎng)[5]。5G網(wǎng)絡(luò)切片的SDN控制架構(gòu)如圖6所示。

在這個(gè)架構(gòu)下，承載網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)切片包括了轉(zhuǎn)發(fā)面（物理網(wǎng)絡(luò)）、切片控制器和業(yè)務(wù)控制器3個(gè)部分，三者互為服務(wù)和客戶層的遞歸關(guān)系。

轉(zhuǎn)發(fā)面需要支持不同業(yè)務(wù)切片的隔離和部分資源共享，轉(zhuǎn)發(fā)面的虛擬化概念由來已久，雖然可以用第3層虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（L3VPN）、MPLS嵌套等方式實(shí)現(xiàn)底層虛擬化映射，但這些技術(shù)在隔離和效率方面和實(shí)際的物理隔離還是有一定差距的。FlexE和FlexE Tunnel技術(shù)能夠提供底層接口級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)硬管道支撐，無論是在效率還是在隔離方面都進(jìn)一步縮小了虛擬網(wǎng)絡(luò)與物理網(wǎng)絡(luò)的差異，是后續(xù)網(wǎng)絡(luò)虛擬化要支持的主要轉(zhuǎn)發(fā)面技術(shù)。

切片控制器是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片/虛擬化的一種特殊控制器，負(fù)責(zé)創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡(luò)（Vnet）以及Vnet生命周期的管理。Vnet與物理資源存在映射關(guān)系，Vnet網(wǎng)絡(luò)由虛擬節(jié)點(diǎn)（Vnode）和虛擬鏈路（Vlink）構(gòu)成，作為Vnet Client的上層控制器只能使用切片控制器分配給自己的Vnet資源。

業(yè)務(wù)控制器在網(wǎng)絡(luò)切片控制器創(chuàng)建的Vnet拓?fù)渖暇幣艠I(yè)務(wù)，不同的業(yè)務(wù)控制器彼此獨(dú)立，可以運(yùn)行不同的控制協(xié)議，例如：一個(gè)業(yè)務(wù)控制器可運(yùn)行Segment Routing的控制協(xié)議編排端到端業(yè)務(wù)，另一個(gè)業(yè)務(wù)控制器可以允許MPLS-TP的控制協(xié)議編排端到端業(yè)務(wù)。

作為5G切片網(wǎng)絡(luò)的一部分，承載網(wǎng)的控制器需要與無線、核心網(wǎng)的分層SDN/NFV進(jìn)行協(xié)同，需要引入一個(gè)跨專業(yè)的協(xié)同器才能完成端到端切片的業(yè)務(wù)鏈編排，這方面的協(xié)同器開發(fā)需要依靠接口的標(biāo)準(zhǔn)化工作的推動(dòng)，目前這方面的工作還處于起步階段。

2.4 超高精度數(shù)據(jù)同步技術(shù)

5G的載波聚合、多點(diǎn)協(xié)同和超短幀要求空口之間的時(shí)間同步精度偏差小于260 ns；5G的基本業(yè)務(wù)采用時(shí)分雙工（TDD）制式，要求任意兩個(gè)空口之間的相對(duì)精度偏差小于1.5 us；5G的室內(nèi)定位增值服務(wù)對(duì)時(shí)間同步的精度要求更高，要求一定區(qū)域內(nèi)基站空口時(shí)間同步的相對(duì)精度小于10 ns[6]。超高精度時(shí)間同步的技術(shù)架構(gòu)如圖7所示。

超高精度時(shí)間源的關(guān)鍵技術(shù)包括本地源技術(shù)和異地多源比對(duì)技術(shù)。本地源技術(shù)包括單頻、多頻全球定位系統(tǒng)（GPS）/北斗衛(wèi)星同步技術(shù)；異地多源比對(duì)技術(shù)是采用異地共視差分技術(shù)消除空間電離層等干擾因素，進(jìn)一步提升時(shí)間同步精度，使得同步信號(hào)可以溯源到更高精度的參考源。

5G承載設(shè)備的超高精度時(shí)間傳遞技術(shù)涉及到設(shè)備和鏈路上的時(shí)間同步技術(shù)升級(jí)，設(shè)備內(nèi)的包括超高精度的時(shí)戳、鑒相器、鎖相環(huán)技術(shù)，鏈路上的則涉及到非對(duì)稱性補(bǔ)償技術(shù)和消除非對(duì)稱性的單纖雙向時(shí)鐘傳送技術(shù)。

超高精度時(shí)間同步的監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)于運(yùn)維也是非常重要的，常用的同步監(jiān)測(cè)技術(shù)包括利用精密時(shí)間同步協(xié)議（PTP）技術(shù)進(jìn)行同步性能監(jiān)測(cè)，部署探針進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)同步性能監(jiān)測(cè)等方法。

3 結(jié)束語

從目前的5G標(biāo)準(zhǔn)和研究情況看，5G承載不僅需要對(duì)帶寬例行升級(jí)，還需要引入新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和架構(gòu)，這已得到業(yè)界的廣泛關(guān)注和認(rèn)可。中興通訊在5G承載的關(guān)鍵技術(shù)上做了大量創(chuàng)新性研究，推動(dòng)5G承載的關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化，具體如下：

（1）基于FlexE的技術(shù)不僅可以滿足大帶寬的組網(wǎng)能力，而且為5G網(wǎng)絡(luò)的切片和低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐；

（2）Segment Routing路由優(yōu)化技術(shù)是目前為止面向5G泛在連接的最佳解決方案，有利于傳送網(wǎng)向SDN方式遷移；

（3）5G承載的SDN架構(gòu)是面向網(wǎng)絡(luò)切片的，采用這個(gè)架構(gòu)有助于與無線、核心網(wǎng)切片形成端到端解決方案，更好地滿足垂直行業(yè)差異化應(yīng)用的需求；

（4）5G的室內(nèi)定位和站間協(xié)作需要超高精度時(shí)間同步，超高精度時(shí)間源和承載設(shè)備的技術(shù)是關(guān)鍵。

2017年，在5G外場(chǎng)測(cè)試的驅(qū)動(dòng)下，5G承載技術(shù)的研究和設(shè)備開發(fā)進(jìn)入了關(guān)鍵期，為配合5G無線和核心網(wǎng)的需求，將對(duì)5G承載的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估。5G建設(shè)，承載先行，5G承載網(wǎng)的技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)化將變得越來越重要。

參考文獻(xiàn)

[1] 中興通訊. 5G技術(shù)白皮書[R/OL]. （2016-04-22）[2017-07-03]. http：//www.zte.com.cn/china/solutions/access/5g/424379

[2] 黃金日，段然. “邁向5G C-RAN：需求、架構(gòu)與挑戰(zhàn)”技術(shù)白皮書V1.0[R]. 北京： 中國(guó)移動(dòng)研究院， 2016

[3] Optical Internetworking Forum. Flex Ethernet Implementation Agreement OIF-FLEXE-01.0[R]. California： OIF， 2016

[4] Internet Engineering Task Force. Segment Routing Architecture， Draft-IETF-Spring-Segment-Routing-10[R]. California： IETF ， 2016

[5] China Mobile， Deutsche Telekom AG， Volkswagen Group， et al. 5G Service-Guaranteed network slicing， White paper V1.0[R]. Barcelona： China Mobile， 2017

[6] LI H， HAN L， DUAN R， et al. Analysis of the Synchronization Requirements of 5G and Corresponding Solutions[J]. IEEE Communications Standards Magazine， 2017， 1（1）：52-58. DOI： 10.1109/MCOMSTD.2017.1600768ST