低時延高可靠性的5G承載網絡挑戰(zhàn)和實現(xiàn)

黃春輝

（中國移動通信集團廣東有限公司河源分公司，廣東 河源 517000）

1 引言

2G時代為滿足基于TDM（Time Division Multiplexing，時分復用）技術的語音業(yè)務需求，發(fā)展了SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字傳輸體制）技術，3G/4G時代，受全IP化的業(yè)務驅動，產生了以中國電信為主導的IPRAN（IP Radio Access Network，無線接入IP化）承載網和以中國移動為主導的PTN（Packet Transport Network，分組傳送網）承載網絡。5G時代，業(yè)務類型相比以往通信時代大大豐富，其對承載網絡的各項特性要求也更加苛刻。5G應用場景普遍認為主要包括增強型移動寬帶（eMBB)、大規(guī)模物聯(lián)網（mMTC）、關鍵業(yè)務型服務（uRLLC）三大類型。其中面向垂直行業(yè)應用的uRLLC業(yè)務要求極低時延和高可靠性，超低時延和高可靠性成為5G網絡的關鍵特性之一。

一個低時延的承載網絡實現(xiàn)關鍵依賴于超大的傳輸帶寬、極低的設備處理時延，以及最短的光信號傳輸距離[1]。前兩個因素受限于設備能力，可以歸結為設備因素，最后一個因素受限于光信號在光纖介質中的固有傳播速度，主要通過組網結構來改善，可歸結為網絡結構因素。本文接下來將立足于這兩個因素，對5G承載網絡實現(xiàn)低時延和高安全性的挑戰(zhàn)和解決方案進行分析。

2 低時延高可高性承載網的現(xiàn)實挑戰(zhàn)

2.1 設備技術演進的挑戰(zhàn)

為降低設備串行時延，需要采用大帶寬傳輸技術。在超大帶寬傳輸方面，基于相干通信技術的100 G高速OTN（Optical Transport Network，光傳送網）傳輸系統(tǒng)已大規(guī)模商用，且已可以實現(xiàn)400 G的超高速傳輸。但長期以來，OTN只用于大顆粒業(yè)務傳送，主要原因在于其光通路數(shù)據單元（ODUk）是標準容量的容器，業(yè)務只能按標準容量封裝，因此傳統(tǒng)OTN不支持靈活帶寬調度，對低速業(yè)務承載效率非常低。一個傳輸系統(tǒng)中，若承載業(yè)務顆粒度小于傳輸邏輯管道，則帶寬利用率低下；若承載業(yè)務顆粒度大于傳輸邏輯管道，則存在丟包風險。高速傳輸系統(tǒng)要實現(xiàn)高效承載，必然存在與業(yè)務側速率適配的問題。5G應用場景包括大顆粒度業(yè)務，也包括小顆粒度業(yè)務，都需要在同一張承載網上實現(xiàn)。對于通信運營商來說，即使在5G時代，也還需要面臨將長期存在的GSM基站2M接入需求。面向5G業(yè)務的低時延大帶寬傳輸系統(tǒng)，需要實現(xiàn)對網絡帶寬的靈活調度，滿足多樣化的業(yè)務需求。

為降低設備處理時延，需要采用低時延轉發(fā)技術。根據《中國電信低時延光網絡白皮書》，各類傳輸器件時延分析如表1所示。

表1中未列入PTN設備類型，PTN設備是中國移動全力推動建設的4G承載網絡，其設備單站時延介于SDH設備和L2交換機之間。可以看出，就時延來說，在L1設備層面，OTN最具優(yōu)勢，可以實現(xiàn)10 us～100 us量級的負載無關的低時延轉發(fā)。OTN技術可實現(xiàn)全光層交叉調度，具有天然的大帶寬低時延傳輸特性，因此中國電信已發(fā)布的5G承載網技術方案中，傾向于選擇分組增強型OTN設備加路由器的組網方案。這個方案和其4G網絡的IPRAN承載方案一脈相承[3]。但對其它運營商來說，如何保護現(xiàn)有投資，充分利用花巨資打造的PTN網絡是必須考慮的問題。

2.2 組網構架改變帶來的挑戰(zhàn)

根據5G網絡設計構架，4G網絡中的BBU功能在5G網絡中將被重構為CU和DU兩個功能實體，CU與DU功能以處理內容的實時性與否進行區(qū)分，CU設備主要包括非實時的無線高層協(xié)議棧功能，同時也支持部分核心網功能下沉和邊緣應用業(yè)務的部署，而DU設備主要處理物理層功能和實時性需求的2層功能[4]。根據DU和CU部署位置的差異，如圖1所示，5G RAN組網可以分為三種方式。

在5G C-RAN組網構架中，傳輸承載網分成了前傳（Fronthaul）、中傳（Middlehaul）和回傳（Backhaul）三個部分。為降低5G網絡時延，核心網和無線網采用核心網功能下沉、邊緣計算、無線網云化等技術措施，以達到縮短數(shù)據傳輸距離，實現(xiàn)低時延的網絡能力。也即是在5G網絡構架設計中，對承載網時延和安全要求最高的是前傳網絡這一部分。

表1 網絡電路時延分析[2]

圖1 5G RAN組網方案

業(yè)界對5G前傳承載方案選擇，包括光纖直驅，無源WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分復用），OTN或者SPN（Slicing Packet Network，切片分組網絡）等方案。從時延最小的角度考慮，光纖直驅不引入器件時延，必然是最優(yōu)的方案?？紤]安全性，OTN方案或者SPN的方案可以實現(xiàn)纖芯復用，支持電層和光層的性能及故障檢測，提供網絡保護，是安全性較高的方案。但在現(xiàn)實網絡中，由于RRU是最末端設備，光纜路由單一，OTN或SPN設備的環(huán)網保護功能實際并不能有效發(fā)揮作用，反而可能由于器件引入增加故障點，且未來密集組網的設備機房選擇將越來越成為通信建設難點。4G網絡中BBU-RRU之間的承載也普遍采用了光纖直驅的方案，具有其必然性。對于光纜基礎網絡的規(guī)劃和安全管理，在5G承載網中，需要突破傳統(tǒng)的以滿足業(yè)務快速開通為向導的單一思路。

3 低時延技術選擇與可靠性保障

3.1 靈活接口技術及其擴展

為解決大帶寬高速傳輸技術對低速業(yè)務承載效率低下的問題，需要相應的接口技術和協(xié)議來實現(xiàn)任意客戶側速率接入后的統(tǒng)一承載問題，由此推動了靈活光接口技術的發(fā)展和標準制定。業(yè)界對靈活光接口技術標準有兩個選擇：基于光傳輸技術的FlexO和基于以太網技術FlexE。中國電信提出的分組增強型OTN+路由器的組網模型，采用FlexO靈活光接口技術，配合ODUflex，以實現(xiàn)5G承載網絡靈活的網絡資源調配。ODUflex為非固定帶寬的ODUk技術，用戶可根據業(yè)務的大小，靈活配置容器的容量，以達到對線路帶寬高效的利用，并利用OTN天然的低時延特性、ODUK穿通轉發(fā)和OTN SNC保護，實現(xiàn)低時延高可靠性承載。

中國移動在PTN網絡基礎上，提出SPN承載5G業(yè)務的方案。SPN采用了FlexE靈活以太網技術，也稱增強型以太網技術。其幀結構如圖2所示，基本原理是在以太網MAC層和PHY實體層之間增加一中介層（FlexE Shim層），用于調節(jié)控制，其主要能力包括通道綁定、速率劃分、物理層分導等，F(xiàn)lexE技術大大提升了以太網的組網靈活性。在4G的PTN承載網絡中，鏈路擴容可以采用端口鏈路聚合技術（LAG）或者等值路由技術（ECMP），但是鏈路聚合主要用作客戶側（UNI），對網絡側（NNI）的擴容一直存在難點。等值路由技術屬于三層技術，轉發(fā)時延較大，不適應于低時延的網絡要求。FlexE技術通過多個物理鏈路捆綁可有效實現(xiàn)容量擴展。

圖2 FlexE幀結構示意圖

FlexE分片是基于時隙調度，將一個物理以太網端口劃分為多個以太網彈性硬管道，擴展到Tunnle層，與FlexE Switch技術結合，形成類似SDH時代的剛性時隙通道（TDM），將數(shù)據交換轉發(fā)直接在shim層進行，實現(xiàn)低時延數(shù)據轉發(fā)。其邏輯時隙通道的劃分，在不同的業(yè)務類型之間形成剛性管道，嚴格隔離不同業(yè)務，滿足5G網絡分片要求，適配不同業(yè)務差異化性能需求，優(yōu)先保證uRLLC業(yè)務低時延轉發(fā)。FlexE Tunnel可以實現(xiàn)業(yè)務的1：1或1+1保護，在主用路由故障時承載通道快速自動倒換，確保網絡安全。

3.2 基礎光纜網的網格化精細管理

光纜資源作為光傳送網絡最基礎的資源之一，其安全性直接關系到整個網絡的安全。由于5G基站密集組網，5G承載網將需要消耗大量的纖芯。對于載網來說，做好光纜網的優(yōu)化配置，是保障網絡安全，尤其是采用光纖直驅方案的前傳網絡安全的重要手段。在5G C-RAN組網構架中，CU或者CU/DU放置在綜合接入機房，可以綜合接入機房為核心，依托市政主干道路建設主干光纜環(huán)，次干道路建設配線光纜環(huán)，整個光纜網絡形成環(huán)網。在綜合業(yè)務區(qū)內，根據街道對地形的分割，結合業(yè)務分布情況，劃分網格單元，形式每個網格單元不同方向的光纜路由，如圖3所示。

當某一方向的光纜故障時，網格內業(yè)務可以有部分通過另有方向的光纜承載，確保不發(fā)生業(yè)務全阻，可以大大提升網格內網絡安全。以網格為單位，對光纖基礎網絡進行精細化管理，對保障高可靠性低時延的5G承載網絡有重要意義。

圖3 網格化組網示意圖

4 結束語

雖然說“5G商用，承載現(xiàn)行”，但在實際網絡規(guī)劃中，承載網又需要以業(yè)務網絡需求為導向，5G核心網絡和無線網絡的標準尚未正式落地之前，承載網的技術標準也必將難以確定。本文立足于承載網絡現(xiàn)狀，對5G承載網絡實現(xiàn)低時延和高安全性的挑戰(zhàn)和解決方案進行了分析，F(xiàn)lexE技術及其擴展是實現(xiàn)低時延高可靠性承載網最有前景的技術之一，光纜網基礎資源的網格化精細管理，是保障面向5G承載的前傳網絡安全的有效手段。

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