5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)方案分析（下篇）

中國信息通信研究院|李芳 徐云斌 胡昌軍 趙文玉 張海懿

《5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)方案分析（上篇）》分析了5G承載網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)以及轉(zhuǎn)發(fā)平面，下篇對5G承載協(xié)同管控和5G同步網(wǎng)的架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)方案進(jìn)行分析，并對我國5G承載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢進(jìn)行分析總結(jié)。

5G承載協(xié)同管控架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)

5G承載網(wǎng)絡(luò)的管控架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同管控架構(gòu)如圖1所示。5G網(wǎng)絡(luò)端到端協(xié)同管控架構(gòu)采用開放的SDN/NFV架構(gòu)，上層編排器或運營支撐系統(tǒng)負(fù)責(zé)實現(xiàn)跨無線、承載和核心網(wǎng)的端到端業(yè)務(wù)編排和網(wǎng)絡(luò)切片協(xié)同管控功能，承載網(wǎng)管控系統(tǒng)支持多層多域的統(tǒng)一管理、靈活控制和智能運維能力。

（一）端到端業(yè)務(wù)編排和承載網(wǎng)協(xié)同管控功能

運營商的OSS（Operation Support System，運營支撐系統(tǒng)）/業(yè)務(wù)編排器負(fù)責(zé)端到端的業(yè)務(wù)編排和切片的協(xié)同管控功能，具體包括以下4個方面。

● 資源、能力信息獲?。韩@取5G無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)以及承載網(wǎng)絡(luò)的資源信息以及網(wǎng)絡(luò)能力信息。

● 端到端的業(yè)務(wù)編排：進(jìn)行端到端的業(yè)務(wù)編排和拆分，向5G無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)以及承載網(wǎng)絡(luò)的管控系統(tǒng)發(fā)送業(yè)務(wù)連接請求，完成端到端業(yè)務(wù)協(xié)同調(diào)度。

● 網(wǎng)絡(luò)資源切片編排：實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)資源切片編排，協(xié)同整個5G網(wǎng)絡(luò)的資源切片需求，發(fā)送給底層網(wǎng)絡(luò)控制器以實現(xiàn)對底層網(wǎng)絡(luò)資源的切片。

● 數(shù)據(jù)交互：支持與下層網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)進(jìn)行告警、性能等數(shù)據(jù)的交互。

（二）承載網(wǎng)絡(luò)SDN管控架構(gòu)及功能

通用的軟件定義光網(wǎng)絡(luò)（SDON）采用層次化、遞歸嵌套的管控架構(gòu)，具備良好的可擴展性，支持對多層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多廠商和多區(qū)域的調(diào)度，滿足5G承載網(wǎng)絡(luò)的管控架構(gòu)要求，并支持以下四大功能。

● 敏捷靈活的業(yè)務(wù)提供：滿足5G核心網(wǎng)絡(luò)云化后，快速高效的業(yè)務(wù)配置需求，提供設(shè)備即插即用功能，實現(xiàn)分鐘級別的按需、自動化業(yè)務(wù)部署能力。

● 多層多域的端到端靈活控制：實現(xiàn)跨層次、跨區(qū)域的端到端業(yè)務(wù)部署以及高效運維。

● 全生命周期的網(wǎng)絡(luò)切片管控：基于上層網(wǎng)絡(luò)的切片需求，提供承載網(wǎng)絡(luò)資源的切片管控能力，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的全生命周期管理。

● 高效的智能化運維：提供以業(yè)務(wù)為中心的智能排障、基于AI的智能故障分析、智能故障自愈、業(yè)務(wù)性能預(yù)測等智能化網(wǎng)絡(luò)運維能力，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運維的自動化和閉環(huán)管理。

圖15G網(wǎng)絡(luò)端到端協(xié)同管控架構(gòu)

圖2 時間同步通用組網(wǎng)架構(gòu)

5G承載管控的關(guān)鍵技術(shù)

5G承載網(wǎng)絡(luò)管控的關(guān)鍵技術(shù)包括以下諸多技術(shù)。

● 多層網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管控技術(shù)：5G承載為多層多域網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)采用統(tǒng)一的多層管控網(wǎng)絡(luò)模型；支持對通用模型進(jìn)行裁剪和擴展，實現(xiàn)L0的光波長、L1的ODU、L2的ETH以及L3VPN等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的信息建模，定義運營商統(tǒng)一的北向接口信息模型；具備多層網(wǎng)絡(luò)資源的聯(lián)合規(guī)劃和優(yōu)化功能，實現(xiàn)多層網(wǎng)絡(luò)資源最優(yōu)配置；支持統(tǒng)一的面向連接的業(yè)務(wù)路由策略和約束條件；對于多層路由策略的協(xié)同，支持在不同網(wǎng)絡(luò)層次之間傳遞路由參數(shù)，服務(wù)層的鏈路代價參數(shù)可用于客戶層路由計算；多層路由聯(lián)合優(yōu)化應(yīng)支持定義優(yōu)化目標(biāo)、策略及約束條件等。

● 網(wǎng)絡(luò)切片的全生命周期管控：承載網(wǎng)管控系統(tǒng)應(yīng)基于上層編排系統(tǒng)和運營支撐系統(tǒng)發(fā)出的業(yè)務(wù)切片請求，基于各層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點，支持網(wǎng)絡(luò)切片的規(guī)劃優(yōu)化、自動化部署、業(yè)務(wù)快速發(fā)放、拓?fù)淇梢暬芾?、告警性能監(jiān)測運維的全生命周期閉環(huán)維護(hù)管理。

● 基于大數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)的智能化運維：人工智能（AI）技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)管控帶來新的能力特征，通過對承載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，引入機器學(xué)習(xí)能力，可實現(xiàn)以業(yè)務(wù)為中心的智能排障、基于AI的智能故障分析、智能故障自愈、基于業(yè)務(wù)性能監(jiān)測的規(guī)劃優(yōu)化等智能化網(wǎng)絡(luò)運維能力。

● 北向接口和南向接口：5G承載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)支持基于YANG的數(shù)據(jù)模型，定義開放統(tǒng)一的基于Restful協(xié)議的承載網(wǎng)絡(luò)北向接口，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的開放和可編程能力。5G承載網(wǎng)絡(luò)涉及多個網(wǎng)絡(luò)技術(shù)層次，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模型復(fù)雜，因此南向接口可采用多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如Netconf、PCEP、BGP-LS等。

5G同步網(wǎng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)

5G同步網(wǎng)的組網(wǎng)架構(gòu)

5G時間同步的通用組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2中時間同步從左向右實現(xiàn)單向傳遞，端到端同步性能指標(biāo)包括3個部分：源頭部分（參考點B輸出）；承載部分（B-C之間）；接入部分（C-E之間）。端到端同步性能指標(biāo)分配包括5G基本業(yè)務(wù)以及協(xié)同增強類業(yè)務(wù)兩類，具體見表1。同步網(wǎng)應(yīng)根據(jù)5G同步需求和承載網(wǎng)絡(luò)部署情況，分階段發(fā)展演進(jìn)。

5G同步網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

相對于±1.5us指標(biāo)分配，300ns量級指標(biāo)分配中的各部分指標(biāo)都有顯著提升，需要在同步源頭、高精度傳輸、同步接入等方面開展關(guān)鍵技術(shù)研究。

● 高精度同步源頭技術(shù)：主要有衛(wèi)星雙頻接收和衛(wèi)星共視兩種技術(shù)。目前，衛(wèi)星雙頻技術(shù)更適合于高精度同步源頭設(shè)備的實現(xiàn)，衛(wèi)星共視技術(shù)可先用于現(xiàn)網(wǎng)時間同步源的性能集中監(jiān)控，待共視網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成熟后再考慮用于實現(xiàn)高精度同步源頭設(shè)備。

● 高精度同步傳輸技術(shù)：包括時間同步精度要求為±30ns的IEEE 1588v2技術(shù)以及更高精度的IEEE 1588-2017（又稱IEEE 1588 v2.1）技術(shù)。實現(xiàn)更高精度應(yīng)基于同步以太網(wǎng)的物理層同步、使用DDMTD相位檢測器增強時戳精確度、入口與出口時延處理、單纖雙向傳輸和采用相對校正程序。

● 高精度同步局內(nèi)分配技術(shù)：原則上采用高精度PTP以太網(wǎng)接口（GE、10GE等），不建議采用1PPS+ToD接口。另外，由于1PPS TTL接口沒有ToD信息，建議其主要用于時間精度相對測量，不用于局內(nèi)時間分配。

● 高精度同步監(jiān)測技術(shù)：分為絕對監(jiān)測和相對監(jiān)測兩大類。絕對監(jiān)測方法包括基于GNSS信號監(jiān)測和基于光纖授時網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測；相對監(jiān)測方法包括利用共視衛(wèi)星監(jiān)測和利用PTP報文本身監(jiān)測，其中前者需建相對監(jiān)測參考源，后者利用自身網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行監(jiān)測，可作為初期網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測首選方式。

我國5G承載產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢分析

我國5G發(fā)展對光纖光纜、光模塊器件等產(chǎn)業(yè)發(fā)展驅(qū)動明顯。5G建設(shè)初期，接入層主干光纜面臨纖芯壓力，可采用WDM或纖芯擴容，后期接入配線光纜亦存在擴容需求。

表1 端到端同步性能指標(biāo)分配方案

表25G光模塊典型技術(shù)方案

隨著客戶和線路接口速率的提升，光模塊在承載設(shè)備中的重要性和成本占比逐漸增加。5G光模塊在傳輸距離、調(diào)制方式、工作溫度和封裝等方面存在不同方案，需結(jié)合應(yīng)用場景、成本等因素適需選擇。5G前傳需25Gbit/s和100Gbit/s的工業(yè)級光模塊，同時單纖雙向（Bidi）技術(shù)具備競爭優(yōu)勢。5G中/回傳可采用50Gbit/s、100Gbit/s、200Gbit/s、400Gbit/s的商業(yè)級光模塊，預(yù)計80km內(nèi)將以PAM4為主，需改進(jìn)研發(fā)高線性度光芯片；80km以上需低成本相干光模塊，國內(nèi)需加快25GBaud及以上速率核心光電子芯片的研發(fā)突破和規(guī)模量產(chǎn)能力，適應(yīng)5G規(guī)模商用的低成本需求。表2為不同應(yīng)用場景下光模塊的典型技術(shù)方案。

三種技術(shù)方案的5G承載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備形態(tài)雖有所差異，但均呈現(xiàn)多技術(shù)融合發(fā)展趨勢。SPN和IP RAN增強功能方案均基于分組化承載技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和設(shè)備形態(tài)融合發(fā)展趨勢日益顯著。分組化承載設(shè)備和M-OTN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備大多采用統(tǒng)一信元交換內(nèi)核，L0～L3層應(yīng)用根據(jù)SDN管控架構(gòu)和應(yīng)用場景來配置。從降低研發(fā)成本和提升網(wǎng)絡(luò)設(shè)備普適性的角度考慮，建議新開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能最大程度兼容不同技術(shù)方案的共性技術(shù)，并最大程度共享核心處理芯片、業(yè)務(wù)板卡、光模塊和管控平臺。

總結(jié)和展望

從光纖基礎(chǔ)設(shè)施、光模塊及芯片以及5G承載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)展來看，部署更多光纖資源、加速高速率芯片和低成本光模塊研發(fā)、提升承載設(shè)備差異化方案的兼容性至關(guān)重要，同時應(yīng)遵循固移融合、綜合承載的原則，支撐5G承載網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)低成本快速部署。隨著5G現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模試點開展和2019年預(yù)商用進(jìn)程加快，5G承載技術(shù)方案還將繼續(xù)加強融合創(chuàng)新，并加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，全力支撐和迎接5G商用到來。