5G承載網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)

武 飛，潘 濤

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 5G的3大業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求分析

目前，國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電通信局（ITU-R）中，針對(duì)5G的3類典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景定義為：支持海量用戶銜接的大規(guī)模機(jī)器通信（mMTC）業(yè)務(wù)、具備超低時(shí)延通信與超高可靠性的（uRLLC）業(yè)務(wù)以及具備更低延時(shí)、更高寬帶的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）業(yè)務(wù)[1]?，F(xiàn)今，R15版本對(duì)eMBB業(yè)務(wù)實(shí)際需求與相關(guān)技術(shù)規(guī)范十分明確，而mMTC與uRLLC業(yè)務(wù)因?yàn)獒槍?duì)網(wǎng)絡(luò)能力的標(biāo)準(zhǔn)尤為嚴(yán)格，其特性主要體現(xiàn)在5G完整版標(biāo)準(zhǔn)的R16版本中實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化。具體地，5G的3大類典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景所承載的實(shí)際需求如下所述。

1.1 eMBB業(yè)務(wù)

eMBB業(yè)務(wù)主要針對(duì)的是高速移動(dòng)上網(wǎng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）/虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）以及4K/8K等超高清視頻等大寬帶業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景。這實(shí)質(zhì)上是5G對(duì)4G移動(dòng)寬帶場(chǎng)景的進(jìn)一步強(qiáng)化，單用戶接入寬帶可以和如今的固網(wǎng)寬帶接入實(shí)現(xiàn)類似量級(jí)（如1 Gb/s），其接入的速率可以提升的速率可以提升到10倍之上。針對(duì)5G承載的需求主要體現(xiàn)在易運(yùn)維、易部署、低功耗、低成本和大帶寬之上。

1.2 uRLLC業(yè)務(wù)

uRLLC業(yè)務(wù)適宜運(yùn)用于智慧醫(yī)療、智能交通物流、智能制造、工業(yè)控制以及車聯(lián)網(wǎng)等針對(duì)實(shí)時(shí)化標(biāo)準(zhǔn)較為嚴(yán)格的垂直行業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，以更好地確保用戶可以達(dá)到毫秒級(jí)端到端時(shí)延與9.99%之上的速度。目前，4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與承載網(wǎng)絡(luò)在超低延時(shí)保證與業(yè)務(wù)隔離性上會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，相應(yīng)地需要引進(jìn)網(wǎng)絡(luò)切片管控架構(gòu)與超低延時(shí)等新型化技術(shù)來(lái)提高業(yè)務(wù)整體的體驗(yàn)感受。

1.3 mMTC業(yè)務(wù)

該業(yè)務(wù)適宜運(yùn)用于智慧農(nóng)業(yè)、智能抄表與環(huán)境監(jiān)測(cè)等以數(shù)據(jù)采集與傳感為目標(biāo)的業(yè)務(wù)運(yùn)用場(chǎng)景中，特征主要體現(xiàn)在基站間協(xié)作、海量銜接、低成本、低能耗以及小數(shù)據(jù)包之上，可以銜接從億級(jí)到千億級(jí)的跳躍式增長(zhǎng)，相應(yīng)地要求承載網(wǎng)同時(shí)兼具運(yùn)維、易部署、能耗低、成本低、高精度時(shí)鐘同步以及多銜接通道等功能。

2 5G承載網(wǎng)的部署需求與原則

5G通信無(wú)論是在主體上還是在內(nèi)容上均與4G有著質(zhì)的變化，不僅是下一代移動(dòng)通信技術(shù)，更是逐步將“信息隨心至，萬(wàn)物觸手及”理念予以實(shí)現(xiàn)，尤其是低時(shí)延、高可靠通信URLLC（Ultra-Reliableand Low Latency）、海量機(jī)器類通信mMTC（massive Machine Type Communications）以及增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶eMBB（enhanced Mobile Broadband）[2]。3大業(yè)務(wù)、8大關(guān)鍵能力指標(biāo)和4G進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)其有著很大區(qū)別。不但要求承載網(wǎng)具備智能化、高效化以及低成本特征，而且可以在組網(wǎng)靈活性、時(shí)延與承載網(wǎng)絡(luò)容量等情況下可以提出更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。

依據(jù)以上各類實(shí)際需求，目前還有一些存在不確定性的網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)。在分析部署5G承載網(wǎng)時(shí)，要始終遵循以下兩個(gè)理念：一是結(jié)構(gòu)清晰，可以運(yùn)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化縮減網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，從而提升網(wǎng)路靈便性，進(jìn)而可以達(dá)到3大業(yè)務(wù)發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的目的；二是網(wǎng)絡(luò)智能化，網(wǎng)絡(luò)可以具備全網(wǎng)編排調(diào)度的作用，從而可以更好地優(yōu)化調(diào)整相關(guān)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)諸多業(yè)務(wù)的進(jìn)一步發(fā)展與調(diào)整，進(jìn)而更好地呼應(yīng)業(yè)務(wù)路由的變化與調(diào)度。

3 5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

前傳網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上是AAU和DU間5G承載網(wǎng)絡(luò)的一部分。DU部署的結(jié)構(gòu)和前傳拓?fù)溆兄苯勇?lián)系，其中最為典型的兩種DU部署為集中式DU部署與分布式DU部署。

針對(duì)集中式DU部署進(jìn)行分析，它主要是將諸多個(gè)DU放置在相同的部位，相應(yīng)地可以運(yùn)用星型與環(huán)型結(jié)構(gòu)銜接遠(yuǎn)端的AAU，DU與AAU之間的距離確保在10 km之內(nèi)。另外，分布式DU部署而言，其中一個(gè)DU僅僅只是銜接到周邊的AAU，是一類點(diǎn)到多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。

由于考慮到5G將分階段進(jìn)行部署，那么在第一階段的非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA），5G和目前的3G/4G業(yè)務(wù)間有著互通的實(shí)際需求。所以，前傳網(wǎng)絡(luò)可以支持運(yùn)用通用公共無(wú)線電接口（CPRI）的2G/3G/4G業(yè)務(wù)以及運(yùn)用下一代前傳接口（eCPRI/NGFI）的5G業(yè)務(wù)。前傳的方案主要是光層，可以選擇運(yùn)用N×100 Gb/s、N×10 Gb/s波分、無(wú)源WDM以及光纖直驅(qū)等。ITU現(xiàn)今正在積極分析研究運(yùn)用簡(jiǎn)化后的OTN，25G/50G OTN接口主要運(yùn)用于前傳網(wǎng)絡(luò)，并可以很好地為其提供相應(yīng)的性能檢測(cè)與防護(hù)等。

針對(duì)中傳與回傳網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)中心、固定網(wǎng)絡(luò)、專線、SA與NSA的互連都可以得到支持，其中主要涵蓋數(shù)據(jù)中心互連、固定網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、企業(yè)專線（FE/GE/10GE等）以及2G/3G/4G/5G無(wú)線服務(wù)等[4]。中傳/回傳網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模可以直接從數(shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)到很多巨量節(jié)點(diǎn)來(lái)予以轉(zhuǎn)變，大型中傳與回傳的網(wǎng)絡(luò)均可以支撐分組/IP功能，且可以支持網(wǎng)絡(luò)切片和5G網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同管理控制功能等。

4 5G承載網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基于SDN的控制面切片

SDN可以使轉(zhuǎn)發(fā)面與控制面板之間進(jìn)行互相解耦，相應(yīng)地可以促使物理網(wǎng)絡(luò)變得愈發(fā)開(kāi)放，另外可以使物理網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)可編程，相應(yīng)地可以更好地為后期網(wǎng)絡(luò)發(fā)展打下基礎(chǔ)?？刂泼姘蹇梢詫⒕W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜唾Y源統(tǒng)一化管理。SDN控制面可以直接將物理轉(zhuǎn)發(fā)的各項(xiàng)信息資源轉(zhuǎn)化為虛擬化的設(shè)備節(jié)點(diǎn)與虛擬化的網(wǎng)絡(luò)連接在一起，隨即依據(jù)這部分資源的特點(diǎn)與政策進(jìn)行分組管理，從而打造出邏輯化和獨(dú)立化的網(wǎng)絡(luò)切片。

4.2 基于FlexE的轉(zhuǎn)發(fā)面切片技術(shù)

針對(duì)承載網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)面的切片技術(shù)進(jìn)行分析，主要可以分成硬切片技術(shù)與軟切片技術(shù)。其中，硬切片技術(shù)主要為一層或是零層，基礎(chǔ)技術(shù)為物理剛性管道技術(shù)；軟切片技術(shù)建立在統(tǒng)計(jì)復(fù)用的切片技術(shù)基礎(chǔ)上，且有很多層。具體操作過(guò)程中，硬、軟技術(shù)可以依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)施，同時(shí)可以依據(jù)相應(yīng)的情況進(jìn)行融合應(yīng)用。硬切片技術(shù)可以基本保障業(yè)務(wù)隔離的安全可靠性，軟切片則可以確保業(yè)務(wù)寬帶的復(fù)用性。

F1exE可以基本實(shí)現(xiàn)物理層為主的切片轉(zhuǎn)發(fā)，可以直接提供剛性管道隔離，最終實(shí)現(xiàn)寬帶的靈活分配。運(yùn)用F1exESwitch技術(shù)可以達(dá)到管理、維護(hù)與防護(hù)的目的。F1exE可以進(jìn)一步發(fā)展成為等級(jí)更好的網(wǎng)絡(luò)級(jí)技術(shù)，也可以成為F1exE通道技術(shù)。

4.3 5G承載網(wǎng)交換技術(shù)SR

SPN主要運(yùn)用構(gòu)建在MPLS基礎(chǔ)上的交換技術(shù)，SR（Segment Routing）則是分段路由。但是，與MPLS的主要區(qū)別在于，SPN中每一個(gè)路由器就是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，與之相應(yīng)的SR在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)相應(yīng)分配了32位標(biāo)簽[5]。分段理由技術(shù)主要應(yīng)用SR-TP和SR-BE將各項(xiàng)業(yè)務(wù)需求銜接在一起，從而達(dá)到5G可以承載MESH流量模型，促使調(diào)度變得愈發(fā)靈活，最終實(shí)現(xiàn)可以和一個(gè)個(gè)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)匹配。

SPN可以在不運(yùn)用復(fù)雜分布式動(dòng)態(tài)協(xié)議（RSVP、LDP、BGP）的形式上進(jìn)行業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)之間的解耦。業(yè)務(wù)的構(gòu)建主要技術(shù)在邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)化動(dòng)態(tài)控制。

4.4 超高精度數(shù)據(jù)同步技術(shù)

5G的超短幀、多點(diǎn)協(xié)同與載波聚合要求各個(gè)空口之間的時(shí)間要精準(zhǔn)控制偏差在260 ns之內(nèi)；5G的基本業(yè)務(wù)主要運(yùn)用時(shí)分雙工（TDD）制式，要求其中任意兩個(gè)空口間的精度偏差在1.5 μs之內(nèi)；5G的室內(nèi)定位增值服務(wù)對(duì)于時(shí)間同步方面的精度標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格，要確保在相應(yīng)的區(qū)域之內(nèi)空口時(shí)間同步的相對(duì)精度在10 ns之內(nèi)[6]。超高精度時(shí)間同步的技術(shù)架構(gòu)具體見(jiàn)圖1。

圖1 高精度時(shí)鐘源和承載設(shè)備

目前，制定5G相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與其中重要技術(shù)方面的研究力度正在加大。我國(guó)IMT-2020推進(jìn)組在《5G愿景與需求》白皮書(shū)中已經(jīng)提出了5G的實(shí)際需求與能力指標(biāo)，其中主要涵蓋數(shù)十吉比特每秒的峰值速率、500 km/h以上的移動(dòng)性、每平方千米數(shù)十太比特每秒的流量密度、毫秒級(jí)的端到端時(shí)延、每平方千米一百萬(wàn)的連接數(shù)密度與0.1～1.0 Gb/s的用戶體驗(yàn)速率[7]。另外，在組網(wǎng)架構(gòu)與技術(shù)層面要積極運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)切片、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）/軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）等各項(xiàng)新型化技術(shù)。