面向5G的傳輸承載需求和技術(shù)介紹

1 引言

進(jìn)入5G時(shí)代，將給互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)創(chuàng)新的商業(yè)模式，如智慧城市、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、無(wú)人駕駛、智能農(nóng)業(yè)等應(yīng)用行業(yè)，為用戶提供毫秒級(jí)的端到端時(shí)延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證。除此之外，5G網(wǎng)絡(luò)的切片服務(wù)、虛擬化核心網(wǎng)的分布式部署架構(gòu)、超低時(shí)延業(yè)務(wù)、高精度時(shí)間同步等網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)特點(diǎn)都對(duì)承載網(wǎng)提出了更多、更高的要求。本文從5G傳輸網(wǎng)現(xiàn)狀和需求出發(fā)，分析了5G傳輸網(wǎng)重構(gòu)的必然性和5G傳輸新技術(shù)，總結(jié)了5G傳輸網(wǎng)解決方案原則，提出了5G傳輸網(wǎng)部署方案，對(duì)保障5G網(wǎng)絡(luò)高質(zhì)量發(fā)展和業(yè)務(wù)快速部署將起到重要作用。

2 5G網(wǎng)絡(luò)承載需求分析

5G基站回傳帶寬需求大幅度提升，預(yù)計(jì)將達(dá)到LTE基站的10倍以上，現(xiàn)有移動(dòng)回傳承載網(wǎng)絡(luò)的容量難以滿足。另外，5G網(wǎng)絡(luò)的切片服務(wù)、虛擬化核心網(wǎng)的分布式部署架構(gòu)、高精度時(shí)間同步、超低時(shí)延業(yè)務(wù)等網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)特點(diǎn)都對(duì)承載網(wǎng)提出了更多、更高的要求。特別是針對(duì)增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、大規(guī)模物聯(lián)（mMTC）及高可靠低時(shí)延（uRLLC）等不同應(yīng)用場(chǎng)景，5G用戶體驗(yàn)的接入峰值最大需求相對(duì)于4G提升了數(shù)十倍甚至更高量級(jí)，端到端時(shí)延要求和時(shí)間同步精度需求相對(duì)于4G均提升了10倍以上的量級(jí)。需加強(qiáng)滿足諸多新型特性的5G回傳承載方案的研究。

5G基站密度高、容量大、靈活部署的特點(diǎn)，并且要求承載網(wǎng)應(yīng)具備靈活、高效、低成本、智能的品質(zhì)。5G商用，傳輸先行。5G傳輸是5G無(wú)線網(wǎng)和核心網(wǎng)的紐帶，是5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)必不可少部分。5G傳輸承載方案應(yīng)具備以下特征。① 網(wǎng)絡(luò)智能化，可以快速調(diào)整并且優(yōu)化業(yè)務(wù)，推動(dòng)大量業(yè)務(wù)的發(fā)展與調(diào)整；加快反映業(yè)務(wù)路由的相關(guān)調(diào)度與更替；具有全網(wǎng)最智能化的編排調(diào)度能力。② 構(gòu)架清楚明晰，通過(guò)構(gòu)架的進(jìn)一步優(yōu)化來(lái)減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本，提升網(wǎng)絡(luò)的靈敏程度，推動(dòng)業(yè)務(wù)的擴(kuò)張。③ 多業(yè)務(wù)接入承載具有綜合性，不僅能滿足5G業(yè)務(wù)承載的需求，而且能滿足專線等綜合業(yè)務(wù)承載的需求。④ 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，合理地進(jìn)行集約，把綜合業(yè)務(wù)的順利接入與傳達(dá)作為最終目標(biāo)，加快 C-RAN的布置與安排，從而滿足基站快速接入的需求。

3 5G傳輸網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的必然性

3.1 5G無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)變化

相比4G網(wǎng)絡(luò)5G網(wǎng)絡(luò)的RAN無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)發(fā)生了較大變化，其BBU裂化為CU、DU兩部份，5G基站重構(gòu)為CU、DU、AAU三級(jí)架構(gòu)，其中CU和DU可以分開(kāi)部署，也可以合一部署，這根據(jù)場(chǎng)景和需求確定。當(dāng)CU和DU可以分開(kāi)部署，需要在CU和DU之間部署“中傳”承載網(wǎng)，這樣5G承載網(wǎng)就從4G網(wǎng)絡(luò)的前傳和回傳兩部份變成了前傳、中傳、回傳三部分。

（1）前傳網(wǎng)絡(luò)

前傳網(wǎng)絡(luò)是AAU和DU之間的網(wǎng)絡(luò)，是5G移動(dòng)傳輸網(wǎng)絡(luò)的一部分。前傳網(wǎng)絡(luò)符合低延遲要求，且支持eCPRI。傳遞無(wú)線側(cè)網(wǎng)元設(shè)備AAU和DU間的數(shù)據(jù)。前傳網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)5G的C-RAN場(chǎng)景信號(hào)的透明傳送。與 4G相比，接口速率和接口類型不同。前傳接口也將由10 Gbit/s CPRI升級(jí)為25 Gbit/s eCPRI或自定義CPRI接口等。

（2）中傳網(wǎng)絡(luò)

中傳網(wǎng)絡(luò)是指DU與CU之間的網(wǎng)絡(luò)，傳遞5G無(wú)線側(cè)網(wǎng)元設(shè)備DU和CU間的數(shù)據(jù)。中傳網(wǎng)絡(luò)為非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)提供合理的低時(shí)延，并且支持統(tǒng)計(jì)復(fù)用。中傳網(wǎng)絡(luò)面向5G引入了新的承載網(wǎng)絡(luò)層次，隨著CU和DU云化部署發(fā)展，中傳網(wǎng)絡(luò)也需要支持面向云化應(yīng)用的靈活承載。

（3）回傳網(wǎng)絡(luò)

回傳網(wǎng)絡(luò)是指CU與核心網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)，是5G移動(dòng)傳送網(wǎng)絡(luò)的一部分，傳遞5G無(wú)線側(cè)網(wǎng)元設(shè)備CU和核心網(wǎng)網(wǎng)元間的數(shù)據(jù)。在5G時(shí)代，MEC需要部署到CU這一側(cè)，因此要求回傳網(wǎng)絡(luò)能夠提供靈活的網(wǎng)絡(luò)連接，并支持統(tǒng)計(jì)復(fù)用，同時(shí)5G核心網(wǎng)云化部署在省干和城域核心的大型數(shù)據(jù)中心DC，MEC將部署在城域匯聚或更低位置的邊緣數(shù)據(jù)中心。

3.2 5G核心網(wǎng)架構(gòu)變化

3.2.1 5G核心網(wǎng)云化

5G核心網(wǎng)進(jìn)行云化，其UPF（User Plane Function，用戶面功能）按需下沉。受業(yè)務(wù)發(fā)展驅(qū)動(dòng)，5G核心網(wǎng)發(fā)展成滿足全業(yè)務(wù)接入和服務(wù)全業(yè)務(wù)場(chǎng)景的云化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，引入SDN和NFV技術(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片功能實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)虛擬隔離?？傊?，5G網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)的變化對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)提出了新的變化，它使網(wǎng)元設(shè)備之間的聯(lián)接變?yōu)樵浦g的互聯(lián)組網(wǎng)。

核心網(wǎng)云化可以使硬件與軟件進(jìn)行有序地耦合與分離，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模方面用軟件取代硬件的部署，提升了集成效率，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的靈活運(yùn)轉(zhuǎn)。核心網(wǎng)云化，引入新型服務(wù)器設(shè)備，改善了設(shè)備消耗，統(tǒng)一了硬件平臺(tái)與軟件分離的部署，降低了投資成本。核心網(wǎng)云化可以有效地對(duì)資源部署進(jìn)行統(tǒng)一的編排和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)資源的共享。在業(yè)務(wù)能力開(kāi)發(fā)與虛擬化系統(tǒng)方面，在核心網(wǎng)絡(luò)云化的控制層中引入SDN的技術(shù)理論，可以簡(jiǎn)化體系結(jié)構(gòu)，有效地協(xié)調(diào)和監(jiān)控各個(gè)資源設(shè)備在各個(gè)層之間的有效運(yùn)轉(zhuǎn)，方便運(yùn)維。

因此，核心網(wǎng)云化可以提高網(wǎng)絡(luò)資源的合理化應(yīng)用，提升硬件與軟件之間的耦合性，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)上的靈活調(diào)整，還可有效地降低運(yùn)維成本，提高運(yùn)營(yíng)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與生產(chǎn)效益。

3.2.2 MEC部署按需下沉

MEC技術(shù)通過(guò)業(yè)務(wù)本地化、緩存加速以及本地分流、靈活路由等技術(shù)可以有效降低網(wǎng)絡(luò)回傳帶寬需求，緩解核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸壓力，從而避免了核心網(wǎng)傳輸資源的進(jìn)一步投資?；贛EC提供的邊緣云計(jì)算服務(wù)，可以將傳統(tǒng)的部署在Internet或者遠(yuǎn)端云計(jì)算中心的業(yè)務(wù)應(yīng)用，遷移至無(wú)線網(wǎng)絡(luò)邊緣部署。此時(shí)，特定業(yè)務(wù)或者將非常受歡迎的內(nèi)容可以部署或者緩存在靠近無(wú)線接入網(wǎng)以及終端用戶的位置，從而可以有效降低網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延，提升用戶的服務(wù)質(zhì)量?；贛EC的邊緣計(jì)算與存儲(chǔ)能力，通過(guò)將高能耗計(jì)算任務(wù)卸載/遷移至MEC服務(wù)器，可有效解決計(jì)算任務(wù)遷移到遠(yuǎn)端云計(jì)算中心帶來(lái)的時(shí)延問(wèn)題。

MEC技術(shù)使得傳統(tǒng)無(wú)線接入網(wǎng)具備了業(yè)務(wù)本地化、近距離部署的條件，無(wú)線接入網(wǎng)由此具備了低時(shí)延、高帶寬的傳輸能力，有效緩解了未來(lái)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于傳輸帶寬以及時(shí)延的要求。除此之外，由于MEC靠近無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及用戶本身，更易于實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)位置、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、無(wú)線資源利用率等信息的利用和感知，并通過(guò)開(kāi)放給第三方業(yè)務(wù)提供商，從而可以有效提升用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的深度融合。

綜上所述，MEC通過(guò)將計(jì)算存儲(chǔ)能力與業(yè)務(wù)服務(wù)能力向網(wǎng)絡(luò)邊緣遷移，使應(yīng)用、服務(wù)和內(nèi)容可以實(shí)現(xiàn)本地化、近距離、分布式部署，從而在一定程度解決了5G網(wǎng)絡(luò)eMBB、uRLLC、mMTC等技術(shù)場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需求。

4 5G傳輸網(wǎng)新技術(shù)

為滿足5G業(yè)務(wù)承載的這些新要求，傳輸回傳網(wǎng)絡(luò)必須引入一些新技術(shù)手段來(lái)解決增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、大規(guī)模物聯(lián)（mMTC）及高可靠低時(shí)延（uRLLC）三大應(yīng)用場(chǎng)景的差異化業(yè)務(wù)需求。

靈活以太網(wǎng)技術(shù)FlexE（Flexible Ethernet）：它是基于高速Ethernet接口，將以太網(wǎng)MAC層和PHY實(shí)體層解耦而實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠、可動(dòng)態(tài)配置的電信級(jí)接口技術(shù)。FlexE技術(shù)的一大特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)帶寬需求與物理接口帶寬解耦合，從而實(shí)現(xiàn)靈活的速率匹配。FlexE帶寬擴(kuò)展技術(shù)通過(guò)時(shí)隙控制，保障業(yè)務(wù)嚴(yán)格均勻分布在FlexE Group的各個(gè)物理接口上，并且可以通過(guò)動(dòng)態(tài)增加或減少時(shí)隙數(shù)量實(shí)時(shí)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)帶寬資源占用，應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)流量的實(shí)時(shí)變化。FlexE技術(shù)通過(guò)時(shí)隙交叉技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于物理層的用戶業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)，用戶報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)無(wú)須解析，業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程近乎實(shí)時(shí)完成，實(shí)現(xiàn)單跳設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延小于20～25 μs，為承載超低時(shí)延業(yè)務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

靈活光傳輸網(wǎng)技術(shù)FlexO（Flexible Optical Transport Network）：通過(guò)綁定多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)速率的物理接口（如N×100 G）來(lái)支持更高容量的ODU flex和OTUCn，OTUCn提供互通的系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)超100 G OTN高速率信號(hào)的傳輸。FlexO通過(guò)多路綁定技術(shù)實(shí)現(xiàn)5G高速信號(hào)的傳輸，使得5G光傳送網(wǎng)這個(gè)“大動(dòng)脈”變得更強(qiáng)大、更靈活、更智能。在不久的將來(lái)，高速率200 G/400 G光模塊成熟后，通過(guò)FlexO技術(shù)還可以將OTUCn信號(hào)拆分為m個(gè)大顆粒的OTUC2/OTUC4信號(hào)，映射到200 G/400 G FlexO Frame.最后采用多路光模塊綁定實(shí)現(xiàn)更高速率（T級(jí)別）的接入傳輸。

分段路由技術(shù)SR（Segment Routing）：SR是一種源路由轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，即只需在網(wǎng)絡(luò)的入節(jié)點(diǎn)指定數(shù)據(jù)包要途經(jīng)的部分或全部節(jié)點(diǎn)和鏈路信息，其它途經(jīng)節(jié)點(diǎn)只需轉(zhuǎn)發(fā)，不需維護(hù)連接狀態(tài)。SR的這種原路由技術(shù)可直接應(yīng)用在MPLS架構(gòu)上，且對(duì)MPLS進(jìn)行了優(yōu)化，讓網(wǎng)絡(luò)部署和維護(hù)變得更容易。降低了網(wǎng)絡(luò)連接的復(fù)雜度，提高了業(yè)務(wù)路由轉(zhuǎn)發(fā)效率，支撐 5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)海量連接的靈活調(diào)度。

5 結(jié)束語(yǔ)

2019年工信部已對(duì)運(yùn)營(yíng)商發(fā)放了5G牌照，至此我國(guó)已全面進(jìn)入5G時(shí)代。面向5G的傳送網(wǎng)面臨大帶寬、低時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)分片、靈活連接、高精度時(shí)間同步、組網(wǎng)架構(gòu)變化等多方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。靈活以太網(wǎng)（FlexE）、靈活光傳送網(wǎng)（FlexO）、分段路由（SR）等新技術(shù)為 5G承載提供了新的選擇。