5G承載網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

普天信息工程設(shè)計服務(wù)有限公司 劉濤 陳歐偉

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的交流方式和交流的便利性也越來越強(qiáng)。5G通信又更加便捷的將人與物、物與物連接起來。因此在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信安全方面也發(fā)生了重大變化。通過對5G承載網(wǎng)絡(luò)主要技術(shù)的分析和5G關(guān)鍵技術(shù)的分析，促進(jìn)我國5G通信的快速發(fā)展。

0 引言

隨著通信技術(shù)的不斷普及，互聯(lián)網(wǎng)有了新的發(fā)展，并且得到了各個領(lǐng)域的應(yīng)用。承載網(wǎng)也在尋找新的商機(jī)，但也給5G運(yùn)營帶來了巨大的挑戰(zhàn)。5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)使互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)不斷擴(kuò)展發(fā)展，主要技術(shù)也將影響未來的發(fā)展。通信技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)型升級，未來5G將應(yīng)用到各個領(lǐng)域。在實際發(fā)展中，憑借5G設(shè)備的智能和自動化特點，對我國的技術(shù)水平提升具有一定的價值。因此，需要更深入的討論和研究，為信息技術(shù)未來的發(fā)展提供支撐。

1 5G承載網(wǎng)特點

5G承載網(wǎng)在5G技術(shù)的發(fā)展中非常重要，承載網(wǎng)是基礎(chǔ)資源。如果要滿足5G應(yīng)用需求，就必須升級承載網(wǎng)。承載網(wǎng)可以將數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)元傳輸?shù)搅硪粋€網(wǎng)元，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。5G主要有前傳、中傳和回傳三種場景，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分和細(xì)化，靈活地適應(yīng)各種場景。同時，5G承載網(wǎng)具有低時延的特點。在傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)傳輸中，由于傳輸線路復(fù)雜，難以根據(jù)實際情況對線路進(jìn)行規(guī)劃和管理，因此時延過大時有發(fā)生。并直接反映在客戶端，即加載時間長和傳輸中斷。5G承載網(wǎng)在運(yùn)行中會進(jìn)行針對性的網(wǎng)絡(luò)分析，提高了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能。

2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G重構(gòu)為AAU、DU、CU三層架構(gòu)，將原有4GBBU改造成CU和DU兩個功能。CU包括部分高層協(xié)議棧和無線接入網(wǎng)的核心網(wǎng)，而DU包括物理層和基帶處理部分。CU和DU網(wǎng)元在部署中可以采用統(tǒng)一形式，也可以單獨形式，目前統(tǒng)一部署形式是主要的形式。傳輸網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的部署分為前傳、中傳和回傳。根據(jù)無線傳播的特點，由于頻率高傳播損耗高于4G，基站的覆蓋也較弱。需要添加多個4G基站。但是，5G無線網(wǎng)絡(luò)采用空分復(fù)用技術(shù)，可以增加容量，使覆蓋范圍不減少。此外，對于熱點和大容量區(qū)域，采用超密集網(wǎng)絡(luò)，對于弱覆蓋場景，還將采用小基站來覆蓋。5G核心網(wǎng)的控制面與用戶場分離，從原來的集中式向分散式下沉，方便不同業(yè)務(wù)在不同層次承載?；谔摂M化技術(shù)，核心網(wǎng)的實體被分割成若干個虛擬實體。

3 5G應(yīng)用場景

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，流量已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)的必爭之地，運(yùn)營商率先使用商用5G，提高客戶體驗水平。用戶體驗速率可以達(dá)到1Gbps，流量密度最高達(dá)到10Tbps/km2。適用于連續(xù)廣域覆蓋和大容量場景，也是5G早期的第一目的地。uRLLC應(yīng)用對延遲敏感，具有高可靠性的特點。面向車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)控制等領(lǐng)域。端到端延遲系統(tǒng)為延遲敏感的專業(yè)提供有保證的高可靠性。mMTC應(yīng)用的主要特點是數(shù)據(jù)小和功耗低但連接數(shù)多，主要場景為智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、森林防火和環(huán)境監(jiān)測。網(wǎng)絡(luò)支持海量連接，具備千億級連接的能力，滿足連接密度要求，同時也對終端產(chǎn)品提出要求，滿足低能耗特性和低成本。5G容量的主要指標(biāo)必須具備高帶寬、高速率、低時延和高可靠連接。與4G網(wǎng)絡(luò)相比，速度、延遲、流量密度和連接密度等特性非常重要。

4 5G承載網(wǎng)的應(yīng)用需求

5G承載網(wǎng)升級需要以公眾需求為前提，大眾是5G消費者，他們的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)是快速穩(wěn)定。隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷進(jìn)步，如何滿足用戶使用安全高速數(shù)據(jù)的需求，成為5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，也是提高5G承載網(wǎng)傳輸?shù)年P(guān)鍵。為了保障5G網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行，需要從多角度提升綜合性能，根據(jù)消費者的需求和心理，使其靈活、穩(wěn)定、高效和便捷。隨著對快速的要求越來越高，5G將面臨更多的運(yùn)行條件。更多的挑戰(zhàn)意味著5G必須具備一定的擴(kuò)展能力。當(dāng)運(yùn)行中出現(xiàn)故障時，有效減少故障造成的停機(jī)時間，延長網(wǎng)絡(luò)壽命，減少運(yùn)行過程中的不必要的損失。

5 5G承載網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

5.1 全雙工技術(shù)

從通信技術(shù)來看，相同的頻率和時序可以保證通信。就目前的技術(shù)而言，無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的傳輸，會使全技術(shù)帶來更大的干擾問題。近年來的通信工作中，經(jīng)常出現(xiàn)因技術(shù)引起的信號干擾，不能滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊?，在不同頻率和不同時間的傳輸中，沒有空間和時間的定義，無法完成融合。需要配置的網(wǎng)絡(luò)資源也存在問題，浪費問題將極大地影響網(wǎng)絡(luò)資源。全雙工通信技術(shù)實施后，實現(xiàn)的范圍還可以擴(kuò)大，但對技術(shù)人員提出了更高的要求。只有集成了MIMO技術(shù)，減少網(wǎng)絡(luò)中的信號干擾。使網(wǎng)絡(luò)資源分配更合理，穩(wěn)定性更強(qiáng)和分析更準(zhǔn)確。

5.2 端到端智能技術(shù)

鑒于5G承載網(wǎng)的低時延、穩(wěn)定性和靈活性，在應(yīng)用本身，5G承載網(wǎng)必須承載大量的數(shù)據(jù)，在中間傳輸階段和回程使用，需要解決終端連接問題。現(xiàn)有的IP+異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)協(xié)同需求給5G的整體運(yùn)營帶來了挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)智能控制和管理，需要實施SDN技術(shù)。SDN技術(shù)是軟件集中控制和網(wǎng)絡(luò)開放的系統(tǒng)架構(gòu)，主要特點是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和控制，具有網(wǎng)絡(luò)虛擬化和開放接口。SDN技術(shù)可以控制網(wǎng)絡(luò)功能。實時監(jiān)控5G運(yùn)行和優(yōu)化保障，提供更好的體驗。此外，在保證高效、安全和穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，SDN技術(shù)還可以實現(xiàn)協(xié)同管理，實現(xiàn)相關(guān)機(jī)器之間的數(shù)據(jù)交互，提高管理質(zhì)量和效率。

5.3 SR技術(shù)

要獲得較低的5G網(wǎng)絡(luò)延遲，也可以在運(yùn)行中應(yīng)用SR技術(shù)。SR技術(shù)是一種源路由技術(shù)，將復(fù)雜的5G網(wǎng)絡(luò)信息所需的信令協(xié)議進(jìn)行簡化，更好地維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全，建立域間隧道，實現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)的保護(hù)。SR技術(shù)具有編程能力，可以調(diào)整和維護(hù)流量工程信息，減少時延和跳數(shù)情況。優(yōu)化路徑，減少網(wǎng)絡(luò)信息負(fù)載。SR技術(shù)避免了傳統(tǒng)跨域技術(shù)在BGP的下發(fā)布遠(yuǎn)程連接的公網(wǎng)需要，使得跨域隧道更加靈活，解決流量過大和不均衡問題。技術(shù)基于路徑標(biāo)簽來進(jìn)一步確認(rèn)數(shù)據(jù)必須經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)路徑。每個路由器都有對應(yīng)的節(jié)點，大多數(shù)情況下，使用分段路由技術(shù)在每個節(jié)點上定義固定標(biāo)簽和。如果轉(zhuǎn)發(fā)器支持的標(biāo)簽深度小于標(biāo)簽堆棧深度，則LSP鏈接標(biāo)簽無法通過標(biāo)簽傳輸。對于PCE外部系統(tǒng)，應(yīng)用SR后，可以定義路徑?？梢詣?chuàng)建不共享或與批量數(shù)據(jù)流分離的實時流量路徑。PCE與路由協(xié)議交互以獲得信息，用于確定要添加到數(shù)據(jù)包的標(biāo)簽組。SR系統(tǒng)不僅包括在控制平面上收集信息的路由器，還包括運(yùn)行在PCE上的協(xié)議，路由協(xié)議使用信息來計算不同的路徑。

5.4 分組切片網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

3G、4G時代，分組切片技術(shù)是支撐網(wǎng)絡(luò)的分組傳輸基礎(chǔ)，5G時代，也可以滿足業(yè)務(wù)支撐需求。5G承載網(wǎng)前傳、中傳和回傳的端到端能力都是通過SPN架構(gòu)的核心功能實現(xiàn)的。它利用了以太網(wǎng)通道功能、FlexE切片和結(jié)構(gòu)，切片技術(shù)為匯聚層到接入層的功能提供了支持，也保證了更好的靈活性。通過在接入層加入50GE，滿足在融合層和核心層引入100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s方案的需求。分組切片網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能滿足5G運(yùn)營要求，實現(xiàn)高帶寬、低時延、網(wǎng)絡(luò)共享、靈活連接、高精度同步和SDN控制。5G通信承載的NES網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由傳輸層、信道層和切片分組層組成。規(guī)范和統(tǒng)一管理5GNES網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具有精度高和頻率共享的特點。同步功能模塊提高了運(yùn)營商網(wǎng)管的準(zhǔn)確性。分組網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以實現(xiàn)高帶寬、低時延、靈活的L3層連接、高同步和SDN管控，滿足5G運(yùn)營需求。

5.5 以太網(wǎng)技術(shù)

在云服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)劃分和視頻等這些對時延敏感的業(yè)務(wù)上，以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用顯得尤為重要。創(chuàng)新接口技術(shù)，確保大端口和1TE等技術(shù)，有助于構(gòu)建智能端到端鏈路，滿足數(shù)據(jù)對低時延IP和業(yè)務(wù)的需求。以太網(wǎng)建立在物理層接口標(biāo)準(zhǔn)之上。靈活的以太網(wǎng)技術(shù)由于其靈活性和數(shù)據(jù)隔離性能，可以滿足5G運(yùn)營通信需求。以太網(wǎng)是全球通信運(yùn)營服務(wù)使用的靈活以太網(wǎng)。靈活以太網(wǎng)技術(shù)是根據(jù)調(diào)度時隙劃分的，也有很多靈活以太網(wǎng)剛性管道?；谠摷夹g(shù)的應(yīng)用，不僅使5G通信具有強(qiáng)隔離，同時帶來效率好和統(tǒng)計復(fù)用等優(yōu)點。

5.6 STN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

STN是中國電信為了滿足5G需求而建設(shè)的支撐網(wǎng)絡(luò)，引入了基于IPRAN的大容量STN設(shè)備和SRv6/FlexE技術(shù)。STN定位于提供移動回傳業(yè)務(wù)，政企以太網(wǎng)專線、云專線和云網(wǎng)等多融合支撐網(wǎng)絡(luò)。適應(yīng)5G云網(wǎng)特點和分散部署需求，考慮向固定城域云網(wǎng)與綜合運(yùn)營商融合的無縫演進(jìn)。STN采用Spine-Leaf架構(gòu)，以局域網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)單元，每個局域網(wǎng)有獨立的AS。網(wǎng)絡(luò)分為接入層、城域匯聚層、城域核心層和省核心層，進(jìn)行集約化管控。STN架構(gòu)可以保證5G網(wǎng)和云資源的任意層級接入和最優(yōu)服務(wù)路徑。STN采用開放的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，統(tǒng)一交換技術(shù)實現(xiàn)方式，統(tǒng)一設(shè)備演進(jìn)路線，具備與第三方網(wǎng)管交互能力，網(wǎng)絡(luò)容量抽象和開放，以及設(shè)備可靠性高。支持商業(yè)感知等特性、快速業(yè)務(wù)激活、質(zhì)量保證、自動管理和配置等特性，滿足5G業(yè)務(wù)低時延和安全可靠的不同需求，支持云網(wǎng)融合網(wǎng)絡(luò)部署[1]。

6 5G承載網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略

6.1 管理控制計劃

對于5G承載網(wǎng)來說，重要的是SDN架構(gòu)，才能進(jìn)行更高效的控制和管理。同時，更多的企業(yè)服務(wù)和資源需要根據(jù)實際需求進(jìn)行配置，實現(xiàn)統(tǒng)一管理，助力業(yè)務(wù)的智能化發(fā)展。實現(xiàn)同一管理，對多層次的信息進(jìn)行建模，對各區(qū)域的資源進(jìn)行集中管理，并在各個網(wǎng)絡(luò)層提供技術(shù)手段。對于不同的系統(tǒng)和技術(shù)，應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)不同區(qū)域和網(wǎng)絡(luò)層級的集中控制，從而增強(qiáng)自動化功能[2]。

6.2 轉(zhuǎn)發(fā)方案

考慮到5G承載網(wǎng)特性，轉(zhuǎn)發(fā)方案也是一個基礎(chǔ)的技術(shù)，它具有多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且可以在每一個平面上做業(yè)務(wù)工作。針對不同的終端分層架構(gòu)，5G承載網(wǎng)分為若干支線，不同的區(qū)域也由不同構(gòu)成，是訪問、融合和核心。接入主網(wǎng)線路時，分為環(huán)網(wǎng)和其他相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，也可采用雙上行進(jìn)行業(yè)務(wù)工作，并輔以光纖。對于差異較大的服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)集中管隔離技術(shù)，也使得網(wǎng)絡(luò)連接有效交付，保證了客戶企業(yè)都能獲得高效的傳輸，提升了技術(shù)的功能。5G技術(shù)應(yīng)新需求變革，基于4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行創(chuàng)新，實現(xiàn)高效轉(zhuǎn)型，確保新技術(shù)得到更好發(fā)揮，提升運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)作用[3]。

6.3 低延遲保證

低時延是5G通信發(fā)展的重要指標(biāo)。對于網(wǎng)絡(luò)延遲、設(shè)備傳輸延遲和光纖延遲是主要原因。為了減少延遲，QoS手段主要利用FlexE技術(shù)應(yīng)用來達(dá)到子物理隔離的目的，達(dá)到良好的擁塞控制。如果網(wǎng)絡(luò)過載，則優(yōu)先保證業(yè)務(wù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)，減少設(shè)備延誤。在這種情況下，路由技術(shù)可以減少接口延遲。采用NP核心優(yōu)化，為低時延提供專用通道。采取多種技術(shù)優(yōu)化設(shè)備延遲、優(yōu)化傳輸距離?？梢酝ㄟ^核心網(wǎng)和下沉的方式縮短傳輸距離，通過優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸來實現(xiàn)降低時延的目的[4]。

6.4 靈活切片

為了滿足不同的帶寬、時延和業(yè)務(wù)要求，靈活的SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)拆分廣泛應(yīng)用于核心網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)，這就要求承載網(wǎng)適應(yīng)靈活的切割技術(shù)。只有動態(tài)發(fā)布支持，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)不同切片資源相互隔離的功能。承載網(wǎng)需要通過應(yīng)用FlexE和SDN/NFV2技術(shù)來實現(xiàn)切片的創(chuàng)建和調(diào)整等功能，以實現(xiàn)與核心網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的目標(biāo)。為了實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)，建立端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)，包括核心網(wǎng)、無線網(wǎng)和運(yùn)營網(wǎng)。承載網(wǎng)采用轉(zhuǎn)發(fā)平面和控制平面分離的架構(gòu)。轉(zhuǎn)發(fā)計劃是在切片間相互隔離，通常使用lexE和VPN來完成。控制平面通過SDN控制器與核心網(wǎng)進(jìn)行協(xié)調(diào)。編排端到端的業(yè)務(wù)鏈，對頂級編排進(jìn)行統(tǒng)一管理。

7 結(jié)語

綜上所述，5G時代成為一場新的技術(shù)革命，將推動通信走上更廣闊的道路。通過5G技術(shù)的推廣，還要進(jìn)一步增加網(wǎng)絡(luò)帶寬，在使用上有質(zhì)的飛躍。針對不同的場景，5G承載網(wǎng)也需要不同的網(wǎng)絡(luò)資源，讓關(guān)鍵技術(shù)真正發(fā)揮作用。