5G承載網(wǎng)技術(shù)與優(yōu)化組網(wǎng)

普天信息工程設(shè)計服務(wù)有限公司 李果 呂云輝

5G無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,離不開5G承載網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),本文簡述了5G無線應(yīng)用的特點以及對承載網(wǎng)絡(luò)的重點要求,同時給出了5G承載網(wǎng)建設(shè)主要方向和特點,并對5G承載網(wǎng)6項關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)行了分析,展開討論了4個有關(guān)5G承載網(wǎng)組網(wǎng)方面的具體問題。

1 5G無線網(wǎng)基本特點

5 G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用主要體現(xiàn)在三個方面:增強(qiáng)移動帶寬eM BB、海量機(jī)器通信mM TC、超高可靠低時延通信URLLC。5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要的變化為:網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化體現(xiàn)在硬件和軟件分離;軟件定義網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)在控制和轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)一步分離,可快速高效組網(wǎng)、拓樸可快速重構(gòu),系統(tǒng)能感知并調(diào)度資源、網(wǎng)絡(luò)連接可編程。

1.1 大帶寬

5G無線基站帶寬由基站各小區(qū)天線參數(shù)配置,天線數(shù)量、頻譜效率等決定。根據(jù)國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布的5G標(biāo)準(zhǔn)中,單個5G基站至少必須具備20Gbps下行鏈路的處理能力[1];同時結(jié)合5G無線站建設(shè)的實際情況,考慮覆蓋類型、覆蓋范圍、初期用戶數(shù)等因素,5G無線站的帶寬范圍為1～20 Gbit/s,根據(jù)試點站址流量采樣分析,初期5G無線基站帶寬接口普遍需求為10GE;個別站址大容量站址可滿足25GE需求。

1.2 低時延

5G的時延標(biāo)準(zhǔn)是針對不同業(yè)務(wù)進(jìn)行的具體要求,總體來說5G的時延要求比4G要更加嚴(yán)苛。一般來說e MBB時延要求為10ms,空口時延4ms;uRLLC時延要求為1ms,空口時延0.5ms。

1.3 網(wǎng)絡(luò)切片化

NGMN、IMT2020、3GPP等給出了5G應(yīng)給予軟件定義網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu),通過這種切片的方式,更清楚的了解網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),為未來網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新、部署不同業(yè)務(wù)奠定堅實基礎(chǔ)。此外,切片架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)能夠更加科學(xué)有效進(jìn)行各類隔離服務(wù)如:控制和轉(zhuǎn)發(fā)、資源和管理、計算等,實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)差異化需求的滿足,同時保障各類服務(wù)質(zhì)量和各類業(yè)務(wù)的安全。

2 5G承載網(wǎng)基礎(chǔ)要求

2.1 大帶寬

5G無線基站需給予10GE/25GE接入能力,其中,密集城區(qū)基站需要有25GE接入能力;其他區(qū)域基站需要有10GE接入能力。5G傳輸承載網(wǎng)絡(luò),采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)成網(wǎng)時接口配置10GE;D-RAN方式成網(wǎng)時接口配置25GE/50GE;C-RAN方式成網(wǎng)時接口配置50GE/100GE。5G傳輸承載網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃3層扁平化架構(gòu)時,需在區(qū)縣級配置成對的匯聚設(shè)備,匯聚設(shè)備配置100GE端口,滿足5G業(yè)務(wù)需求;

2.2 強(qiáng)路由

對于5G承載網(wǎng)絡(luò),不僅需滿足3/4/5G等無線業(yè)務(wù)需求,同時還要滿足如政企專線業(yè)務(wù)承載需求,而且路由同時涉及到了公網(wǎng)和私網(wǎng)。未來一段時間3/4/5G無線基站會保持共存狀態(tài),每個基站各代無線業(yè)務(wù)都需要配置1到2個IP地址,對于一個地市的城域承載網(wǎng)來說,總的業(yè)務(wù)點數(shù)量是巨大的。一般測算得出城域承載網(wǎng)核心設(shè)備路由要求超過了160000;匯聚層設(shè)備需要具備10級別路由處理能力。

2.3 高可靠性

NGMN、IMT2020、3GPP等給出了5G應(yīng)給予軟件定義網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu),通過這種切片的方式,更清楚的了解網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),為未來網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新、部署不同業(yè)務(wù)奠定堅實基礎(chǔ)。此外,切片架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)能夠更加科學(xué)有效進(jìn)行各類隔離服務(wù)。

2.4 全L3組網(wǎng)

因為5G無線接入網(wǎng)的CU和DU是分離的,面對核心網(wǎng)云化,5G無線基站與基站間又有著低時延的要求,L3到邊緣5G承載網(wǎng)的幾個關(guān)鍵點為:

(1)5G無線接入網(wǎng)CU和DU的分離,引入移動邊緣計算、集中單元云化部署,集中單元與分布單元間的業(yè)務(wù)由L3轉(zhuǎn)發(fā),使得系統(tǒng)具有了靈活性。

(2)5G系統(tǒng)建設(shè),各大運營商大部分采取了C-RAN方式組網(wǎng)。載波聚合與多點傳輸協(xié)同效果明顯,再加上X2流量的考慮,其滿足就近轉(zhuǎn)發(fā)的原則,同時也要滿足低時延。在接入層使用L3方案,5G無線基站與基站間就近1跳協(xié)同轉(zhuǎn)發(fā)部署要求。

(3)對于5G基站來將,其東西向的流量十分大,繞行就會占用過的多匯聚層帶寬資源。

(4)在向5G的過渡階段。4G和5G基站共址的情況大量存在,4/5G基站間又有著相互的流量產(chǎn)生,L3下沉方式組網(wǎng),流量能更好的進(jìn)行就近轉(zhuǎn)發(fā),大大減少了回繞情況。

3 5G承載網(wǎng)技術(shù)分析

3.1 SR技術(shù)

SR是一種源路由機(jī)制,用于優(yōu)化IP、MPLS的網(wǎng)絡(luò)能力。使得網(wǎng)絡(luò)獲得更佳的可擴(kuò)展性,在SDN架構(gòu)中,為網(wǎng)絡(luò)提供和上層應(yīng)用快速交互的能力。SR技術(shù)依靠IGP來進(jìn)行路徑信息的統(tǒng)計和收集,并確保路徑信息對應(yīng)一個顯式或者非顯式的路徑,使得路徑確立不再完全靠中間節(jié)點,使得建立路徑是減少了節(jié)點計算環(huán)節(jié)。通過SR技術(shù)和SDN技術(shù)融合后,可依據(jù)全網(wǎng)情況,控制端到端的路徑計算,相對以前的路徑創(chuàng)建方式,此技術(shù)大大提升了組網(wǎng)能力。

3.2 FlexE技術(shù)

相對于傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)來說,FlexE技術(shù)各個子通道實現(xiàn)了獨立的MAC并達(dá)到物理方式的隔離。FlexE能夠提供任意的帶寬組合,突破了傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)只能提供FE/GE/10GE/40GE/100GE/200GE/400GE的接口弊端,大大提升了以太網(wǎng)組網(wǎng)能力,并能夠達(dá)到切片網(wǎng)的物理隔離條件,同路上可配置幾個物理專網(wǎng)。FlexE可將100GE口捆綁可支持100+GE接口,并且形式比較靈活也可根據(jù)時隙進(jìn)行綁定,且流量均勻分布。

3.3 MPLS EVPN技術(shù)

MPLS的二層專網(wǎng)(L2VPN)可劃分為兩類:VPWS與VPLS。相比VPWS,VPLS額外掌握本地用戶及遠(yuǎn)端PE用戶的MAC地址,若設(shè)備上無掌握到目的MAC,就要進(jìn)行廣播環(huán)節(jié),相應(yīng)的環(huán)路風(fēng)險也有機(jī)會出現(xiàn),對網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)要求非常高。此外,L2VPN面對跨域聯(lián)通場景時,其解決方案也非常復(fù)雜且保護(hù)部容易實現(xiàn),風(fēng)險隱患多。而L3VPN特點為路由轉(zhuǎn)發(fā),在不同PE間通過BGP傳播路由,并部署多協(xié)議。以太網(wǎng)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(MPLS EVPN)著力于BGP擴(kuò)展,回避了LDP,使得協(xié)議部署在控制面縮減。在MAC地址掌握方面,遠(yuǎn)程MAC不再依靠業(yè)務(wù)流掌握,轉(zhuǎn)發(fā)面的壓力也隨之減弱。并通過BGP做到了內(nèi)部統(tǒng)一,使得控制和轉(zhuǎn)發(fā)面都得到了精簡。

3.4 IPv6技術(shù)

5G階段之前,承載網(wǎng)和無線都使用IPv4地址協(xié)議,承載網(wǎng)絡(luò)的控制面都是經(jīng)過NAT轉(zhuǎn)化后的地址,訪問互聯(lián)網(wǎng)。5G時代到來后,無線的核心和接入網(wǎng)都已向IPv6演進(jìn),5G時代的承載網(wǎng)絡(luò)也是一步一步的吸納IPv6地址。

3.5 高精度時鐘技術(shù)

5G時代,隨著無線覆蓋距離的減少,各類站址密度增加,為平衡效益,現(xiàn)在建站大多采用C-RAN方式,采用CoMP/CA等基站協(xié)同組網(wǎng)。

協(xié)同方式建站,需要時間的統(tǒng)一分發(fā)來實現(xiàn)高要求的時間同步。5G時鐘源同步精度要求為30ns,單跳時延需滿足10ns。

3.6 設(shè)備虛擬化技術(shù)

承載網(wǎng)絡(luò)要想實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片化,其前提就是設(shè)備虛擬化技術(shù)的實現(xiàn)。此項技術(shù)需要每個設(shè)備資源都是獨立的,才能做到對資源的靈活分配。切片也要求管理/控制/轉(zhuǎn)發(fā)面均保持獨立且互不干擾,從而保證各項業(yè)務(wù)處理的穩(wěn)定性和安全性。同時設(shè)備虛擬化技術(shù)做到了管理/轉(zhuǎn)發(fā)/存儲/處理等資源的靈活調(diào)度。

4 5G承載網(wǎng)優(yōu)化組網(wǎng)研究

4.1 網(wǎng)絡(luò)扁平化

5G時代,更加注重用戶的感知以及使用的安全和可靠性,影響這些的主要因素有:帶寬/抖動/時延。各類業(yè)務(wù)通過的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點越多,其業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量將逐步降低,同時節(jié)點多也增加了瞬間擁塞的隱患,同時造成傳輸鏈路帶寬壓力增大。同時網(wǎng)絡(luò)環(huán)路需要匯聚多區(qū)域的業(yè)務(wù),對環(huán)路來說,其帶寬容量配置大大增加,若如環(huán)路出現(xiàn)故障,波及到的區(qū)域也非常大。通過增加光通路的方式,使得承載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)趨于扁平化,可將不同區(qū)域的業(yè)務(wù)由此區(qū)域網(wǎng)絡(luò)單獨承擔(dān),既減少了匯聚環(huán)路的帶寬壓力,也減少了業(yè)務(wù)傳輸時節(jié)點跳數(shù)。

4.2 網(wǎng)絡(luò)切片

可依據(jù)無線業(yè)務(wù)和綜合承載業(yè)務(wù)的承載需求不同,將網(wǎng)絡(luò)切片分成兩類:

(1)管理/控制/轉(zhuǎn)發(fā)隔離切片,傳輸承載網(wǎng)絡(luò)引入切片技術(shù),將管理面、控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面以及其對應(yīng)的物理資源進(jìn)行切片式隔離,可實現(xiàn)對不同業(yè)務(wù)提供更加適合的類似于物理專網(wǎng)式的服務(wù)。比如:為某個集團(tuán)客戶單獨劃分出一個適合它服務(wù)要求的切片;也可以對遠(yuǎn)程手術(shù)這類安全和可靠性要求非常高的uRLLC業(yè)務(wù)劃分一個切片。

(2)管理/轉(zhuǎn)發(fā)隔離切片,對于物理隔離/時延要求不是非常高的類型的服務(wù),傳輸承載網(wǎng)絡(luò)給予的VPN切片服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)切片的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)切片結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Network slicing structure diagram

4.3 管控融合的SDN架構(gòu)

5G時代之前的承載網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建依賴于網(wǎng)管架構(gòu),NMS和EMS兩個系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的北向接口,并屏蔽了其他設(shè)備廠商有異的口子。5G時代的承載網(wǎng)絡(luò)因為融入了SR和網(wǎng)絡(luò)切片等新技術(shù),頂端的管理層面必須要擁有PCE功能。再加上傳統(tǒng)網(wǎng)管仍然存在的需求,只有融合平臺才能滿足當(dāng)下5G網(wǎng)絡(luò)的各項需求。融合平臺通過SDN架構(gòu)的Restconf口提供統(tǒng)一開放的北向接口,各設(shè)備廠商可利用SNMP/QX/CLI,通過融合的方式,獲需南向接口,借助YANG模型對接口差異進(jìn)行屏蔽,快速過渡到SDN架構(gòu)。

4.4 4G/5G統(tǒng)一承載網(wǎng)絡(luò)

目前,各大運營商都是選擇NSA方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè),4G/5G業(yè)務(wù)當(dāng)下也是統(tǒng)一在一張網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行承載,以SA架構(gòu)為目標(biāo),分階段、分場景逐步開展網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

為避免傳輸設(shè)備擴(kuò)容,城區(qū)原則上可新建切片分組網(wǎng),不再擴(kuò)容現(xiàn)有分組傳輸設(shè)備。而農(nóng)村則按需擴(kuò)容分組傳輸設(shè)備逐步新建切片分組網(wǎng)。

5 結(jié)語

隨著5G時代到來,其實際應(yīng)用是非常之廣泛的,對于未來人們的生活影響也是非常之深遠(yuǎn)的。5G時代的不平凡,同時也給5G業(yè)務(wù)的承載網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。本文就承載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向和新技術(shù)的引入進(jìn)行了探究,對5G承載網(wǎng)絡(luò)各項關(guān)鍵技術(shù)提出了自己的看法,并對未來5G承載網(wǎng)絡(luò)更加優(yōu)化、更加合理給出了一些自己的見解,希望本文能為5G業(yè)務(wù)的高速發(fā)展以及5G承載網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的更加安全、更加合理,做出些許貢獻(xiàn)。

引用

[1] 張寶亞.5G承載網(wǎng)技術(shù)和優(yōu)化組網(wǎng)[J].中興通訊技術(shù),2018,24(1):42-48.