馬 俊
(中國通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司第四分公司,河南 鄭州 450001)
隨著我國5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的推進(jìn),三大運(yùn)營商已經(jīng)在部分大城市陸續(xù)建設(shè)熱點(diǎn)覆蓋網(wǎng)絡(luò),5G的全面商用步伐越來越近。4G時代的特征在于人和人的相連,5G則是人和物、物和物的相連,承載網(wǎng)組網(wǎng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、時延和安全等方面同4G有很大的不同。國際電信聯(lián)盟無線電通信局提出3種常見5G業(yè)務(wù)場景,增強(qiáng)型移動寬帶(eMBB)、大規(guī)模機(jī)器類通信(mMTC)及超可靠低時延通信(uRLLC)。eMBB能夠?qū)崿F(xiàn)廣域覆蓋,并提供高容量的熱點(diǎn),能夠迎合移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢。uRLLC在眾多的垂直行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景,如車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等。mMTC的應(yīng)用價值主要體現(xiàn)于低速物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,如智慧城市、環(huán)境監(jiān)測等。3個應(yīng)用場景的帶寬、內(nèi)容、時延及可靠性要求等各不相同,其端到端承載網(wǎng)建設(shè)面臨著諸多的需求和挑戰(zhàn)。本文對5G承載網(wǎng)建設(shè)中面臨的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹,給出端到端的組網(wǎng)方案,并對未來演進(jìn)進(jìn)行了探討。
5G時代,AR/VR、8K及自動駕駛等業(yè)務(wù)逐漸進(jìn)入現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。人工智能、大數(shù)據(jù)等,將會在5G時代發(fā)揮出更大的作用和價值,但也需要更大的帶寬提供支持。OVUM認(rèn)為,5G投入應(yīng)用后,移動數(shù)據(jù)力量會攀升10倍左右,基站帶寬需求上限值至少應(yīng)該為10 Gb/s,基礎(chǔ)業(yè)務(wù)時間同步精度應(yīng)該達(dá)到±1.5 μs。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),必須將切片技術(shù)引入到5G,為各種用戶創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡(luò),從而更好地滿足其需求。無線核心網(wǎng)根據(jù)時延和帶寬的不同,演進(jìn)成區(qū)域級、本地級及邊緣級三層結(jié)構(gòu)??紤]到各種業(yè)務(wù)應(yīng)用的無線核心網(wǎng)關(guān)是根據(jù)需求部署的,基站和網(wǎng)關(guān)的關(guān)系比較復(fù)雜,再加上不同網(wǎng)關(guān)、不同基站彼此間流量的存在,5G業(yè)務(wù)下的流向具備隨機(jī)性的特征,因此組網(wǎng)要求靈活,具體組網(wǎng)特點(diǎn)如下。
(1)高帶寬、低時延。0.1~1 Gb/s的用戶體驗(yàn)速率;毫秒級時延;eX2必須將流量轉(zhuǎn)發(fā)給最近的單位,以確保滿足時延方面的要求,實(shí)現(xiàn)更高的協(xié)同增益。
(2)內(nèi)容感知。網(wǎng)絡(luò)切片,業(yè)務(wù)隔離;DU/CU/MCE池化,提供差異化保障,資源靈活調(diào)度提升可靠性。
(3)靈活開放。實(shí)現(xiàn)了靈活轉(zhuǎn)發(fā)的功能,能夠?qū)φ麄€網(wǎng)絡(luò)的資源進(jìn)行調(diào)度;能夠?qū)α髁柯窂竭M(jìn)行控制,使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能夠保持平衡;實(shí)現(xiàn)了編程功能,可有效地縮短新業(yè)務(wù)上線時間。
(4)高安全性。DU池組/MCE配置備份,支持多歸屬靈活調(diào)度;承載網(wǎng)絡(luò)多層次保護(hù),靈活自愈;MESH邏輯互聯(lián),提高網(wǎng)絡(luò)安全。
5G揭開通信行業(yè)新時代,為承載網(wǎng)發(fā)展創(chuàng)造全新機(jī)會。與4G相比,5G網(wǎng)絡(luò)需要更大的帶寬、更低的時延,因此在技術(shù)方面的難度更高。為了能夠滿足5G網(wǎng)絡(luò)承載的需求,承載網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)必然加速發(fā)展。
光傳送網(wǎng)技術(shù)包含范圍非常廣,如中長距傳輸、光模塊及ROADM全光網(wǎng)等。在短距離傳輸情況下,通常會選用強(qiáng)度調(diào)制以及直接檢測(IM-DD)系統(tǒng)??梢灶A(yù)見,超頻非相干技術(shù)在未來會得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)集成了成本更為低廉的器件以及DSP算法,從而達(dá)到(2倍、4倍或更高)傳輸帶寬增長的目標(biāo)。但在長距離、高速率傳輸場景下,相干技術(shù)的應(yīng)用無法避免,但需降低技術(shù)應(yīng)用成本。相干光通信是基于相干調(diào)制以及外差檢測技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的。前者指的是提供不同的信號,從而實(shí)現(xiàn)具有特定頻率、相位的光載波。激光就是一種相干光。采用外差檢測技術(shù)時,將激光和信號光同時提供給光混頻器,對二者予以混頻處理,從而獲取一個新的中頻信號。該信號的參數(shù)和原信號光是直接相關(guān)的[1]。
5G承載網(wǎng)將會大規(guī)模引入ROADM設(shè)備來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的光層直通,提高網(wǎng)絡(luò)智能化水平以及大幅降低時延。ROADM支持光層以波長作為顆粒的交叉連接與業(yè)務(wù)分叉復(fù)用,其主要優(yōu)勢在于功耗低、業(yè)務(wù)速率可見等。最初ROADM系統(tǒng)是二維形式,如今已經(jīng)發(fā)展到PXC(Photonic CrossConnect System)系統(tǒng),內(nèi)部構(gòu)造中包括了穿通層、上下路層及光通道格柵[2]。整個發(fā)展過程中,ROADM系統(tǒng)的靈活性程度有了很大的提高,能夠在光通道層中進(jìn)行靈活地交叉調(diào)度。PXC系統(tǒng)應(yīng)用的最核心技術(shù)是彈性柵格。經(jīng)典DMDM技術(shù)應(yīng)用各式各樣分合波器件,如Mux、De-mux及ROADM等,均以不變帶寬柵格定義為基礎(chǔ),如50/100 GHz[3]。但在可變帶寬網(wǎng)絡(luò)中,為了使網(wǎng)絡(luò)資源利用率和數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到良好平衡,系統(tǒng)基于各種信號的需求進(jìn)行帶寬的分配。因此,必須對全部分合波器件帶寬分配展開不斷調(diào)整[4]。
FlexE靈活以太網(wǎng)技術(shù)通過對以太網(wǎng)輕量級增強(qiáng),在以太網(wǎng)L2(MAC)及L1(PHY)之間的中間層增加FlexE Shim層。該技術(shù)充分應(yīng)用了時分復(fù)用機(jī)制,通過時隙方式將不同業(yè)務(wù)端口的數(shù)據(jù)分配給各種子通道,如圖1所示。
圖1 FlexE以太網(wǎng)輕量級增強(qiáng)示意圖
FlexE基于時隙調(diào)度實(shí)現(xiàn)SDH-like隔離:FlexE基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)輕量級增強(qiáng),引入FlexE Shim(時隙化技術(shù)),實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的隔離和捆綁,提供剛性管道,有別于VLAN、VPN等提供的協(xié)議級隔離?;?4/66bit塊構(gòu)成時隙,將TDM交換與分組交換融合。SE交叉和分組交叉:基于FlexE的交換,與分組交換平面之間物理隔離,確保FlexE Channel業(yè)務(wù)安全。FlexE和DWDM的一并應(yīng)用,使帶寬能夠更加自由的擴(kuò)展和分割。FlexE支持通過多個接口綁定提供超過接口速率的帶寬;FlexE+DWDM不僅提供單纖大帶寬能力,同時結(jié)合DWDM波道靈活增加按需平滑擴(kuò)帶寬。FlexE同時支持以N×5G帶寬進(jìn)行子接口信道化,滿足網(wǎng)絡(luò)切片物理隔離,能夠在實(shí)現(xiàn)物理隔離的基礎(chǔ)上,使業(yè)務(wù)更加靈活的接入,實(shí)現(xiàn)更高的帶寬利用率。
段路由(SR)技術(shù)是一種源路由技術(shù),主要包括SR-TP和SR-BE,用于優(yōu)化IP-MPLS的網(wǎng)絡(luò)能力,從而改善網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性,并大大降低TE、FRR等功能實(shí)現(xiàn)難度。
SR-TP隧道技術(shù)具有SDN集中管控、面向連接的特點(diǎn)。于SR-TE鄰接標(biāo)簽的棧底插入一層標(biāo)志業(yè)務(wù)連接的通路段標(biāo)識(Path SID),達(dá)到雙向隧道目的。SR-TP實(shí)現(xiàn)了MPLS-TP端到端OAM保護(hù)能力,能夠在面向連接業(yè)務(wù)承載情況下使用。
SR-TE是一種使用SR作為控制信令的新型的MPLS TE隧道技術(shù),集成了SR-TE的隧道,能夠基于首節(jié)點(diǎn)的MPLS標(biāo)簽對報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)里面的傳輸路徑進(jìn)行控制,利用一條路徑的多條LSP共享該鏈路標(biāo)簽。SR-BE隧道利用IGP協(xié)議自動擴(kuò)散SR節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽生成,能夠于IGP域內(nèi)生成全互聯(lián)隧道連接。在SPN網(wǎng)絡(luò)中,用戶能夠利用網(wǎng)管或控制器對節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽予以分配,如圖2所示。SR-BE隧道集成了和拓?fù)錈o關(guān)的無環(huán)替代鏈路保護(hù)機(jī)制(TE-LEA),在eX2等業(yè)務(wù)承載方面有著廣泛用途。
圖2 SR-TP和SR-BE隧道技術(shù)標(biāo)簽棧示意圖
承載網(wǎng)絡(luò)的時延來自兩個部分,即光纖、設(shè)備。業(yè)務(wù)端到端傳輸?shù)臅r延,和光傳輸距離有關(guān)。一般光纖時延對這部分時延的貢獻(xiàn)超過了70%,所以要實(shí)現(xiàn)更高的運(yùn)行效率,可行的辦法是盡量縮短傳輸距離。5G網(wǎng)絡(luò)中,CU和DU是分離的,5G和4G相比,最顯著的不同在于功能解耦以及提升,提出基于SBA(Service Based Architecture)的5G核心網(wǎng)NGC(Next Generation Core),旨在改善網(wǎng)絡(luò)交付的敏捷性、彈性,使網(wǎng)絡(luò)能夠更加可靠的運(yùn)行。下移業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)分類,從而有效縮短傳輸距離。包括uRLLC在內(nèi)的容易受到時延影響的業(yè)務(wù),會把網(wǎng)關(guān)降低到網(wǎng)絡(luò)的邊緣,有時會降低到站點(diǎn),實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)就近接入,縮短終端和網(wǎng)管之間距離,將路徑時延控制在更低范圍內(nèi)。MEC系統(tǒng)是單獨(dú)布置的,可選的位置有無線接入側(cè)、移動網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)邊緣等。L3VPN到邊緣支持MEC的歸屬是前提。它的本質(zhì)是在無線網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行布置,在近用戶端完成業(yè)務(wù)的處理,針對局部區(qū)域的本地化信息予以服務(wù),搭建以網(wǎng)絡(luò)能力開放為重心的生態(tài)。
如果能夠縮短報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)和調(diào)度時延,設(shè)備時延也將隨之改變。例如,低時延隊(duì)列技術(shù),創(chuàng)建報(bào)文VIP免擁塞調(diào)度通道,能夠?qū)⒄{(diào)度時延控制在更低范圍內(nèi)。若將時隙提升到5G,從而使得復(fù)用流程變得更加簡單,縮短時延,降低芯片中緩存資源的占用量。針對5G前傳場景,旁路芯片內(nèi)不必要的功能模塊和FIFO緩存,并對FIFO緩存的深度和資源調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)踐中,如果需要改善時延特性,必須結(jié)合適用性、功耗、尺寸及可靠性等方面的因素進(jìn)行全面地衡量。例如,對具體場景予以優(yōu)化,或許會使場景受限。在芯片架構(gòu)、工藝技術(shù)不斷走向成熟的過程中,承載網(wǎng)設(shè)備能夠利用不同手段降低時延,甚至能夠接近于理論值。
在5G網(wǎng)絡(luò)日益向前發(fā)展的過程中,在人工智能等方面需求的刺激和推動下,相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)逐步的向云化發(fā)展,管理和運(yùn)維也將更加復(fù)雜,促使5G承載網(wǎng)更加智能化。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和云IDC之間缺乏有效互動的機(jī)制,使得計(jì)算、存儲管理和網(wǎng)絡(luò)等方面的信息資源不能動態(tài)性地配置部署,尤其是相關(guān)資源在跨廣域網(wǎng)場景中無法按照統(tǒng)一規(guī)范的需求準(zhǔn)確有效地提供。目前,現(xiàn)有的運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的分層、分域部署所實(shí)施的傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)主要是通過行政區(qū)域與具體的地理位置分配組織的。SDN技術(shù)將在5G承載網(wǎng)中發(fā)揮出巨大的作用,達(dá)到端到端的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)發(fā)放積極網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測控制等目標(biāo),大幅度提升運(yùn)維效率。
整個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,數(shù)據(jù)中心將逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位,從而使5G承載網(wǎng)能夠更好地滿足帶寬、業(yè)務(wù)支持等方面的需求。運(yùn)營商需要有效利用云化的專業(yè)理念將傳統(tǒng)的承載網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu),提升5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的核心競爭力和全面優(yōu)化服務(wù)的意識。
5G承載網(wǎng)絡(luò)是5G無限接入網(wǎng)以及核心網(wǎng)正常運(yùn)行的前提,其具備調(diào)度、保護(hù)及管理等方面的功能,可使網(wǎng)絡(luò)得到更好的連接,有效改善網(wǎng)絡(luò)的整體性能。完整的5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。分析圖3可知,5G承載網(wǎng)絡(luò)由轉(zhuǎn)發(fā)平面、協(xié)同管控及同步網(wǎng)構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)了多樣化的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)能力[5]。5G網(wǎng)絡(luò)切片和終端、無線、承載以及核心網(wǎng)有關(guān),必須具備端到端協(xié)同管控功能。轉(zhuǎn)發(fā)以及管理控制平面具備的切片管控能力,能夠?yàn)楦鞣N業(yè)務(wù)的運(yùn)行提供更有力的保障。
圖3 5G承載網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)
5G承載網(wǎng)絡(luò)中最重要的部分是轉(zhuǎn)發(fā)平面。它具備端到端分層組網(wǎng)架構(gòu),并能夠承載不同的業(yè)務(wù)。
對于端到端分層組網(wǎng)架構(gòu),5G承載組網(wǎng)分為城域、省內(nèi)干線兩個級別,前者由接入、匯聚及核心3個部分構(gòu)成。接入層一般為環(huán)形組網(wǎng),其他兩層可以與之相同,或者是采用雙上聯(lián)組網(wǎng),具體需要基于光纖資源情況來確定。對于差異化網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù),在承載網(wǎng)絡(luò)中集成各種管道隔離技術(shù),從而輸出網(wǎng)絡(luò)的連接服務(wù),使各種客戶業(yè)務(wù)能夠得到正常、高效的處理,為5G三大類業(yè)務(wù)運(yùn)用、政企專線等不同業(yè)務(wù)提供不同能力。對于多業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載能力,5G承載能夠直接利用新技術(shù)搭建,或者在4G承載網(wǎng)的基礎(chǔ)上予以改造[6]。它能夠承載不同的業(yè)務(wù),如政企專線業(yè)務(wù)、移動CDN及邊緣數(shù)據(jù)中心等,能很好地延續(xù)L0~L3技術(shù)的優(yōu)勢性特征,將基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)的作用最大程度地體現(xiàn)。
管理控制平面不僅需要對SDN架構(gòu)進(jìn)行管理和控制,還需對業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)資源予以靈活配置,能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能管理、協(xié)同等。
對于統(tǒng)一管理能力,基于多層多域管理信息模型,能夠?qū)Ω鱾€域多層網(wǎng)絡(luò)予以集中管理。對于協(xié)同控制能力,集成了應(yīng)用Restful的統(tǒng)一北向接口,從而對不同層、不同域予以統(tǒng)一控制,具備了業(yè)務(wù)自動化和切片管控的功能。對于智能運(yùn)維能力,能夠?qū)I(yè)務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)情況予以監(jiān)測,從而提供流量、故障及時延等方面的信息。
同步網(wǎng)是5G承載網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,能夠使基本業(yè)務(wù)同步需求和同業(yè)務(wù)高精度同步需求得到有效滿足。
支撐基本業(yè)務(wù)同步需求:城域核心節(jié)點(diǎn)(優(yōu)選和省內(nèi)骨干交匯節(jié)點(diǎn))安裝高精度時鐘源(PRTC/ePRTC),從而使整個網(wǎng)絡(luò)具備IEEE1588v2高精度時間同步傳送能力,實(shí)現(xiàn)端到端±1.5μs同步目的,滿足5G基本業(yè)務(wù)同步需求。實(shí)現(xiàn)協(xié)同業(yè)務(wù)高精度同步效果:基于這種業(yè)務(wù)場景下的局部區(qū)域下沉部署小型化增強(qiáng)型BITS設(shè)備,利用跳數(shù)控制達(dá)到5G協(xié)同業(yè)務(wù)百納秒量級高精度同步的效果。按需達(dá)到高精度同步組網(wǎng):如果是重新建設(shè)的5G承載網(wǎng)絡(luò),基于端到端300 ns量級目標(biāo)完成時間同步地面組網(wǎng)[7]。首先,有效改善時間源頭設(shè)備精度,謹(jǐn)遵扁平化原則,盡量下沉?xí)r間源頭,達(dá)到端到端性能控制的效果。其次,有效改善承載設(shè)備的同步傳送能力,集成鏈路或接口技術(shù),將誤差控制在更低范圍內(nèi)。
5G承載網(wǎng)絡(luò)由省干和城域構(gòu)成,城域接入層主要為前傳Fx接口的CPRI/eCPRI信號、中傳F1接口以及回傳的N2(信令)和N3(數(shù)據(jù))接口提供網(wǎng)絡(luò)連接。城域匯聚核心層與省干層面作用是確?;貍骱筒糠趾诵木W(wǎng)元間的N4、N6、N9接口能夠和網(wǎng)絡(luò)相連,如圖4所示。由圖4可知,N6將UPF和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(DN)相連,需要利用IP公網(wǎng)訪問外部多媒體數(shù)據(jù)中心。5G無線接入網(wǎng)(RAN)項(xiàng)目剛啟動時,一般會選擇gNB宏站及CU和DU合設(shè)模式;到了規(guī)模建設(shè)環(huán)節(jié),通常會切換到CU和DU分離模式,全面執(zhí)行CU云化和CRAN大集中建設(shè)模式。
圖4 5G對承載網(wǎng)絡(luò)的連接需求和網(wǎng)絡(luò)分層關(guān)系
考慮到新型業(yè)務(wù)的出現(xiàn),5G中后期,承載網(wǎng)絡(luò)對帶寬予以擴(kuò)大,更多的業(yè)務(wù)將會推出,使時延、安全等方面面臨更大的壓力,DU/CU云化部署統(tǒng)一性增強(qiáng),基礎(chǔ)承載網(wǎng)接入層提高到100G,熱點(diǎn)區(qū)域甚至提高到100GE。局時,隨著云數(shù)據(jù)中心的深入建設(shè),網(wǎng)隨云動、云網(wǎng)協(xié)同已經(jīng)全面建設(shè)完成,可以啟動部署SRv6。承載網(wǎng)管控層全面部署SDN,網(wǎng)絡(luò)控制能力和網(wǎng)絡(luò)智能化進(jìn)一步升級。
5G的中心從網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到業(yè)務(wù)中,從而引發(fā)徹底的技術(shù)革命,產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)也將因此而變化。5G承載網(wǎng)建設(shè)中,應(yīng)根據(jù)不同需求場景,發(fā)揮現(xiàn)有資源的價值。根據(jù)具體的需求采購和使用設(shè)備、時間同步及SR+EVPN等,從而使4G能夠平穩(wěn)升級到5G,將成本控制在更低范圍內(nèi)。
5G新型業(yè)務(wù)特性引入、無線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)和核心網(wǎng)架構(gòu)革新變化等為承載技術(shù)日益精進(jìn)注入動力,5G承載方案不斷涌現(xiàn)。5G承載網(wǎng)絡(luò)包括了轉(zhuǎn)發(fā)面、管理控制面及同步網(wǎng)3個部分。轉(zhuǎn)發(fā)面的作用是前傳和中/回傳的承載,管理控制面進(jìn)行統(tǒng)一管控,同步網(wǎng)支撐高精度同步需求5G應(yīng)用。在未來,5G現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模試點(diǎn)全面鋪開,人們還會提出更多的5G承載技術(shù)方案。隨著三大運(yùn)營商目前主體采用NSA建網(wǎng)到未來采用SA建網(wǎng)的演進(jìn)思路,還需要在5G R16標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)后,對5G承載網(wǎng)涉及到的技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)等予以全面研究,為5G規(guī)?;渴鸬於ㄔ鷮?shí)的基礎(chǔ)。