基于5G網(wǎng)絡(luò)的傳送網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

張少恒，王 欽

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著中國3大運營商對5G網(wǎng)絡(luò)的大力普及以及5G網(wǎng)絡(luò)商用時代的正式到來，5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為全球熱點。近兩年自媒體短視頻的興起，使得移動流量成為時下互聯(lián)網(wǎng)巨頭必爭的戰(zhàn)場。本文通過分析5G傳送網(wǎng)的功能需求，總結(jié)介紹了5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 5G網(wǎng)絡(luò)的功能需求

5G網(wǎng)絡(luò)具有眾多優(yōu)勢，如連續(xù)廣域覆蓋、熱點大容量、低功耗大連接、低時延以及高可靠性等。從整個5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢來看，更大的帶寬、更高的容量以及更低的時延是未來5G傳送網(wǎng)的發(fā)展方向?？紤]到網(wǎng)絡(luò)智能化的普及，未來5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要越來越智能化，且需具有靈活的組網(wǎng)能力。因此，對5G傳送網(wǎng)的要求是大帶寬、高容量、低時延、組網(wǎng)靈活、網(wǎng)絡(luò)切片、高精度同步以及更智能的承載能力。

1.1 大帶寬和高容量需求

隨著短視頻的異軍突起，移動數(shù)據(jù)流量迅速增長，加上5G網(wǎng)絡(luò)各種應(yīng)用場景的逐一落實，移動數(shù)據(jù)流量成爆炸式增長。因此，大帶寬和高容量是5G傳送網(wǎng)的第一需求，也是5G網(wǎng)絡(luò)用戶體驗明顯優(yōu)于以往其他網(wǎng)絡(luò)的核心要素。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的逐漸普及，物聯(lián)網(wǎng)、遠程醫(yī)療以及智慧交通等多種新型應(yīng)用不斷涌入，5G網(wǎng)絡(luò)終端成幾何倍數(shù)增長，使大帶寬和高容量成為未來5G網(wǎng)絡(luò)需滿足的首要需求。

1.2 低時延需求

5G網(wǎng)絡(luò)在無人駕駛、智能電網(wǎng)以及遠程醫(yī)療等場景中應(yīng)用，對低時延有較高的要求，是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)面臨的巨大挑戰(zhàn)，需要改進現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。低時延是5G網(wǎng)絡(luò)的一個重要指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r延主要分為設(shè)備自身的時延和光纖傳輸?shù)臅r延。其中：設(shè)備自身的時延指設(shè)備內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的時延，與傳輸設(shè)備的處理器和芯片算法有關(guān)；光纖傳輸?shù)臅r延則與光纖傳輸?shù)木嚯x有關(guān)[1]。通過現(xiàn)網(wǎng)分析可知，傳送網(wǎng)端到端約有85%以上的時延都是傳輸時延。解決時延問題時，在硬件上需要采取合理的方法規(guī)劃光纖傳輸?shù)穆窂?，減少光中繼站的數(shù)量，改善傳輸設(shè)備本身的芯片處理能力，在軟件上優(yōu)化傳輸設(shè)備芯片和選擇路由的算法，提高傳輸設(shè)備的數(shù)據(jù)處理能力。

1.3 組網(wǎng)靈活需求

5G網(wǎng)絡(luò)是一張開發(fā)的多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，不同應(yīng)用場景中對組網(wǎng)的要求不同。同一業(yè)務(wù)的不同區(qū)域，也會因為機房位置和光纖資源情況的不同而選擇不同的組網(wǎng)方式。這就要求5G網(wǎng)絡(luò)能夠滿足多種部署方式并存，即靈活組網(wǎng)的需求。5G網(wǎng)絡(luò)下的場景應(yīng)用更加多元化，各種應(yīng)用場景需要網(wǎng)絡(luò)提供靈活且及時的服務(wù)帶寬，要求傳輸網(wǎng)絡(luò)具有靈活的帶寬實時分配能力。目前，光傳輸網(wǎng)絡(luò)的靈活以太網(wǎng)（FlexE）、靈活光傳送網(wǎng)（FlexO）以及分段路由（SR）等技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有的ROADM、可變收發(fā)器以及電交叉技術(shù)，可滿足各種業(yè)務(wù)的靈活組網(wǎng)需求。

1.4 網(wǎng)絡(luò)切片需求

網(wǎng)絡(luò)切片是一種按需組網(wǎng)的靈活方式，是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵需求之一。它的關(guān)鍵在于保證任何切片都嚴(yán)格隔離，互不影響。網(wǎng)絡(luò)切片是開放式的，且有彈性可擴展。5G的網(wǎng)絡(luò)切片是在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施上提供邏輯獨立的網(wǎng)絡(luò)，可滿足多樣化業(yè)務(wù)需求，且每個網(wǎng)絡(luò)切片擁有獨立的管控資源能力。

1.5 高精度同步需求

5G網(wǎng)絡(luò)提供的業(yè)務(wù)中，基站定位對時間同步的要求很苛刻。5G基站采用TDD制式，除了能承載傳統(tǒng)的移動基站業(yè)務(wù)外，還能承載其他行業(yè)的各種業(yè)務(wù)。一些特殊業(yè)務(wù)對時間同步的精度要求很高，達到幾百納秒甚至幾十納秒。例如，5G時代的車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)利用基站提供的定位服務(wù)，時間同步精度要求在±10 ns；LTE-Advanced的關(guān)鍵技術(shù)CoMP-JP多點協(xié)同傳輸處理中，要求相鄰基站間的相對時間精度在百納秒。

1.6 智能化需求

5G網(wǎng)絡(luò)智能化的一個重要技術(shù)就是軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）。SDN能在5G網(wǎng)絡(luò)中通過集中控制，有效提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的利用率，同時遠程將標(biāo)準(zhǔn)化接口和控制器連接起來，使網(wǎng)絡(luò)維護管理更加高效和智能。

2 5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能

5G網(wǎng)絡(luò)與以往的2G、3G以及4G網(wǎng)絡(luò)不同。前幾代通信系統(tǒng)的本質(zhì)是人與人之間的通信，而5G網(wǎng)絡(luò)直接升級為世界萬物互聯(lián)，接入的終端數(shù)量成幾何倍數(shù)增長。5G代表性的應(yīng)用場景包括物聯(lián)網(wǎng)、智慧交通、遠程醫(yī)療、智慧農(nóng)業(yè)以及環(huán)境監(jiān)測等。5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)用戶的體驗速率、網(wǎng)絡(luò)的峰值速率、頻譜效率、移動性能以及端到端的時延。5G網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)的對比如表1所示[2]。

表1 5G網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)對比

5G網(wǎng)絡(luò)進入商用時代后，除了關(guān)鍵性能指標(biāo)比4G網(wǎng)絡(luò)大幅度提升之外，作為一張靈活組網(wǎng)與多種部署方式并存的基礎(chǔ)配套形式的5G傳送網(wǎng)，還需要具備能適應(yīng)靈活部署各種組網(wǎng)方式的能力。此外，5G傳送網(wǎng)技術(shù)向上和向前演進的兼容性也是5G傳送網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢。

3 5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 SPN新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

切片分組網(wǎng)（Slicing Packet Network，SPN）是5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要技術(shù)，不僅可以提供良好的連接，而且可以提升網(wǎng)絡(luò)維護的管理能力，主要特點如下。

3.1.1 提供5G網(wǎng)絡(luò)需要的大帶寬技術(shù)

承載5G業(yè)務(wù)基站的帶寬需求非常高，一般要求在50 GE以上，向上的匯聚環(huán)要求在100 GE以上，相應(yīng)的核心環(huán)則要達到400 GE以上。在光纖資源豐富的區(qū)域，可以采用光纖直驅(qū)方案；在光纖資源匱乏且建設(shè)困難的區(qū)域，則可以采用SPN彩光承載方案。

3.1.2 實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的低時延需求

SPN之所以能夠滿足低時延需求，是因為它可以滿足設(shè)備處理時延的相關(guān)需求。物理層面的設(shè)備可通過轉(zhuǎn)發(fā)時延有效降低網(wǎng)絡(luò)時延。光纖傳輸?shù)臅r延可通過縮短光纖的路由長度和優(yōu)化光纖的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)得到降低。另外，將核心側(cè)設(shè)備MEC等下沉部署，可減少業(yè)務(wù)端和核心設(shè)備的傳輸距離，從而達到降低網(wǎng)絡(luò)時延的目的。

3.1.3 實現(xiàn)SDN的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

SPN可根據(jù)業(yè)務(wù)的具體需求，用虛擬化的方法靈活將一個物理網(wǎng)元劃分為多個邏輯網(wǎng)元，或者將多個物理網(wǎng)元整合為一個邏輯網(wǎng)元。重構(gòu)后的網(wǎng)元將按照實際業(yè)務(wù)的需求串聯(lián)，為某個特定用戶或某類業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

3.1.4 提供高精準(zhǔn)的時間同步技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)的時間同步性要求非常高，一般達到200 ns。目前，要達到這種超高精度，只能采用高穩(wěn)定頻率源技術(shù)和衛(wèi)星接收技術(shù)。其中，高穩(wěn)定頻率源技術(shù)通過將單一的時鐘轉(zhuǎn)化為時鐘組來增加衛(wèi)星時間，從而達到保持精度和提升性能的目的。衛(wèi)星接收技術(shù)是利用雙頻段或共模共視的方式來降低衛(wèi)星接收到的噪聲。

3.1.5 具有集中的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)

由于5G網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)呈現(xiàn)多元化，因此需要將這些業(yè)務(wù)進行統(tǒng)一管控。SDN可通過OpenFlow控制各個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和VLAN等信息，從而實現(xiàn)物理拓撲和邏輯拓撲的分離。

3.2 靈活以太網(wǎng)（FlexE）

靈活以太網(wǎng)（FlexE）通過將多個物理端口進行綁定合并形成一個虛擬的邏輯通道，用以支持更高速率的業(yè)務(wù)，從而用較低的成本滿足高速率的業(yè)務(wù)需求[3]。FlexE在以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了業(yè)務(wù)速率需求和物理通道速率的融合，物理速率端口不必強制要求與業(yè)務(wù)速率相匹配。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)具體情況靈活配置，且可以解決高速率物理接口成本高的難題。

3.3 靈活光傳送網(wǎng)（FlexO）

靈活光傳送網(wǎng)（FlexO）一般用于OTN光網(wǎng)絡(luò)，對應(yīng)的是光接口。靈活以太網(wǎng)（FlexE）一般用于PTN網(wǎng)絡(luò)，對應(yīng)的是以太網(wǎng)口。二者在原理上相同，都是通過對物理端口的綁定，實現(xiàn)大顆粒數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸。

3.4 分段路由（SR）

分段路由（Segment Routing，SR）是一種新型的MPLS技術(shù)。其中，SR-TE是使用SR作為控制信令的一種新型MPLS TE隧道技術(shù)?？刂破髫撠?zé)計算隧道的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，并將與路徑嚴(yán)格對應(yīng)的標(biāo)簽棧下發(fā)給轉(zhuǎn)發(fā)器。在SR-TE隧道的入節(jié)點上，轉(zhuǎn)發(fā)器根據(jù)標(biāo)簽棧進行轉(zhuǎn)發(fā)。分段路由（SR）的優(yōu)點是簡化了MPLS的控制協(xié)議，減少了資源占用，使得網(wǎng)絡(luò)運維和管理變得簡單，同時增強了網(wǎng)絡(luò)路徑的調(diào)整和控制能力。

4 傳送網(wǎng)技術(shù)

5G傳送網(wǎng)分為前傳、中傳以及回傳3個部分[4]。根據(jù)不同的場景，可選擇不同的技術(shù)。前傳中常用到的技術(shù)有波分多路復(fù)用（WDM）、光傳送網(wǎng)（OTN）、無源粗波分復(fù)用（CWDM）以及光纖直連等。中傳和回傳中涉及的技術(shù)有IP無線接入網(wǎng)（IPRAN）和光傳送網(wǎng)（OTN）。5G網(wǎng)絡(luò)的基站密集程度比原來大幅增加，會消耗大量的光纖資源。因此，在搭建5G網(wǎng)絡(luò)過程中，理應(yīng)結(jié)合具體的承載方案，根據(jù)機房位置、光纖資源以及要達到的建設(shè)效果來選擇性價比最優(yōu)的方案。

4.1 波分多路復(fù)用（WDM）/光傳送網(wǎng)（OTN）

該技術(shù)的優(yōu)點是節(jié)省光纖資源、成環(huán)保護以及組網(wǎng)靈活，缺點是成本較高，故障點較多。它一般用于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，特別是DU集中部署在中心機房，接入主干光纜為樹形或環(huán)形結(jié)構(gòu)的場景。

4.2 無源粗波分復(fù)用（CWDM）

該技術(shù)設(shè)備簡單，節(jié)省光纖資源，一根纖芯可以承載多種業(yè)務(wù)，缺點是波長通道數(shù)量較少、波長規(guī)劃較復(fù)雜且出現(xiàn)故障時候定位困難。它一般用于纖芯不足且又無法新建光纜的段落，或過度消耗纖芯的光纜段落。

4.3 光纖直連

該技術(shù)多用于組建點到點和樹形的網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)缺點明顯。優(yōu)點是組網(wǎng)簡單，都是光纖直達，因此故障點少。缺點是占用光纖纖芯資源多，無操作維護管理頁面和網(wǎng)絡(luò)保護功能，且建設(shè)和維護成本高。

4.4 IP無線接入網(wǎng)（IPRAN）

IP無線接入網(wǎng)指以IP/MPLS協(xié)議和關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)，是一種面向移動業(yè)務(wù)承載且兼顧提供二、三層通道類業(yè)務(wù)承載的技術(shù)。優(yōu)點是能滿足5G網(wǎng)絡(luò)需求，前期建設(shè)成本較低；缺點是在大帶寬和網(wǎng)絡(luò)切片上需要后期技術(shù)升級才能支撐5G成熟期的網(wǎng)絡(luò)，后期投資較大。

5 結(jié) 論

5G時代的到來帶來了很多技術(shù)變革。作為承載各種5G應(yīng)用的傳送網(wǎng)，勢必要緊跟技術(shù)時代的潮流，從各方面滿足5G網(wǎng)絡(luò)對大帶寬、高容量、低時延以及靈活智能的需求。此外，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，新的商業(yè)模式陸續(xù)涌現(xiàn)，各種應(yīng)用場景層出不窮。各種解決方案的不斷完善，將促進5G網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)發(fā)展。