面向5G的傳送網(wǎng)新架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

黃 嘉

（中國移動通信集團(tuán) 河南有限公司，河南 鄭州 450000）

1 5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)

5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)包括覆蓋范圍廣、熱點(diǎn)多以及容量大等，前兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)主要是移動互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，第3個(gè)優(yōu)點(diǎn)主要是物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用。隨著個(gè)人業(yè)務(wù)的下降，運(yùn)營商需要在5G無線業(yè)務(wù)外拓展集客業(yè)務(wù)，To B型業(yè)務(wù)等。此類業(yè)務(wù)與5G無線業(yè)務(wù)形成物理隔離，并且支持客戶的定制需求，可根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)并部署定制化邏輯網(wǎng)絡(luò)，基于連接強(qiáng)度、終端時(shí)延、移動性、流量控制以及峰值等因素進(jìn)行業(yè)務(wù)組織[1]。本課題中5G網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行基于5G傳輸網(wǎng)，傳輸網(wǎng)可做到將控制面與傳輸面分離?？刂泼婵苫谠品?wù)提供非地址受限和非時(shí)間受限的軟件定義網(wǎng)絡(luò)；傳輸面則提供比4G承載網(wǎng)更大的接入帶寬、更高的匯聚比、低時(shí)延以及部署靈活等功能。

1.1 大帶寬和高容量

近年來，隨著視頻直播和移動支付等移動數(shù)據(jù)流量的快速增長，未來大數(shù)據(jù)帶寬及多點(diǎn)突發(fā)流量呈現(xiàn)增長趨勢。目前4G網(wǎng)絡(luò)單基站GE的接入帶寬已經(jīng)難以滿足移動用戶需求，因此在5G無線到來之際，5G運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)需要比這個(gè)更大的帶寬和更高的容量將會得到充分的利用。

1.2 低時(shí)延

5G互聯(lián)網(wǎng)和Intrenet應(yīng)用中，傳輸網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延主要由兩部分組成設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和光纖傳輸時(shí)延組成。設(shè)備時(shí)延是指設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的時(shí)延。光纖傳輸延遲與傳輸距離有關(guān)，取決于延遲發(fā)生的時(shí)間[2]。降低數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的有效辦法是提升標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)效率和故障后路由收斂速度。目前基于第三代的電信以太網(wǎng)已經(jīng)可以做到低時(shí)延進(jìn)行標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)，但5G中的無線特性對低時(shí)延做出更多的要求，因此需要在MPLS基礎(chǔ)之上引入SR技術(shù)升級為第四代靈活電信以太網(wǎng)，從而進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)發(fā)效率并減少單節(jié)點(diǎn)查表速度。

1.3 靈活化

為了保證光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的靈活性，可以采用光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）中ODU_FLEX、GMP以太透傳等技術(shù)以及現(xiàn)有的ROADM技術(shù)與軟件自定義技術(shù)。靈活的顯示和封裝，結(jié)合靈活的調(diào)度能力，通過對光電層分離調(diào)度有效提高切片分組網(wǎng)（Secret Private Network，SPN）及OTN混合組網(wǎng)的的靈活性。

1.4 智能化

與4G不同的是，5G網(wǎng)絡(luò)更靈活、更有效且更智能。在現(xiàn)網(wǎng)中，5G傳輸網(wǎng)應(yīng)通過云化網(wǎng)管實(shí)現(xiàn)SPN、分組傳送網(wǎng)（Packet Transport Network，PTN）、IPRAN與OTN和MS-OTN的跨專業(yè)融合，并打通資管系統(tǒng)與各廠家設(shè)備接口，從而實(shí)現(xiàn)“業(yè)務(wù)發(fā)放自動化+服務(wù)等級協(xié)議（Service Level Agreement，SLA）自優(yōu)化+主動運(yùn)維保障”的3大功能。此外在5G網(wǎng)絡(luò)中，由于To B類業(yè)務(wù)未來發(fā)展迅速，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維部門可以通過云化智能網(wǎng)管實(shí)現(xiàn)資源自動核查、時(shí)延預(yù)估計(jì)算、隨流檢測以及分類業(yè)務(wù)自動部署的功能，提升對市場業(yè)務(wù)的技術(shù)支撐能力。

2 5G傳送網(wǎng)優(yōu)選SPN新技術(shù)架構(gòu)

由于5G網(wǎng)絡(luò)的新結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)需求，新架構(gòu)下的SPN以及IPRAN技術(shù)均在靜態(tài)PTN或動態(tài)IPRAN架構(gòu)中增加FlexE、SR以及高精度時(shí)間同步功能（SPN功能架構(gòu)可見下圖1）。在大帶寬混傳方面，目前主流運(yùn)營商均大力推廣MS-OTN技術(shù)作為SDH的替代及多業(yè)務(wù)OTN平臺的進(jìn)一步演進(jìn)，從而和SPN技術(shù)一同混合組網(wǎng)來承載5G無線及其他新型業(yè)務(wù)。

圖1 SPN功能架構(gòu)圖

2.1 SPN網(wǎng)絡(luò)連接性較好

與目前的4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)傳輸在前傳、中傳以及回傳的流向上有很大差異，但是SPN網(wǎng)絡(luò)提供了非常好的連接，可以有效提高管理效率。在實(shí)現(xiàn)過程中，首先利用首節(jié)點(diǎn)的標(biāo)簽棧建立TP型全程網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑，或利用網(wǎng)關(guān)協(xié)議建立BE型自轉(zhuǎn)發(fā)路徑，從而實(shí)現(xiàn)全程路徑上降低路由查表步驟，提升業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)效，同時(shí)使得流量可在較低層次中實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)發(fā)，降低全網(wǎng)流量使用量。

2.2 SPN網(wǎng)絡(luò)能夠提供高精度的時(shí)間同步技術(shù)

5G無線接入網(wǎng)中，UE至BBU間的eMBB用戶面、uRLLC用戶面以及控制面時(shí)延指標(biāo)分別為4 ms、0.5 ms以及10 ms，而端到端業(yè)務(wù)間uRLLC業(yè)務(wù)、eMBB業(yè)務(wù)以及V2X雙向業(yè)務(wù)的時(shí)延指標(biāo)分別為5 ms、10 ms以及3 ms。為了保證下聯(lián)業(yè)務(wù)的時(shí)間同步精度達(dá)到要求，5G承載網(wǎng)需要配合將uRLLC的UPF由省公司核心網(wǎng)下沉至城域網(wǎng)骨干層，從而滿足更低傳輸時(shí)延要求[3]。

在現(xiàn)網(wǎng)實(shí)施中，除考慮基站側(cè)單GPS帶來的戰(zhàn)略風(fēng)險(xiǎn)問題外，還需考慮GPS+北斗雙星同步接收，因此對于SPN組網(wǎng)，將引入雙衛(wèi)星接入、高精度時(shí)鐘處理以及單纖雙向組網(wǎng)等技術(shù)。

2.2.1 雙衛(wèi)星接入

考慮GPS單系統(tǒng)衛(wèi)星接收的戰(zhàn)略風(fēng)險(xiǎn)，將基站側(cè)衛(wèi)星接收模塊更改為以北斗為主，以GPS為輔的雙星接收模式，并啟用頻率精度與相位差綜合估算算法，減少不同基站間相位差帶來的誤差問題。

2.2.2 高精度時(shí)鐘處理

在SPN網(wǎng)絡(luò)中，將原先的低精度晶體自振系統(tǒng)升級為高精度自振模塊，雖然在頻率精度方面與銫鐘和銣鐘相比仍顯不足，但在單站成本與精度保持方面較PTN及OTN網(wǎng)絡(luò)有顯著提升。

2.2.3 單纖雙向組網(wǎng)

在SPN以及混合組網(wǎng)的OTN網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)營商大量采用支持單纖雙向的低速率GE模塊來單獨(dú)組網(wǎng)，通過低成本的1588V2單獨(dú)組網(wǎng)，減少上下行距離不一致引起的時(shí)延誤差，從而保證全網(wǎng)同步的時(shí)間精度。

2.3 SPN網(wǎng)絡(luò)能夠提供大寬帶技術(shù)

由于5G網(wǎng)絡(luò)中接入環(huán)的基站接入帶寬總量有較大提升，與4G傳輸網(wǎng)城域收斂比的4:3:2相比，5G城域網(wǎng)提升為8:2:1。核心環(huán)的帶寬要在110GE以上，接入環(huán)的帶寬要在25GE以上，匯聚環(huán)的帶寬要達(dá)到80GE。而5G傳輸網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)在于絕大多數(shù)接入環(huán)帶寬要達(dá)到50GE，某些部分要提升到100GE，匯聚環(huán)要達(dá)到100GE以上。核心環(huán)有著更高的要求，需要保證在N×400GE以上。在VPN的劃分中，針對4G業(yè)務(wù)二層轉(zhuǎn)三層設(shè)備放置于匯聚或骨干匯聚設(shè)備上帶來的轉(zhuǎn)發(fā)效率較低的問題，5G業(yè)務(wù)SPN組網(wǎng)中將三層設(shè)備直接下沉至接入網(wǎng)設(shè)備，提高部分下層集客業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)效率。

2.4 SPN網(wǎng)絡(luò)可以形成網(wǎng)絡(luò)分片

支持5G業(yè)務(wù)的SPN網(wǎng)絡(luò)可以劃分為若干邏輯網(wǎng)元，也可以將若干邏輯網(wǎng)元劃歸至一個(gè)邏輯網(wǎng)元中，旨在滿足特定的客戶、業(yè)務(wù)、商業(yè)場景的業(yè)務(wù)特點(diǎn)及商業(yè)或模式的需求[4]?，F(xiàn)網(wǎng)中，SPN網(wǎng)絡(luò)采用E2E Slice Instance-ESI網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例實(shí)現(xiàn)5G無線、集客大客戶專線以及海量大連接業(yè)務(wù)等業(yè)務(wù)種類的分層。SPN架構(gòu)可分為切片分組層（Slicing Packet Layer，SPL）、切片通道層（Slicing Channel Layer，SCL）以及切片傳送層（Slicing Transport Layer，STL）3層。在每個(gè)分層中可以部署單獨(dú)的QOS策略和VPN域，從而保證各類業(yè)務(wù)的特殊需求[5]。SPN設(shè)備通過對信元進(jìn)行切片，通過SR技術(shù)減少路由查表并提升轉(zhuǎn)發(fā)效率，實(shí)現(xiàn)了低時(shí)延的傳輸，同時(shí)通過基于業(yè)務(wù)級別的保護(hù)路徑規(guī)劃針對5G業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)無保護(hù)、SR-BE隧道重路由、1:1保護(hù)、1+1保護(hù)以及永久1+1保護(hù)等多類型的路由收斂策略，提高承載各類業(yè)務(wù)的層次性。

2.5 SPN系統(tǒng)具有SDN統(tǒng)一管控技術(shù)

在SDN網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可使用標(biāo)準(zhǔn)的虛擬操作系統(tǒng)，虛擬系統(tǒng)將不受制造商以及廠商的限制直接運(yùn)行，使得操作標(biāo)準(zhǔn)化，且可進(jìn)行跨設(shè)備廠商及跨設(shè)備層級進(jìn)行統(tǒng)一業(yè)務(wù)調(diào)度與日常維護(hù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)FLexE的實(shí)現(xiàn)方式

3.1 FLexE演進(jìn)方式

FlexE接口新型虛擬邏輯接口，在傳統(tǒng)以太網(wǎng)中，接口包括MAC以及PHY，接口是用來承載業(yè)務(wù)的。引入FlexE后，在接口方面，由傳統(tǒng)的以太網(wǎng)2層架構(gòu)更改為3層架構(gòu)，分別為Client、Shim以及Group。Clent對應(yīng)客戶的業(yè)務(wù)流，通過FLEX接口接入進(jìn)來，多條Client可以封裝進(jìn)一個(gè)FLEX接口，可以支持非標(biāo)準(zhǔn)速率[6]。Shim層是對PHY的帶寬進(jìn)行了SLOT切分，例如可實(shí)現(xiàn)將50GE接口劃分為10個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙5GE，管理員可以對多個(gè)時(shí)隙進(jìn)行配置，比容需要15GE，那就可以把3個(gè)時(shí)隙進(jìn)行綁定，這樣就有了15GE接口。Group則是把多個(gè)端口通過FLEX接口進(jìn)行了綁定，比如可以將2個(gè)4 000GE接口，共有80個(gè)10GE的SHTM層業(yè)務(wù)，傳送數(shù)據(jù)時(shí)統(tǒng)一傳送，形成Group。簡單來說，F(xiàn)lexE是對以太網(wǎng)的輕量型增強(qiáng)，可以定義為在以太網(wǎng)L2（MAC）/L1（PHY）之間的中間層FlexE Shim，是以太網(wǎng)的多速率子接口在多PHY鏈路上的新技術(shù)，而每個(gè)子接口（Steam、Quene）速率可配置，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)支持10、40、n×25（Gb/s）粒度，可以實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)，如圖2所示[7]。

圖2 基于FlexE的超低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)流程

3.2 FlexE Shim 數(shù)據(jù)格式

FlexE Shim/Group中的每個(gè)100GE PHY分成20個(gè) Block（64/66 bit），每個(gè)Block帶寬為5 Gb/s，F(xiàn)LexE可按照5 Gb/s顆粒的整倍數(shù)進(jìn)行帶寬分配。將Client-ID、PHY number、Group ID、同步以及定幀等字段作為FlexE層的相關(guān)參數(shù)，兩端設(shè)備根據(jù)接受的層開銷復(fù)幀進(jìn)行數(shù)據(jù)解讀和相關(guān)信息判斷[8]。

3.3 FlexE主要功能

3.3.1 通道化功能

可以將不同的用戶側(cè)端口數(shù)據(jù)放在同一個(gè)PHY的不同時(shí)隙傳輸。這個(gè)功能主要是利用SDH思想，將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)接口速率進(jìn)行較為靈活的劃分，用以承載不同（類型）的切片業(yè)務(wù)，一個(gè)接口的物理帶寬可以基于時(shí)隙劃分，不會搶占和共享，解決了傳統(tǒng)以太所有網(wǎng)帶寬共享的問題。

3.3.2 端口綁定功能

通過FlexE Shim將多路PHY捆綁，以實(shí)現(xiàn)更大容量的端口。在現(xiàn)網(wǎng)中，可以將多個(gè)物理端口進(jìn)行捆綁，從而擴(kuò)大帶寬，相比Eth-trunk技術(shù)可以解決負(fù)載不均的問題。例如，設(shè)備上有兩個(gè)100GE端口，但實(shí)際流量需要200GE，則可以通過FlexE進(jìn)行端口捆綁，擴(kuò)大帶寬[9]。

3.3.3 子速率功能

可以將PHY的一部分時(shí)隙分配給用戶側(cè)端口。此功能在現(xiàn)網(wǎng)中，一般是用來和波分設(shè)備對接時(shí)使用，當(dāng)路由器設(shè)備端口利用率過低時(shí)，可以進(jìn)行時(shí)隙劃分，部分時(shí)隙用來傳送有效帶寬，無效帶寬就可以不用占用OTN側(cè)帶寬。通過以上這些技術(shù)，F(xiàn)lexE在5G網(wǎng)絡(luò)中可以用于5G uRLLC業(yè)務(wù)以及大顆粒透明專線業(yè)務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)端到端獨(dú)立硬管道，絕對帶寬及低時(shí)延。

4 結(jié) 論

5G對傳輸網(wǎng)絡(luò)的功能要求和當(dāng)前所需的新的傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對傳輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。目前通過引入FlexE、SR、SDN以及高精度時(shí)間同步網(wǎng)等新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對5G無線、大顆粒低時(shí)延集客業(yè)務(wù)以及大連接數(shù)To B型業(yè)務(wù)的承載。同時(shí)，跨專業(yè)的高速率接口統(tǒng)一使得大帶寬業(yè)務(wù)發(fā)展迅速。高容量、低時(shí)延、高可靠性、靈活性及智能化的5G傳輸網(wǎng)為未來5G以及5G+新時(shí)代網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展提供了可靠保障[10]。