中國移動通信集團遼寧有限公司葫蘆島分公司 武金龍

5G承載網(wǎng)是支撐5G業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)。5G的應(yīng)用場景主要包括增強移動寬帶（eMBB）、超大規(guī)模機器連接（mMTC）、超高可靠超低時延連接（URLLC），這三大典型應(yīng)用場景意味著5G對承載網(wǎng)的帶寬、時延、時間同步精度以及網(wǎng)絡(luò)切片等方面提出了非常嚴苛的要求。本文首先研究了5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，然后對5G承載網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。

1.前言

國際電信聯(lián)盟無線電通信局（ITU-R）確定未來5G的應(yīng)用場景主要包括增強移動寬帶（eMBB）、超大規(guī)模機器連接（mMTC）、超高可靠超低時延連接（URLLC）。這三類應(yīng)用場景分別具有不同的特點，eMBB主要應(yīng)對4K/8K超高清視頻、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等大流量應(yīng)用，mMTC主要應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)，uRLLC主要應(yīng)對車聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛、智能工廠等低時延應(yīng)用。這三大典型應(yīng)用場景意味著5G對承載網(wǎng)的帶寬、時延、時間同步精度以及網(wǎng)絡(luò)切片等方面提出了非常嚴苛的要求。本文首先研究了5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，然后對5G承載網(wǎng)絡(luò)中帶寬、時延、網(wǎng)絡(luò)切片以及時間同步精度四個方面進行了研究。

2.5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4G LTE的接入網(wǎng)采用的是基帶處理單元BBU和射頻拉遠單元BBU兩級架構(gòu)，而5G采用了集中單元CU、分布式單元DU和有緣天線單元AAU 3級架構(gòu)。這三級架構(gòu)將5G承載網(wǎng)分為前傳，中傳和回傳網(wǎng)絡(luò)。

前傳網(wǎng)絡(luò)指的是AAU和DU之間的部分，根據(jù)DU部署方式的不同，前傳網(wǎng)絡(luò)分為分布式DU部署和集中式DU部署兩種。對于分布式DU部署，一個DU只連接到附件的AAU，是一種點到多點的拓撲結(jié)構(gòu)。對于集中式DU部署，多個DU放置在同一個位置，可以使用星型和環(huán)型拓撲連接遠端AAU，AAU和DU之間的距離小于10km。

中傳網(wǎng)絡(luò)指的DU和CU的部分。對于中傳和回傳網(wǎng)絡(luò)，目前主要有3種技術(shù)方案：基于分組增強的光傳送網(wǎng)（OTN），基于靈活以太網(wǎng)（FlexE）的切片分組網(wǎng)（SPN）和基于Segment Routing （SR）的IP RAN增強方案?；诜纸M增強的光傳送網(wǎng)通過改造OTN以支持新的FlexO功能，實現(xiàn)靈活帶寬能力。切片分組網(wǎng)絡(luò)SPN采用FlexE技術(shù)，融合以太網(wǎng)和TDM技術(shù)優(yōu)勢，既保證高效承載，又保證安全性和業(yè)務(wù)質(zhì)量，同時支持5G多業(yè)務(wù)場景下的網(wǎng)絡(luò)切片?；赟R的IP RAN增強方案通過在控制層面部署集中式的控制器，在轉(zhuǎn)發(fā)層面采用分布式控制協(xié)議來實現(xiàn)更增強網(wǎng)絡(luò)靈活性。5G承載網(wǎng)絡(luò)3種方案分別基于不同的技術(shù)進行演進，基于OTN的技術(shù)方案在面向連接的傳輸特性基礎(chǔ)上增強二層和三層轉(zhuǎn)發(fā)功能，其轉(zhuǎn)發(fā)性能、OAM、保護功能以及國際標準比較完善，但是信號復(fù)用映射結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，需要進行簡化和優(yōu)化；基于FlexE的SPN和基于SR的IP RAN技術(shù)方案具備相對完善的二層和三層轉(zhuǎn)發(fā)功能，需要增強的是面向連接的傳輸特性，在轉(zhuǎn)發(fā)面、OAM和保護等方面的標準化也需要進一步推進。

3.5G承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析

3.1 FlexE與FlexO技術(shù)

靈活以太網(wǎng)（FlexE）技術(shù)是有光互聯(lián)論壇（OIF）提出，目的是解決業(yè)務(wù)帶寬需求和以太網(wǎng)接口物理帶寬之間的不匹配問題。ITU-T SG15在2016年第一季度通過了G.709標準，該標準包含了不同情況下FlexE客戶信號向OTN映射方案。在此之后，OIF和ITU-T又分別對FlexE技術(shù)進行了發(fā)展和完善，在FlexE技術(shù)標準2.0版本中增加了對200G/400G以太網(wǎng)的支持。

FlexE技術(shù)通過在標準的IEEE以太網(wǎng)模型的MAC子層和PCS子層之間填入一個FlexE墊層來實現(xiàn)MAC層與底層的解耦合。MAC實體與PHY的數(shù)量從1:1的關(guān)系變成了m：n的關(guān)系，從而使得MAC層帶寬擺脫了單個以太網(wǎng)PHY層通道帶寬的限制。FlexE墊層的功能包括空閑碼插入/刪除功能塊、控制模塊、客戶信號調(diào)度模塊和PHY層調(diào)度模塊等?；贔lexE的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)擺脫了傳統(tǒng)以太網(wǎng)中只能選擇集中固定速率帶寬的下肢，它既可以是現(xiàn)有的固定速率，也可以是以5Gbit/s為顆粒的任意整數(shù)倍的速率。通過這種靈活速率的以太網(wǎng)技術(shù)，既可以通過多鏈路捆綁的方式提供高于100Gbit/s速率的以太網(wǎng)接口，又可以通過通道化的方式提供帶寬靈活的子速率接口，從而大大擴展了以太網(wǎng)的應(yīng)用范圍。此外，F(xiàn)lexE的數(shù)據(jù)交換是基于時隙的數(shù)據(jù)塊交換技術(shù)，這種交換并不是“存儲轉(zhuǎn)發(fā)”的交換模式，不需要進行隊列調(diào)度，也不需要查找MAC和IP地址，因而交換時延和時延抖動都非常低。由于不同的業(yè)務(wù)時通過不同的時隙進行隔離，相互之間不會產(chǎn)生影響，這種“硬隔離”非常易于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片。

FlexO技術(shù)的目的同樣是解決業(yè)務(wù)帶寬需求和以太網(wǎng)接口物理帶寬之間的不匹配問題。與FlexE技術(shù)不同的是，F(xiàn)lexO技術(shù)是基于現(xiàn)有的OTN設(shè)備來實現(xiàn)超100G光通道帶寬的捆綁。在2016年9月召開的ITU-T SG15全會上通過了FlexO技術(shù)的相關(guān)標準G.709.1。根據(jù)傳輸距離的不同，F(xiàn)lexO分別定義了短距離接口和長距離接口。對于短距離接口，F(xiàn)lexO利用現(xiàn)有的100G速率的短距離光模塊，在每個100G光通道上通過特殊定義的FlexO幀格式、FEC編碼方法和FlexO開銷字節(jié)等方式來承載一路OTUC信號。通過多路100G光通道帶寬的捆綁，可以提供n*100Gbit/s的接口帶寬來傳送對應(yīng)的OTUCn信號。而長距離接口采用了StairCase FEC技術(shù)來提高FEC編碼增益，以抵消長距離傳輸帶來的噪聲。

總之，F(xiàn)lexE技術(shù)與FlexO技術(shù)均可以解決超100G業(yè)務(wù)顆?；ヂ?lián)的問題，實現(xiàn)業(yè)務(wù)帶寬按需分配，在未來超100G網(wǎng)絡(luò)中將得到應(yīng)用。

3.2 Segment Routing

Segment Routing（SR）是一種源路由技術(shù)。SR只需在源節(jié)點將攜帶路由信息的指令壓棧到報文頭中，就可以指導(dǎo)報文轉(zhuǎn)發(fā)。中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點不需要感知業(yè)務(wù)狀態(tài)，只需逐跳執(zhí)行并彈出相關(guān)指令進行報文轉(zhuǎn)發(fā)。

SR技術(shù)易于同SDN技術(shù)相結(jié)合。在SDN架構(gòu)下，SDN控制器擁有網(wǎng)絡(luò)全局視野，可以集中計算出符合業(yè)務(wù)需求的最佳轉(zhuǎn)發(fā)路徑?？刂破骺梢詫⒙酚尚畔⑾掳l(fā)到源節(jié)點即可，不需要再對轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的其他節(jié)點進行控制。SR和SDN技術(shù)的集合可以降低網(wǎng)絡(luò)中信令交互時延，減少建路時延，提升網(wǎng)絡(luò)性能。

主流的SR技術(shù)包括SR-BE（Segment Routing Best Effort）和SR-TE（Segment Routing Traffic Engineering）兩種。SR-BE適用于面向無連接的業(yè)務(wù)請求，內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議采用最短路徑算法來得到最優(yōu)的SR標簽轉(zhuǎn)發(fā)路徑。SR-TE適用于面向連接的業(yè)務(wù)請求，控制器計算隧道轉(zhuǎn)發(fā)路徑，并將路徑嚴格對應(yīng)的標簽棧下發(fā)給轉(zhuǎn)發(fā)平面。在SR-TE隧道的入節(jié)點上，轉(zhuǎn)發(fā)器根據(jù)標簽棧既可以控制報文在網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

3.3 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是5G網(wǎng)絡(luò)中一個非常重要的技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求將底層物理網(wǎng)絡(luò)分割成不同的邏輯網(wǎng)絡(luò)。這些邏輯網(wǎng)絡(luò)由一組網(wǎng)絡(luò)功能、節(jié)點鏈路資源和一系列連接關(guān)系組成。根據(jù)業(yè)務(wù)需求的不同，邏輯網(wǎng)絡(luò)所分配的資源也各不相同。邏輯網(wǎng)絡(luò)之間互相隔離，從而滿足不同應(yīng)用場景下差異化承載需求。如今網(wǎng)絡(luò)切片采用SDN控制架構(gòu)，包括轉(zhuǎn)發(fā)層面和控制層面兩個部分。

第一，轉(zhuǎn)發(fā)層面。目前轉(zhuǎn)發(fā)層面的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)主要分為軟切片和硬切片兩種。軟切片指的是利用現(xiàn)有的虛擬化技術(shù)，如傳統(tǒng)的VPN，VLAN等，通過虛擬化映射，將底層物理網(wǎng)絡(luò)資源進行邏輯隔離。而硬切片則基于L0/L1層的通道化，如FlexE技術(shù)，在邏輯網(wǎng)絡(luò)之間實現(xiàn)物理隔離。軟切片無需對硬件設(shè)備進行更改，實現(xiàn)起來相對容易，但是在隔離效果和隔離效率方面不如實際的物理隔離。而FlexE技術(shù)可以為業(yè)務(wù)建立端到端FlexE硬管道，提供低時延，低抖動的承載網(wǎng)絡(luò)，是實現(xiàn)硬切片的技術(shù)方案之一。但是FlexE技術(shù)對硬件設(shè)備有要求，目前相關(guān)標準化工作正在進行中。

第二，控制層面?？刂茖用嬷饕撠熖摂M網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建、修改、刪除等生命周期的管理。虛擬網(wǎng)絡(luò)與物理資源存在著映射關(guān)系。不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)有不同的業(yè)務(wù)控制器，不同的業(yè)務(wù)控制器之間批次獨立，可以運行不同的控制協(xié)議?？刂茖用嬷校诵木W(wǎng)與無線接入網(wǎng)的SDN控制器需要進行協(xié)同操作，并接受高層編排器的統(tǒng)一管理，才能夠完成端到端的業(yè)務(wù)鏈編排。這部分涉及到很多領(lǐng)域接口標準化的工作，還有待于各組織的共同努力推進。

3.4 低時延

5G網(wǎng)絡(luò)中的低時延保障需要端到端過程中各個環(huán)節(jié)的共同努力。本文主要討論承載網(wǎng)的低時延保障技術(shù)。承載網(wǎng)的時延主要包含兩個部分：設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時延和光纖傳輸時延。設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時延跟設(shè)備性能以及網(wǎng)絡(luò)負載情況密切相關(guān)，通常網(wǎng)絡(luò)輕載時設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時延需要保持在50以下。而光纖傳輸時延跟距離相關(guān)，可近似為5us/km。因此，5G承載網(wǎng)中的低時延保障可以從以下三個方面進行優(yōu)化。

第一，縮短傳輸距離?？s短傳輸距離可以降低光纖傳輸時延。需要在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃階段，將核心網(wǎng)，MEC下沉，減少傳輸距離。

第二，改善轉(zhuǎn)發(fā)機制。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)交換采用的是存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制。存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制需要對數(shù)據(jù)包進行封裝和解封裝，因而會有排隊時延和處理時延。而FlexE技術(shù)中數(shù)據(jù)交換是基于時隙，不需要進行數(shù)據(jù)的封裝和解封裝，可以提供更好的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制。

第三，降低設(shè)備時延。通過優(yōu)化NP（Network Processor）內(nèi)核來感知業(yè)務(wù)優(yōu)先級，并對低時延業(yè)務(wù)采取專用通道或者搶占調(diào)度機制。

3.5 超高精度時間同步

5G將傳統(tǒng)的BBU分為了CU和DU兩個部分。CU設(shè)備處理非實時的無線高層協(xié)議棧，而DU則負責處理物理層功能以及實時性業(yè)務(wù)需求。因此，只有DU-AAU之間需要超高精度時間同步。實現(xiàn)超高精度時間同步需要三個方面技術(shù)：超高精度時間源，時鐘傳遞技術(shù)以及智能時鐘監(jiān)測技術(shù)。

超高精度時間源可以采用單頻、多頻全球定位系統(tǒng)/北斗衛(wèi)星同步技術(shù)；高穩(wěn)定頻率源技術(shù)，如銣原子時種組。

時鐘傳遞技術(shù)涉及到設(shè)備和鏈路上的時間同步技術(shù)升級，設(shè)備內(nèi)的包括超高精度的時間戳、鑒相器、鎖相環(huán)技術(shù)，鏈路上的則涉及到非對稱性補償技術(shù)和單線雙向時鐘傳送技術(shù)。

智能時鐘監(jiān)測技術(shù)包括利用精密時間同步協(xié)議技術(shù)進行同步性能檢測，部署探針進行網(wǎng)絡(luò)同步性能監(jiān)測等方法。

4.結(jié)束語

5G是信息通信領(lǐng)域的一場革命，5G時代是萬物互聯(lián)的時代，萬物融合的時代。5G承載網(wǎng)是5G網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，同時也面臨著超低時延、大帶寬、高靈活性、超高精度時間同步等挑戰(zhàn)。5G承載網(wǎng)需要基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不斷演進，逐步引入新技術(shù)以滿足5G承載需求。