面向5G的承載網(wǎng)需求及關鍵技術

師嚴+王光全+王海軍

摘要：認為5G傳輸承載網(wǎng)是支撐5G業(yè)務的基礎。針對新的業(yè)務需求，提出了低成本城域波分、高精度同步、低時延傳送技術、FlexE切片技術以及軟件定義網(wǎng)絡（SDN）控制等新技術，以應對5G對傳輸承載網(wǎng)的傳輸能力、設備性能，以及智能管控的挑戰(zhàn)，從而滿足移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等多種應用場景的需求。

關鍵詞： 傳輸網(wǎng)；5G網(wǎng)絡；同步；SDN；網(wǎng)絡切片

Abstract： 5G transmission bearing network is the base of 5G services. According to the new service demands， several key technologies are proposed in this paper， such as metro wavelength division multiplexing （WDM） with lost cost， high-definition synchronization， transport technology with low latency， network slicing with Flex-E and soft-defined network （SDN） technology. With these technologies， the challenges of 5G in transport ability， equipment performance and intelligent control can be well addressed， and the variable scenarios of mobile internet and Internet of things （IoT） can be realized.

Key words： transmission network； 5G network； synchronization； SDN； network slicing

相對于4G網(wǎng)絡，5G將采用更寬的無線頻譜，并通過大規(guī)模多進多出（MIMO）、高階正交振幅調(diào)制（QAM）等技術提升空口帶寬，峰值帶寬和用戶體驗帶寬提升數(shù)十倍，對承載網(wǎng)提出更大帶寬需求；遠程醫(yī)療、自動駕駛等業(yè)務對承載網(wǎng)帶來了超低時延（1 ms）和高可靠性的要求；5G網(wǎng)絡的廣域覆蓋、高密度、大容量等的海量需求對承載網(wǎng)提出了低成本、低功耗及易維護的要求；5G網(wǎng)絡的靈活智能和高效開放、網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）技術的廣泛應用，推動承載網(wǎng)絡采用軟件定義網(wǎng)絡（SDN）技術，高效、敏捷、開放性地滿足差異化的業(yè)務需求。同時，5G無線核心網(wǎng)架構的變化也促進承載傳送網(wǎng)絡架構和功能進行變革[1]。

國際電信聯(lián)盟無線電通信局（ITU-R）確定未來的5G具有以下三大主要的應用場景（如圖1所示）：增強型移動寬帶（eMMB）、大規(guī)模機器類通信（mMTC）、超可靠低時延通信（uRLLC），這3類業(yè)務場景各具不同特點。

eMMB主要應對4 K/8 K超高清視頻、虛擬現(xiàn)實（VR）/增強現(xiàn)實（AR）等大流量應用。eMMB是5G在4G移動寬帶場景下的增強。目前的4G主流帶摘要：寬為20 MHz，單基站的峰值吞吐量目前為240 Mbit/s，而5G網(wǎng)絡單基站的吞吐量是4G的20多倍，空口頻寬達到100～200 MHz甚至更高，單用戶的接入帶寬可與現(xiàn)在的固網(wǎng)寬帶接入相比。

mMTC主要應對以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標的應用場景，如物聯(lián)網(wǎng)等。mMTC具有小數(shù)據(jù)包、低功耗、海量連接等特點。這類終端分布范圍廣、數(shù)量眾多，要求網(wǎng)絡具備海量連接的支持能力。mMTC可以促進物聯(lián)網(wǎng)的提質增速，人類與機器、機器與機器間的交流將能夠更加智能和快捷。

uRLLC主要應對車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等垂直行業(yè)的特殊應用需求。為了應對無人駕駛、智能工廠等低時延應用，uRLLC要求5G時延必須低于1 ms。這類應用需要網(wǎng)絡對巨大的數(shù)據(jù)擁有超高速、低時延等的處理能力。

1 面向5G的承載網(wǎng)需求和

挑戰(zhàn)

對于承載網(wǎng)而言，5G的需求和挑戰(zhàn)主要來自于網(wǎng)絡帶寬、網(wǎng)絡時延、資源動態(tài)分配，以及差異化承載等幾個方面[2]。

網(wǎng)絡帶寬是5G網(wǎng)絡的關鍵性指標之一。在3.5 G頻段，按照帶寬為100 MHz計算，單站峰值帶寬將達到5 Gbit/s，單站均值帶寬也將能夠達到3 Gbit/s。5G高頻基站帶寬為20 Gbit/s，回傳帶寬主要與空口頻率寬度和天線有關，高頻點可用頻率帶寬會更寬，因此回傳帶寬需求會更大。

網(wǎng)絡時延同樣是5G網(wǎng)絡的關鍵性指標之一。不同場景下對時延的要求不同，這也會導致對承載網(wǎng)架構的影響。eMBB的低時延場景包括AR/VR、高速列車、飛行器、任意50 M等，要求端到端（E2E）的時延不超過10 ms；大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的低時延場景包括可穿戴設備、視頻監(jiān)測等，要求E2E時延最小為10 ms；Critical IoT的超低時延場景包括觸摸互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)/遙控駕駛、工業(yè)機器人等，要求E2E時延不超過1 ms。

從5G業(yè)務顆粒和業(yè)務性能來看，eMBB超大寬帶、uRLLC超低時延、mMTC對時延不敏感的萬物互聯(lián)等，對資源的利用和需求不同，存在動態(tài)的彈性需求。5G網(wǎng)絡靈活性具體體現(xiàn)在以下4個方面：

（1）支撐全網(wǎng)資源靈活調(diào)度，滿足潮汐效應等導致的流量波動；

（2）支持流量的靈活路徑調(diào)整，網(wǎng)絡負載動態(tài)均衡；

（3）網(wǎng)絡開放、可編程，支撐新增業(yè)務快速部署；

（4）組播能力，災難/自動駕駛等場景下，信息快速推送。

5G業(yè)務在關鍵績效指標（KPI）差異化的需求明顯，對網(wǎng)絡的安全性也提出了更高的要求，如果像4G一樣統(tǒng)一承載，僅僅依靠服務質量（QoS）很難滿足5G三大場景應用需求，因此業(yè)界提出以網(wǎng)絡切片來應對差異化承載。網(wǎng)絡切片的目的在于通過切片實現(xiàn)差異化的服務，保證每種業(yè)務都能根據(jù)其業(yè)務特點得到最佳承載要求，同時切片有助于設備和存儲資源的安全管理。承載網(wǎng)絡需要思考前傳/中傳/回傳網(wǎng)絡如何滿足5G不同場景下的差異化需求，以及考慮面向網(wǎng)絡切片的承載網(wǎng)方案。endprint

2 面向5G的承載傳送網(wǎng)

關鍵技術

5G基站高密度、大容量、靈活部署的特點，以及到目前為止還有很大不確定性的網(wǎng)絡部署架構，要求承載網(wǎng)應具備靈活、高效、低成本、智能的品質。在研究面向5G承載的技術方案時，主要考慮以下原則：

（1）架構清晰，通過架構優(yōu)化降低網(wǎng)絡建設成本，提高網(wǎng)絡靈活適應業(yè)務發(fā)展和5G網(wǎng)絡部署不確定性；

（2）網(wǎng)絡穩(wěn)定，適當集約，推動以綜合業(yè)務接入點為目標的集中式無線接入網(wǎng)（C-RAN）部署，快速滿足基站接入的需要；

（3）網(wǎng)絡智能，能夠快速進行業(yè)務的優(yōu)化調(diào)整，滿足大量業(yè)務發(fā)展、調(diào)整；快速響應業(yè)務路由變化和調(diào)度；具備全網(wǎng)智能編排調(diào)度的能力；

（4）低成本接入，研究和采用低成本末端接入和邊緣匯聚技術，降低接入段成本。采用合理的網(wǎng)絡收斂機制，充分利用承載帶寬；

（5）綜合接入承載，不但能夠滿足5G業(yè)務承載需要，還能夠滿足專線等業(yè)務承載的需要。

2.1 G.metro低成本城域接入技術

由于G.metro系統(tǒng)支持室內(nèi)和室外全場景復雜環(huán)境接入應用，可調(diào)光模塊需要滿足不同的工作環(huán)境要求（商業(yè)級、擴展級和工業(yè)級），尤其是用于室外環(huán)境。實現(xiàn)波長可調(diào)，自身沒有很大技術挑戰(zhàn)，目前已在10 G/40 G/100 G中廣泛應用，難點和挑戰(zhàn)在于如何實現(xiàn)低成本，滿足城域接入層海量且成本敏感的應用場景。降低成本的主要途徑有簡化現(xiàn)有可調(diào)激光器結構及功能，設計新結構，引入新材料，并引入全新的共享波長鎖定機制等[4]。

5G前傳增強通用公共無線電接口（eCPRI）功能劃分及帶寬預估如圖2所示，業(yè)內(nèi)傾向于采用IID和IU切分，對于100 MHz頻譜、64T64R、16流的應用，eCPRI接口需要支持25 G速率。移動前傳應用工作距離較短（拉遠光纖傳輸距離小于20 km，絕大部分小于10 km），基于低成本光器件和數(shù)字信號處理（DSP）算法的非相干技術成為主要選擇。對于25G速率，可以通過不歸零碼（NRZ）、脈幅調(diào)制（PAM4）或光雙二進制調(diào)制格式（ODB）/電雙二進制調(diào)制格式（EDB）等調(diào)制方式實現(xiàn)。25 G光模塊主要在數(shù)據(jù)中心的短距應用和100 G BASE LR4/ER4應用，工作于單模光纖的單通道長距離25 G和密集型光波復用（DWDM）25 G光模塊并不夠成熟，相關標準化工作尚未完成。25 G電芯片和光芯片在逐步成熟中，部分廠家已發(fā)布25 G DWDM光模塊，波長可調(diào)25 G光模塊也即將發(fā)布[5]。

2.2 低時延全光組網(wǎng)技術

超低時延是5G業(yè)務相對4G非常重要的一個性能提升，對承載網(wǎng)提出苛刻的要求。因此，如何實現(xiàn)全光傳送網(wǎng)是5G對承載傳送網(wǎng)的一個重要關鍵點。

在前傳，采用G.Metro技術實現(xiàn)全光接入網(wǎng)絡，并能夠實現(xiàn)固定與移動的統(tǒng)一承載；在中傳段，超低時延全光傳送網(wǎng)絡拓撲示意如圖3所示。利用G.Metro或波分復用（WDM）進行端口匯聚；在核心匯聚層，通過可重構光分插復用器（ROADM）靈活的光層調(diào)度，減少電交叉部分的業(yè)務調(diào)度量，實現(xiàn)光層直達，免去了中間不必要的光-電-光轉換，減少端到端的時延，降低整網(wǎng)功耗通過簡化光傳送網(wǎng)（OTN）映射封裝路線，減少映射復用層次等技術，提高OTN封裝和解封裝的效率，從而降低OTN設備的單點時延。此外，通過引入SDN技術，實現(xiàn)分組與光融合后的統(tǒng)一控制，集中計算多層網(wǎng)絡下的最優(yōu)轉發(fā)路徑，實現(xiàn)對全網(wǎng)光層的有效管理，最大幅度減少傳輸時延。

2.3 高精度同步傳送技術

對于5G基本業(yè)務，第3代合作伙伴計劃（3GPP）目前已經(jīng)確定時間精度指標要求為±1.5 μs，標準將在2018年6月正式發(fā)布。對于5G超短幀等需求，目前3GPP尚未確定具體指標，可能在幾百納秒量級的水平。采用以下兩種方式：

（1）提升單設備靜態(tài)誤差性能，但基于不帶來較大成本提升的原則，將單個1588v2的邊界時鐘（BC）設備靜態(tài)誤差由現(xiàn)有的20～25 ns提升至10～15 ns。

（2）5G承載傳送中采用G.Metro技術。G.Metro技術中的頭端設備（HEE）及尾端設備（TEE）設備之間僅為一跳，其中經(jīng)過的設備均為無源設備，不影響時間同步的傳遞精度。采用G.Metro方式的優(yōu)點為：可以大幅度減少鏈路經(jīng)過跳數(shù)，提高時間傳遞精度；G.Metro技術本身為單纖雙向，可避免因為鏈路非對稱性產(chǎn)生的時間誤差，進而可以提高網(wǎng)絡時間傳遞精度。

對于載波聚合、MIMO等特殊業(yè)務，指標要求甚至達到幾十納秒量級，可考慮采用將小型化時間同步節(jié)點設備下沉至靠近5G基站位置，減少鏈路所經(jīng)過節(jié)點跳數(shù)，提高時間同步精度[6]。

2.4 端到端智能管控

面向5G的承載網(wǎng)絡具有海量連接、大流量、靈活調(diào)度等特點，同時在中傳段與回傳段之間，以及回傳段本身均存在IP+光的異構網(wǎng)絡協(xié)同需求，因此對于管理和運維均提出了新的挑戰(zhàn)。面對這些新的需求，5G承載傳送網(wǎng)將全面引入SDN技術，實現(xiàn)端到端智能管控。

SDN管控運維系統(tǒng)應同時具備網(wǎng)絡規(guī)劃仿真、網(wǎng)絡業(yè)務部署和發(fā)放、網(wǎng)絡監(jiān)測控制、保障和優(yōu)化等功能，目標是實現(xiàn)網(wǎng)絡連接服務從月到天甚至分鐘級的快速開通；實現(xiàn)規(guī)劃、部署、監(jiān)測控制、維護和保障的智能化運營，大幅度提升運維效率，極大地降低運營成本（OPEX）。

基于SDN的管控系統(tǒng)應具備如下功能：

（1）全局管控，智能調(diào)優(yōu)。智能的路徑計算，包括提供低時延路徑、鏈路負載均衡，一方面可以滿足用戶體驗要求，滿足不同業(yè)務服務等級協(xié)議（SLA）需求；另一方面，基于全局算路和調(diào)優(yōu)，可以提升整網(wǎng)的帶寬利用效率。

（2）跨網(wǎng)協(xié)同，統(tǒng)一管控。基于SDN系統(tǒng)的控制模塊可以支持跨域協(xié)同，包括跨承載網(wǎng)自治域的協(xié)同，以及未來光網(wǎng)絡等網(wǎng)絡協(xié)同，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡中部門之間的人工協(xié)作轉變?yōu)闄C機交互，提升效率。通過北向開放，SDN系統(tǒng)支持包括專線業(yè)務自動發(fā)放APP等網(wǎng)絡應用，具備網(wǎng)絡業(yè)務快速發(fā)放，帶寬快速調(diào)整，故障快速恢復等功能。endprint

SDN系統(tǒng)可以針對用戶的不同業(yè)務，對丟包率、誤碼率、時延、抖動等KPI指標進行高精度測量，支持快速故障定界和定位，對流量趨勢進行精準評估和預測，對不同類型的客戶提供差異化的服務和保障。同時，基于豐富的大數(shù)據(jù)匯總和實時分析對于告警數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)等進行智能分析，提高網(wǎng)絡運維效率，自動提供有效的承載網(wǎng)絡優(yōu)化建議。

2.5 FlexE與網(wǎng)絡切片

對于網(wǎng)絡切片的應用，無論是企業(yè)專線、低時延業(yè)務SLA保證，還是垂直行業(yè)的獨立管控，綜合承載多業(yè)務之間的隔離，本質上都是要求分片網(wǎng)絡之間需要做到一定程度的剛性或彈性的隔離。

FlexE在普通以太網(wǎng)基礎上定義了基于N ×5G的多種子速率可配置、調(diào)整以及Client層的互連互通機制。FlexE定義為以太網(wǎng)L2（媒體接入控制（MAC））/L1（物理層（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[7]。FlexE應用場景包括：

（1）適配路由器不同業(yè)務子接口與通道化靈活以太網(wǎng)，實現(xiàn)路由器端到端直連硬管道，實現(xiàn)5G不同業(yè)務和客戶的網(wǎng)絡要求；

（2）通過可變帶寬以太網(wǎng)，路由器子接口與光網(wǎng)絡ODUflex管道結合起來，實現(xiàn)IP+光進一步協(xié)同；

（3）端口捆綁，如將N ×100 GE捆綁成的超100 GE大管道接口。

FlexE技術是實現(xiàn)網(wǎng)絡切片的主流技術方案之一，基于Flexible Ethernet可以建立端到端FlexE硬管道，提供約束延時/低延時/低抖動、實時業(yè)務的IP承載網(wǎng)絡。

3 結束語

5G時代將開創(chuàng)一個新的產(chǎn)業(yè)，從以前的網(wǎng)絡為中心變?yōu)橐詷I(yè)務為中心，從以前的以人為中心變?yōu)橐匀撕臀餅橹行摹?G網(wǎng)絡中，承載網(wǎng)是不可或缺的一部分，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)，面對5G不同應用場景，需要引入G.metro低成本城域接入、可調(diào)諧激光器、25G光模塊、高精度時間同步傳送等技術，以低成本建網(wǎng)，充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡資源和產(chǎn)業(yè)鏈成熟快速的部署為原則，以滿足eMMB、mMTC、uRLLC等應用場景下的多樣化的業(yè)務需求。

參考文獻

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[4] ITU-T. Draft New Recommendation ITU-T G.Metro （version 0.10）[R]. 2017

[5] OTN transport of CPRI Signals： ITU-T G.sup.56[S]. 2015

[6] Considerations on Sync Requirements and Network Budget for 5G： ITU-T C165[S]. 2017

[7] Flexible Ethernet Implementation Agreement： OIF-FLEXE-01.1[S]. 2017endprint