基于5G網絡的傳送網關鍵技術

張少恒，王 欽

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著中國3大運營商對5G網絡的大力普及以及5G網絡商用時代的正式到來，5G網絡已經成為全球熱點。近兩年自媒體短視頻的興起，使得移動流量成為時下互聯網巨頭必爭的戰場。本文通過分析5G傳送網的功能需求，總結介紹了5G網絡的關鍵技術。

1 5G網絡的功能需求

5G網絡具有眾多優勢，如連續廣域覆蓋、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網絡的發展趨勢來看，更大的帶寬、更高的容量以及更低的時延是未來5G傳送網的發展方向。考慮到網絡智能化的普及，未來5G網絡的發展需要越來越智能化，且需具有靈活的組網能力。因此，對5G傳送網的要求是大帶寬、高容量、低時延、組網靈活、網絡切片、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，移動數據流量迅速增長，加上5G網絡各種應用場景的逐一落實，移動數據流量成爆炸式增長。因此，大帶寬和高容量是5G傳送網的第一需求，也是5G網絡用戶體驗明顯優于以往其他網絡的核心要素。隨著5G網絡的逐漸普及，物聯網、遠程醫療以及智慧交通等多種新型應用不斷涌入，5G網絡終端成幾何倍數增長，使大帶寬和高容量成為未來5G網絡需滿足的首要需求。

1.2 低時延需求

5G網絡在無人駕駛、智能電網以及遠程醫療等場景中應用，對低時延有較高的要求，是現有網絡面臨的巨大挑戰，需要改進現有網絡。低時延是5G網絡的一個重要指標。網絡傳輸的時延主要分為設備自身的時延和光纖傳輸的時延。其中：設備自身的時延指設備內部轉發數據時產生的時延，與傳輸設備的處理器和芯片算法有關；光纖傳輸的時延則與光纖傳輸的距離有關[1]。通過現網分析可知，傳送網端到端約有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劃光纖傳輸的路徑，減少光中繼站的數量，改善傳輸設備本身的芯片處理能力，在軟件上優化傳輸設備芯片和選擇路由的算法，提高傳輸設備的數據處理能力。

1.3 組網靈活需求

5G網絡是一張開發的多業務網絡，不同應用場景中對組網的要求不同。同一業務的不同區域，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方式。這就要求5G網絡能夠滿足多種部署方式并存，即靈活組網的需求。5G網絡下的場景應用更加多元化，各種應用場景需要網絡提供靈活且及時的服務帶寬，要求傳輸網絡具有靈活的帶寬實時分配能力。目前，光傳輸網絡的靈活以太網（FlexE）、靈活光傳送網（FlexO）以及分段路由（SR）等技術，結合現有的ROADM、可變收發器以及電交叉技術，可滿足各種業務的靈活組網需求。

1.4 網絡切片需求

網絡切片是一種按需組網的靈活方式，是5G網絡的關鍵需求之一。它的關鍵在于保證任何切片都嚴格隔離，互不影響。網絡切片是開放式的，且有彈性可擴展。5G的網絡切片是在基礎網絡設施上提供邏輯獨立的網絡，可滿足多樣化業務需求，且每個網絡切片擁有獨立的管控資源能力。

1.5 高精度同步需求

5G網絡提供的業務中，基站定位對時間同步的要求很苛刻。5G基站采用TDD制式，除了能承載傳統的移動基站業務外，還能承載其他行業的各種業務。一些特殊業務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時代的車聯網絡利用基站提供的定位服務，時間同步精度要求在±10 ns；LTE-Advanced的關鍵技術CoMP-JP多點協同傳輸處理中，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網絡智能化的一個重要技術就是軟件定義網絡（SDN）。SDN能在5G網絡中通過集中控制，有效提升網絡服務的利用率，同時遠程將標準化接口和控制器連接起來，使網絡維護管理更加高效和智能。

2 5G網絡的關鍵性能

5G網絡與以往的2G、3G以及4G網絡不同。前幾代通信系統的本質是人與人之間的通信，而5G網絡直接升級為世界萬物互聯，接入的終端數量成幾何倍數增長。5G代表性的應用場景包括物聯網、智慧交通、遠程醫療、智慧農業以及環境監測等。5G網絡的關鍵性能體現在網絡用戶的體驗速率、網絡的峰值速率、頻譜效率、移動性能以及端到端的時延。5G網絡與4G網絡關鍵性能指標的對比如表1所示[2]。

表1 5G網絡與4G網絡關鍵性能指標對比

5G網絡進入商用時代后，除了關鍵性能指標比4G網絡大幅度提升之外，作為一張靈活組網與多種部署方式并存的基礎配套形式的5G傳送網，還需要具備能適應靈活部署各種組網方式的能力。此外，5G傳送網技術向上和向前演進的兼容性也是5G傳送網發展的主要趨勢。

3 5G網絡關鍵技術

3.1 SPN新型網絡架構

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

3.1.1 提供5G網絡需要的大帶寬技術

承載5G業務基站的帶寬需求非常高，一般要求在50 GE以上，向上的匯聚環要求在100 GE以上，相應的核心環則要達到400 GE以上。在光纖資源豐富的區域，可以采用光纖直驅方案；在光纖資源匱乏且建設困難的區域，則可以采用SPN彩光承載方案。

3.1.2 實現5G網絡的低時延需求

SPN之所以能夠滿足低時延需求，是因為它可以滿足設備處理時延的相關需求。物理層面的設備可通過轉發時延有效降低網絡時延。光纖傳輸的時延可通過縮短光纖的路由長度和優化光纖的組網結構得到降低。另外，將核心側設備MEC等下沉部署，可減少業務端和核心設備的傳輸距離，從而達到降低網絡時延的目的。

3.1.3 實現SDN的網絡切片技術

SPN可根據業務的具體需求，用虛擬化的方法靈活將一個物理網元劃分為多個邏輯網元，或者將多個物理網元整合為一個邏輯網元。重構后的網元將按照實際業務的需求串聯，為某個特定用戶或某類業務提供網絡服務。

3.1.4 提供高精準的時間同步技術

5G網絡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，只能采用高穩定頻率源技術和衛星接收技術。其中，高穩定頻率源技術通過將單一的時鐘轉化為時鐘組來增加衛星時間，從而達到保持精度和提升性能的目的。衛星接收技術是利用雙頻段或共模共視的方式來降低衛星接收到的噪聲。

3.1.5 具有集中的統一網絡管理技術

由于5G網絡上的業務呈現多元化，因此需要將這些業務進行統一管控。SDN可通過OpenFlow控制各個網絡設備和VLAN等信息，從而實現物理拓撲和邏輯拓撲的分離。

3.2 靈活以太網（FlexE）

靈活以太網（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務，從而用較低的成本滿足高速率的業務需求[3]。FlexE在以太網技術的基礎上實現了業務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務速率相匹配。在實際應用中，可根據具體情況靈活配置，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（FlexO）

靈活光傳送網（FlexO）一般用于OTN光網絡，對應的是光接口。靈活以太網（FlexE）一般用于PTN網絡，對應的是以太網口。二者在原理上相同，都是通過對物理端口的綁定，實現大顆粒數據業務的傳輸。

3.4 分段路由（SR）

分段路由（Segment Routing，SR）是一種新型的MPLS技術。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。控制器負責計算隧道的轉發路徑，并將與路徑嚴格對應的標簽棧下發給轉發器。在SR-TE隧道的入節點上，轉發器根據標簽棧進行轉發。分段路由（SR）的優點是簡化了MPLS的控制協議，減少了資源占用，使得網絡運維和管理變得簡單，同時增強了網絡路徑的調整和控制能力。

4 傳送網技術

5G傳送網分為前傳、中傳以及回傳3個部分[4]。根據不同的場景，可選擇不同的技術。前傳中常用到的技術有波分多路復用（WDM）、光傳送網（OTN）、無源粗波分復用（CWDM）以及光纖直連等。中傳和回傳中涉及的技術有IP無線接入網（IPRAN）和光傳送網（OTN）。5G網絡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網絡過程中，理應結合具體的承載方案，根據機房位置、光纖資源以及要達到的建設效果來選擇性價比最優的方案。

4.1 波分多路復用（WDM）/光傳送網（OTN）

該技術的優點是節省光纖資源、成環保護以及組網靈活，缺點是成本較高，故障點較多。它一般用于環形網絡的組網，特別是DU集中部署在中心機房，接入主干光纜為樹形或環形結構的場景。

4.2 無源粗波分復用（CWDM）

該技術設備簡單，節省光纖資源，一根纖芯可以承載多種業務，缺點是波長通道數量較少、波長規劃較復雜且出現故障時候定位困難。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

該技術多用于組建點到點和樹形的網絡，優缺點明顯。優點是組網簡單，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絡保護功能，且建設和維護成本高。

4.4 IP無線接入網（IPRAN）

IP無線接入網指以IP/MPLS協議和關鍵技術為基礎，是一種面向移動業務承載且兼顧提供二、三層通道類業務承載的技術。優點是能滿足5G網絡需求，前期建設成本較低；缺點是在大帶寬和網絡切片上需要后期技術升級才能支撐5G成熟期的網絡，后期投資較大。

5 結 論

5G時代的到來帶來了很多技術變革。作為承載各種5G應用的傳送網，勢必要緊跟技術時代的潮流，從各方面滿足5G網絡對大帶寬、高容量、低時延以及靈活智能的需求。此外，隨著社會經濟的發展，新的商業模式陸續涌現，各種應用場景層出不窮。各種解決方案的不斷完善，將促進5G網絡的持續發展。