面向5G的傳送網新架構及關鍵技術

黃 嘉

（中國移動通信集團 河南有限公司，河南 鄭州 450000）

1 5G網絡關鍵技術特點

5G網絡的優點包括覆蓋范圍廣、熱點多以及容量大等，前兩個優點主要是移動互聯網的應用，第3個優點主要是物聯網的實際應用。隨著個人業務的下降，運營商需要在5G無線業務外拓展集客業務，To B型業務等。此類業務與5G無線業務形成物理隔離，并且支持客戶的定制需求，可根據用戶需求設計并部署定制化邏輯網絡，基于連接強度、終端時延、移動性、流量控制以及峰值等因素進行業務組織[1]。本課題中5G網絡的運行基于5G傳輸網，傳輸網可做到將控制面與傳輸面分離。控制面可基于云服務提供非地址受限和非時間受限的軟件定義網絡；傳輸面則提供比4G承載網更大的接入帶寬、更高的匯聚比、低時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據流量的快速增長，未來大數據帶寬及多點突發流量呈現增長趨勢。目前4G網絡單基站GE的接入帶寬已經難以滿足移動用戶需求，因此在5G無線到來之際，5G運輸網絡需要比這個更大的帶寬和更高的容量將會得到充分的利用。

1.2 低時延

5G互聯網和Intrenet應用中，傳輸網絡的時延主要由兩部分組成設備轉發時延和光纖傳輸時延組成。設備時延是指設備轉發數據時產生的時延。光纖傳輸延遲與傳輸距離有關，取決于延遲發生的時間[2]。降低數據傳輸網絡時延的有效辦法是提升標簽轉發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已經可以做到低時延進行標簽轉發，但5G中的無線特性對低時延做出更多的要求，因此需要在MPLS基礎之上引入SR技術升級為第四代靈活電信以太網，從而進一步提高轉發效率并減少單節點查表速度。

1.3 靈活化

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

1.4 智能化

與4G不同的是，5G網絡更靈活、更有效且更智能。在現網中，5G傳輸網應通過云化網管實現SPN、分組傳送網（Packet Transport Network，PTN）、IPRAN與OTN和MS-OTN的跨專業融合，并打通資管系統與各廠家設備接口，從而實現“業務發放自動化+服務等級協議（Service Level Agreement，SLA）自優化+主動運維保障”的3大功能。此外在5G網絡中，由于To B類業務未來發展迅速，網絡運維部門可以通過云化智能網管實現資源自動核查、時延預估計算、隨流檢測以及分類業務自動部署的功能，提升對市場業務的技術支撐能力。

2 5G傳送網優選SPN新技術架構

由于5G網絡的新結構和業務需求，新架構下的SPN以及IPRAN技術均在靜態PTN或動態IPRAN架構中增加FlexE、SR以及高精度時間同步功能（SPN功能架構可見下圖1）。在大帶寬混傳方面，目前主流運營商均大力推廣MS-OTN技術作為SDH的替代及多業務OTN平臺的進一步演進，從而和SPN技術一同混合組網來承載5G無線及其他新型業務。

圖1 SPN功能架構圖

2.1 SPN網絡連接性較好

與目前的4G網絡相比，5G網絡傳輸在前傳、中傳以及回傳的流向上有很大差異，但是SPN網絡提供了非常好的連接，可以有效提高管理效率。在實現過程中，首先利用首節點的標簽棧建立TP型全程網絡傳輸路徑，或利用網關協議建立BE型自轉發路徑，從而實現全程路徑上降低路由查表步驟，提升業務轉發時效，同時使得流量可在較低層次中實現自由轉發，降低全網流量使用量。

2.2 SPN網絡能夠提供高精度的時間同步技術

5G無線接入網中，UE至BBU間的eMBB用戶面、uRLLC用戶面以及控制面時延指標分別為4 ms、0.5 ms以及10 ms，而端到端業務間uRLLC業務、eMBB業務以及V2X雙向業務的時延指標分別為5 ms、10 ms以及3 ms。為了保證下聯業務的時間同步精度達到要求，5G承載網需要配合將uRLLC的UPF由省公司核心網下沉至城域網骨干層，從而滿足更低傳輸時延要求[3]。

在現網實施中，除考慮基站側單GPS帶來的戰略風險問題外，還需考慮GPS+北斗雙星同步接收，因此對于SPN組網，將引入雙衛星接入、高精度時鐘處理以及單纖雙向組網等技術。

2.2.1 雙衛星接入

考慮GPS單系統衛星接收的戰略風險，將基站側衛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 高精度時鐘處理

在SPN網絡中，將原先的低精度晶體自振系統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網絡有顯著提升。

2.2.3 單纖雙向組網

在SPN以及混合組網的OTN網絡中，運營商大量采用支持單纖雙向的低速率GE模塊來單獨組網，通過低成本的1588V2單獨組網，減少上下行距離不一致引起的時延誤差，從而保證全網同步的時間精度。

2.3 SPN網絡能夠提供大寬帶技術

由于5G網絡中接入環的基站接入帶寬總量有較大提升，與4G傳輸網城域收斂比的4:3:2相比，5G城域網提升為8:2:1。核心環的帶寬要在110GE以上，接入環的帶寬要在25GE以上，匯聚環的帶寬要達到80GE。而5G傳輸網絡正常運行的基礎在于絕大多數接入環帶寬要達到50GE，某些部分要提升到100GE，匯聚環要達到100GE以上。核心環有著更高的要求，需要保證在N×400GE以上。在VPN的劃分中，針對4G業務二層轉三層設備放置于匯聚或骨干匯聚設備上帶來的轉發效率較低的問題，5G業務SPN組網中將三層設備直接下沉至接入網設備，提高部分下層集客業務的轉發效率。

2.4 SPN網絡可以形成網絡分片

支持5G業務的SPN網絡可以劃分為若干邏輯網元，也可以將若干邏輯網元劃歸至一個邏輯網元中，旨在滿足特定的客戶、業務、商業場景的業務特點及商業或模式的需求[4]。現網中，SPN網絡采用E2E Slice Instance-ESI網絡切片實例實現5G無線、集客大客戶專線以及海量大連接業務等業務種類的分層。SPN架構可分為切片分組層（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。在每個分層中可以部署單獨的QOS策略和VPN域，從而保證各類業務的特殊需求[5]。SPN設備通過對信元進行切片，通過SR技術減少路由查表并提升轉發效率，實現了低時延的傳輸，同時通過基于業務級別的保護路徑規劃針對5G業務實現無保護、SR-BE隧道重路由、1:1保護、1+1保護以及永久1+1保護等多類型的路由收斂策略，提高承載各類業務的層次性。

2.5 SPN系統具有SDN統一管控技術

在SDN網絡中，網絡設備可使用標準的虛擬操作系統，虛擬系統將不受制造商以及廠商的限制直接運行，使得操作標準化，且可進行跨設備廠商及跨設備層級進行統一業務調度與日常維護。

3 關鍵技術FLexE的實現方式

3.1 FLexE演進方式

FlexE接口新型虛擬邏輯接口，在傳統以太網中，接口包括MAC以及PHY，接口是用來承載業務的。引入FlexE后，在接口方面，由傳統的以太網2層架構更改為3層架構，分別為Client、Shim以及Group。Clent對應客戶的業務流，通過FLEX接口接入進來，多條Client可以封裝進一個FLEX接口，可以支持非標準速率[6]。Shim層是對PHY的帶寬進行了SLOT切分，例如可實現將50GE接口劃分為10個時隙，每個時隙5GE，管理員可以對多個時隙進行配置，比容需要15GE，那就可以把3個時隙進行綁定，這樣就有了15GE接口。Group則是把多個端口通過FLEX接口進行了綁定，比如可以將2個4 000GE接口，共有80個10GE的SHTM層業務，傳送數據時統一傳送，形成Group。簡單來說，FlexE是對以太網的輕量型增強，可以定義為在以太網L2（MAC）/L1（PHY）之間的中間層FlexE Shim，是以太網的多速率子接口在多PHY鏈路上的新技術，而每個子接口（Steam、Quene）速率可配置，現有標準支持10、40、n×25（Gb/s）粒度，可以實現超低時延轉發，如圖2所示[7]。

圖2 基于FlexE的超低時延轉發流程

3.2 FlexE Shim 數據格式

FlexE Shim/Group中的每個100GE PHY分成20個 Block（64/66 bit），每個Block帶寬為5 Gb/s，FLexE可按照5 Gb/s顆粒的整倍數進行帶寬分配。將Client-ID、PHY number、Group ID、同步以及定幀等字段作為FlexE層的相關參數，兩端設備根據接受的層開銷復幀進行數據解讀和相關信息判斷[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端口數據放在同一個PHY的不同時隙傳輸。這個功能主要是利用SDH思想，將傳統的以太網接口速率進行較為靈活的劃分，用以承載不同（類型）的切片業務，一個接口的物理帶寬可以基于時隙劃分，不會搶占和共享，解決了傳統以太所有網帶寬共享的問題。

3.3.2 端口綁定功能

通過FlexE Shim將多路PHY捆綁，以實現更大容量的端口。在現網中，可以將多個物理端口進行捆綁，從而擴大帶寬，相比Eth-trunk技術可以解決負載不均的問題。例如，設備上有兩個100GE端口，但實際流量需要200GE，則可以通過FlexE進行端口捆綁，擴大帶寬[9]。

3.3.3 子速率功能

可以將PHY的一部分時隙分配給用戶側端口。此功能在現網中，一般是用來和波分設備對接時使用，當路由器設備端口利用率過低時，可以進行時隙劃分，部分時隙用來傳送有效帶寬，無效帶寬就可以不用占用OTN側帶寬。通過以上這些技術，FlexE在5G網絡中可以用于5G uRLLC業務以及大顆粒透明專線業務，從而實現端到端獨立硬管道，絕對帶寬及低時延。

4 結 論

5G對傳輸網絡的功能要求和當前所需的新的傳輸網絡結構對傳輸網絡的發展提出了挑戰。目前通過引入FlexE、SR、SDN以及高精度時間同步網等新技術實現了對5G無線、大顆粒低時延集客業務以及大連接數To B型業務的承載。同時，跨專業的高速率接口統一使得大帶寬業務發展迅速。高容量、低時延、高可靠性、靈活性及智能化的5G傳輸網為未來5G以及5G+新時代網絡的快速發展提供了可靠保障[10]。