5G通信技術(shù)承載網(wǎng)的建設(shè)探究

王清新

（吉林吉大通信設(shè)計院股份有限公司，吉林 長春 130012）

0 引 言

步入5G時代，通信網(wǎng)絡(luò)中的大部分指標都產(chǎn)生了新變化，甚至有些指標標準相較過去直接提升數(shù)十倍。想要滿足通信需求，則不能只改進無線空中接口，同時還要升級與建設(shè)承載網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

1 5G通信業(yè)務(wù)對承載網(wǎng)提出的新技術(shù)需求

5G承載網(wǎng)需要在G.metor中實現(xiàn)室外、室內(nèi)以及網(wǎng)絡(luò)等多種環(huán)節(jié)的相互連接，滿足商業(yè)級環(huán)境與工業(yè)級環(huán)境的應(yīng)用需求。承載網(wǎng)可依照外部環(huán)境調(diào)節(jié)波長，既能夠保障符合接入質(zhì)量要求，同時還能夠控制接入成本，簡化所用激光器的結(jié)構(gòu)與功能，選擇新材料或者調(diào)整為新結(jié)構(gòu)，并發(fā)揮出共享鎖定機制的作用。

時延與帶寬關(guān)系著通信技術(shù)的競爭實力，5G時代背景下，通信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流愈加復雜化，特定業(yè)務(wù)對可靠性與時延均提出要求。5G基站在回傳帶寬方面的實際需求也產(chǎn)生了變化，遠超4G基站。當前移動通信回傳承載網(wǎng)具有的容量與實際需求之間產(chǎn)生沖突，5G通信網(wǎng)還需面對高精度時間同步、切片服務(wù)以及大容量傳送等方面的業(yè)務(wù)需求[1-3]。

2 4G/5G通信傳輸技術(shù)與承載網(wǎng)建設(shè)技術(shù)對比分析

2.1 中國移動

移動為4G回傳業(yè)務(wù)選擇的承載網(wǎng)技術(shù)為分組傳送網(wǎng)（Packet Transport Network，PTN），以以太網(wǎng)架構(gòu)為通信傳輸基礎(chǔ)，PTN主要作為二層傳輸通道，主要采用分組傳送技術(shù)手段，所用的傳輸通道具有透明化的特點，無論是標簽分配方式還是路徑規(guī)劃方式，都屬于靜態(tài)化方式[4]。PTN網(wǎng)絡(luò)體系中，有效運用了基于多協(xié)議標簽交換的傳輸子集（Multi-Protocol Label Switching-Transport Profile，MPLS-TP） 技 術(shù)，需要分析與掌握實際的網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)，以此對技術(shù)的應(yīng)用價值進行確定。該技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在能夠滿足安全可靠性要求，數(shù)據(jù)傳輸性能較為突出，可簡化信用命令與IP功能，容易分離，能夠獨立發(fā)揮作用，提供極佳的承載效果，L3VN的使用滿足了靈活轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)的需求。

5G承載網(wǎng)必須對海量連接與無縫切換等需求進行有效支持，同時要控制時延，縮減轉(zhuǎn)發(fā)面以及控制面的傳輸路徑數(shù)量，其性能方面也要面對時間同步以及FlexE支持等新要求，PTN網(wǎng)絡(luò)在容量以及性能等方面均存在受限的情況。加密虛擬網(wǎng)絡(luò)（Secret Private Network，SPN）是在PTN技術(shù)基礎(chǔ)上升級發(fā)展而形成的新型切片分組網(wǎng)技術(shù)，同樣以以太網(wǎng)架構(gòu)為基礎(chǔ)，其技術(shù)內(nèi)核也是以太網(wǎng)，具有融合性，兼具回傳、中傳以及前傳的端至端組網(wǎng)應(yīng)用能力。切片通道層（Section Channel Layer，SCL）、FlexE與分段路由（Segment Routing，SR）是SPN技術(shù)體系中的核心技術(shù)。SCL的作用是在切片業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)之間構(gòu)建硬隔離式通道，將時延降低的同時，還能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)切片與網(wǎng)絡(luò)拓撲重構(gòu)提供必要的技術(shù)支持。對于PTN技術(shù)，SPN對其優(yōu)勢功能進行了有效繼承，同時實現(xiàn)了創(chuàng)新發(fā)展，以便于全方位地滿足5G承載網(wǎng)的各項應(yīng)用需求。FlexE技術(shù)以邏輯為切入點，對端口與子網(wǎng)進行了切分，保障子網(wǎng)的獨立性，解耦物理通道與業(yè)務(wù)速率，運用時隙交叉技術(shù)與端口捆綁技術(shù)，以相對簡單、容易實現(xiàn)的方式來疊加業(yè)務(wù)帶寬[5]。

2.2 中國電信

電信為4G移動回傳業(yè)務(wù)選擇了無線接入IP化（Internet Protocol-Raclio Access Network，IP-RAN）這一承載網(wǎng)技術(shù)，同樣屬于分組傳送技術(shù)，實現(xiàn)基礎(chǔ)為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議/多協(xié)議標簽交換（Internet Protoco/Multiprotocol Label Switching，IP/MPLS），為移動業(yè)務(wù)提供承載方面的技術(shù)服務(wù)，同時為其搭設(shè)3層IP通道，轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)與分發(fā)標簽則依靠動態(tài)路由協(xié)議來實現(xiàn)。IP RAN技術(shù)為包括移動網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)在內(nèi)的多種業(yè)務(wù)提供了良好的技術(shù)平臺，支持統(tǒng)一、高效協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)資源，賦予移動網(wǎng)絡(luò)更強的運行能力。相比同類型的其他技術(shù)，IP RAN技術(shù)的各項功能已經(jīng)發(fā)展到較為成熟化的程度，形成了3層轉(zhuǎn)發(fā)體系，組成部分包括交換機與路由器裝置，能夠靈活地完成業(yè)務(wù)調(diào)度，開發(fā)性極強，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)帶寬實現(xiàn)充分利用，僅借助擴容的方式就可以滿足業(yè)務(wù)量存在的承載需求。

進入到5G通信時代后，考慮到承載網(wǎng)在容量與技術(shù)方面的變化，也需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上對IP RAN技術(shù)進行升級，否則難以達到精度、時延與帶寬方面的使用標準[6]。電信引入并使用了在功能、帶寬以及容量等均占有優(yōu)勢的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Smart Transport Network，STN）技術(shù)與配套設(shè)備。以太網(wǎng)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（Ethernet Virtual Private Network，EVPN）與單信道（Single Radio，SR）是STN技術(shù)體系中的關(guān)鍵技術(shù)。SDN控制器與SR的聯(lián)合應(yīng)用使網(wǎng)絡(luò)路徑具備更強的可編程能力，可直接依照網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)與不斷發(fā)生變化的業(yè)務(wù)需求對路徑作出有針對性的調(diào)整，實現(xiàn)優(yōu)化目標，并對轉(zhuǎn)發(fā)功能進行有效簡化。由于承載網(wǎng)有網(wǎng)絡(luò)切片方面的技術(shù)需求，設(shè)備應(yīng)當具備軟切片、EVPN等增強虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network，VPN），同時還要兼有硬切片與FlexE等以太網(wǎng)技術(shù)，F(xiàn)lexE配有時分多路復用（Time-Division Multiplexing，TDM）調(diào)度機制，能夠精準地對時延進行確定，可承諾服務(wù)等級協(xié)議（Service-Level Agreement，SLA）。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Oirtualization,NFV）在網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)體系中處于核心地位，其能夠?qū)④浖c硬件從傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中有效分離，服務(wù)器負責部署硬件設(shè)施，NF則負責軟件部分，因此業(yè)務(wù)組裝工作也能夠以更為靈活的方式完成。

3 5G通信技術(shù)承載網(wǎng)建設(shè)建議

3.1 時間同步

構(gòu)建5G承載網(wǎng)系統(tǒng)時，還需要并行5G網(wǎng)絡(luò)與4G通信網(wǎng)絡(luò)，使二者實現(xiàn)協(xié)同發(fā)展。結(jié)合5G通信系統(tǒng)發(fā)展需求，落實承載網(wǎng)建設(shè)工作。5G承載網(wǎng)在時間服務(wù)器相關(guān)的性能指標方面提出全新要求，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在時鐘方面的差異與外部時鐘源具有的準確性等因素的共同作用下，時鐘同步精度將難以得到保障。因此建設(shè)承載網(wǎng)時需要重點關(guān)注時間同步在精度方面的要求，實現(xiàn)新業(yè)務(wù)、協(xié)同業(yè)務(wù)以及基本業(yè)務(wù)的時間同步需求，部署與構(gòu)建時間同步網(wǎng)時，可結(jié)合業(yè)務(wù)具體的需求，下沉時間源設(shè)備，控制時鐘跳數(shù)。為了使時鐘形成更高的精度，可以考慮把事件源設(shè)備設(shè)置到系統(tǒng)匯聚層的邊緣區(qū)域。

3.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5G承載網(wǎng)連接5G通信系統(tǒng)中的核心網(wǎng)與無線接入網(wǎng)，同時還要在網(wǎng)絡(luò)連接過程中提供管理控制、組網(wǎng)保護以及靈活調(diào)度等基礎(chǔ)性功能，在性能方面則要兼顧良好的可靠性、同步性、低時延與大帶寬等需求[7]。網(wǎng)絡(luò)切片全方位涉及通信系統(tǒng)的承載、無線、核心網(wǎng)與終端，需滿足端到端潛在的協(xié)同化管控需求。轉(zhuǎn)發(fā)平面在承載業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上也囊括了端至端分層組網(wǎng)的基本架構(gòu)，在這一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系中可以對5G承載組網(wǎng)實施劃分，將其分成城域與省內(nèi)干線。城域包括核心層、匯聚層與接入層，集團公司負責統(tǒng)一規(guī)劃省級骨干層，各省依照具體需求規(guī)劃省內(nèi)承載網(wǎng)，一般核心層可選擇“口”型這一特殊的組網(wǎng)方式，為接入層與匯聚層均選擇“環(huán)”型組網(wǎng)方式。若存在光纜資源受限的狀況，針對分布式無線接入網(wǎng)（Distributed Radio Access Network，DRAN）站點，可為其選擇環(huán)帶鏈組網(wǎng)方式。5G承載網(wǎng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G承載網(wǎng)整體架構(gòu)

3.3 帶寬規(guī)劃

5G前傳包含集中式與分布式兩種不同的無線接入網(wǎng)情景。分布式接入網(wǎng)的部署方式有小型、中型以及大型3種，為實現(xiàn)大集中部署目標，往往會采用集中部署分布單元（Distributed Unit，DU）池化與中心單元（Centralized Unit，CU）云化。相比集中式接入網(wǎng)，另外一種分布式接入網(wǎng)的使用相對比較少。若站型為S111，5G承載網(wǎng)單基站帶寬峰值可達到7 Gb/s，帶寬平均值在3 Gb/s左右；若站型為S222，單基站帶寬峰值普遍在10 Gb/s左右，帶寬平均值則能夠提高到4 Gb/s[8]。建設(shè)回傳網(wǎng)絡(luò)時，不可忽視基站的情況，并要考慮基站在處于峰值時能夠維持正常運行狀態(tài)。實際規(guī)劃工作中，面對的流量與地域情況存在差異，若區(qū)域的業(yè)務(wù)流量水平相對較高，則大多選擇50GE級別的接入環(huán)，單個接入環(huán)能夠滿足20～30個通信共享基站的接入需求；若區(qū)域的實際業(yè)務(wù)流量水平偏低，選擇10GE級別的接入環(huán)即可，共享基站的接入數(shù)量約為10個。進入到規(guī)劃接入環(huán)的環(huán)節(jié)后，應(yīng)確保接入環(huán)能夠正確銜接無線通信網(wǎng)，運用可靠的途徑對基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）流量實施精準預測。為了日后能夠?qū)掃M行順利擴展，可依照需求，在BBU側(cè)選擇25GE型、10GE型或者GE型接口。

3.4 部署方式

設(shè)置DU時，考慮到DU具有的集中化特點，若仍舊為前傳網(wǎng)絡(luò)則采用光纖直驅(qū)技術(shù)，而載頻、基站等數(shù)量增加，就需要消耗大量的光纜資源。因此必須兼顧多方面的影響因素，綜合提升承載網(wǎng)建設(shè)的性價比，可選擇有源光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）技術(shù)，其并不會占用過多的光纜資源，可維護性良好，但是對于投入資金的需求量也相對較大[9]。當DU連接的有源天線單元/遙控射頻單元（Active Antenna Unit/Remote Radio Unit，AAU/RRU）數(shù)量不多，同時相互之間的距離不遠時，可在滿足光纖資源需求的條件下，仍舊選擇光纖直驅(qū)的方式完成部署工作。若實際情況相反，AAU/RRU數(shù)量過多，相隔距離偏遠，可用的光纖資源相對有限，則可選擇有源OTN或者無源波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）的方式實施部署。如果選擇無源WDM的部署方式，可在DU與AAU上安裝彩光模塊，憑借無源設(shè)備實現(xiàn)WDM的技術(shù)功能，僅借助一根或者一對光纖就可滿足數(shù)個DU與AAU之間的連接需求。圖2為無源WDM部署方式。另外還可選擇與運用更為簡單的微波部署方式，直接運用微波來傳輸數(shù)據(jù)資源，這種方式在光纖資源不到位、視距較為空曠以及位置較遠的部署條件下有著較好的應(yīng)用效果，但是在遠端管理、性能監(jiān)控以及網(wǎng)絡(luò)保護方面存在問題，并且成本極高[10]。

圖2 無源WDM部署方式

4 結(jié) 論

隨著通信技術(shù)從1G發(fā)展到5G，承載網(wǎng)的規(guī)模持續(xù)擴大，帶寬也在不斷增加，其設(shè)備性能日益成熟完善。5G通信技術(shù)相比前幾代有了跨越式的發(fā)展，所以必須全面考慮到通信業(yè)務(wù)在帶寬、可靠性、時延、同步能力、運維以及能耗等多方面的新需求與新挑戰(zhàn)，在建設(shè)承載網(wǎng)的過程中應(yīng)重點關(guān)注部署方式、時間同步、帶寬規(guī)劃以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面的問題，以此來夯實5G通信技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。