5G承載網(wǎng)的需求、架構(gòu)和解決方案研究

趙 強(qiáng)

（吉林吉大通信設(shè)計院股份有限公司，吉林 長春 130000）

0 引 言

信息化時代，5G已經(jīng)逐漸滲透到社會的各個領(lǐng)域，可滿足大部分場景的通信傳輸需求。5G承載網(wǎng)帶來了全新的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，同時也面臨著一系列的挑戰(zhàn)。通過加強(qiáng)對5G承載網(wǎng)需求、架構(gòu)的研究，制定適宜的傳輸承載解決方案，以推動5G承載網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展。

1 5G承載網(wǎng)的需求和架構(gòu)

5G承載網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)寬帶、超低時延、網(wǎng)絡(luò)切片、時針同步以及智能管控方面有著新的需求，需要實(shí)時關(guān)注均值寬帶的提升狀態(tài)，提高網(wǎng)絡(luò)的低時延性能，通過網(wǎng)絡(luò)切片來實(shí)現(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)功能，滿足不同的業(yè)務(wù)需求。

5G承載網(wǎng)的架構(gòu)主要包含軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）、轉(zhuǎn)發(fā)平面以及集中化/云化無線接入網(wǎng)（Centralized/Cloud Radio Access Network，CRAN）。典型的SDN架構(gòu)分為3層，分別是應(yīng)用層、控制層、基礎(chǔ)設(shè)施層。5G承載網(wǎng)的主要組成部分是城域網(wǎng)、省內(nèi)干線，接入層中涵蓋了前傳網(wǎng)絡(luò)、回傳網(wǎng)絡(luò)，核心網(wǎng)中的設(shè)備需要配置不同類型的接口。

CRAN架構(gòu)能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中化處理，通過搭載實(shí)時云計算實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的高效處理[1]。

2 現(xiàn)階段5G承載網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

現(xiàn)階段，5G承載網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)為以下4個方面。一是5G的前傳網(wǎng)、中傳網(wǎng)對承載網(wǎng)有著極高的時延要求，前傳網(wǎng)傳輸時延的預(yù)算應(yīng)當(dāng)控制在30 μs以內(nèi)，中傳網(wǎng)則要控制在150 μs以內(nèi)；二是流量模型發(fā)生了變化，需要有效融合4G網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)，核心網(wǎng)云化部署還需進(jìn)一步規(guī)劃；三是超高精度時間同步，利用5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用下的多點(diǎn)協(xié)同技術(shù)使驅(qū)動同步時間精度得到有效提升；四是要合理規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)，以靈活分配網(wǎng)絡(luò)資源[2]。

3 5G承載網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和建設(shè)方案

3.1 5G承載網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 靈活以太網(wǎng)技術(shù)

靈活以太網(wǎng)技術(shù)的定義來源于光互聯(lián)網(wǎng)論壇（Optical Internetworking Forum，OIF），其增強(qiáng)了以太網(wǎng)物理編碼子層的能力，能夠有效接入媒體控制層，組網(wǎng)靈活性更強(qiáng)。靈活以太網(wǎng)技術(shù)可以利用物理鏈路捆綁方式來進(jìn)一步拓展網(wǎng)絡(luò)容量，解決傳統(tǒng)以太網(wǎng)鏈路傳輸過程中存在的問題，容量分配更加均勻。與此同時，靈活以太網(wǎng)技術(shù)還能服務(wù)于多個客戶業(yè)務(wù)，具有物理隔離功能[3]。

利用靈活以太網(wǎng)交換技術(shù)可以在多個網(wǎng)元之間創(chuàng)建靈活以太網(wǎng)隧道，無須彈出分組，具有超低時延。在檢測隧道性能時，可以使用靈活以太網(wǎng)操作維護(hù)管理（Operation Administration and Maintenance，OAM）系統(tǒng)來檢測故障，并采取有效措施來解決發(fā)生的故障。

3.1.2 源路由技術(shù)

5G信息通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，以SDN和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）為基礎(chǔ)，實(shí)施核心網(wǎng)、基站的云化分布式部署。信息通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中包含多方面的傳輸需求，也對承載網(wǎng)提出了更高的能力要求，應(yīng)當(dāng)具備良好的靈活連接能力。源路由技術(shù)是5G承載的關(guān)鍵技術(shù)之一，而分段路由技術(shù)則是源路由技術(shù)中較為常見的一種技術(shù)類型。分段路由技術(shù)的特點(diǎn)在于轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)無須感知業(yè)務(wù)狀態(tài)，只需維護(hù)拓?fù)湫畔ⅲ瑥?qiáng)化了網(wǎng)絡(luò)支持泛在連接能力，提高了網(wǎng)絡(luò)拓展性。利用分段路由技術(shù)將攜帶路由信息的指令壓棧到報文頭中，中間轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)逐跳提前，相關(guān)指令直接彈出并轉(zhuǎn)發(fā)報文[4]。該技術(shù)的優(yōu)勢在于能夠有效融合SDN技術(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量、拓?fù)滟Y源的實(shí)際情況來計算符合業(yè)務(wù)需求的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，下發(fā)源節(jié)點(diǎn)路由信息，無須與轉(zhuǎn)發(fā)路徑中的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)控制性。

3.2 5G承載網(wǎng)的解決方案

為有效落實(shí)5G承載網(wǎng)絡(luò)方案，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照以下流程來實(shí)施。首先要確認(rèn)無線站點(diǎn)規(guī)模，包括本期建設(shè)規(guī)模、目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、各基站布局、基站地圖位置以及預(yù)計收斂位置；其次要選取CRAN機(jī)房，確定機(jī)房機(jī)位、電源、進(jìn)出局，做好機(jī)房定位工作；再次要確認(rèn)前傳方案，需要考慮多方面內(nèi)容，如融合綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)、基站光纜網(wǎng)設(shè)計等；最后要確定回傳方案，主要考慮接入層組網(wǎng)、匯聚組網(wǎng)、核心層組網(wǎng)和網(wǎng)間對接部分等內(nèi)容[5]。

初步確定CRAN機(jī)房時，應(yīng)當(dāng)選擇環(huán)境安全、交通便利、便于市電接入的位置設(shè)置機(jī)房。自有產(chǎn)權(quán)機(jī)房是首選，市電引入容量與配套設(shè)備配置要滿足需求，機(jī)房面積應(yīng)當(dāng)在20 m2以上，機(jī)房的凈高應(yīng)當(dāng)在3 m以上。與此同時，機(jī)房還要按照功能的不同設(shè)置電力電池區(qū)和設(shè)備區(qū)，滿足設(shè)備空間要求，加強(qiáng)設(shè)備監(jiān)控[6]。

除此之外，要明確CRAN機(jī)房前傳方案。對于集中單元（Centralized Unit，CU）/分布單元（Distributed Unit，DU）與有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）同址的場景，前傳網(wǎng)采用光纖直驅(qū)方式即可；對于集中式部署場景，前傳網(wǎng)可采用光纖直驅(qū)、波分復(fù)用型無源光網(wǎng)絡(luò)（Wavelength Division Multiplexing-Passive Optical Network，WDM-PON）、有源系統(tǒng)等方式。

光纖直驅(qū)方式如圖1所示，無線AAU和DU配置白光光口，采用光纖直接連接AAU和DU。

圖1 光纖直驅(qū)方式

無源WDM方式如圖2所示。無線AAU和DU配置彩色光口，并配置無源WDM合分波板。

圖2 無源WDM方式

有源系統(tǒng)方式如圖3所示，無線AAU和DU配置白光光口，采用Flex-O封裝，減少光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）開銷與處理時延[7]。

圖3 有源系統(tǒng)方式

在明確各站點(diǎn)CRNA機(jī)房的歸屬后，需要計算CRAN機(jī)房接入站點(diǎn)數(shù)量、設(shè)備以及寬帶配置。

依據(jù)《中國移動5G省內(nèi)傳送網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)指導(dǎo)意見》測算帶寬需求，單站峰值帶寬7 Gb/s，均值帶寬3 Gb/s，接入層、匯聚層、核心層的收斂比為8∶ 2∶1。

新建匯聚環(huán)優(yōu)先選擇口字型結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，在不具備光纜鋪設(shè)條件、偏遠(yuǎn)地區(qū)或容量較小地區(qū)可以選擇環(huán)型結(jié)構(gòu)組網(wǎng)。一般匯聚環(huán)下掛接入環(huán)不超過8個，收斂標(biāo)準(zhǔn)站不超過320個。環(huán)網(wǎng)容量初期組建100GE匯聚環(huán)，需要具備平滑升級至200GE或400GE的能力[8]。

3.3 案例分析

以浙江省某公司的5G承載網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目為例，在落實(shí)解決方案的過程中應(yīng)遵循以下內(nèi)容。

（1）基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）集中結(jié)構(gòu)應(yīng)用。優(yōu)先集中城區(qū)5G BBU，逐步收編4G BBU，主要應(yīng)用于宏站、微站，單點(diǎn)集中規(guī)模不超過10個物理站。

（2）在BBU集中場景下選擇適宜的前傳方案。針對4G/5G集中場景，采用普通雙纖、單纖雙向（無線設(shè)備廠家光模塊）、單纖雙向（第三方廠家光模塊）以及無源波分4種方案測算投資，具體數(shù)據(jù)如表1所示[9]。

表1 4種方案測算投資數(shù)據(jù)

（3）確認(rèn)接入層建設(shè)方案。選擇適宜的接入層拓?fù)洌W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上建議采用V字型或口字型系統(tǒng)。系統(tǒng)帶寬暫無合適選擇，后續(xù)根據(jù)商務(wù)應(yīng)用情況確定。

（4）確定匯聚層建設(shè)方案。采用100GE FlexE端口，初期組建環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，中后期以V字型架構(gòu)擴(kuò)容，逐步向網(wǎng)狀網(wǎng)演進(jìn)。

（5）確定業(yè)務(wù)寬帶配置方案。遵循相關(guān)指導(dǎo)意見，初期保證帶寬按照20 Mb/s配置，推進(jìn)實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)整。

（6）選擇適宜的建設(shè)模式。預(yù)估未來2～3年的建設(shè)需求作為商務(wù)談判條件，對分組傳送網(wǎng)（Packet Transport Network，PTN）升級方案與新建切片分組網(wǎng)（Slicing Packet Network，SPN）方案共同進(jìn)行商務(wù)比選，選擇初期建設(shè)和后期擴(kuò)容成本最低的“方案[10]。

4 結(jié) 論

通過對5G承載網(wǎng)絡(luò)需求、架構(gòu)的研究，針對當(dāng)前5G承載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)采取有效的解決方案，推動5G承載網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用推廣。通過對比方案尋找最佳方案，不斷創(chuàng)新相關(guān)技術(shù)，從而推進(jìn)通信領(lǐng)域的長久發(fā)展。