面向5G的承載網(wǎng)需求及關(guān)鍵技術(shù)

面向5G的承載網(wǎng)需求及關(guān)鍵技術(shù)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(wù)的基礎(chǔ).針對新的業(yè)務(wù)需求，提出了低成本城域波分、高精度同步、低時延傳送技術(shù)、FlexE切片技術(shù)以及軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)控制等新技術(shù)，以應(yīng)對5G對傳輸承載網(wǎng)的傳輸能力、設(shè)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(yīng)用場景的需^.%5Gtransmissionbearingnetworkisthebaseof5Gservices.Accordingtothenewservicedemands,severalkeytechnologiesareproposedinthispaper,suchasmetrowavelengthdivisionmultiplexing(WDM)withlostcost,high-definitionsynchronization,transporttechnologywithlowlatency,networkslicingwithFlex-Eandsoft-definednetwork(SDN)technology.Withthesetechnologies,thechallengesof5Gintransportability,equipmentperformanceandintelligentcontrolcanbewelladdressed,andthevariablescenariosofmobileinternetandInternetofthings(IoT)canberealized.【期刊名稱】《中興通訊技術(shù)》【年(卷)，期】2018(024)001【總頁數(shù)】4頁(P17-20)【關(guān)鍵詞】傳輸網(wǎng);5G網(wǎng)絡(luò);同步;SDN;網(wǎng)絡(luò)切片【作者】師嚴;王光全;王海軍【作者單位】中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京100048；中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京100048；中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京100048【正文語種】中文【中圖分類】TN929.5相對于4G網(wǎng)絡(luò)，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(shù)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(wù)對承載網(wǎng)帶來了超低時延（1ms）和高可靠性的要求；5G網(wǎng)絡(luò)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(luò)的靈活智能和高效開放、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù)的廣泛應(yīng)用，推動承載網(wǎng)絡(luò)采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)，高效、敏捷、開放性地滿足差異化的業(yè)務(wù)需求。同時，5G無線核心網(wǎng)架構(gòu)的變化也促進承載傳送網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(yīng)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(wù)場景各具不同特點。?eMMB主要應(yīng)對4K/8K超高清視頻、虛擬現(xiàn)實（VR）/增強現(xiàn)實（AR）等大流量應(yīng)用。eMMB是5G在4G移動寬帶場景下的增強。目前的4G主流帶寬為20MHz，單基站的峰值吞吐量目前為240Mbit/s，而5G網(wǎng)絡(luò)單基站的吞吐量是4G的20多倍，空口頻寬達到100~200MHz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。圖15G三大主要的應(yīng)用場景?mMTC主要應(yīng)對以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)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(luò)具備海量連接的支持能力。mMTC可以促進物聯(lián)網(wǎng)的提質(zhì)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(yīng)對車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等垂直行業(yè)的特殊應(yīng)用需求。為了應(yīng)對無人駕駛、智能工廠等低時延應(yīng)用，uRLLC要求5G時延必須低于1ms。這類應(yīng)用需要網(wǎng)絡(luò)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(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)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(luò)帶寬是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性指標(biāo)之一。在3.5G頻段，按照帶寬為100MHz計算，單站峰值帶寬將達到5Gbit/s，單站均值帶寬也將能夠達到3Gbit/s。5G高頻基站帶寬為20Gbit/s，回傳帶寬主要與空口頻率寬度和天線有關(guān)，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(luò)時延同樣是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性指標(biāo)之一。不同場景下對時延的要求不同，這也會導(dǎo)致對承載網(wǎng)架構(gòu)的影響。eMBB的低時延場景包括AR/VR、高速列車、飛行器、任意50M等，要求端到端（E2E）的時延不超過10ms；大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的低時延場景包括可穿戴設(shè)備、視頻監(jiān)測等，要求E2E時延最小為10ms；CriticalIoT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1ms。從5G業(yè)務(wù)顆粒和業(yè)務(wù)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(luò)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(yīng)等導(dǎo)致的流量波動；（2）支持流量的靈活路徑調(diào)整，網(wǎng)絡(luò)負載動態(tài)均衡；（3）網(wǎng)絡(luò)開放、可編程，支撐新增業(yè)務(wù)快速部署；（4）組播能力，災(zāi)難/自動駕駛等場景下，信息快速推送。5G業(yè)務(wù)在關(guān)鍵績效指標(biāo)（KPI）差異化的需求明顯，對網(wǎng)絡(luò)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(wù)質(zhì)量（QoS）很難滿足5G三大場景應(yīng)用需求，因此業(yè)界提出以網(wǎng)絡(luò)切片來應(yīng)對差異化承載。網(wǎng)絡(luò)切片的目的在于通過切片實現(xiàn)差異化的服務(wù)，保證每種業(yè)務(wù)都能根據(jù)其業(yè)務(wù)特點得到最佳承載要求，同時切片有助于設(shè)備和存儲資源的安全管理。承載網(wǎng)絡(luò)需要思考前傳/中傳/回傳網(wǎng)絡(luò)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(luò)切片的承載網(wǎng)方案。2面向5G的承載傳送網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)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(luò)部署架構(gòu)，要求承載網(wǎng)應(yīng)具備靈活、高效、低成本、智能的品質(zhì)。在研究面向5G承載的技術(shù)方案時，主要考慮以下原則：（1）架構(gòu)清晰，通過架構(gòu)優(yōu)化降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，提高網(wǎng)絡(luò)靈活適應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展和5G網(wǎng)絡(luò)部署不確定性；（2）網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，適當(dāng)集約，推動以綜合業(yè)務(wù)接入點為目標(biāo)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(luò)智能，能夠快速進行業(yè)務(wù)的優(yōu)化調(diào)整，滿足大量業(yè)務(wù)發(fā)展、調(diào)整；快速響應(yīng)業(yè)務(wù)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(shù)，降低接入段成本。采用合理的網(wǎng)絡(luò)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(wù)承載需要，還能夠滿足專線等業(yè)務(wù)承載的需要。2.1G.metro低成本城域接入技術(shù)由于G.metro系統(tǒng)支持室內(nèi)和室外全場景復(fù)雜環(huán)境接入應(yīng)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(shù)挑戰(zhàn)，目前已在10G/40G/100G中廣泛應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)及功能，設(shè)計新結(jié)構(gòu)，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(yù)估如圖2所示，業(yè)內(nèi)傾向于采用IID和IU切分，對于100MHz頻譜、64T64R、16流的應(yīng)用，eCPRI接口需要支持25G速率。移動前傳應(yīng)用工作距離較短（拉遠光纖傳輸距離小于20km，絕大部分小于10km），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(shù)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)。25G光模塊主要在數(shù)據(jù)中心的短足巨應(yīng)用和100GBASELR4/ER4應(yīng)用，工作于單模光纖的單通道長距離25G和密集型光波復(fù)用（DWDM）25G光模塊并不夠成熟，相關(guān)標(biāo)準化工作尚未完成。25G電芯片和光芯片在逐步成熟中，部分廠家已發(fā)布25GDWDM光模塊，波長可調(diào)25G光模塊也即將發(fā)布［5］。2.2低時延全光組網(wǎng)技術(shù)超低時延是5G業(yè)務(wù)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(guān)鍵點?！鴪D2eCPRI功能劃分及帶寬預(yù)估在前傳，采用G.Metro技術(shù)實現(xiàn)全光接入網(wǎng)絡(luò)，并能夠?qū)崿F(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(luò)拓撲示意如圖3所示。利用G.Metro或波分復(fù)用（WDM）進行端口匯聚；在核心匯聚層，通過可重構(gòu)光分插復(fù)用器（ROADM）靈活的光層調(diào)度，減少電交叉部分的業(yè)務(wù)調(diào)度量，實現(xiàn)光層直達，免去了中間不必要的光-電-光轉(zhuǎn)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(fù)用層次等技術(shù)，提高OTN封裝和解封裝的效率，從而降低OTN設(shè)備的單點時延。此外，通過引入SDN技術(shù)，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(luò)下的最優(yōu)轉(zhuǎn)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。▲圖3超低時延全光傳送網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖2.3高精度同步傳送技術(shù)對于5G基本業(yè)務(wù)，第3代合作伙伴計劃（3GPP）目前已經(jīng)確定時間精度指標(biāo)要求為±1.5卜,標(biāo)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(biāo)，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(shè)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(shè)備靜態(tài)誤差由現(xiàn)有的20~25ns提升至10~15ns。（2）5G承載傳送中采用G.Metro技術(shù)。G.Metro技術(shù)中的頭端設(shè)備（HEE）及尾端設(shè)備（TEE）設(shè)備之間僅為一跳，其中經(jīng)過的設(shè)備均為無源設(shè)備，不影響時間同步的傳遞精度。采用G.Metr。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.Metr。技術(shù)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(luò)時間傳遞精度。對于載波聚合、MIMO等特殊業(yè)務(wù)，指標(biāo)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(shè)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(luò)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(shù)，實現(xiàn)端到端智能管控。SDN管控運維系統(tǒng)應(yīng)同時具備網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)部署和發(fā)放、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測控制、保障和優(yōu)化等功能，目標(biāo)是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)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(yīng)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(wù)服務(wù)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(luò)等網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中部門之間的人工協(xié)作轉(zhuǎn)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(wù)自動發(fā)放APP等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，具備網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)快速發(fā)放，帶寬快速調(diào)整，故障快速恢復(fù)等功能。SDN系統(tǒng)可以針對用戶的不同業(yè)務(wù)，對丟包率、誤碼率、時延、抖動等KPI指標(biāo)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(yù)測，對不同類型的客戶提供差異化的服務(wù)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(luò)運維效率，自動提供有效的承載網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化建議。2.5FlexE與網(wǎng)絡(luò)切片對于網(wǎng)絡(luò)切片的應(yīng)用，無論是企業(yè)專線、低時延業(yè)務(wù)SLA保證，還是垂直行業(yè)的獨立管控，綜合承載多業(yè)務(wù)之間的隔離，本質(zhì)上都是要求分片網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)上定義了基于Nx5G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FlexEShim，是以太網(wǎng)的多速率子接口在多PHY鏈路上的新技術(shù)［7］。FlexE應(yīng)用場景包括：（1）適配路由器不同業(yè)務(wù)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(wù)和客戶的網(wǎng)絡(luò)要求；（2）通過可變帶寬以太網(wǎng)，路由器子接口與光網(wǎng)絡(luò)ODUflex管道結(jié)合起來，實現(xiàn)IP+光進一步協(xié)同；（3）端口捆綁，如將Nx100GE捆綁成的超100GE大管道接口。FlexE技術(shù)是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的主流技術(shù)方案之一，基于FlexibleEthernet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(wù)的IP承載網(wǎng)絡(luò)。3結(jié)束語5G時代將開創(chuàng)一個新的產(chǎn)業(yè)，從以前的網(wǎng)絡(luò)為中心變?yōu)橐詷I(yè)務(wù)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(luò)中，承載網(wǎng)是不可或缺的一