低时延高可靠性的5G承载网络挑战和实现

黄春辉

（中国移动通信集团广东有限公司河源分公司，广东 河源 517000）

1 引言

2G时代为满足基于TDM（Time Division Multiplexing，时分复用）技术的语音业务需求，发展了SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字传输体制）技术，3G/4G时代，受全IP化的业务驱动，产生了以中国电信为主导的IPRAN（IP Radio Access Network，无线接入IP化）承载网和以中国移动为主导的PTN（Packet Transport Network，分组传送网）承载网络。5G时代，业务类型相比以往通信时代大大丰富，其对承载网络的各项特性要求也更加苛刻。5G应用场景普遍认为主要包括增强型移动宽带（eMBB)、大规模物联网（mMTC）、关键业务型服务（uRLLC）三大类型。其中面向垂直行业应用的uRLLC业务要求极低时延和高可靠性，超低时延和高可靠性成为5G网络的关键特性之一。

一个低时延的承载网络实现关键依赖于超大的传输带宽、极低的设备处理时延，以及最短的光信号传输距离[1]。前两个因素受限于设备能力，可以归结为设备因素，最后一个因素受限于光信号在光纤介质中的固有传播速度，主要通过组网结构来改善，可归结为网络结构因素。本文接下来将立足于这两个因素，对5G承载网络实现低时延和高安全性的挑战和解决方案进行分析。

2 低时延高可高性承载网的现实挑战

2.1 设备技术演进的挑战

为降低设备串行时延，需要采用大带宽传输技术。在超大带宽传输方面，基于相干通信技术的100 G高速OTN（Optical Transport Network，光传送网）传输系统已大规模商用，且已可以实现400 G的超高速传输。但长期以来，OTN只用于大颗粒业务传送，主要原因在于其光通路数据单元（ODUk）是标准容量的容器，业务只能按标准容量封装，因此传统OTN不支持灵活带宽调度，对低速业务承载效率非常低。一个传输系统中，若承载业务颗粒度小于传输逻辑管道，则带宽利用率低下；若承载业务颗粒度大于传输逻辑管道，则存在丢包风险。高速传输系统要实现高效承载，必然存在与业务侧速率适配的问题。5G应用场景包括大颗粒度业务，也包括小颗粒度业务，都需要在同一张承载网上实现。对于通信运营商来说，即使在5G时代，也还需要面临将长期存在的GSM基站2M接入需求。面向5G业务的低时延大带宽传输系统，需要实现对网络带宽的灵活调度，满足多样化的业务需求。

为降低设备处理时延，需要采用低时延转发技术。根据《中国电信低时延光网络白皮书》，各类传输器件时延分析如表1所示。

表1中未列入PTN设备类型，PTN设备是中国移动全力推动建设的4G承载网络，其设备单站时延介于SDH设备和L2交换机之间。可以看出，就时延来说，在L1设备层面，OTN最具优势，可以实现10 us～100 us量级的负载无关的低时延转发。OTN技术可实现全光层交叉调度，具有天然的大带宽低时延传输特性，因此中国电信已发布的5G承载网技术方案中，倾向于选择分组增强型OTN设备加路由器的组网方案。这个方案和其4G网络的IPRAN承载方案一脉相承[3]。但对其它运营商来说，如何保护现有投资，充分利用花巨资打造的PTN网络是必须考虑的问题。

2.2 组网构架改变带来的挑战

根据5G网络设计构架，4G网络中的BBU功能在5G网络中将被重构为CU和DU两个功能实体，CU与DU功能以处理内容的实时性与否进行区分，CU设备主要包括非实时的无线高层协议栈功能，同时也支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务的部署，而DU设备主要处理物理层功能和实时性需求的2层功能[4]。根据DU和CU部署位置的差异，如图1所示，5G RAN组网可以分为三种方式。

在5G C-RAN组网构架中，传输承载网分成了前传（Fronthaul）、中传（Middlehaul）和回传（Backhaul）三个部分。为降低5G网络时延，核心网和无线网采用核心网功能下沉、边缘计算、无线网云化等技术措施，以达到缩短数据传输距离，实现低时延的网络能力。也即是在5G网络构架设计中，对承载网时延和安全要求最高的是前传网络这一部分。

表1 网络电路时延分析[2]

图1 5G RAN组网方案

业界对5G前传承载方案选择，包括光纤直驱，无源WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分复用），OTN或者SPN（Slicing Packet Network，切片分组网络）等方案。从时延最小的角度考虑，光纤直驱不引入器件时延，必然是最优的方案。考虑安全性，OTN方案或者SPN的方案可以实现纤芯复用，支持电层和光层的性能及故障检测，提供网络保护，是安全性较高的方案。但在现实网络中，由于RRU是最末端设备，光缆路由单一，OTN或SPN设备的环网保护功能实际并不能有效发挥作用，反而可能由于器件引入增加故障点，且未来密集组网的设备机房选择将越来越成为通信建设难点。4G网络中BBU-RRU之间的承载也普遍采用了光纤直驱的方案，具有其必然性。对于光缆基础网络的规划和安全管理，在5G承载网中，需要突破传统的以满足业务快速开通为向导的单一思路。

3 低时延技术选择与可靠性保障

3.1 灵活接口技术及其扩展

为解决大带宽高速传输技术对低速业务承载效率低下的问题，需要相应的接口技术和协议来实现任意客户侧速率接入后的统一承载问题，由此推动了灵活光接口技术的发展和标准制定。业界对灵活光接口技术标准有两个选择：基于光传输技术的FlexO和基于以太网技术FlexE。中国电信提出的分组增强型OTN+路由器的组网模型，采用FlexO灵活光接口技术，配合ODUflex，以实现5G承载网络灵活的网络资源调配。ODUflex为非固定带宽的ODUk技术，用户可根据业务的大小，灵活配置容器的容量，以达到对线路带宽高效的利用，并利用OTN天然的低时延特性、ODUK穿通转发和OTN SNC保护，实现低时延高可靠性承载。

中国移动在PTN网络基础上，提出SPN承载5G业务的方案。SPN采用了FlexE灵活以太网技术，也称增强型以太网技术。其帧结构如图2所示，基本原理是在以太网MAC层和PHY实体层之间增加一中介层（FlexE Shim层），用于调节控制，其主要能力包括通道绑定、速率划分、物理层分导等，FlexE技术大大提升了以太网的组网灵活性。在4G的PTN承载网络中，链路扩容可以采用端口链路聚合技术（LAG）或者等值路由技术（ECMP），但是链路聚合主要用作客户侧（UNI），对网络侧（NNI）的扩容一直存在难点。等值路由技术属于三层技术，转发时延较大，不适应于低时延的网络要求。FlexE技术通过多个物理链路捆绑可有效实现容量扩展。

图2 FlexE帧结构示意图

FlexE分片是基于时隙调度，将一个物理以太网端口划分为多个以太网弹性硬管道，扩展到Tunnle层，与FlexE Switch技术结合，形成类似SDH时代的刚性时隙通道（TDM），将数据交换转发直接在shim层进行，实现低时延数据转发。其逻辑时隙通道的划分，在不同的业务类型之间形成刚性管道，严格隔离不同业务，满足5G网络分片要求，适配不同业务差异化性能需求，优先保证uRLLC业务低时延转发。FlexE Tunnel可以实现业务的1：1或1+1保护，在主用路由故障时承载通道快速自动倒换，确保网络安全。

3.2 基础光缆网的网格化精细管理

光缆资源作为光传送网络最基础的资源之一，其安全性直接关系到整个网络的安全。由于5G基站密集组网，5G承载网将需要消耗大量的纤芯。对于载网来说，做好光缆网的优化配置，是保障网络安全，尤其是采用光纤直驱方案的前传网络安全的重要手段。在5G C-RAN组网构架中，CU或者CU/DU放置在综合接入机房，可以综合接入机房为核心，依托市政主干道路建设主干光缆环，次干道路建设配线光缆环，整个光缆网络形成环网。在综合业务区内，根据街道对地形的分割，结合业务分布情况，划分网格单元，形式每个网格单元不同方向的光缆路由，如图3所示。

当某一方向的光缆故障时，网格内业务可以有部分通过另有方向的光缆承载，确保不发生业务全阻，可以大大提升网格内网络安全。以网格为单位，对光纤基础网络进行精细化管理，对保障高可靠性低时延的5G承载网络有重要意义。

图3 网格化组网示意图

4 结束语

虽然说“5G商用，承载现行”，但在实际网络规划中，承载网又需要以业务网络需求为导向，5G核心网络和无线网络的标准尚未正式落地之前，承载网的技术标准也必将难以确定。本文立足于承载网络现状，对5G承载网络实现低时延和高安全性的挑战和解决方案进行了分析，FlexE技术及其扩展是实现低时延高可靠性承载网最有前景的技术之一，光缆网基础资源的网格化精细管理，是保障面向5G承载的前传网络安全的有效手段。

参考文献：

[1]叶胤,刘兴华. 低时延传输网络设计[J]. 电信技术,2013(11)： 92-94.

[2]中国电信集团公司. 低时延光网络白皮书[R]. 2016.

[3]中国电信CTNnet2025网络重构开放实验室. 5G时代光传送网技术白皮书[R]. 2017.

[4]IMT-2020（5G）推进组. 5G网络构架设计白皮书[R].2016.

[5]李晖,付玉龙. 5G网络安全问题分析与展望[J]. 无线电通信技术, 2015,41(4)： 1-7.

[6]原亮,刘成,付荔. 设备收发组合时延传递测试技术研究[J]. 无线电工程, 2012,42(11)： 29-31.

[7]王涌,张燕燕. 具有时延和丢包的网络控制系统稳定性分析[J]. 计算机工程, 2015,41(10)： 111-116.

[8]曹芮浩,方贤文,王晓悦,等. 业务流程的时延预测队列挖掘方法[J]. 计算机工程与应用, 2017,53(9)： 226-230.

[9]孙嘉琪,李玉娟,杨广铭,等. 5G承载网演进方案探讨[J].移动通信, 2018,42(1)： 1-6.

[10]李光,赵福川,王延松. 5G承载网的需求、架构和解决方案[J]. 中兴通讯技术, 2017,23(5)： 56-60. ★