5G承载网络典型架构及技术方案分析

2020-02-02罗小平

通信电源技术 2020年20期

罗小平

（四川通信科研规划设计有限责任公司，四川成都 610041）

0 引言

经济和科技的同步发展，推动了人们生活水平和生活质量的稳步提升。人们对通信和网络传输要求越来越高，更注重传输质量和传输速度。自2G、3G技术衍生以来，4G、5G技术也迅速发展与普及。虽然5G发展给人们的生活和生产带来了更多的可能，但是5G技术的发展也对原有的传输承载网络架构提出了更高的要求，在此背景下基于4G网络的承载网络架构面临挑战也面临更多机遇。尤其是国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）定义了大规模连接（massive Machine Type of Communication，mMTC）、增强移动带宽（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）和高可靠低时延（Ultrarelaible and Low Latency Communication，uRLLC）3 类5G业务场景，不同新型业务的出现进一步提出相关要求，其中5G网络承载需求成为核心。同时，核心网络、无线网络与4G网络相比也具有一定变化，更提高了5G承载网的智能协同、灵活管理/部署需求。运营商在这一契机下需要对4G承载网络构架进行进一步分析，结合现有承载网络提出并优化5G承载网络架构。

1 5G承载网络发展需求

5G网络的发展是基于完善5G承载网络基础上的，与传统4G承载网络相比，5G承载网对性能、灵活性等要求更高。

1.1 高带宽上行

表1列出了5G网络下高/低频基站的单站峰值带宽和单站均值带宽，与4G网络下的单站均值带宽及单站峰值带宽相比明显提高，高频的单站峰值带宽超过10 G。在提升5G承载网承载需求的同时，还提高了接口带宽的明确要求，在其相关设备及其平滑扩展能力方面也具有明确提升需求，以此来满足5G网络运营和业务发展的实际需求。

表1 5G基站流量理论值

1.2 宽差异时延

5G发展的新业务需求包括大规模连接（mMTC）、增强移动带宽（eMBB）和高可靠低时延（uRLLC）3类5G业务场景，其中uRLLC场景对网络的端到端时延提出了明确要求，要求其低于1 ms。这种低时延对5G网络发展提出了更高的要求，承载网需要协同核心网功能，实现下沉来满足低时延要求[1]。

1.3 高精度同步

随着5G网络的发展，无线网络随之不断发展，对无线基站建设提出了更高要求，不仅要求相邻基站之间不能相互干扰，而且要求相邻基站之间能实现业务协同。就传统4G和目前5G网络中的端到端时间同步精度要求来说，具有明显区别，目前5G网络要求其达到微秒级别，某些5G应用场景下的高精度业务如定位服务则要求时间同步精度达到纳秒级别，精度要求更高。

1.4 网络切片

基于SDN（Software Defined Network，软件定义网络）/NFV（Network Function Virtualization，网络功能虚拟化）的云化切片架构建立相应的核心网络及RAN网络（Radio Access Network，无线接入网），对不同场景、不同业务以及不同需求具有不同功能切片要求。这就对网络的可靠性、网络功能以及时延等提出了不同新需求，而解决和应对这一需求的关键是解决5G承载网问题。因此，需要在5G承载网的发展过程中不断引入新技术，包括控制技术、接口技术等，以实现5G网络发展的低时延、大带宽、高精度以及网络切片等要求[2]。

2 5G承载网搭建需要的关键技术

2.1 低成本城域接入技术

在5G承载网中引入G.Metro（融合超带宽），可实现网络内外复杂环境的有机联系，保证5G网络能应用于不同的网络运行环境，如拓展级、商业级及工业级等不同网络环境。在5G承载网搭建过程中，需要根据实际的环境需求调整网络波长，以适应不同的环境需求。另外，在承载网功能搭建以及激光器机构构件的安装过程中，需要综合考虑不同业务和不同环境的承载需求，引入新型材料，同时引入共享的波长锁定机制，以此在保证5G承载网接入成本的同时确保5G承载网的运行质量，提高5G承载网的综合运行能力[3]。

2.2 低时延全光组网技术

经过多年发展，4G网络的基础设施日益完善，5G承载网的发展需要在现有4G承载网的基础上进行不断优化，以提升其低延时性能，建议在其中引入光传送网技术。

在前传引入G.Metro技术全光接入网络中，以此保障5G承载网移动性能和固定性能统一[4]。

在中传引入ROADM（Reconfigurable Op cal Add-Drop Multiplexer，可重构光分插复用器）和WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分复用）OTN（Optical Transport Network，光传送网）技术实现对承载网的优化，以此降低点交叉部分业务调度频次。这样可保障5G承载网运转过程中业务能迅速到达光层，有效减少以往4G网络中的业务光电转换操作，最终达到端口与端口之间的低延时效应。在5G承载网络搭建及其运行过程中，需要考虑光传送网络结构，对其进行进一步的简化和升级，最终实现OTN系统的解封装，以此降低OTN设备的单点时延效应。另外，还可以将SDN技术引入5G承载网络中，实现光融合和分组的协调管理与统一，保证5G承载网络多层架构的实现，以确保其具备有效的传输性能。通过引入SDN技术进一步提升了5G承载网络的低延时性能，同时保障了5G承载网的数据传输、传播效率。

2.3 高精度同步技术

高精度同步技术是5G承载网络中最基础、最关键的技术之一，国家对5G承载网的时间精度提出了明确要求（2018年6月发布相关标准），基于具体的要求，在5G承载网中引入3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作计划）技术。但随着5G承载网的发展，不断提出更高要求，如时间控制精度提高，要求达到纳秒量级。在此背景下需要进行以下操作。一方面，保证5G承载网稳定性。通过保证各个单项设备的运行稳定性来保证承载网的稳定性，同时需要考虑设备运行成本。在其中引入1588v2边界时钟设备，以实现静态误差的锁定和监测，进一步提升5G承载网的运行精度，从原有的20～25 ns水平提升至10～15 ns水平，缩小5G承载网运行时间，保证其在最小误差满足国家相关标准的基础上保障网络系统稳定运行。另一方面，保障5G承载网络的传输精度和相关设备的运行精度。通过引入G.Metro技术在头端设备（HEE）与尾端设备（TEE）之间设定一个隔间跳板，实现5G承载网中相关数据的同步传输，保证5G承载网运行质量的同时也符合5G承载网的运行理念。在5G承载网络中引入G.Metro技术提高了5G网络的时间传递准确度，同时有效降低了路径跳数。另外，还可在5G承载网中引入单纤双向技术，以此来提升5G承载网相关设备之间的对称性，缩小5G承载网中可能出现的细微误差，避免影响其可能对5G承载网络时间传递准确性的影响。在5G承载网中科学运用高精度同步技术，需要保证传输同步精度在几十纳秒等级，通过减少过点跳数、下沉节点设备等方式保障5G承载网中各个数据节点的时间传输精准性。

2.4 端与端智能控制技术

5G承载网具有较大的数据量，导致其运行过程中端口之间具有非常大的连接量。在此种情况下，为保障网络正常运行，需要进一步提升5G承载网不同端口间的灵活性。通过引入SDN技术在回传段和中传段之间实现网络协同运输，以保障不同端口之间的智能管理与控制。通过SDN技术保障实现5G承载网的网络监测和网络业务管理，若5G承载网运行中出现了某些突发状况，在SDN技术的支持下能给出警报信号，最终通过及时干预等手段来保障5G承载网健康运行。SDN技术的引入实现了对系统中不同模块的科学整合和有效管理，在此基础上进行智能优化和全局管理，通过不同模块之间的跨网统一管理有效保障5G承载网的安全高效运行[5]。

3 5G承载网络典型架构实证分析

3.1 IP RAN运营商网络架构

多种传输设备的协调配合构成了IP RAN运营商现有的传输网络，涵盖早期的SDH（Plesiochronous Digital Hierarchy，准同步数字系列）、PDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系），分组网的IP RAN，以及后期的光接入网。

不同的设备承载不同的业务类型：VC（Virtual Concatenation，虚级联）被技术应用于构建SDH，其作为刚性管道网络代表，目前在政企类及相关专线业务方面具有很好的承载性。基于此构建的SDH网络资源和传统网络资源相比具有更高的利用率，但是也带来了通道资源紧张、网络拓展性较差等问题，导致很多厂家已经停产MSTP及相关设备。

基于光接入网络（Optical Transport Network，OTN）的网络架构作为刚性管道网络又一代表，在设备中引入ODU（OracleDatabaseUnloader，集光纤配线单元）技术用以网络架构，目前主要应用于数据类大颗粒业务领域。基于该设备的承载网虽具有丰富的通道资源，但网络覆盖率较低，建设成本相对较高。

IP承载网络和IP RAN网络采用分组交换技术，在当前网络发展和运营中主要应用于4G LTE和3G网络的承载。其也是目前IP RAN运营商基站业务的唯一承载平台。

IP RAN运营商传输网络支持三层静态路由，并且基于IP RAN的承载网具有极强的寻址能力，因此保障了其具有较低网络建设成本的同时具备良好的网络拓展性能。IP RAN 运营商在网络发展基础上开始进行完善，该网络的发展和完善进一步拓宽了应用领域，通道类政企业务开始引入并应用，传统MSTP网络承载压力因此得到有效释放。这便进一步推动了IP RAN网络的转型和完善，综合承载平台逐渐出现。

3.2 IR PAN网络架构

在目前的3G、4G LTE承载网络发展与建设中，IP RAN运营商主要基于IP RAN设备构成核心层、汇聚层以及接入层的三级架构。核心层、汇聚层及接入层分别由高端、终端、低端路由器构成，其中各个路由器设备均成对出现。接入层的构建以环状结构为主、链状结构为辅，接入层链路采用小于10 GB的上行带宽，核心层至汇聚层采用20～40 GE上行带宽。

3.3 网络结构优化策略

3.3.1 网络扁平化

5G移动通信网络发展和演进的关键是承载大宽带和无线空口技术，并且对网络扁平化要求更高，IP RAN网络架构在未来的发展中有衍生出扁平化的趋势。汇聚层的发展呈现出汇聚ER部署的削减及取消，通过这种方式有效降低网络层级，同时有效缩减时延开销。C-RAN部署模式在接入层的应用，实现了区域网格的科学规划，综合业务区机房也基于此进行了有效划分。农村地区新建杆路的出现以及城区管道资源日益紧张，导致5G承载网运营商的光缆建设成本不断提高，而网络扁平化的发展可有效节约机房资源和光缆资源。

3.3.2 网络智能化

人们对5G承载网具有灵活调度、海量连接以及大流量等典型需求，因此提高了对网络运营商的挑战。前面已经提出在5G承载网的发展中需要不断引入SDN智能技术，以此降低IP RAN网络资本性支出（Capital Expenditure，CAPEX）和运营成本（Operating Expense，OPEX），进而实现业务的科学快速部署，更快地抢占客户及市场。