面向5G的传输承载需求和技术介绍

2020-03-06

广东通信技术 2020年6期

1 引言

进入5G时代，将给互联网带来创新的商业模式，如智慧城市、车联网、工业控制、无人驾驶、智能农业等应用行业，为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。除此之外，5G网络的切片服务、虚拟化核心网的分布式部署架构、超低时延业务、高精度时间同步等网络和业务特点都对承载网提出了更多、更高的要求。本文从5G传输网现状和需求出发，分析了5G传输网重构的必然性和5G传输新技术，总结了5G传输网解决方案原则，提出了5G传输网部署方案，对保障5G网络高质量发展和业务快速部署将起到重要作用。

2 5G网络承载需求分析

5G基站回传带宽需求大幅度提升，预计将达到LTE基站的10倍以上，现有移动回传承载网络的容量难以满足。另外，5G网络的切片服务、虚拟化核心网的分布式部署架构、高精度时间同步、超低时延业务等网络和业务特点都对承载网提出了更多、更高的要求。特别是针对增强移动宽带（eMBB）、大规模物联（mMTC）及高可靠低时延（uRLLC）等不同应用场景，5G用户体验的接入峰值最大需求相对于4G提升了数十倍甚至更高量级，端到端时延要求和时间同步精度需求相对于4G均提升了10倍以上的量级。需加强满足诸多新型特性的5G回传承载方案的研究。

5G基站密度高、容量大、灵活部署的特点，并且要求承载网应具备灵活、高效、低成本、智能的品质。5G商用，传输先行。5G传输是5G无线网和核心网的纽带，是5G网络建设必不可少部分。5G传输承载方案应具备以下特征。① 网络智能化，可以快速调整并且优化业务，推动大量业务的发展与调整；加快反映业务路由的相关调度与更替；具有全网最智能化的编排调度能力。② 构架清楚明晰，通过构架的进一步优化来减少网络建设的成本，提升网络的灵敏程度，推动业务的扩张。③ 多业务接入承载具有综合性，不仅能满足5G业务承载的需求，而且能满足专线等综合业务承载的需求。④ 网络稳定，合理地进行集约，把综合业务的顺利接入与传达作为最终目标，加快 C-RAN的布置与安排，从而满足基站快速接入的需求。

3 5G传输网络重构的必然性

3.1 5G无线接入网架构变化

相比4G网络5G网络的RAN无线接入网架构发生了较大变化，其BBU裂化为CU、DU两部份，5G基站重构为CU、DU、AAU三级架构，其中CU和DU可以分开部署，也可以合一部署，这根据场景和需求确定。当CU和DU可以分开部署，需要在CU和DU之间部署“中传”承载网，这样5G承载网就从4G网络的前传和回传两部份变成了前传、中传、回传三部分。

（1）前传网络

前传网络是AAU和DU之间的网络，是5G移动传输网络的一部分。前传网络符合低延迟要求，且支持eCPRI。传递无线侧网元设备AAU和DU间的数据。前传网络实现5G的C-RAN场景信号的透明传送。与 4G相比，接口速率和接口类型不同。前传接口也将由10 Gbit/s CPRI升级为25 Gbit/s eCPRI或自定义CPRI接口等。

（2）中传网络

中传网络是指DU与CU之间的网络，传递5G无线侧网元设备DU和CU间的数据。中传网络为非实时业务提供合理的低时延，并且支持统计复用。中传网络面向5G引入了新的承载网络层次，随着CU和DU云化部署发展，中传网络也需要支持面向云化应用的灵活承载。

（3）回传网络

回传网络是指CU与核心网之间的网络，是5G移动传送网络的一部分，传递5G无线侧网元设备CU和核心网网元间的数据。在5G时代，MEC需要部署到CU这一侧，因此要求回传网络能够提供灵活的网络连接，并支持统计复用，同时5G核心网云化部署在省干和城域核心的大型数据中心DC，MEC将部署在城域汇聚或更低位置的边缘数据中心。

3.2 5G核心网架构变化

3.2.1 5G核心网云化

5G核心网进行云化，其UPF（User Plane Function，用户面功能）按需下沉。受业务发展驱动，5G核心网发展成满足全业务接入和服务全业务场景的云化网络架构，引入SDN和NFV技术，通过网络切片功能实现不同业务虚拟隔离。总之，5G网络组网架构的变化对传输网络提出了新的变化，它使网元设备之间的联接变为云之间的互联组网。

核心网云化可以使硬件与软件进行有序地耦合与分离，网络规模方面用软件取代硬件的部署，提升了集成效率，实现了网络规模的灵活运转。核心网云化，引入新型服务器设备，改善了设备消耗，统一了硬件平台与软件分离的部署，降低了投资成本。核心网云化可以有效地对资源部署进行统一的编排和调度，实现资源的共享。在业务能力开发与虚拟化系统方面，在核心网络云化的控制层中引入SDN的技术理论，可以简化体系结构，有效地协调和监控各个资源设备在各个层之间的有效运转，方便运维。

因此，核心网云化可以提高网络资源的合理化应用，提升硬件与软件之间的耦合性，从而实现业务上的灵活调整，还可有效地降低运维成本，提高运营企业的经济效益与生产效益。

3.2.2 MEC部署按需下沉

MEC技术通过业务本地化、缓存加速以及本地分流、灵活路由等技术可以有效降低网络回传带宽需求，缓解核心网的数据传输压力，从而避免了核心网传输资源的进一步投资。基于MEC提供的边缘云计算服务，可以将传统的部署在Internet或者远端云计算中心的业务应用，迁移至无线网络边缘部署。此时，特定业务或者将非常受欢迎的内容可以部署或者缓存在靠近无线接入网以及终端用户的位置，从而可以有效降低网络端到端时延，提升用户的服务质量。基于MEC的边缘计算与存储能力，通过将高能耗计算任务卸载/迁移至MEC服务器，可有效解决计算任务迁移到远端云计算中心带来的时延问题。

MEC技术使得传统无线接入网具备了业务本地化、近距离部署的条件，无线接入网由此具备了低时延、高带宽的传输能力，有效缓解了未来移动网络对于传输带宽以及时延的要求。除此之外，由于MEC靠近无线网络及用户本身，更易于实现对网络位置、网络负荷、无线资源利用率等信息的利用和感知，并通过开放给第三方业务提供商，从而可以有效提升用户的业务体验，促进网络和业务的深度融合。

综上所述，MEC通过将计算存储能力与业务服务能力向网络边缘迁移，使应用、服务和内容可以实现本地化、近距离、分布式部署，从而在一定程度解决了5G网络eMBB、uRLLC、mMTC等技术场景的业务需求。

4 5G传输网新技术

为满足5G业务承载的这些新要求，传输回传网络必须引入一些新技术手段来解决增强移动宽带（eMBB）、大规模物联（mMTC）及高可靠低时延（uRLLC）三大应用场景的差异化业务需求。

灵活以太网技术FlexE（Flexible Ethernet）：它是基于高速Ethernet接口，将以太网MAC层和PHY实体层解耦而实现低成本、高可靠、可动态配置的电信级接口技术。FlexE技术的一大特点就是实现业务带宽需求与物理接口带宽解耦合，从而实现灵活的速率匹配。FlexE带宽扩展技术通过时隙控制，保障业务严格均匀分布在FlexE Group的各个物理接口上，并且可以通过动态增加或减少时隙数量实时调整网络带宽资源占用，应对业务流量的实时变化。FlexE技术通过时隙交叉技术实现基于物理层的用户业务流转发，用户报文在网络中间节点无须解析，业务流转发过程近乎实时完成，实现单跳设备转发时延小于20～25 µs，为承载超低时延业务奠定了基础。

灵活光传输网技术FlexO（Flexible Optical Transport Network）：通过绑定多个标准速率的物理接口（如N×100 G）来支持更高容量的ODU flex和OTUCn，OTUCn提供互通的系统接口，实现超100 G OTN高速率信号的传输。FlexO通过多路绑定技术实现5G高速信号的传输，使得5G光传送网这个“大动脉”变得更强大、更灵活、更智能。在不久的将来，高速率200 G/400 G光模块成熟后，通过FlexO技术还可以将OTUCn信号拆分为m个大颗粒的OTUC2/OTUC4信号，映射到200 G/400 G FlexO Frame.最后采用多路光模块绑定实现更高速率（T级别）的接入传输。

分段路由技术SR（Segment Routing）：SR是一种源路由转发技术，即只需在网络的入节点指定数据包要途经的部分或全部节点和链路信息，其它途经节点只需转发，不需维护连接状态。SR的这种原路由技术可直接应用在MPLS架构上，且对MPLS进行了优化，让网络部署和维护变得更容易。降低了网络连接的复杂度，提高了业务路由转发效率，支撑 5G网络实现海量连接的灵活调度。