基于5G不同业务场景的回传网络新技术

1 引言

我国在“十三五规划”中把5G描述为“新的增长点”和“战略性新兴产业”，工信部在2019年正式发放了第五代移动通信技术商用牌照，四大运营商也纷纷加快了5G通信网络的规划部署和建设步伐。在5G网络中，BBU（基带处理单元）被重构为CU（集中单元）和DU（分布单元），回传网络处于CU和核心网之间，是连接两者的纽带。

5G业务场景目前主要有eMBB（增强移动宽带）、mMTC（海量机器连接）和uRLLC（低时延高可靠通信）三个业务场景，不同的业务场景对回传网络提出不同的要求，需要适合的关键技术支撑，这些关键技术中除了包含适合三种业务场景的网络切片技术和mesh型组网技术，还包括了适合不同业务场景的不同新技术。

2 支撑eMBB业务场景的回传网络新技术

eMBB业务场景主要包括移动视频监控、传感器网络、虚拟现实、高速移动上网和4K/8K超高清数字电视等业务。据测算eMBB的单用户的接入峰值速率可提升到1 Gbps，单基站均值带宽可达到 6.75 G，单基站峰值带宽将达到16 G，热点区域的单基站峰值带宽甚至可以达到50.8 G。因此eMBB对5G回传的网络容量和高速分组转发能力提出了较高要求，目前支持eMBB的5G回传网络新技术主要有高速超大容量的光互连网PAM4技术和更加高效的SRv6分组隧道技术等。

2.1 高速超大容量的光互连网PAM4技术

eMBB业务场景不但要求具备高速超大容量的传输网络，而且对调制技术也提出了较高要求。目前5G部分回传网络的线路口已支持100GE/200GE/400GE的PAM4调制技术，和传统NRZ信号不同，如图1所示，PAM4使用4个不同的信号电平进行信号的传输，因此每个PAM4信号符号周期可以传输两个bit 的NRZ码的逻辑信息，相当于在通道物理带宽不变的条件下，系统传输速率翻了一倍，从而大大降低了设备光学部件成本。从图1还可以看出，幅度噪音对PAM4 码间串扰影响更加恶劣，PAM4 的眼图对幅度噪音更加敏感[1]。因此引入了RSFEC（里德－所罗门前向纠错码）技术，用来弥补PAM4编码技术造成的传输性能的损失。随着eMBB业务的发展，5G回传网络的线路口将会发展出支持800GE甚至1TE的PAM4调制技术以适应不断提速的网络需求。

图1 对比NRZ和PM4基带调制信号与眼图

2.2 更加高效的SRv6分组隧道技术

分组隧道技术中MPLS、SR-TP、SR-BE比较成熟，目前已在回传网络中使用，但转发效率还有待提高。目前基于IPv6数据平面的最新分组隧道技术是SRv6，SRv6不再使用LDP、MPLS和RSVP等协议，大幅减少了网络中协议类型，使得网络越来越简单化和扁平化[2]。如图2所示，和传统的基于IPv4的SR技术不同，SRv6没有破坏标准的IPv6头，只在IPv6中扩展了SRH（路由扩展头），用SRH扩展替代传统的MPLS下的标签转发功能。因此SRv6可以兼容现网的IPv6设备，当中间某些节点不支持SRv6时，这些节点可以按照IPv6路由方式来转发报文。另外，SRv6具有三层编程空间，具有强大的网络编程能力，可以提供更加灵活和多样化的服务。SRv6技术不但兼容传统的L2/L3VPN和EVPN等业务，可以提供E2E（端到端）的优质服务并且具有良好的可编程性，扩展能力强，可以进行自动跨域连接，能有力支撑eMBB业务场景应用。

图2 对比传统SR与SRv6帧结构

3 支撑mMTC业务场景的回传网络新技术

mMTC业务场景主要包括环境监测、智能农业、森林防火、智能物流等传感和数据采集等业务。据估计mMTC业务场景需要满足每平方公里内大约100万个终端设备之间的通讯需求，全球需要进行的连接设备数量超过1 000亿台，这要求5G回传网络必须支持IPV6的海量灵活连接，并提供多种小颗粒（2～200 M为主）业务承载能力，但对带宽和时延的要求并不高。支持mMTC的5G回传网络技术主要有MTN和OTN小颗粒业务承载等技术，目前IMT-2020(5G)推进组正在开展这两项技术方案和标准化的研究工作[3]。

3.1 MTN小颗粒业务承载技术

MTN小颗粒业务承载技术涉及了小带宽信道化子接口技术，信道化子接口技术可以根据业务的SLA（服务等级协议）要求，为不同业务分配相应的硬件缓存资源，为每个业务划分不同的通道，业务通道最小粒度是1 M。通过这种硬隔离技术，在流量突发时，各个业务能有效避免争抢缓存资源的现象。

3.2 OTN小颗粒业务承载技术

OTN小颗粒业务承载技术，主要研究基于信元或小字节码块的OSU（光业务单元）技术标准。OSU标准将规范光业务单元通道层网络的开销、映射、帧格式、层间适配和保护等方面的内容。OSU技术标准是现有OTN技术标准的完善和补充，在OTN技术架构中，可将OSU作为ODUk（光信道数据单元)）的客户层网络，用于高效承载1 Gbit/s以下的小颗粒业务。

4 支撑uRLLC业务场景的回传网络新技术

uRLLC业务场景主要包括工业应用和控制、自动驾驶、远程制造、远程手术和遥控飞行器快递等。URLLC业务场景要求回传网络低于1 ms的时延以及99.999%高可靠和可用性，而目前4G LTE回传网络性能远远达不到要求，因此需要打破现有的网络架构，在新的网络架构上采用新技术才有可能实现低时延、高可靠业务的服务。影响回传网络时延有“距离”、“拥塞”和“转发速度”三大关键因素，解决这三大因素的5G回传网络技术有回传网络架构优化方案、信道化隔离技术和转发面新技术三大关键技术。

4.1 回传网络架构优化方案

如图3所示，5G回传网络架构优化方案需要尽量将业务服务器以及网关等核心设备下沉到网络边缘，在5G传送网中接入层、汇聚层和核心层全部使用了L3VPN和SR隧道技术，端到端地部署了IGP协议。通过L3到边缘和使用面向无连接的SR-BE隧道技术，可以简化隧道规划和部署，实现东西向流量就近转发，从而降低东西向时延。通过MEC等核心网下沉和使用面向连接的SR-TP隧道技术，可以灵活的选择转发路径，能有效地减轻网络设备之间的转发压力，从而降低南北向流量的转发时延。

图3 通过优化网络架构降低时延

4.2 信道化隔离技术

信道化隔离技术是指切片网络的切片通道层不但提供以太网物理接口的切片机制,还具备了以太网业务透明适配技术和基于以太网码块的交叉技术以及端到端OAM技术[4]。L2&L3分组层保证了网络灵活连接能力，灵活支持MPLS-TP，SR-BE，SR-TP和SRv6等分组转发机制；L1通道层支持基于66 B定长块TDM交换，实现轻量级TDM交叉。信道化隔离技术通过分组网络硬切片技术，提供了高质量、低时延的通道，降低了网络拥塞。

4.3 转发面新技术

转发面新技术包括802.1TSN（时间敏感网络）和Cut-through（直通转发技术）等技术，TSN是基于以太网架构的用于实时数据的传输协议集，它有效地解决了数据在以太网传输中的时序性和流量整形的问题，降低了延时[5]。802.1TSN加上低时延转发技术可以使设备的转发延时下降一个数量级，达到10 μs的数量级。Cutthrough技术在转发数据时只检查数据包的包头，获取数据包的目的地址，然后通过动态查找表转换成相应的输出端口，把数据包直接送到相应的输出端口。由于Cutthrough技术避免了传统IP数据在转发过程中的成帧、组包等步骤，也不需要存储数据包，因此交换速度快，从而显著降低了转发时延。

5 结束语

5G有三大业务场景eMBB、mMTC和uRLLC，不同的业务场景对回传网络提出不同的要求，业务需求是网络进步的动力，因此不断有新技术和新方案涌现出来，如PAM4调制技术、SRv6分组隧道技术、小颗粒承载技术、回传网络架构优化方案、信道化隔离技术和转发面新技术等。在这些新技术和新方案的支撑下，回传网络必然能为5G业务提供更好的服务。