5G承载网面临的挑战及关键技术探究

2021-01-07王静静王菲菲

数字通信世界 2020年12期

王静静，张康，王菲菲

（昌吉学院，新疆昌吉 831100）

1 5G应用场景

根据ITU（国际电信联盟）建议，对5G网络可能要服务的业务类型进行了分类，主要有以下3种。

（1）eMBB（增强型移动宽带），也就是超大带宽，主要满足用户对大流量的需求，随着互联网的发展，流量已成为各个互联网企业必争之地，而运营商5G商用的第一目标就是提升客户的体验速率，一般使用情况下用户体验速率达到1Gbps，峰值速率达到数10Gbps，流量密度最高可达和数10Tbps/km2。适用于连续广域覆盖和热点高容量的场景，也是5G初步商用的第一目标。

（2）uRLLC（超低时延、高可靠），这类应用对时延及其敏感，并具有高可靠性的特点，主要面向的是车联网、工业控制等垂直领域，主要满用户毫秒级的端到端时延，并为时延敏感型的特殊行业提供高可靠性保证。

（3）mMTC（低功耗、大连接），这类应用的主要特点是数据包较小、功耗较低但是连接数量巨大，主要面向的应用场景是智慧城市（例如垃圾分类）、智能农业、森林防火和环境监测等方面。要求网络能够支持海量连接，具有支持千亿级别的连接的能力，满足100万/km2的连接密度要求，对终端产品也提出了要求，即满足低功耗和超低成本的特点。

总之，5G关键能力指标所必须具备的特点有：大带宽高速率、低时延高可靠、海量连接，与4G网络相比，在速率、时延、移动性、流量密度及连接数密度等关键指标上必须具有较大的飞跃。

表1 5G关键指标与4G参考值进行对比

2 5G承载网应具备的特点

（1）灵活性：随着各项业务不断发展，5G网络必须具有灵活性及丰富性的特点才能够充分适应各类业务要求，与传统的4G网络相比，必须具有更好的业务实现能力、更强的带宽承载能力、更合理的网络组织架构，与不断更新的新技术能够更好的融合。

（2）低时延：面向自动控制、无人驾驶等垂直行业业务，要求5G网络建设时必须要考虑到端到端传输时延，因此必须要对现网结构进行优化、最大限度地减少节点数量、缩短转发路径、优化传输设备性能以降低节点处理时延，以达到降低整个承载网时延的目的，提高网络传输性能。

（3）高可靠性，网络承载能力的高低将直接影响用户的使用体验，因此5G承载网还必须具有高可靠性的特点，可采用与4G承载网相似的组网方式，接入层、汇聚层采用环形组网，核心层采用口字型组网方案，并根据实际情况进行针对性的优化。

3 5G承载网面临的挑战

（1）带宽需求：与传统的4G基站相比，5G基站的峰值将提升几十倍，对现网接入层设备来说是一个巨大挑战，且5G基站的站型、站密度与传统4G基站均有不同，因此，要求5G承载网的带宽规划必须能够根据无线基站的特征，具有更好的适应性及线路容量能够平滑扩展。

（2）时延需求：5G端到端时延相比4G降低很多，eMBB端到端时延要求小于20ms，承载网时延必须小于14.4ms，而uRLLC 端到端时延要求小于5ms，承载网时延必须小于3.2ms，现有网络架构下几乎无法满足，因此新的网络架构必须能够做到整体降低承载网时延。

（3）连接需求：5G基站密度更高，主要是由于采用了超密集组网技术（UDN），因此对基站之间的协同性要求也更高，相比于传统4G基站，5G基站的东西向流量会大大增加，核心网将倾向于云化部署，核心网部署在边缘DC后，将会导致边缘DC之间的东西向流量大幅增加，MEC下沉到边缘汇聚层，MEC之间也会产生东西向流量，因此东西流量需要进行动态疏导。现有网络架构L2+L3的形式已不能满足上述需求，由于5G承载网将趋向于Full Mesh全连接，因此，需要对现网架构进行重新设计。

（4）网络分片功能：5G面向的3类不同的应用场景，对网络也提出了不同的接入需求，要求5G网络必须能够按需定制、切片化运营且具备资源共享的能力。为了满足一网多用，5G网络标准要求从无线网、承载网以及核心网都具备端到端的切片能力，也就是要求承载设备需要底层支持切片的能力。

（5）高精度时间同步：时间同步是考察承载网性能的一个重要指标，5G网络由于CA功能将跨越不同的BBU，因此GPS误差，承载网误差都会影响CA同步精度，且馈线安装难度较大、GPS易受干扰，5G 基站的覆盖面积小于4G，导致5G基站密度大，需要配备及维护的GPS多，因此对5G时间同步精度提出了更高的要求。

4 5G承载网关键技术

（1）大带宽技术：FlexE：面向5G网络中的云服务、网络切片，以及AR/VR/超高清视频等时延敏感业务需求，灵活以太网技术FlexE能够构建智能端到端链路。FlexE技术在IEEE802.3的协议栈的MAC层和PCS层增加一个FlexE Shim层，Shim层融合了时隙和反向复用的技术特征，将业务逻辑层和物理层隔开。通过绑定多条100G PHY来传输大流量的以太网业务，实现逻辑层面的大速率、子速率、通道化功能。反向复用可以实现绑定多个低速服务层承载大速率业务的功能。FlexE技术使业务速率与物理通道速率相互独立，在逻辑层面可以实现大业务速率（链路捆绑）、子速率、通道化等功能，以及网络分片需求。

（2）低时延技术：FlexE交叉：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，数据包在网络中间节点不再进行解析，可在瞬间完成业务流交叉过程，单设备转发时延降至1～10us。FlexE交叉有利于实现分组网扁平化，传统PTN分组网络环网拓扑下，需逐点分组转发，效率较低，且采用FlexE时隙交叉技术能够实现对不同类型业务通道的物理隔离，可根据不同的业务需求在每个通道独立部署QoS调度策略。

（3）灵活连接技术：SR（段路由）：段路由SR属于“源路由”和“隧道”技术，能够对IP-MPLS网络能力进行最大优化。SR-TE能够提供端到端QOS保证，实现流量监控和流量优化，SR-BE是最佳的大连接隧道技术，满足L3VPN到边缘的需求。SR只需要控制源节点，易于SDN集中控制，且中间节点无状态，扩展性好，可支持数十万节点网络，因此SR是解决5G承载灵活大连接的有效解决方案。

（4）端到端控制技术SDN：由于5G承载网具有各个端口之间连接量巨大的特点，为了确保网络的正常运转，前传、中传以及回传网络之间必须进行高效协同。SDN转发与控制分离的架构，使得网络更加简化，层次更加清晰，对于网络设备而言，复杂的业务功能交由上层应用服务器实现，因此网络设备将更加通用化、简单化，设备成本也会随之降低；同时，SDN控制的逻辑集中，能够实现网络的集中管理与控制，在控制器或上层应用灵活定制网络功能，可以更好满足网络的需求，确保 5G承载网络的高效运行以及安全保障。