黃春輝

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司河源分公司，廣東 河源 517000）

1 引言

2G時(shí)代為滿足基于TDM（Time Division Multiplexing，時(shí)分復(fù)用）技術(shù)的語(yǔ)音業(yè)務(wù)需求，發(fā)展了SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字傳輸體制）技術(shù)，3G/4G時(shí)代，受全I(xiàn)P化的業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生了以中國(guó)電信為主導(dǎo)的IPRAN（IP Radio Access Network，無(wú)線接入IP化）承載網(wǎng)和以中國(guó)移動(dòng)為主導(dǎo)的PTN（Packet Transport Network，分組傳送網(wǎng)）承載網(wǎng)絡(luò)。5G時(shí)代，業(yè)務(wù)類型相比以往通信時(shí)代大大豐富，其對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)特性要求也更加苛刻。5G應(yīng)用場(chǎng)景普遍認(rèn)為主要包括增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB)、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）、關(guān)鍵業(yè)務(wù)型服務(wù)（uRLLC）三大類型。其中面向垂直行業(yè)應(yīng)用的uRLLC業(yè)務(wù)要求極低時(shí)延和高可靠性，超低時(shí)延和高可靠性成為5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵特性之一。

一個(gè)低時(shí)延的承載網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵依賴于超大的傳輸帶寬、極低的設(shè)備處理時(shí)延，以及最短的光信號(hào)傳輸距離[1]。前兩個(gè)因素受限于設(shè)備能力，可以歸結(jié)為設(shè)備因素，最后一個(gè)因素受限于光信號(hào)在光纖介質(zhì)中的固有傳播速度，主要通過組網(wǎng)結(jié)構(gòu)來改善，可歸結(jié)為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)因素。本文接下來將立足于這兩個(gè)因素，對(duì)5G承載網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)低時(shí)延和高安全性的挑戰(zhàn)和解決方案進(jìn)行分析。

2 低時(shí)延高可高性承載網(wǎng)的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)

2.1 設(shè)備技術(shù)演進(jìn)的挑戰(zhàn)

為降低設(shè)備串行時(shí)延，需要采用大帶寬傳輸技術(shù)。在超大帶寬傳輸方面，基于相干通信技術(shù)的100 G高速OTN（Optical Transport Network，光傳送網(wǎng)）傳輸系統(tǒng)已大規(guī)模商用，且已可以實(shí)現(xiàn)400 G的超高速傳輸。但長(zhǎng)期以來，OTN只用于大顆粒業(yè)務(wù)傳送，主要原因在于其光通路數(shù)據(jù)單元（ODUk）是標(biāo)準(zhǔn)容量的容器，業(yè)務(wù)只能按標(biāo)準(zhǔn)容量封裝，因此傳統(tǒng)OTN不支持靈活帶寬調(diào)度，對(duì)低速業(yè)務(wù)承載效率非常低。一個(gè)傳輸系統(tǒng)中，若承載業(yè)務(wù)顆粒度小于傳輸邏輯管道，則帶寬利用率低下；若承載業(yè)務(wù)顆粒度大于傳輸邏輯管道，則存在丟包風(fēng)險(xiǎn)。高速傳輸系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)高效承載，必然存在與業(yè)務(wù)側(cè)速率適配的問題。5G應(yīng)用場(chǎng)景包括大顆粒度業(yè)務(wù)，也包括小顆粒度業(yè)務(wù)，都需要在同一張承載網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)。對(duì)于通信運(yùn)營(yíng)商來說，即使在5G時(shí)代，也還需要面臨將長(zhǎng)期存在的GSM基站2M接入需求。面向5G業(yè)務(wù)的低時(shí)延大帶寬傳輸系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的靈活調(diào)度，滿足多樣化的業(yè)務(wù)需求。

為降低設(shè)備處理時(shí)延，需要采用低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。根據(jù)《中國(guó)電信低時(shí)延光網(wǎng)絡(luò)白皮書》，各類傳輸器件時(shí)延分析如表1所示。

表1中未列入PTN設(shè)備類型，PTN設(shè)備是中國(guó)移動(dòng)全力推動(dòng)建設(shè)的4G承載網(wǎng)絡(luò)，其設(shè)備單站時(shí)延介于SDH設(shè)備和L2交換機(jī)之間。可以看出，就時(shí)延來說，在L1設(shè)備層面，OTN最具優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)10 us～100 us量級(jí)的負(fù)載無(wú)關(guān)的低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)。OTN技術(shù)可實(shí)現(xiàn)全光層交叉調(diào)度，具有天然的大帶寬低時(shí)延傳輸特性，因此中國(guó)電信已發(fā)布的5G承載網(wǎng)技術(shù)方案中，傾向于選擇分組增強(qiáng)型OTN設(shè)備加路由器的組網(wǎng)方案。這個(gè)方案和其4G網(wǎng)絡(luò)的IPRAN承載方案一脈相承[3]。但對(duì)其它運(yùn)營(yíng)商來說，如何保護(hù)現(xiàn)有投資，充分利用花巨資打造的PTN網(wǎng)絡(luò)是必須考慮的問題。

2.2 組網(wǎng)構(gòu)架改變帶來的挑戰(zhàn)

根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)構(gòu)架，4G網(wǎng)絡(luò)中的BBU功能在5G網(wǎng)絡(luò)中將被重構(gòu)為CU和DU兩個(gè)功能實(shí)體，CU與DU功能以處理內(nèi)容的實(shí)時(shí)性與否進(jìn)行區(qū)分，CU設(shè)備主要包括非實(shí)時(shí)的無(wú)線高層協(xié)議棧功能，同時(shí)也支持部分核心網(wǎng)功能下沉和邊緣應(yīng)用業(yè)務(wù)的部署，而DU設(shè)備主要處理物理層功能和實(shí)時(shí)性需求的2層功能[4]。根據(jù)DU和CU部署位置的差異，如圖1所示，5G RAN組網(wǎng)可以分為三種方式。

在5G C-RAN組網(wǎng)構(gòu)架中，傳輸承載網(wǎng)分成了前傳（Fronthaul）、中傳（Middlehaul）和回傳（Backhaul）三個(gè)部分。為降低5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，核心網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)采用核心網(wǎng)功能下沉、邊緣計(jì)算、無(wú)線網(wǎng)云化等技術(shù)措施，以達(dá)到縮短數(shù)據(jù)傳輸距離，實(shí)現(xiàn)低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)能力。也即是在5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架設(shè)計(jì)中，對(duì)承載網(wǎng)時(shí)延和安全要求最高的是前傳網(wǎng)絡(luò)這一部分。

表1 網(wǎng)絡(luò)電路時(shí)延分析[2]

圖1 5G RAN組網(wǎng)方案

業(yè)界對(duì)5G前傳承載方案選擇，包括光纖直驅(qū)，無(wú)源WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分復(fù)用），OTN或者SPN（Slicing Packet Network，切片分組網(wǎng)絡(luò)）等方案。從時(shí)延最小的角度考慮，光纖直驅(qū)不引入器件時(shí)延，必然是最優(yōu)的方案?？紤]安全性，OTN方案或者SPN的方案可以實(shí)現(xiàn)纖芯復(fù)用，支持電層和光層的性能及故障檢測(cè)，提供網(wǎng)絡(luò)保護(hù)，是安全性較高的方案。但在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中，由于RRU是最末端設(shè)備，光纜路由單一，OTN或SPN設(shè)備的環(huán)網(wǎng)保護(hù)功能實(shí)際并不能有效發(fā)揮作用，反而可能由于器件引入增加故障點(diǎn)，且未來密集組網(wǎng)的設(shè)備機(jī)房選擇將越來越成為通信建設(shè)難點(diǎn)。4G網(wǎng)絡(luò)中BBU-RRU之間的承載也普遍采用了光纖直驅(qū)的方案，具有其必然性。對(duì)于光纜基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和安全管理，在5G承載網(wǎng)中，需要突破傳統(tǒng)的以滿足業(yè)務(wù)快速開通為向?qū)У膯我凰悸贰?/p>

3 低時(shí)延技術(shù)選擇與可靠性保障

3.1 靈活接口技術(shù)及其擴(kuò)展

為解決大帶寬高速傳輸技術(shù)對(duì)低速業(yè)務(wù)承載效率低下的問題，需要相應(yīng)的接口技術(shù)和協(xié)議來實(shí)現(xiàn)任意客戶側(cè)速率接入后的統(tǒng)一承載問題，由此推動(dòng)了靈活光接口技術(shù)的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)制定。業(yè)界對(duì)靈活光接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)選擇：基于光傳輸技術(shù)的FlexO和基于以太網(wǎng)技術(shù)FlexE。中國(guó)電信提出的分組增強(qiáng)型OTN+路由器的組網(wǎng)模型，采用FlexO靈活光接口技術(shù)，配合ODUflex，以實(shí)現(xiàn)5G承載網(wǎng)絡(luò)靈活的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)配。ODUflex為非固定帶寬的ODUk技術(shù)，用戶可根據(jù)業(yè)務(wù)的大小，靈活配置容器的容量，以達(dá)到對(duì)線路帶寬高效的利用，并利用OTN天然的低時(shí)延特性、ODUK穿通轉(zhuǎn)發(fā)和OTN SNC保護(hù)，實(shí)現(xiàn)低時(shí)延高可靠性承載。

中國(guó)移動(dòng)在PTN網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，提出SPN承載5G業(yè)務(wù)的方案。SPN采用了FlexE靈活以太網(wǎng)技術(shù)，也稱增強(qiáng)型以太網(wǎng)技術(shù)。其幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，基本原理是在以太網(wǎng)MAC層和PHY實(shí)體層之間增加一中介層（FlexE Shim層），用于調(diào)節(jié)控制，其主要能力包括通道綁定、速率劃分、物理層分導(dǎo)等，F(xiàn)lexE技術(shù)大大提升了以太網(wǎng)的組網(wǎng)靈活性。在4G的PTN承載網(wǎng)絡(luò)中，鏈路擴(kuò)容可以采用端口鏈路聚合技術(shù)（LAG）或者等值路由技術(shù)（ECMP），但是鏈路聚合主要用作客戶側(cè)（UNI），對(duì)網(wǎng)絡(luò)側(cè)（NNI）的擴(kuò)容一直存在難點(diǎn)。等值路由技術(shù)屬于三層技術(shù)，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延較大，不適應(yīng)于低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)要求。FlexE技術(shù)通過多個(gè)物理鏈路捆綁可有效實(shí)現(xiàn)容量擴(kuò)展。

圖2 FlexE幀結(jié)構(gòu)示意圖

FlexE分片是基于時(shí)隙調(diào)度，將一個(gè)物理以太網(wǎng)端口劃分為多個(gè)以太網(wǎng)彈性硬管道，擴(kuò)展到Tunnle層，與FlexE Switch技術(shù)結(jié)合，形成類似SDH時(shí)代的剛性時(shí)隙通道（TDM），將數(shù)據(jù)交換轉(zhuǎn)發(fā)直接在shim層進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)低時(shí)延數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。其邏輯時(shí)隙通道的劃分，在不同的業(yè)務(wù)類型之間形成剛性管道，嚴(yán)格隔離不同業(yè)務(wù)，滿足5G網(wǎng)絡(luò)分片要求，適配不同業(yè)務(wù)差異化性能需求，優(yōu)先保證uRLLC業(yè)務(wù)低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)。FlexE Tunnel可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的1：1或1+1保護(hù)，在主用路由故障時(shí)承載通道快速自動(dòng)倒換，確保網(wǎng)絡(luò)安全。

3.2 基礎(chǔ)光纜網(wǎng)的網(wǎng)格化精細(xì)管理

光纜資源作為光傳送網(wǎng)絡(luò)最基礎(chǔ)的資源之一，其安全性直接關(guān)系到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全。由于5G基站密集組網(wǎng)，5G承載網(wǎng)將需要消耗大量的纖芯。對(duì)于載網(wǎng)來說，做好光纜網(wǎng)的優(yōu)化配置，是保障網(wǎng)絡(luò)安全，尤其是采用光纖直驅(qū)方案的前傳網(wǎng)絡(luò)安全的重要手段。在5G C-RAN組網(wǎng)構(gòu)架中，CU或者CU/DU放置在綜合接入機(jī)房，可以綜合接入機(jī)房為核心，依托市政主干道路建設(shè)主干光纜環(huán)，次干道路建設(shè)配線光纜環(huán)，整個(gè)光纜網(wǎng)絡(luò)形成環(huán)網(wǎng)。在綜合業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)，根據(jù)街道對(duì)地形的分割，結(jié)合業(yè)務(wù)分布情況，劃分網(wǎng)格單元，形式每個(gè)網(wǎng)格單元不同方向的光纜路由，如圖3所示。

當(dāng)某一方向的光纜故障時(shí)，網(wǎng)格內(nèi)業(yè)務(wù)可以有部分通過另有方向的光纜承載，確保不發(fā)生業(yè)務(wù)全阻，可以大大提升網(wǎng)格內(nèi)網(wǎng)絡(luò)安全。以網(wǎng)格為單位，對(duì)光纖基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精細(xì)化管理，對(duì)保障高可靠性低時(shí)延的5G承載網(wǎng)絡(luò)有重要意義。

圖3 網(wǎng)格化組網(wǎng)示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

雖然說“5G商用，承載現(xiàn)行”，但在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，承載網(wǎng)又需要以業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)需求為導(dǎo)向，5G核心網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)尚未正式落地之前，承載網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也必將難以確定。本文立足于承載網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，對(duì)5G承載網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)低時(shí)延和高安全性的挑戰(zhàn)和解決方案進(jìn)行了分析，F(xiàn)lexE技術(shù)及其擴(kuò)展是實(shí)現(xiàn)低時(shí)延高可靠性承載網(wǎng)最有前景的技術(shù)之一，光纜網(wǎng)基礎(chǔ)資源的網(wǎng)格化精細(xì)管理，是保障面向5G承載的前傳網(wǎng)絡(luò)安全的有效手段。

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