5G專線業(yè)務(wù)低時(shí)延特性是什么

隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，專線業(yè)務(wù)的時(shí)延要求越來越低。本文以5G專線業(yè)務(wù)低時(shí)延特性的實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)，詳細(xì)分析了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和切片對(duì)時(shí)延的影響，提出了相應(yīng)的低時(shí)延特性的實(shí)現(xiàn)方案。為降低線路時(shí)延，將網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)為CU-DU-AAU， CU放置位置下沉。為保證設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)低時(shí)延，采用FlexE的1.5層快速轉(zhuǎn)發(fā)。為避免帶寬搶占造成的分組丟失，減少業(yè)務(wù)擁塞，提出信道硬隔離的方案，可實(shí)現(xiàn)5G專線業(yè)務(wù)低時(shí)延的特性。

移動(dòng)通信從2G時(shí)代到4G時(shí)代，每一次的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迭代都是先建網(wǎng)再衍生出新業(yè)務(wù)生態(tài)。而5G網(wǎng)絡(luò)是由特定業(yè)務(wù)場景的驅(qū)動(dòng)而誕生的，比如無人駕駛和遠(yuǎn)程醫(yī)療等均需要網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延達(dá)到一個(gè)很低的水平。5G時(shí)代的傳輸專線必須具備低時(shí)延的特性，URLLC業(yè)務(wù)端到端時(shí)延小于1ms，eMBB業(yè)務(wù)端到端時(shí)延小于10ms。目前我國的4G傳輸專線端到端理想時(shí)延是10ms左右，端到端典型時(shí)延是50~100ms之間，這意味著5G傳輸專線的端到端時(shí)延將縮短為4G的1/10，這對(duì)底層的承載網(wǎng)絡(luò)提出了前所未有的挑戰(zhàn)。于是，5G傳輸專線低時(shí)延特性的研究工作實(shí)屬重中之重。

1 5G專線業(yè)務(wù)時(shí)延特性演進(jìn)

移動(dòng)通信系統(tǒng)由無線接入網(wǎng)、傳送承載網(wǎng)和核心網(wǎng)組成，其端到端時(shí)延也包括這3個(gè)部分。IMT-2020（5G）推進(jìn)組對(duì)URLLC和eMBB兩種業(yè)務(wù)場景分別定義了端到端時(shí)延為1ms和10ms。其中，低時(shí)延高可靠的URLLC業(yè)務(wù)對(duì)承載網(wǎng)時(shí)延要求為0.125ms，見表1。

表1 5G業(yè)務(wù)時(shí)延要求

可以看到，5G專線業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延要求最高的是URLLC場景下的承載網(wǎng)時(shí)延，要求極其苛刻。接下來將具體分析5G承載網(wǎng)對(duì)5G專線業(yè)務(wù)低時(shí)延特性的影響。

1.1、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改變帶來的影響

根據(jù)5G承載網(wǎng)絡(luò)的變化，BBU/RRU重構(gòu)為CU-DU-AAU兩級(jí)架構(gòu)，CU設(shè)備處理非實(shí)時(shí)的無線高層協(xié)議棧功能，DU設(shè)備處理物理層功能和實(shí)時(shí)性需求。DU放置于無線機(jī)房，并且CU可以部署在匯聚或接入位置。CU放置位置不一樣，5G專線業(yè)務(wù)的承載網(wǎng)時(shí)延也不一樣。根據(jù)遠(yuǎn)程醫(yī)療和無人駕駛等URLLC業(yè)務(wù)需求，CU和DU之間時(shí)延最好小于1ms。那么，CU位置越高，對(duì)時(shí)延要求越嚴(yán)格。同時(shí)，CU位置越靠下，機(jī)房資源越難滿足。因?yàn)镃U/DU要云化組網(wǎng)，對(duì)城域機(jī)房可用空間、供電和散熱要求更高，目前多數(shù)匯聚層以下機(jī)房資源不能滿足需求。另一方面，CU之間有協(xié)同的需求，CU位置越靠下，3層的功能需求就越靠下。

1.2、網(wǎng)絡(luò)切片帶來的影響

由于不同5G專線業(yè)務(wù)有不同SLA（Service-Level Agreement，服務(wù)等級(jí)協(xié)議）需求，所以5G網(wǎng)絡(luò)要進(jìn)行端到端切片。4G時(shí)代，專線業(yè)務(wù)在傳輸承載網(wǎng)中是通過軟管道隔離來提供差異化服務(wù)，采用VPN技術(shù)提供路徑、帶寬的區(qū)分和控制。但是，軟隔離在MAC層之上提供轉(zhuǎn)發(fā)平面，帶寬資源是共享的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)，業(yè)務(wù)之間會(huì)搶占帶寬，造成分組丟失并重傳，導(dǎo)致時(shí)延增大。網(wǎng)絡(luò)切片對(duì)5G專線業(yè)務(wù)低時(shí)延特性帶來了新的影響。5G網(wǎng)絡(luò)切片需要承載網(wǎng)支持軟、硬管道隔離。

2 5G專線業(yè)務(wù)低時(shí)延特性的實(shí)現(xiàn)

5G專線業(yè)務(wù)主要以三大業(yè)務(wù)場景來分類，其中URLLC場景的要求最苛刻。其傳輸端到端時(shí)延要求小于1ms，承載網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要求小于0.125ms。這無疑對(duì)傳輸承載網(wǎng)提出了前所未有的挑戰(zhàn)。5G網(wǎng)絡(luò)，承載先行。所以，對(duì)5G專線業(yè)務(wù)承載網(wǎng)方面低時(shí)延特性的研究實(shí)現(xiàn)顯得尤其重要。

承載網(wǎng)的時(shí)延主要包含光纖傳輸時(shí)延和設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，前者占比很大，約為99%。通過光波在光纖中傳輸?shù)恼凵渎屎退俣鹊年P(guān)系式可以算出，光波在1000km長的光纖中傳輸?shù)臅r(shí)延約為5ms。設(shè)備產(chǎn)生的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延一般是us級(jí)，占比較小。目前中國移動(dòng)通用傳輸設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延約為50us。由此可見，若要降低5G專線業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，在傳輸承載網(wǎng)方面，需要致力于降低底層傳輸線路的時(shí)延。

下面從影響5G專線業(yè)務(wù)時(shí)延的因素入手進(jìn)行研究，總結(jié)出三大技術(shù)方案。其一，為保證線路傳輸?shù)牡蜁r(shí)延，縮短光纖傳輸距離。其二，加快設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)速度。其三，為避免帶寬搶占造成的分組丟失，減少業(yè)務(wù)擁塞，提出信道硬隔離的方案。綜合上述方案，可以實(shí)現(xiàn)5G專線業(yè)務(wù)的低時(shí)延特性。

2.1、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整

光信號(hào)在光纖中傳送的時(shí)延和光纖長度成正比。一般來說，光信號(hào)在1000km的光纖中傳輸?shù)臅r(shí)延約為5ms。要想降低線路傳輸?shù)臅r(shí)延，最直接的辦法就是縮短業(yè)務(wù)流的源節(jié)點(diǎn)和宿節(jié)點(diǎn)之間的距離，從而縮短光纖傳輸距離。于是，通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)通信距離的縮短，可以降低光纖傳輸時(shí)延。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整的示意圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整示意圖

通過5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，將5G網(wǎng)絡(luò)相關(guān)功能下沉到接入層，可以縮短光纖傳輸距離，從而降低時(shí)延。5G核心網(wǎng)用戶面功能可以下沉，流量就近轉(zhuǎn)發(fā)。5G承載網(wǎng)3層VPN也可以下沉，接入節(jié)點(diǎn)流量就近轉(zhuǎn)發(fā)。如此一來，可以大大縮短時(shí)延。

對(duì)于東西向流量而言，在4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，傳統(tǒng)的3層設(shè)備的部署位置一般在地市核心機(jī)房，基站之間的業(yè)務(wù)需要繞到地市核心機(jī)房進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)來講，互聯(lián)的復(fù)雜性對(duì)于橫向業(yè)務(wù)的需求進(jìn)一步增加，基站間協(xié)同要求更高，基站之間的業(yè)務(wù)需求量更大。5G東西向流量的暴增驅(qū)動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)功能的下沉。通過將3層VPN下沉到接入層可以實(shí)現(xiàn)東西向流量就近轉(zhuǎn)發(fā)，從而縮短光纖傳輸距離，最終降低業(yè)務(wù)時(shí)延。

對(duì)于南北向流量而言，在5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，核心網(wǎng)的控制平面和用戶平面是分離的。通過下沉部分用戶平面的功能到接入層同樣可以降低南北向流量的傳輸線路轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。將一些對(duì)時(shí)延要求比較高的業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)部署在MEC上，同時(shí)MEC之間進(jìn)行云化連接成池，可以就近進(jìn)行資源獲取和業(yè)務(wù)的協(xié)同交互，相比4G業(yè)務(wù)通過上層核心網(wǎng)迂回的方式，更加高效便捷，時(shí)延更短。因此通過MEC下沉可以使得業(yè)務(wù)在接入層就近轉(zhuǎn)發(fā)，明顯地縮短光纖傳輸距離，從而大幅度降低信號(hào)的傳輸時(shí)延。

通過調(diào)整5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使得MEC和3層VPN下沉，經(jīng)過掛表實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)延統(tǒng)計(jì)，東西向傳輸時(shí)延可以從目前的1ms降低到100us，南北向傳輸時(shí)延從1ms降低到50us，可以有效縮短5G專線業(yè)務(wù)的時(shí)延。

2.2、FlexE快速1.5層轉(zhuǎn)發(fā)

5G專線業(yè)務(wù)的時(shí)延不但受光纖長度影響，還受設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)速度影響。5G網(wǎng)絡(luò)通用設(shè)備通過技術(shù)升級(jí)也可以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)發(fā)速度，降低設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。

傳統(tǒng)以太網(wǎng)是在源節(jié)點(diǎn)和宿節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層之間進(jìn)行封裝和解封裝來實(shí)現(xiàn)通信的。傳統(tǒng)以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)是發(fā)生在數(shù)據(jù)鏈路層的。靈活以太網(wǎng)技術(shù)（FlexE）可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的解耦，將轉(zhuǎn)發(fā)層從數(shù)據(jù)鏈路層下降到1.5層，如圖2所示。

圖2 基于FlexE的1.5層快速轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

利用FlexE在承載網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)隔離和網(wǎng)絡(luò)分片可以避免業(yè)務(wù)擁塞，進(jìn)而避免數(shù)據(jù)分組重傳造成的高時(shí)延。通過在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層之間的添加一個(gè)中間層，即FlexE shim層。shim層是基于時(shí)分復(fù)用來分發(fā)業(yè)務(wù)的，將多個(gè)客戶側(cè)接口的數(shù)據(jù)按照時(shí)隙方式分發(fā)調(diào)度到不同的子通道。正是由于FlexE新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了MAC層和PHY層的解耦，從而使得FlexE轉(zhuǎn)發(fā)位于1.5層，近似于1層轉(zhuǎn)發(fā)，從而縮短了設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間。

由此，基于FlexE的1.5層比特塊交換，可以免去傳統(tǒng)IP轉(zhuǎn)發(fā)的成幀、封裝成數(shù)據(jù)分組、查表和緩存等過程，提供超低的設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。經(jīng)過掛表實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)延統(tǒng)計(jì)，可將目前傳輸設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延從50us降低至1us，進(jìn)一步降低了5G專線業(yè)務(wù)的時(shí)延，可以滿足5G業(yè)務(wù)URLLC場景對(duì)承載網(wǎng)超低時(shí)延的需求。

2.3、通過信道隔離降低時(shí)延

在4G時(shí)代，中國移動(dòng)承載網(wǎng)采用的PTN技術(shù)，業(yè)務(wù)支持統(tǒng)計(jì)復(fù)用。業(yè)務(wù)之間的隔離采用的是軟管道軟隔離。同一隧道承載的不同業(yè)務(wù)會(huì)相互影響，爭搶帶寬。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有流量沖突時(shí)，就會(huì)造成分組丟失重傳，從而提高了時(shí)延。5G時(shí)代，承載網(wǎng)采用SPN技術(shù)，結(jié)合FlexE技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)隔離和網(wǎng)絡(luò)分片，具有帶寬靈活可調(diào)和數(shù)據(jù)硬隔離的特點(diǎn)。以100GE管道為例，通過FlexE shim中間層可以劃分為20個(gè)5G速率的子通道，每個(gè)客戶側(cè)接口可指定使用某一個(gè)或多個(gè)子通道，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)之間的信道硬隔離，防止業(yè)務(wù)相互爭搶帶寬，避免分組丟失重傳。

FlexE分片不同以往，它是基于時(shí)隙調(diào)度的。對(duì)于以太網(wǎng)物理端口來說，可以劃分為多個(gè)硬管道，每個(gè)硬管道內(nèi)又具有以太網(wǎng)彈性。這樣可以使得網(wǎng)絡(luò)既具備類似于時(shí)分復(fù)用獨(dú)占時(shí)隙、隔離性好的特性，又具備以太網(wǎng)統(tǒng)計(jì)復(fù)用、網(wǎng)絡(luò)效率高的兩大特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)同一分片內(nèi)業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)復(fù)用。這樣一來，分片之間業(yè)務(wù)互不影響。FlexE分片相對(duì)于通過VPN實(shí)現(xiàn)的分片，隔離性更好，從技術(shù)上解決了業(yè)務(wù)相互爭搶帶寬的問題，實(shí)現(xiàn)了專用業(yè)務(wù)獨(dú)享專有的硬通道。通過時(shí)隙分片技術(shù)實(shí)現(xiàn)信道隔離，為低時(shí)延業(yè)務(wù)構(gòu)建低時(shí)延專用通道，避免業(yè)務(wù)擁塞，從而降低時(shí)延。

基于FlexE轉(zhuǎn)發(fā)和信道隔離技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)。經(jīng)過掛表時(shí)延進(jìn)行時(shí)延統(tǒng)計(jì)，5G網(wǎng)絡(luò)通用設(shè)備單節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延降低至1us。對(duì)于5G超低時(shí)延URLLC的應(yīng)用場景，應(yīng)用SPN端到端的前傳、中傳以及回傳網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案，可以實(shí)現(xiàn)5G專線業(yè)務(wù)在信道層面的硬隔離，從而實(shí)現(xiàn)低時(shí)延的特性。

3 結(jié)束語

本文從URLLC應(yīng)用場景對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延低于1ms的要求入手，分析了5G專線業(yè)務(wù)低時(shí)延特性的影響因素，包括光纖傳輸距離、設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間和業(yè)務(wù)擁塞情況。通過網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)調(diào)整降低線路傳輸時(shí)延，通過FlexE的1.5層快速轉(zhuǎn)發(fā)降低設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，通過SPN信道硬隔離提供專用通道。綜合上述技術(shù)方案，可有效實(shí)現(xiàn)5G專線業(yè)務(wù)超低時(shí)延的關(guān)鍵能力。未來的研究工作將是如何使得5G專線業(yè)務(wù)在具備低時(shí)延特性的同時(shí)具備高可靠性。

審核編輯：符乾江