0? 前言
隨著4G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模部署,5G的標(biāo)準(zhǔn)制定和關(guān)鍵技術(shù)研究也正在加速。我國(guó)IMT-2020推進(jìn)組在《5G愿景與需求》白皮書(shū)中提出了5G的關(guān)鍵需求和能力指標(biāo),包括:0.1~1 Gbit/s 的用戶體驗(yàn)速率、每平方千米一百萬(wàn)的連接數(shù)密度、毫秒級(jí)的端到端時(shí)延、每平方千米數(shù)十Tbit/s的流量密度、500 km/h以上的移動(dòng)性和數(shù)十Gbit/s的峰值速率,同時(shí)在組網(wǎng)架構(gòu)和技術(shù)方面還將引入網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)/軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)、網(wǎng)絡(luò)切片等新型技術(shù)。5G技術(shù)的新特性對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)提出諸多挑戰(zhàn)性的需求,本文在總結(jié)5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變化的基礎(chǔ)上,對(duì)5G前傳、中傳和回傳網(wǎng)絡(luò)可能的技術(shù)解決方案進(jìn)行了分析,并介紹了5G傳送技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀和發(fā)展方向。
1? 5G承載架構(gòu)的變化
相對(duì)于4G?LTE接入網(wǎng)的BBU和RRU兩級(jí)構(gòu)架,5G RAN將演進(jìn)為CU、DU和AAU 3級(jí)結(jié)構(gòu),相應(yīng)的承載網(wǎng)架構(gòu)可以分解為前傳、中傳和回傳網(wǎng)絡(luò)。
5G無(wú)線網(wǎng)、核心網(wǎng)均會(huì)朝著云化和數(shù)據(jù)中心化的方向演進(jìn)。CU可以部署在核心層或骨干匯聚層,用戶面為了滿足低時(shí)延等業(yè)務(wù)的體驗(yàn)則會(huì)逐步云化下移并實(shí)現(xiàn)靈活部署,為了實(shí)現(xiàn)4G/5G/Wi-Fi等多種無(wú)線接入的協(xié)同,基站的控制面也會(huì)云化集中,基站之間的協(xié)同流量也會(huì)逐漸增多。同時(shí),邊緣計(jì)算使得運(yùn)營(yíng)商和第三方服務(wù)能夠靠近終端用戶接入點(diǎn),實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延服務(wù),為了滿足這些時(shí)間敏感服務(wù)的低延遲要求,部分5G核心網(wǎng)的功能被放入移動(dòng)邊緣計(jì)算(MEC)中。由于MEC承擔(dān)了5G核心網(wǎng)的部分功能,因此MEC與5G核心網(wǎng)之間的連接將是一個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)連接。5G承載網(wǎng)絡(luò)的整體架構(gòu)如圖1所示。
圖1 5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化
在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)向5G演進(jìn)的同時(shí),局端機(jī)房重構(gòu)也在進(jìn)行。本地網(wǎng)內(nèi)傳統(tǒng)的局端機(jī)房逐步改造為屬地化的邊緣數(shù)據(jù)中心(DC)。同時(shí),運(yùn)營(yíng)商綜合業(yè)務(wù)接入點(diǎn)的建設(shè)和完善,也實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)業(yè)務(wù)、固網(wǎng)業(yè)務(wù)、專線業(yè)務(wù)的統(tǒng)一接入和匯聚。隨著CU、MEC、OLT、CDN等網(wǎng)元的虛擬化,未來(lái)綜合業(yè)務(wù)接入點(diǎn)也將演進(jìn)成一個(gè)小型DC。未來(lái)城域網(wǎng)的流量將會(huì)是以邊緣DC到綜合業(yè)務(wù)接入點(diǎn)之間的南北向流量,以及邊緣DC之間和綜合業(yè)務(wù)接入點(diǎn)之間的東西向流量為主。5G階段承載網(wǎng)的核心匯聚層也將會(huì)是一張面向統(tǒng)一承載的數(shù)據(jù)中心互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖1)。
總的來(lái)看,相比4G時(shí)代以南北向流量為主的流量模型,5G時(shí)代無(wú)線和核心網(wǎng)的云化給承載網(wǎng)帶來(lái)任意流向的復(fù)雜連接,包含基站到基站之間、基站到不同層的核心網(wǎng)之間以及不同層核心網(wǎng)之間的流量備份和負(fù)載分擔(dān)等,要求承載網(wǎng)能夠提供靈活的3層連接、滿足流量就近轉(zhuǎn)發(fā)、節(jié)省傳輸資源以及保障最佳體驗(yàn)的要求。
2? 5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)方案分析
2.1? 5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析
5G承載網(wǎng)整體架構(gòu)如圖2所示。
圖2 5G承載網(wǎng)整體架構(gòu)
前傳網(wǎng)絡(luò)是AAU和DU之間5G承載網(wǎng)絡(luò)的一部分。前傳拓?fù)渑cDU部署的架構(gòu)相關(guān),有2種典型的DU部署,一種是分布式DU部署,另一種是集中式DU部署。
對(duì)于分布式DU部署,一個(gè)DU只連接到附近的AAU,是一種點(diǎn)到多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)于集中式DU部署,多個(gè)DU放置在同一個(gè)位置,可以使用星型和環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接遠(yuǎn)端AAU,AAU和DU之間的距離小于10 km。
考慮到5G將分階段部署,第1階段非獨(dú)立組網(wǎng)(NSA),5G與現(xiàn)有的3G/4G業(yè)務(wù)之間存在互通的需求。因此,前傳網(wǎng)絡(luò)需要支持采用通用公共無(wú)線電接口(CPRI)的2G/3G/4G業(yè)務(wù)和采用下一代前傳接口(eCPRI/NGFI)的5G業(yè)務(wù)。前傳的方案目前看還是以光層為主,可以采用光纖直驅(qū)、無(wú)源WDM、N×10 Gbit/s、N×100 Gbit/s波分等。ITU目前也在討論采用簡(jiǎn)化的OTN,增加25G/50G OTN接口用于前傳網(wǎng)絡(luò),提供必要的性能監(jiān)測(cè)和保護(hù)等。
對(duì)于中傳和回傳網(wǎng)絡(luò),NSA、SA、專線、固定網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心互連都應(yīng)得到支持,包括2G/3G/4G/5G無(wú)線服務(wù)、企業(yè)專線(FE/GE/10GE等)、固定網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和數(shù)據(jù)中心互連等。中傳/回傳網(wǎng)絡(luò)的規(guī)??赡軓臄?shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)到非常大量的節(jié)點(diǎn),大型中傳和回傳網(wǎng)絡(luò)需要支持分組/IP功能,并且支持網(wǎng)絡(luò)切片、與5G網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同管控等。
2.2? 5G承載技術(shù)方案分析
目前中傳/回傳解決方案主要有3種技術(shù)路線:基于分組增強(qiáng)的光傳送網(wǎng)(OTN),基于靈活以太網(wǎng)(FlexE)的切片分組網(wǎng)絡(luò)(SPN)和IP RAN增強(qiáng)方案。
2.2.1? OTN方案
OTN方案即是在分組增強(qiáng)型OTN設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強(qiáng)L3路由轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)切片管控功能,并簡(jiǎn)化傳統(tǒng)OTN轉(zhuǎn)發(fā)路徑和管理的復(fù)雜度,降低設(shè)備成本、降低時(shí)延、實(shí)現(xiàn)帶寬靈活配置,滿足5G承載的靈活組網(wǎng)需求。
OTN的L3路由轉(zhuǎn)發(fā)增強(qiáng)方面,通過(guò)在設(shè)備的支路板卡和線路板卡的NP(Network Processor)實(shí)現(xiàn)L3功能,設(shè)備的主控板卡負(fù)責(zé)維護(hù)全網(wǎng)的路由尋址,分段路由(SR)、以太網(wǎng)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(EVPN)等新型路由和轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)得到了較多的關(guān)注。針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)端到端切片管理的需求,OTN傳送平面需支持在波長(zhǎng)、ODU、VC這些硬管道上進(jìn)行切片,也要支持在分組的軟管道上進(jìn)行切片,并且與5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)管控協(xié)同,按需配置和調(diào)整。
針對(duì)OTN在5G前傳方面的應(yīng)用場(chǎng)景,業(yè)界也在討論輕量級(jí)的OTN標(biāo)準(zhǔn)。簡(jiǎn)化OTN的方法包括了對(duì)OTN幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,線路側(cè)接口考慮采用n×25G/50G以引入低成本的光器件;改變檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的機(jī)制,縮短緩存時(shí)間降低時(shí)延;在業(yè)務(wù)映射和時(shí)隙結(jié)構(gòu)方面考慮兼容3G/4G前傳的CPRI,5G的eCPRI和NGFI,以及Small?Cell的回傳等。
2.2.2? SPN方案
SPN方案是基于IP/MPLS(-TP)/SR、切片以太網(wǎng)(Slicing Ethernet)和波分復(fù)用技術(shù)的新一代端到端分層交換網(wǎng)絡(luò),可分為L(zhǎng)0物理層、L1鏈路層、L2和L3的分組轉(zhuǎn)發(fā)層。物理層基于WDM技術(shù),鏈路層網(wǎng)絡(luò)則基于FlexE技術(shù),通過(guò)把OIF規(guī)范的FlexE增強(qiáng)為端到端的通道層,即擴(kuò)展時(shí)隙交叉及信道化操作、管理和維護(hù)(OAM)、保護(hù)等技術(shù),支持了基于FlexE的端到端組網(wǎng),滿足網(wǎng)絡(luò)分片和低時(shí)延應(yīng)用。分組轉(zhuǎn)發(fā)層采用SDN控制的SR-TP(MPLS-TP和SR結(jié)合)組網(wǎng),支持L3?VPN,滿足業(yè)務(wù)靈活調(diào)度要求。SPN方案在轉(zhuǎn)發(fā)層兼容PTN網(wǎng)絡(luò)的MPLS-TP技術(shù),目標(biāo)是支持現(xiàn)有PTN網(wǎng)絡(luò)向SPN的升級(jí)演進(jìn)。在控制面采用IGP+SR機(jī)制,通過(guò)部署控制器實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一分配所有網(wǎng)元的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)標(biāo)簽。在雙向隧道創(chuàng)建上,SPN通過(guò)增加一層端到端業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)標(biāo)簽將2個(gè)單向路徑綁定成1個(gè)雙向隧道,以實(shí)現(xiàn)上、下行業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)的同路徑。在OAM功能實(shí)現(xiàn)上,SPN方案采用分層OAM架構(gòu),在分組傳送子層重用MPLS-TP的OAM機(jī)制,在切片網(wǎng)絡(luò)層采用擴(kuò)展的FlexE通道OAM機(jī)制。在保護(hù)功能上,SPN方案采用多種保護(hù)機(jī)制疊加,IGP域內(nèi)采用拓?fù)錈o(wú)關(guān)快速路由恢復(fù)、邊界節(jié)點(diǎn)故障采用端到端的路徑保護(hù)、業(yè)務(wù)終結(jié)節(jié)點(diǎn)采用快速重路由(VPN FRR)技術(shù)。
2.2.3? 基于SR的IP RAN增強(qiáng)方案
基于SR的IP RAN增強(qiáng)方案,通過(guò)集中部署的控制器和轉(zhuǎn)發(fā)面的分布式控制協(xié)議實(shí)現(xiàn)更靈活的控制面功能。各網(wǎng)元間可配置自己的SR節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽和鄰接標(biāo)簽,并通過(guò)BGP-LS上報(bào)給集中控制器,網(wǎng)元之間通過(guò)IGP-SR擴(kuò)散路由信息。IP RAN方案在轉(zhuǎn)發(fā)面重用現(xiàn)有MPLS轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制,支持SR-TE隧道的建立。在OAM功能實(shí)現(xiàn)上,IP RAN方案支持基于BFD、LSP Ping和Traceroute的連通性檢測(cè)、故障定位和路徑查詢機(jī)制。在保護(hù)功能上,現(xiàn)有的IP RAN方案支持IGP域內(nèi)的拓?fù)錈o(wú)關(guān)快速路由恢復(fù)(TI-LFA)保護(hù)和基于L3 VPN業(yè)務(wù)的端到端保護(hù)方案。近期IP RAN方案也在開(kāi)發(fā)支持OIF標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的FlexE接口,以適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)切片的發(fā)展需求。
5G承載的幾種方案分別基于不同的技術(shù)進(jìn)行演進(jìn),基于OTN的技術(shù)方案在其面向連接的傳輸特性基礎(chǔ)上增強(qiáng)二層和三層轉(zhuǎn)發(fā)功能,轉(zhuǎn)發(fā)功能性能、OAM、保護(hù)功能以及國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)比較完善,但信號(hào)復(fù)用映射結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,需要一些簡(jiǎn)化和優(yōu)化;基于分組化的SPN和IP RAN技術(shù)方案本身具備相對(duì)完善的二層和三層功能,需要增強(qiáng)的是面向連接的傳輸特性,在轉(zhuǎn)發(fā)面、OAM和保護(hù)等方面標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)尚待努力。
3? 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展
目前,多個(gè)國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化組織ITU-T、OIF、CPRI、IEEE、CCSA等在開(kāi)展與5G承載相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。
ITU-T方面,5G承載標(biāo)準(zhǔn)化涉及SG15 3個(gè)工作組的多個(gè)課題組,研究?jī)?nèi)容涉及5G傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、技術(shù)方案、網(wǎng)絡(luò)接口、SDN管控、網(wǎng)絡(luò)切片、時(shí)間同步等方面。在2017年6月的ITU-T SG15全會(huì)上,通過(guò)了《支持IMT-2020/5G的傳送網(wǎng)》(GSTR-TN5G)技術(shù)報(bào)告的立項(xiàng)申請(qǐng),2018年2月的ITU-T SG15全會(huì)正式通過(guò)了該技術(shù)報(bào)告并確定后續(xù)5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究計(jì)劃,經(jīng)過(guò)中國(guó)代表團(tuán)成員積極溝通和推動(dòng),在Q11正式通過(guò)了《OTN在5G傳送網(wǎng)的應(yīng)用》增補(bǔ)規(guī)范和《支持IMT-2020/5G傳送網(wǎng)特性》的新規(guī)范立項(xiàng),這標(biāo)志著ITU-T在5G傳送技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面邁出了里程碑的一步。
OIF方面,F(xiàn)lexE正在進(jìn)行2.0版本的標(biāo)準(zhǔn)制定,將支持200GE和400GE物理層接口、以及FlexE對(duì)頻率和時(shí)間的同步。同時(shí)OIF還在開(kāi)展400ZR項(xiàng)目,目標(biāo)是使用單波400G實(shí)現(xiàn)400GE業(yè)務(wù)80~120 km的傳輸距離。
IEEE陸續(xù)發(fā)布了25GE/50GE/100GE/200GE/400GE等一系列以太網(wǎng)接口標(biāo)準(zhǔn),IEEE1914也正在開(kāi)展新一代前傳接口及適配研究;CPRI正在開(kāi)展新型前傳接口eCPRI標(biāo)準(zhǔn)化,并在2017年8月發(fā)布了eCPRI第1版標(biāo)準(zhǔn)。
中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(CCSA)也正在積極開(kāi)展5G承載的標(biāo)準(zhǔn)化工作,目前已經(jīng)立項(xiàng)多個(gè)項(xiàng)目包括分組增強(qiáng)型光傳送網(wǎng)(OTN)總體技術(shù)要求行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的修訂以及切片分組網(wǎng)絡(luò)(SPN)總體技術(shù)要求、N×25 Gbit/s和N×50 Gbit/s WDM等研究課題。
我國(guó)的產(chǎn)業(yè)界也成立組織或聯(lián)盟推動(dòng)5G承載產(chǎn)業(yè)化。IMT-2020(5G)推進(jìn)組專門成立5G承載工作組,中國(guó)信通院聯(lián)合三大運(yùn)營(yíng)商、四大設(shè)備商、多個(gè)芯片模塊商和儀表公司等多方力量進(jìn)行5G承載需求和架構(gòu)研究、技術(shù)方案探討、標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)和網(wǎng)絡(luò)測(cè)試驗(yàn)證;中國(guó)電信聯(lián)合中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)信通院、華為、中興、烽火等單位發(fā)起成立下一代光傳送網(wǎng)論壇(NGOF),進(jìn)行基于OTN增強(qiáng)的5G承載方案研究、面向5G的城域低成本光模塊研究和標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)工作。
4? 結(jié)束語(yǔ)
5G RAN和核心網(wǎng)的新型架構(gòu),5G對(duì)帶寬、時(shí)延、切片、同步等需求對(duì)承載網(wǎng)提出了新的要求,4G承載網(wǎng)需要向5G承載發(fā)展演進(jìn),業(yè)界也提出了OTN、SPN、IP RAN等不同的技術(shù)方案。國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商對(duì)5G承載的需求和架構(gòu)理解上已趨于一致,技術(shù)方案上則是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和未來(lái)5G業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢(shì)自主選擇。
評(píng)論
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