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专题 - 5G专刊——邮电设计技术&C114 - 2018年第11期 - 正文

5G承载网的挑战和关键技术探讨

http://www.c114.com.cn ( 2018/12/14 13:30 )

曾 毅(华为技术有限公司,北京 100095)

本文版权为《邮电设计技术》所有,如需转载请联系《邮电设计技术》编辑部 

摘 要:首先介绍了5G承载网面临由于核心网和无线架构的变动带来的技术挑战和新需求,其次描述了5G承载网的目标架构和相关的关键技术,包括大带宽技术、低时延技术、网络切片技术、高精度时间同步技术、协议简化技术以及软件定义网络控制技术,最后给出了建网思路和建议。

关键词:5G承载;IPRAN;灵活以太网;网络切片;EVPN;SDN;分段路由

doi:10.12045/j.issn.1007-3043.2018.11.052

引言

相比于 4G 以人与人连接为主的网络,5G 时代拓宽了网络的人与物、物与物互联,实现真正的万物互联,构建社会经济数字化转型的奠基石。ITU定义5G 有三大业务场景:增强型移动宽带(eMMB)、大规模机器类通信(mMTC)、超高可靠低时延通信(uRLLC),这 3类业务场景在网络带宽、时延、连接数以及可靠性等方面要求各不相同。作为E2E网络中的重要环节,本文首先介绍了5G承载网建设在设备容量、性能、成本等方面面临的诸多挑战和需求,其次提出了承载网的目标架构以及建网过程中面临的一些关键技术,比如大带宽技术、低时延技术等,最后给出一些组网建议。

1、5G承载网面临的挑战和需求

1.1 承载网的挑战

1.1.1 核心网架构演进

4G时代,核心网大都采用省会城市集中部署的方式,面对三大业务场景多样化的业务需求,5G核心网将实现云化演进、转发和控制分离等,根据业务需求进行集中部署或部分下沉,实现更加灵活的网络架构,以应对网关下移、协同就近转发、流量本地终结等。

1.1.2 基站架构演进

5G无线基站的密度更大,基站的协同和移动性切换问题驱动无线架构 RAN 对 4G 的 BBU 与 RRU 功能重新切分为:有源天线处理单元(AAU)、分布单元(DU)和集中单元(CU)3 个部分。BBU 的部分物理层处理功能与原RRU合并为AAU,BBU非实时部分分割出来,重新定义为 CU,负责处理非实时协议和服务, BBU 剩余功能重新定义为 DU,负责处理物理层协议和实时服务。

4G时代前传接口基于CPRI协议,5G时代在大带宽、多流、Massive MIMO等技术发展的驱动下,传统前传 CPRI 接口对传输带宽要求太高,根据计算,5G CPRI 流量在低频 100M/64T64R 配置下将达到 400G, CPRI联盟为此对前传接口重新定义eCPRI标准,以降低带宽要求,eCPRI接口(5G AAU与DU/CU间接口)预计最大采用25G接口,支持以太封装、分组承载和统计复用。

以上架构的演进给 5G承载网带来了以下变化和挑战。

a)核心网云化带来流量流向的多元化:4G时代,业务流量只有 S1、X22 种类型,且 S1 流向固定,5G 时代还将出现 DC 间流量,S1 流量根据核心网部署位置的不同,存在多流向,承载网需要具备业务灵活连接能力。

b)5G RAN 的部署方式:由于 CU、DU 功能的分离,带来多种组网方式,包括传统的DRAN部署方式、 BBU 集中的 CRAN 部署方式及 CU 云化部署的 CloudRAN。为应对未来无线架构的变化,要求承载网具备承载大容量、不同时延业务互通的能力。

1.2 5G承载网需求

1.2.1 承载大带宽

5G时代承载网设备数量大,MESH拓扑结构场景多,带宽、接口消耗大,要求承载设备具备大容量、大带宽、接口数量多的特点。因此5G系统的承载网必须具有大带宽、大容量的能力。

1.2.2 低时延需求

3GPP 在 uRLLC 场景中定义了多种服务,主要面向工业控制、车联网、远程医疗等垂直行业。特点是低误码率、确定性低延迟。这些时间敏感业务需保持端到端毫秒级甚至亚毫秒级时延、100% 可靠性。因此要求承载网提供极低的传输和处理时延等能力。

1.2.3 网络切片需求

5G 承载网需要支持 eMBB、mMTC 以及 uRLLC 等多形态业务类型,这些业务对时延、带宽、连接数、可靠性等诉求各不相同,对统一的承载网要求必须支持网络切片来提供差异化传输,满足这些垂直行业的多元化需求。3GPP对网络分片的关键要求:网络分片严格隔离,操作互不影响;网络分片弹性可扩展,且不影响业务;允许第三方创建、管理、配置自己的分片。

1.2.4 高精度时间同步需求

5G同步需求主要体现在3个方面:基本业务时间同步需求、协同业务时间同步需求和新业务同步需求。4G 基站间时间同步精度要求是±1.5 μs,3GPP 当前已经初步确认5G基本业务对时间同步的需求同4G 一样。5G协同业务以及新业务同步需求的标准未定,预计在2019-2020年发布,主要也在RRU之间实现。

1.2.5 网络灵活性需求

mMTC主要应对垂直行业的以传感和数据采集为目标的应用场景,如物联网等。要求能支撑全网资源灵活调度、流量的灵活路径调整、网络可编程和新增业务的快速部署。因此5G核心网云化、网络切片等需求导致5G承载网络对连接灵活性的要求更高,为了应对网状化的动态业务连接需求,5G 承载应至少将 L3 功能下移到UPF和MEC的位置,根据网元之间不同流向的业务需求,为5G网络提供业务连接的灵活调度和组网路由功能,提升业务质量体验和网络带宽效率。

1.2.6 智能化管控需求

5G系统以软件定义网络(SDN)作为基础技术,实现控制面和转发面分离,使整个网络更加智能、高效和开放。作为端到端网络的一部分,承载网也必须具备 SDN 功能,提供面向多样化、差异化业务的网络配置接口,实现业务场景按需适配的网络架构,满足业务差异化需求,同时引进简化路由转发技术(SR)和控制技术(EVPN)可以实现网络的灵活部署,提升业务运维效率。

2、面向5G承载网的目标架构和关键技术介绍

2.1 5G承载网的目标架构

2.1.1 IPRAN更匹配5G承载业务需求,实现4G/5G共承载

经过3G/4G多年积累,IPRAN已成为覆盖深、覆盖广的精品移动承载网。随着大客户专线业务的迅猛发展,IPRAN也同时满足了大客户灵活接入需求。为提升业务体验,同时与无线、核心网进行端到端QoS拉通,实现基于用户定向加速,近期与核心网、OTN等领域拉通,实现物联网智能抄表探索和研究。IPRAN已逐渐成为精品综合承载网。

2.1.2 5G前传根据场景不同可选择不同的方案架构核心网云化、C/U 分离、数据面分布式部署,使网络更趋扁平化。而承载网随着RAN架构的重构,划分为前传网络、中传网络和回传网络 3个部分。对于前传网络的承载,可根据不同接入条件和场景,灵活选用不同的承载方案,目前业界可见的方案包括OTN技术、G.Metro 技术、光纤直驱技术、Colorelss 方案,因此当前传网络并没统一承载方案的需求。

2.1.3 中传、回传统一传输技术,简化组网

对于中传、回传网络,承载网在带宽、组网灵活性、网络切片、业务可靠性等方面需求基本一致,因此可以采用统一 IPRAN 承载方案,简化网络架构,以不变应万变,灵活应对未来不确定性。

5G初期,业务流量逐步变大,当前现网 IPRAN 基本满足初期承载需求,随着中后期网络的逐步云化,核心网云化以及云专线要求承载网提供电信云承载能力,支持云网协同;业务转发需要从网络边缘开始,相同 DC 内网元之间的业务需要三层转发,支持 MEC 独立部署等,IPRAN新技术点也较好匹配了未来业务需求的不确定性,因此目前全球主流运营商都计划基于当前IPRAN网络做平滑演进。

2.2 关键技术

2.2.1 大带宽

5G前传的DRAN场景,一个承载接入环预计接6~ 8个宏站机房,每个机房1个5G BBU,1个4G BBU。按照单站峰值(4G:1.2 Gbit/s,5G:6 Gbit/s)、单站均值(4G:0.45 Gbit/s,5G:3 Gbit/s)、每个接入环6个节点来估算,接入环的带宽预计为:(1.2+6)×1+(0.45+3)×5= 24.45 Gbit/s。CRAN场景,每个接入环预计接2~4个机房,每个机房 6~8个 BBU。按照 BBU 单站峰值 6 Gbit/ s、单站均值3 Gbit/s、每个接入网2个机房、每个机房6 个 BBU 来估算,接入环的带宽预计为:3×2×11+6×1= 72 Gbit/s。从测算来看,承载网接入环在少量热点地区/大型 CRAN 站点需要 100G组网,普通区域全 50GE 组网,偏远区域 10GE 组网。当前现网接入环 50% 左右都是GE接入,无法满足5G建网对承载网带宽的诉求,因此基站侧建议10GE/25GE到站,50GE/100GE到接入。作为新一代以太基础速率,50GE拥有成熟技术背景和广泛市场空间,其采用的25G光器件,因速率、成本优势突出,此光器件同样被应用于 100GE/200GE/400GE 接口。相比100GE 所需的 4 对 25GE 光器件, 50GE仅需要1对25GE光收发器,通过PAM4编码技术使25GE提速至50GE,并未带来硬件成本的增加,这使其在性价比方面具备天然优势。

50GE 已成为业界共识,产业日渐成熟。基于 PAM4的200GE/400GE IEEE标准802.3bs已于2017年 12 月发布,思博伦、IXIA、VIAVI 全球最重要的 3 个仪表厂家都支持50GE端口的端到端能力。全球的光模块厂商已开发或计划开发商用50GE光模块。

2.2.2 MEC低时延

在2G/3G时代,核心网架构为:PS域集中部署,CS 域引入了软交换,开始了IP承载;4G时代,随着2G/3G/ LTE的核心网融合,4G开启了移动核心网全IP化与云化时代。

随着5G网络CU/DU分离,5G核心网在4G核心网的基础上做了功能解耦和提升,提出基于 SBA(Service Based Architecture)的5G核心网NGC(Next Generation Core),目的在于提高网络交付的敏捷性、弹性以及可靠性。NGC 通过网元解耦、接口标准化以及 C/U 分离等方式进行服务化重构。控制面集中化减少信令绕转,用户面去注册送彩金不限id论坛化,分布式部署,贴近内容与服务,降低时延,并通过协同就近转发实现流量本地终结。

MEC 系统独立部署,可以部署在无线接入侧、传输汇聚点或移动网络的核心网边缘。需要L3 VPN到边缘支持 MEC 的灵活归属和按需部署。其本质是在无线网络边缘提供部署能力,让业务处理靠近用户,针对局部区域的本地化信息进行服务,并构建以网络能力开放为核心的生态(见图1)。

图1 MEC独立部署

2.2.3 网络切片

网络切片主要是三大应用场景对时延、带宽、可靠性不同要求应运而生的技术。要求在同一张物理网络上进行资源分割形成多个虚拟网络(切片网络),不同切片网络对应不同的物理网络或逻辑网络资源, 具有隔离性;同时每个切片网络可根据需要对应各自独立的控制面和管理面。每个切片网络可以独立地 运营、管理,可在各自独立的运维界面完成传统的管 理功能。

5G网络切片包括无线侧分片、承载网切片以及核心网切片。承载网络分片属于 5G业务 E2E分片的一个环节。网络切片包括软切片和硬切片,当前使用的 VPN技术属于软切片,灵活以太网(FlexE)技术属于主流的硬切片方案。

FlexE技术由光互连论坛(OIF)标准所定义,FlexE 在保持既有低成本、高可靠、可运维等优势之外,增加了带宽灵活配置、面向多业务承载增强 QoS能力等需求。FlexE增强了以太网的物理编码子层(PCS)能力,实现了媒体接入控制(MAC)层和物理(PHY)层接口收发器的解耦,从而大大增强了以太网的组网灵活性(见图2)。

在路由协议层面,FlexE接口与高速Ethernet接口无异。

图2 FlexE硬件结构原理图

FlexE 在普通以太网基础上定义了基于N×5G 的多种子速率可配置、调整以及 Client 层的互连互通机制。提供约束延时/低延时/低抖动、实时业务的 IP 承载网络。

2.2.4 超高精度时间同步

高精度时间同步主要包括超高精度时钟源和超高精度的时间传送技术。超高精度时钟源包括:

a)卫星接收技术。设备支持单频、多频全球定位系统(GPS)/北斗卫星同步技术;通过共模共视或者双频段接收等降低卫星接收噪声。

b)高稳定频率源技术。单一时钟过渡到时钟组,提高卫星的时间保持精度。超高精度的时间传送技术通过优化接口时间戳处理、1588时间同步协议演进和使用单纤双向改进链路对称性来改进设备的传输时间同步精度。

标准方面,3GPP 组织当前已经初步确认 5G 基本业务对时间同步的需求同4G一样,为1.5 μs。5G协同业务对时间同步精度的要求,3GPP还在研究中,预计要到 2019-2020 年才能发布。中国联通已经或正在部署的1588v2网络完全可以满足5G基本业务对时间同步的应用需求。

2.2.5 Segment Routing

传统的MPLS存在着如下问题:LDP和IGP之间交付复杂,LDP 不支持流量工程,RSVP-TE 对负载分担支持不好,RSVP-TE隧道源、宿、中间节点都会维护自己的邻居、链路状态,控制面复杂,传统的MPLS RLFA 不能 100% 覆盖拓扑,并且存在微环问题,因此在 5G 承载方案中引入 SR 代替 MPLS TE/LDP 来构建隧道,实现了转发与控制的解耦。分段路由(Segment Routing)是一种源路由技术,转发点不需要感知业务状态,只维护拓扑信息,实现业务实例数与网络的解耦,大大提升了网络支持泛在连接的能力和扩展性。

SR技术需要与SDN技术融合使用,SDN通过网络的流量和拓扑资源的情况,集中计算出符合业务需求的最佳转发路径,把路由信息下发给源节点即可,不需要对转发路径上的其他节点进行控制或者消息交互,从而极大地提升了网络的转发性能。

SR支持严格约束路由和松散约束路由,在松散约束路由的场景下,转发面需要支持内部网关协议(IGP),松散约束路由可以支持拓扑无关-快速路由恢复(TI-LFA FRR)抗多点失效的局部保护。支持采用 MPLS 架构作为 SR 的数据平面,可以继承 MPLS 转发平面的功能特征。

2.2.6 EVPN

传统的 VPLS 解决方案有诸多局限,如基于泛洪的 MAC 扩散、Fullmseh 的业务部署等。EVPN(Ethernet VPN)从理论上解决了VPLS存在的一些问题,采用 BGP发布 MAC,避免流量泛洪方式的 MAC扩散,使用 BGP AD 简化了全连接的配置,通过 BGP MAC 学习解决负载分担问题。进而,EVPN 支持了 E-Lline、E-Tree、L3 VPN等业务的承载。

因此相比传统的方案,EVPN具有统一承载、简化部署、灵活策略控制、减少泛洪以及负载分担等优点。

2.2.7 SDN架构

面向5G 的承载网络具有海量连接、大流量、灵活调度等特点,对于管理和运维均提出了新的挑战。5G 承载网将全面引入SDN技术,实现端到端的网络规划仿真、网络业务部署和发放、网络监测控制、保障和优化等功能,大幅度提升运维效率,极大地降低运营成本(OPEX)。

随着智能运维的发展,传统的网络流量监控系统(如SNMP、CLI、Syslog等)越来越难以承担网络监控的诉求,网络中存在大量细微爆发流量,而传统监控系统采样周期太长,难以真实反映网络状况(SNMP等采集周期最多只能做到秒级、分钟级),未来需要支持到毫秒级采样;Telemetry是一项从物理设备或虚拟设备上远程高速采集数据的网络监控技术,可以支持毫秒级的数据采集能力,支持基于订阅的推送模式(Push Mode)主动向采集器推送数据信息,提供更实时、更高速、更精确的网络监控功能,有助于网络监控效率提升和监控质量提升。

3、结束语

5G 时代将开创一个新的通信纪元,从以网络为注册送彩金不限id论坛演变成以业务为注册送彩金不限id论坛,从人与人互联演变成以人和物、物和物互联。5G网络中,承载网是不可或缺的一部分,同时也面临着超低时延、大带宽、高灵活性、超高精度时间同步等挑战,面对5G不同应用场景,充分利用现有网络资源和成熟产业链,按需引入 50G/ 100G/200G 高速率端口、高精度时间同步、SR+EVPN 等技术,实现 4G 向 5G 平滑演进,快速建网,以满足 eMMB、mMTC、uRLLC 等应用场景下的多样化的业务需求。

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作者:曾 毅   来源:《有点设计技术》

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