5G承载网技术与优化组网

普天信息工程设计服务有限公司 李果 吕云辉

5G无线网络的发展,离不开5G承载网络的建设,本文简述了5G无线应用的特点以及对承载网络的重点要求,同时给出了5G承载网建设主要方向和特点,并对5G承载网6项关键技术的进行了分析,展开讨论了4个有关5G承载网组网方面的具体问题。

1 5G无线网基本特点

5 G网络应用主要体现在三个方面:增强移动带宽eM BB、海量机器通信mM TC、超高可靠低时延通信URLLC。5G无线网络架构主要的变化为:网络功能虚拟化和软件定义网络。网络功能虚拟化体现在硬件和软件分离;软件定义网络体现在控制和转发进一步分离,可快速高效组网、拓朴可快速重构,系统能感知并调度资源、网络连接可编程。

1.1 大带宽

5G无线基站带宽由基站各小区天线参数配置,天线数量、频谱效率等决定。根据国际电信联盟(ITU)发布的5G标准中,单个5G基站至少必须具备20Gbps下行链路的处理能力[1];同时结合5G无线站建设的实际情况,考虑覆盖类型、覆盖范围、初期用户数等因素,5G无线站的带宽范围为1～20 Gbit/s,根据试点站址流量采样分析,初期5G无线基站带宽接口普遍需求为10GE;个别站址大容量站址可满足25GE需求。

1.2 低时延

5G的时延标准是针对不同业务进行的具体要求,总体来说5G的时延要求比4G要更加严苛。一般来说e MBB时延要求为10ms,空口时延4ms;uRLLC时延要求为1ms,空口时延0.5ms。

1.3 网络切片化

NGMN、IMT2020、3GPP等给出了5G应给予软件定义网络的网络切片架构,通过这种切片的方式,更清楚的了解网络结构,为未来网络创新、部署不同业务奠定坚实基础。此外,切片架构的网络能够更加科学有效进行各类隔离服务如:控制和转发、资源和管理、计算等,实现不同业务差异化需求的满足,同时保障各类服务质量和各类业务的安全。

2 5G承载网基础要求

2.1 大带宽

5G无线基站需给予10GE/25GE接入能力,其中,密集城区基站需要有25GE接入能力;其他区域基站需要有10GE接入能力。5G传输承载网络,采用链式结构成网时接口配置10GE;D-RAN方式成网时接口配置25GE/50GE;C-RAN方式成网时接口配置50GE/100GE。5G传输承载网络规划3层扁平化架构时,需在区县级配置成对的汇聚设备,汇聚设备配置100GE端口,满足5G业务需求;

2.2 强路由

对于5G承载网络,不仅需满足3/4/5G等无线业务需求,同时还要满足如政企专线业务承载需求,而且路由同时涉及到了公网和私网。未来一段时间3/4/5G无线基站会保持共存状态,每个基站各代无线业务都需要配置1到2个IP地址,对于一个地市的城域承载网来说,总的业务点数量是巨大的。一般测算得出城域承载网核心设备路由要求超过了160000;汇聚层设备需要具备10级别路由处理能力。

2.3 高可靠性

NGMN、IMT2020、3GPP等给出了5G应给予软件定义网络的网络切片架构,通过这种切片的方式,更清楚的了解网络结构,为未来网络创新、部署不同业务奠定坚实基础。此外,切片架构的网络能够更加科学有效进行各类隔离服务。

2.4 全L3组网

因为5G无线接入网的CU和DU是分离的,面对核心网云化,5G无线基站与基站间又有着低时延的要求,L3到边缘5G承载网的几个关键点为:

(1)5G无线接入网CU和DU的分离,引入移动边缘计算、集中单元云化部署,集中单元与分布单元间的业务由L3转发,使得系统具有了灵活性。

(2)5G系统建设,各大运营商大部分采取了C-RAN方式组网。载波聚合与多点传输协同效果明显,再加上X2流量的考虑,其满足就近转发的原则,同时也要满足低时延。在接入层使用L3方案,5G无线基站与基站间就近1跳协同转发部署要求。

(3)对于5G基站来将,其东西向的流量十分大,绕行就会占用过的多汇聚层带宽资源。

(4)在向5G的过渡阶段。4G和5G基站共址的情况大量存在,4/5G基站间又有着相互的流量产生,L3下沉方式组网,流量能更好的进行就近转发,大大减少了回绕情况。

3 5G承载网技术分析

3.1 SR技术

SR是一种源路由机制,用于优化IP、MPLS的网络能力。使得网络获得更佳的可扩展性,在SDN架构中,为网络提供和上层应用快速交互的能力。SR技术依靠IGP来进行路径信息的统计和收集,并确保路径信息对应一个显式或者非显式的路径,使得路径确立不再完全靠中间节点,使得建立路径是减少了节点计算环节。通过SR技术和SDN技术融合后,可依据全网情况,控制端到端的路径计算,相对以前的路径创建方式,此技术大大提升了组网能力。

3.2 FlexE技术

相对于传统以太网技术来说,FlexE技术各个子通道实现了独立的MAC并达到物理方式的隔离。FlexE能够提供任意的带宽组合,突破了传统以太网技术只能提供FE/GE/10GE/40GE/100GE/200GE/400GE的接口弊端,大大提升了以太网组网能力,并能够达到切片网的物理隔离条件,同路上可配置几个物理专网。FlexE可将100GE口捆绑可支持100+GE接口,并且形式比较灵活也可根据时隙进行绑定,且流量均匀分布。

3.3 MPLS EVPN技术

MPLS的二层专网(L2VPN)可划分为两类:VPWS与VPLS。相比VPWS,VPLS额外掌握本地用户及远端PE用户的MAC地址,若设备上无掌握到目的MAC,就要进行广播环节,相应的环路风险也有机会出现,对网络品质要求非常高。此外,L2VPN面对跨域联通场景时,其解决方案也非常复杂且保护部容易实现,风险隐患多。而L3VPN特点为路由转发,在不同PE间通过BGP传播路由,并部署多协议。以太网虚拟专用网络(MPLS EVPN)着力于BGP扩展,回避了LDP,使得协议部署在控制面缩减。在MAC地址掌握方面,远程MAC不再依靠业务流掌握,转发面的压力也随之减弱。并通过BGP做到了内部统一,使得控制和转发面都得到了精简。

3.4 IPv6技术

5G阶段之前,承载网和无线都使用IPv4地址协议,承载网络的控制面都是经过NAT转化后的地址,访问互联网。5G时代到来后,无线的核心和接入网都已向IPv6演进,5G时代的承载网络也是一步一步的吸纳IPv6地址。

3.5 高精度时钟技术

5G时代,随着无线覆盖距离的减少,各类站址密度增加,为平衡效益,现在建站大多采用C-RAN方式,采用CoMP/CA等基站协同组网。

协同方式建站,需要时间的统一分发来实现高要求的时间同步。5G时钟源同步精度要求为30ns,单跳时延需满足10ns。

3.6 设备虚拟化技术

承载网络要想实现网络切片化,其前提就是设备虚拟化技术的实现。此项技术需要每个设备资源都是独立的,才能做到对资源的灵活分配。切片也要求管理/控制/转发面均保持独立且互不干扰,从而保证各项业务处理的稳定性和安全性。同时设备虚拟化技术做到了管理/转发/存储/处理等资源的灵活调度。

4 5G承载网优化组网研究

4.1 网络扁平化

5G时代,更加注重用户的感知以及使用的安全和可靠性,影响这些的主要因素有:带宽/抖动/时延。各类业务通过的网络节点越多,其业务传输质量将逐步降低,同时节点多也增加了瞬间拥塞的隐患,同时造成传输链路带宽压力增大。同时网络环路需要汇聚多区域的业务,对环路来说,其带宽容量配置大大增加,若如环路出现故障,波及到的区域也非常大。通过增加光通路的方式,使得承载网络结构趋于扁平化,可将不同区域的业务由此区域网络单独承担,既减少了汇聚环路的带宽压力,也减少了业务传输时节点跳数。

4.2 网络切片

可依据无线业务和综合承载业务的承载需求不同,将网络切片分成两类:

(1)管理/控制/转发隔离切片,传输承载网络引入切片技术,将管理面、控制面和转发面以及其对应的物理资源进行切片式隔离,可实现对不同业务提供更加适合的类似于物理专网式的服务。比如:为某个集团客户单独划分出一个适合它服务要求的切片;也可以对远程手术这类安全和可靠性要求非常高的uRLLC业务划分一个切片。

(2)管理/转发隔离切片,对于物理隔离/时延要求不是非常高的类型的服务,传输承载网络给予的VPN切片服务。

网络切片的结构如图1所示。

图1 网络切片结构图Fig.1 Network slicing structure diagram

4.3 管控融合的SDN架构

5G时代之前的承载网络构建依赖于网管架构,NMS和EMS两个系统提供了统一的北向接口,并屏蔽了其他设备厂商有异的口子。5G时代的承载网络因为融入了SR和网络切片等新技术,顶端的管理层面必须要拥有PCE功能。再加上传统网管仍然存在的需求,只有融合平台才能满足当下5G网络的各项需求。融合平台通过SDN架构的Restconf口提供统一开放的北向接口,各设备厂商可利用SNMP/QX/CLI,通过融合的方式,获需南向接口,借助YANG模型对接口差异进行屏蔽,快速过渡到SDN架构。

4.4 4G/5G统一承载网络

目前,各大运营商都是选择NSA方式进行网络建设,4G/5G业务当下也是统一在一张网络上进行承载,以SA架构为目标,分阶段、分场景逐步开展网络建设。

为避免传输设备扩容,城区原则上可新建切片分组网,不再扩容现有分组传输设备。而农村则按需扩容分组传输设备逐步新建切片分组网。

5 结语

随着5G时代到来,其实际应用是非常之广泛的,对于未来人们的生活影响也是非常之深远的。5G时代的不平凡,同时也给5G业务的承载网络提出了更高的要求。本文就承载网络发展的方向和新技术的引入进行了探究,对5G承载网络各项关键技术提出了自己的看法,并对未来5G承载网络更加优化、更加合理给出了一些自己的见解,希望本文能为5G业务的高速发展以及5G承载网络建设的更加安全、更加合理,做出些许贡献。

引用

[1] 张宝亚.5G承载网技术和优化组网[J].中兴通讯技术,2018,24(1):42-48.