试论5G承载网的需求架构和技术解决方案沈剑

试论5G承载网的需求架构和技术解决方案沈剑

江苏省邮电规划设计院有限责任公司江苏南京210019

摘要:当前,5G承载面临超大带宽、低时延、灵活连接、网络切片和超高精度时间同步等诸多挑战,本文主要分析了主流厂商在5G承载技术方面的研究和创新,包括基于FlexE的大带宽、低时延和业务隔离技术、满足5G泛在灵活连接的SegmentRouting路由优化技术、基于网络切片的软件定义网络(SDN)架构和控制技术、超高精度时间同步技术等。

关键词:5G承载网;需求架构;关键技术

1、5G承载网络面临的需求和挑战

5G的“万物互联”相对于4G将带来革命性网络体验和新的商业应用模式,5G同时也对作为基础网络的承载网提出了巨大挑战。5G采用新的空口技术,支持包括超高可靠性超低时延业务(URLLC)、增强移动宽带(eMBB)和海量物联网业务(mMTC)等新业务。按照预测,未来5G网络的移动数据流量相对于4G网络增长500~1000倍,典型用户数据速率提升10倍到100倍,峰值传输速率可达10Gbit/s或更高,端到端时延缩短5~10倍,网络综合能效提升约1000倍。

5G核心网络的架构相对于4G也发生了较大的变化,核心网云化、转发和控制分离,采用基于软件定义网络/网络功能虚拟化(CSDN/NFV)的虚拟化切片技术,可将核心网功能分布式部署为多个虚拟网元,切片化部署有利于5G的新业务开展,例如URLLC业务的核心网切片将下沉到靠近基站的位置,从而满足对网络低时延的需求。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集中处理的无线接入网(C-RAN)化在5G的C-RAN架构下,RAN功能被重构为集中单元(CUB)、分布单元(CDU)和有源天线单元(AAU)这3个功能实体,CU和DU之间按照RAN的高层功能划分,CU和DU的接口带宽与回传接近。DU和AAU之间按照RAN的底层功能划分,目前接口还没有标准化,趋向于采用增强通用公共无线电接口(eCPRI)接口。eCPRI接口采用分组化以太网接口,带宽与天线数解藕,相对于传统CPRI传输带宽降低10倍以上,有助于降低成本。在这个架构下,CU和DU之间的承载网络为Midhaul(中传),DU和AAU之间的承载网络为Fronthaul(前传)。

根据分析预测,5G承载网面临的主要挑战如下:

(1)前传和中传网:5G的前传、中传对承载网的时延要求非常高。按照目前的技术预估,前传传输时延的预算不超过30us,中传的时延需求不超过150us。

(2)回传网:带宽增加10倍以上,流量模型从汇聚为主变为全mesh。4G和5G网络融合的双连接、基站的站间协同、核心网云化部署的负载均衡和多归属备份,以及更加复杂和动态的流量,推动5G承载网络重构,支持灵活的业务连接。

(3)超高精度时间同步:引入5G的超短帧、载波聚合和多点协作传输(COMP)多点协作技术,驱动时间同步精度提升一个数量级,从4G的±1.5us提升到±130ns。

2、5G承载关键技术和解决方案研究

针对上述5G时代承载网面临的主要需求和挑战,以下系列关键技术的研究开发提供了有效的解决方案。

2.1FlexE技术及其创新

灵活以太网(FlexE)技术是光互连论坛(OIF)标准定义的灵活以太网,FlexE增强了以太网的物理编码子层(PC5)能力,实现了媒体接入控制层(MAC)和物理层(PHY)接口收发器的解藕,从而大大增强了以太网的组网灵活性,如下图所示。FlexE可以通过多个物理链路捆绑扩展网络的容量,满足5G所需要的大带宽需求,解决了传统以太网链路聚合组(LAG)在多链路传输时因为Hash导致的链路容量不均匀分配问题,同时FlexE可以通过Shim层的时隙配置支持多个Client业务,实现多个Client业务之间的物理隔离功能。但FlexE只是一个接口技术,针对5G网络的前传和回传的网络虚拟切片和低时延传送需求,还需要进一步进行功能扩展和技术创新。FlexEtunnel技术是其中的一个重要功能扩展,FlexEtunnel技术包括FlexE交换,操作、管理、维护(OAM)以及保护倒换技术。FlexE交换是基于时间片的66bit数据块交换技术,工作在L1层。交换不需要队列调度,不需要查找报文的MAC和IP地址,交换时延和时延抖动极低,不同的业务通过时间片进行隔离,相互之间完全不会产生影响。采用FlexE交换技术可以在多个网元之间建立FlexE隧道。FlexE隧道是端到端的刚性电路信道,在FlexE隧道的中间转发点,不需要弹出分组,从而实现了超低时延和严格的物理隔离特性,如下图所示。FlexEOAM用于检测隧道的性能和故障,在发生故障时,可以对FlexE隧道配置1+1线性保护,实现故障时的故障快速倒换。FlexETunnel技术将FlexE从接口级的技术扩展到网络级的技术,从而很好地满足了5G网络前传和回传的网络虚拟切片和低时延传送需求。

图:FlexE的接口技术

2.2源路由技术

5G采用SDN/NFV的信息通信(ICT)网络架构,核心网和基站的云化分布式部署带来泛在连接的传送需求,泛在连接需求来自下一代核心网(NGC)/CloudRANpooling、异地Multi-home、数据中心(DC)互联容灾等需求,需要承载网支持海量灵活的、按需连接的建立。传统的承载网采用互联网多协议标签(IP/MPLS)或者传送特性的多协议标签交换(MPL5-TP)动态或者静态地创建业务承载的隧道连接,设备需要维护的路径信息随着连接数线性增加,信令压力增大,严重影响网络的扩展性和运维成本。SegmentRouting(分段路由)一种源路由技术,采用该技术,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藕,大大提升了网络支持泛在连接的能力和扩展性。SegmentRouting的原理是在源节点通过把携带路由信息的指令压栈到报文头中,中间转发点逐跳提前并弹出相关的指令进行报文转发。

SegmentRouting技术非常便于与SDN技术融合,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,不需要对转发路径巨的其他节点进行控制或者信令交互,从而极大地提升了网络的控制性能。SegmentRotating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)协议,松散约束路由可以支持TI-LFAFRR抗多点失效的局部保护。SegmentRotting在传送网的引入还存在一些问题有待研究,例如:SegmentRouting是与业务无关的转发机制,针对业务的层次化的服务质量(H-QoS)应该如何部署等问题。

2.35G承载的SDN架构

5G网络引入了切片的概念,网络切片是一组专业的逻辑网络的集合,该集合作为服务,支持网络的差异化,满足垂直行业的多元化需求。5G的网络切片实例是一个端到端的逻辑网络,由一组网络功能、资源和连接关系组成。包括了无线、传送网和核心网。

在这个架构下,承载网的网络切片包括了转发面(物理网络)、切片控制器和业务控制器3个部分,三者互为服务和客户层的递归关系。转发面需要支持不同业务切片的隔离和部分资源共享,转发面的虚拟化概念由来已久,虽然可以用第3层虚拟专用网络(L3VPN),MPL5嵌套等方式实现底层虚拟化映射,但这些技术在隔离和效率方面和实际的物理隔离还是有一定差距。FlexE和FlexETwnnel技术能够提供底层接口级和网络级硬管道支撑,无论在效率还是隔离方面都进一步缩小虚拟网络与物理网络的差异,是后续网络虚拟化要支持的主要转发面技术。切片控制器是实现网络切片/虚拟化的一种特殊控制器,负责创建虚拟网络(Vnet以及Vnet生命周期的管理,Vnet与物理资源存在映射关系,Vnet网络由虚拟节点(Vnode和虚拟链路(Vlink构成,作为VnetClient的上层控制器只能使用切片控制器分配给自己的Vnet资源。业务控制器在网络切片控制器创建的Vnet拓扑上编排业务,不同的业务控制器彼此独立,可以运行不同的控制协议,例如:一个业务控制器可运行SegmentRouting的控制协议编排端到端业务,另一个业务控制器可以允许MPLS-TP的控制协议编排端到端业务。作为5G切片网络的一部分,承载网的控制器需要与无线、核心网的分层

SDN/NFV进行协同,需要引入一个跨专业的协同器才能完成端到端切片的业务链编排,这方面的协同器开发需要推动接口的标准化工作,目前这方面的工作还在起步阶段。

3、结语

2017年在5G外场测试的驱动下,5G承载技术的研究和设备开发将进入关键期,配合5G无线和核心网的需求,对5G承载的关键技术进行测试和评估。5G建设,承载先行,5G承载网的技术、标准和产业化将为5G业务的商用提供坚实的基础。

参考文献:

[1]虞文海.5G时代承载网面对的挑战及部署方案探讨[J]信息通信,2017,(05):181-182

[2]董超,王瀚冰,毛艾杭.面向5G的光传送网需求及挑战[J]安徽建筑,2017,(07):41

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