面向5G的传送网新架构及关键技术

 2021年3月10日第38卷第5期Telecom Power TechnologyＭａｒ．　１０，　２０２１，　Ｖｏｌ．３８　Ｎｏ．５　doi：10.19399/j.cnki.tpt.2021.05.050通信技术面向5G的传送网新架构及关键技术黄 嘉（中国移动通信集团 河南有限公司，河南 郑州 450000）摘要：随着互联网技术的飞速发展，新的应用技术层出不穷。在此趋势下，5G技术也随之快速发展。5G业务对承载网提成更高的挑战。其中，增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，EMBB）要求峰值可达10～20 Gb/s，超高可靠超低时延通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，URLLC）业务要求时延小于1 ms，因此需要新的技术来满足这些需求。关键词：5G；传送网；SPN技术架构New Architecture and Key Technologies for 5G Transmission NetworkHUANG Jia(China Mobile Communications Group Henan Co., Ltd., Zhengzhou 450000, China)Abstract: With the rapid development of Internet technology, new application technologies emerge in an endless stream. Under this trend, 5G technology also develops rapidly. 5G service poses higher challenges to bearer network commission Among them, EMBB enhanced mobile broadband requires a peak value of 10-20 Gb/s, URLLC ultra-high reliability and ultra-low delay communication service requires a delay of less than 1ms, so new technologies are needed to meet these requirementsKeywords: 5G; transmission network; SPN technology architecture1 5G网络关键技术特点5G网络的优点包括覆盖范围广、热点多以及容量大等，前两个优点主要是移动互联网的应用，第3个优点主要是物联网的实际应用。随着个人业务的下降，运营商需要在5G无线业务外拓展集客业务， To B型业务等。此类业务与5G无线业务形成物理隔离，并且支持客户的定制需求，可根据用户需求设计并部署定制化逻辑网络，基于连接强度、终端时延、移动性、流量控制以及峰值等因素进行业务组织[1]。本课题中5G网络的运行基于5G传输网，传输网可做到将控制面与传输面分离。控制面可基于云服务提供非地址受限和非时间受限的软件定义网络；传输面则提供比4G承载网更大的接入带宽、更高的汇聚比、低时延以及部署灵活等功能。1.1 大带宽和高容量近年来，随着视频直播和移动支付等移动数据流量的快速增长，未来大数据带宽及多点突发流量呈现增长趋势。目前4G网络单基站GE的接入带宽已经难以满足移动用户需求，因此在5G无线到来之际，5G运输网络需要比这个更大的带宽和更高的容量将会得到充分的利用。1.2 低时延5G互联网和Intrenet应用中，传输网络的时延收稿日期：2021-01-29作者简介：黄 嘉（1983-），男，河南许昌人，本科，中级工程师，主要研究方向为光通信及同步。主要由两部分组成设备转发时延和光纤传输时延组成。设备时延是指设备转发数据时产生的时延。光纤传输延迟与传输距离有关，取决于延迟发生的时间[2]。降低数据传输网络时延的有效办法是提升标签转发效率和故障后路由收敛速度。目前基于第三代的电信以太网已经可以做到低时延进行标签转发，但5G中的无线特性对低时延做出更多的要求，因此需要在MPLS基础之上引入SR技术升级为第四代灵活电信以太网，从而进一步提高转发效率并减少单节点查表速度。1.3 灵活化为了保证光纤传输网络运行的灵活性，可以采用光传送网（Optical Transport Network，OTN）中ODU_FLEX、GMP以太透传等技术以及现有的ROADM技术与软件自定义技术。灵活的显示和封装，结合灵活的调度能力，通过对光电层分离调度有效提高切片分组网（Secret Private Network，SPN）及OTN混合组网的的灵活性。1.4 智能化与4G不同的是，5G网络更灵活、更有效且更智能。在现网中，5G传输网应通过云化网管实现SPN、分组传送网（Packet Transport Network，PTN）、IPRAN与OTN和MS-OTN的跨专业融合，并打通资管系统与各厂家设备接口，从而实现“业务发放自动化+服务等级协议（Service Level Agreement，SLA）自优化+主动运维保障”的3大功能。此外在5G网络中，·　１６４　· 2021年3月10日第38卷第5期黄 嘉：面向5G的传送网新架构及 关键技术Telecom Power TechnologyＭａｒ．　１０，　２０２１，　Ｖｏｌ．３８　Ｎｏ．５　由于To B类业务未来发展迅速，网络运维部门可以通过云化智能网管实现资源自动核查、时延预估计算、随流检测以及分类业务自动部署的功能，提升对市场业务的技术支撑能力。2 5G传送网优选SPN新技术架构由于5G网络的新结构和业务需求，新架构下的SPN以及IPRAN技术均在静态PTN或动态IPRAN架构中增加FlexE、SR以及高精度时间同步功能（SPN功能架构可见下图1）。在大带宽混传方面，目前主流运营商均大力推广MS-OTN技术作为SDH的替代及多业务OTN平台的进一步演进，从而和SPN技术一同混合组网来承载5G无线及其他新型业务。NMS/ContollerBGP-LS v6PCEP v6PTN/SPN网络VPN Peer/v44G VRF源LSRID v4MPLS-TP宿LSRID v4VPN Peer/v4LSRID v4/v64G VRFBGP-LS v6PCEP v6PTN用户侧接口LSRID v4/v6PTN用户侧接口MPLS-TP4G VLLPW Peer/IPv4PW Peer/IPv44G VLLPort IPv4/IPv6Port IPv4/IPv6VPN Peer/v6VPN Peer/v6SR-TP6/SR-BE65G VRF5G VRFPW Peer/v6PW Peer/v6MPLS-TP6/SR-TP65G VLL5G VLLIS-IS v6图1 SPN功能架构图2.1 SPN网络连接性较好与目前的4G网络相比，5G网络传输在前传、中传以及回传的流向上有很大差异，但是SPN网络提供了非常好的连接，可以有效提高管理效率。在实现过程中，首先利用首节点的标签栈建立TP型全程网络传输路径，或利用网关协议建立BE型自转发路径，从而实现全程路径上降低路由查表步骤，提升业务转发时效，同时使得流量可在较低层次中实现自由转发，降低全网流量使用量。2.2 SPN网络能够提供高精度的时间同步技术5G无线接入网中，UE至BBU间的eMBB用户面、uRLLC用户面以及控制面时延指标分别为4 ms、 0.5 ms以及10 ms，而端到端业务间uRLLC业务、eMBB业务以及V2X双向业务的时延指标分别为5 ms、 10 ms以及3 ms。为了保证下联业务的时间同步精度达到要求，5G承载网需要配合将uRLLC的UPF由省公司核心网下沉至城域网骨干层，从而满足更低传输时延要求[3]。在现网实施中，除考虑基站侧单GPS带来的战略风险问题外，还需考虑GPS+北斗双星同步接收，因此对于SPN组网，将引入双卫星接入、高精度时钟处理以及单纤双向组网等技术。2.2.1 双卫星接入考虑GPS单系统卫星接收的战略风险，将基站侧卫星接收模块更改为以北斗为主，以GPS为辅的双星接收模式，并启用频率精度与相位差综合估算算法，减少不同基站间相位差带来的误差问题。2.2.2 高精度时钟处理在SPN网络中，将原先的低精度晶体自振系统升级为高精度自振模块，虽然在频率精度方面与铯钟和铷钟相比仍显不足，但在单站成本与精度保持方面较PTN及OTN网络有显著提升。2.2.3 单纤双向组网在SPN以及混合组网的OTN网络中，运营商大量采用支持单纤双向的低速率GE模块来单独组网，通过低成本的1588V2单独组网，减少上下行距离不一致引起的时延误差，从而保证全网同步的时间精度。2.3 SPN网络能够提供大宽带技术由于5G网络中接入环的基站接入带宽总量有较大提升，与4G传输网城域收敛比的4:3:2相比，5G城域网提升为8:2:1。核心环的带宽要在110GE以上，接入环的带宽要在25GE以上，汇聚环的带宽要达到80GE。而5G传输网络正常运行的基础在于绝大多数接入环带宽要达到50GE，某些部分要提升到100GE，汇聚环要达到100GE以上。核心环有着更高的要求，需要保证在N×400GE以上。在VPN的划分中，针对4G业务二层转三层设备放置于汇聚或骨干汇聚设备上带来的转发效率较低的问题，5G业务SPN组网中将三层设备直接下沉至接入网设备，提高部分下层·　１６５　· 2021年3月10日第38卷第5期Telecom Power TechnologyＭａｒ．　１０，　２０２１，　Ｖｏｌ．３８　Ｎｏ．５　集客业务的转发效率。2.4 SPN网络可以形成网络分片支持5G业务的SPN网络可以划分为若干逻辑网元，也可以将若干逻辑网元划归至一个逻辑网元中，旨在满足特定的客户、业务、商业场景的业务特点及商业或模式的需求[4]。现网中，SPN网络采用E2E Slice Instance-ESI网络切片实例实现5G无线、集客大客户专线以及海量大连接业务等业务种类的分层。SPN架构可分为切片分组层（Slicing Packet Layer，SPL）、切片通道层（Slicing Channel Layer，SCL）以及切片传送层（Slicing Transport Layer，STL）3层。在每个分层中可以部署单独的QOS策略和VPN域，从而保证各类业务的特殊需求[5]。SPN设备通过对信元进行切片，通过SR技术减少路由查表并提升转发效率，实现了低时延的传输，同时通过基于业务级别的保护路径规划针对5G业务实现无保护、SR-BE隧道重路由、1:1保护、1+1保护以及永久1+1保护等多类型的路由收敛策略，提高承载各类业务的层次性。2.5 SPN系统具有SDN统一管控技术在SDN网络中，网络设备可使用标准的虚拟操作系统，虚拟系统将不受制造商以及厂商的限制直接运行，使得操作标准化，且可进行跨设备厂商及跨设备层级进行统一业务调度与日常维护。可以实现超低时延转发，如图2所示[7]。应用层管理层CloudVPNV2x分片管理VR/ARIOT控制层RAN控制器Network Cloud Engine分片A分片B虚拟/物理资源管理分片C核心网控制器eMBB分片VPN1VPN2VPN3FlexE 分片2Flex 分片3FlexE FlexE 转发层uRLLC分片mMTC分片图2 基于FlexE的超低时延转发流程3.2 FlexE Shim 数据格式3 关键技术FLexE的实现方式3.1 FLexE演进方式FlexE接口新型虚拟逻辑接口，在传统以太网中，接口包括MAC以及PHY，接口是用来承载业务的。引入FlexE后，在接口方面，由传统的以太网2层架构更改为3层架构，分别为Client、Shim以及Group。Clent对应客户的业务流，通过FLEX接口接入进来，多条Client可以封装进一个FLEX接口，可以支持非标准速率[6]。Shim层是对PHY的带宽进行了SLOT切分，例如可实现将50GE接口划分为10个时隙，每个时隙5GE，管理员可以对多个时隙进行配置，比容需要15GE，那就可以把3个时隙进行绑定，这样就有了15GE接口。Group则是把多个端口通过FLEX接口进行了绑定，比如可以将2个4 000GE接口，共有80个10GE的SHTM层业务，传送数据时统一传送，形成Group。简单来说，FlexE是对以太网的轻量型增强，可以定义为在以太网L2（MAC）/L1（PHY）之间的中间层FlexE Shim，是以太网的多速率子接口在多PHY链路上的新技术，而每个子接口（Steam、Quene）速 率可配置，现有标准支持10、40、n×25 （Gb/s）粒度，·　１６６　·FlexE Shim/Group中的每个100GE PHY分成20个Block（64/66 bit），每个Block带宽为5 Gb/s，FLexE可按照5 Gb/s颗粒的整倍数进行带宽分配。将Client-ID、PHY number、Group ID、同步以及定帧等字段作为FlexE层的相关参数，两端设备根据接受的层开销复帧进行数据解读和相关信息判断[8]。3.3 FlexE主要功能3.3.1 通道化功能可以将不同的用户侧端口数据放在同一个PHY的不同时隙传输。这个功能主要是利用SDH思想，将传统的以太网接口速率进行较为灵活的划分，用以承载不同（类型）的切片业务，一个接口的物理带宽可以基于时隙划分，不会抢占和共享，解决了传统以太所有网带宽共享的问题。3.3.2 端口绑定功能通过FlexE Shim将多路PHY捆绑，以实现更大容量的端口。在现网中，可以将多个物理端口进行捆绑，从而扩大带宽，相比Eth-trunk技术可以解决负载不均的问题。例如，设备上有两个100GE端口，但实际流量需要200GE，则可以通过FlexE进行端口捆绑，扩大带宽[9]。3.3.3 子速率功能可以将PHY的一部分时隙分配给用户侧端口。此功能在现网中，一般是用来和波分设备对接时使用，当路由器设备端口利用率过低时，可以进行时隙划分，部分时隙用来传送有效带宽，无效带宽就可以不用占用OTN侧带宽。通过以上这些技术，FlexE在5G网络中可以用于5G uRLLC业务以及大颗粒透明专线业 （下转第170页） 2021年3月10日第38卷第5期Telecom Power TechnologyＭａｒ．　１０，　２０２１，　Ｖｏｌ．３８　Ｎｏ．５　3.4 客户端设计实现客户端/APP配合改造，每次启动时首次访问会触发智能路由分发微服务。智能路由分发微服务管理端可以配置参数，更换域名。客户端根据智能路由分发微服务返回值更换域名。3.5 负载均衡实现根据域名分发，用WAF和Gateway混合实现LB，WAF使用最小连接数负载均衡策略，不进行源地址会话保持。4 结 论基于大型互联网系统群路由分发技术的应用，参考互联网路由模式，互联网系统群路由分发体系的目标是通过智能路由分发微服务识别请求中用户标识，配合域名规则，将指定范围内的用户请求精确分发到指定逻辑机房。分发策略灵活精确，能更好地满足多地多逻辑机房分发需求，不仅有利于互联网系统群分布式架构建设，而且也适用于数据库及对应的微服务分片解耦、多中心分发以及上云后的多区域分发。参考文献：[1] 张永智，李章明.智能路由器开发指南[M].北京：人民邮电出版社，2016.[2] 沈鑫剡，俞海英，许继恒，等.路由和交换技术实验和实训[M].北京：清华大学出版社，2019.[3] 刘丹宁，田 果，韩士良.路由与交换技术[M].北京：人民邮电出版社，2017.[4] 程 宁.基于路由重分发技术及其虚拟网络实验研究[J].软件，2013，34（11）：112-114.[5] 蒋 克，胡 兵.基于TCP/IP协议的主机路由技术在大型园区网络中的应用研究[J].计算机工程与应用，1997（4）：22-23.[6] 胡海清，傅鹤岗，朱庆生.基于软件Agent技术的内容分发网络研究[J].计算机应用，2004（6）：51-53.[7] 叶 双，叶剑虹，刘传才.混合内容分发网络的流媒体监控系统研究与实现[J].小型微型计算机系统，2012，33（9）：2008-2012.[8] 尹 浩，詹同宇，林 闯.多媒体网络：从内容分发网络到未来互联网[J].计算机学报，2012，35（6）：1120-1130.[9] 张 棪，周 旭，唐 晖，等.面向移动互联网的融合内容分发网络总体架构设计[J].电信科学，2011，27（1）：16-23.[10] 黄高峰.内容分发网络关键技术分析[J].电子元器件应用，2009，11（10）：86-88.（上接第166页）务，从而实现端到端独立硬管道，绝对带宽及低时延。[2] 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