5G承載網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢

  作者:韓柳燕 中國移動(dòng)研究院 技術(shù)經(jīng)理; 李晗 中國移動(dòng)研究院 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究所所長

  隨著5G商用部署，面向5G的新一代承載網(wǎng)絡(luò)成為運(yùn)營商城域網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。這張網(wǎng)絡(luò)需要在技術(shù)上采用更加先進(jìn)的承載方案，滿足5G時(shí)代個(gè)人用戶和垂直行業(yè)用戶當(dāng)前及未來的高速發(fā)展。此外，它還需要支持邊緣算力網(wǎng)絡(luò)等核心應(yīng)用，對(duì)于車聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興應(yīng)用提供基礎(chǔ)保障。

  同時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和應(yīng)用的進(jìn)一步深入，5G承載網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仍在持續(xù)演進(jìn)和發(fā)展。中國移動(dòng)在“讓創(chuàng)新更加貼近需求，讓技術(shù)更好服務(wù)客戶”的理念指引下，推動(dòng)技術(shù)不斷迭代升級(jí)，確保5G承載網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)先進(jìn)性，推動(dòng)其向綜合承載網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，以提供更為優(yōu)化和智能的連接承載。

  5G承載和SPN網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷程

  5G三大業(yè)務(wù)場景對(duì)5G回傳承載在帶寬、時(shí)延、同步、IPv6和切片等方面提出剛性需求。首先，5G時(shí)期帶寬需求總體增長10~100倍；5G基站接口帶寬由4G時(shí)期的GE變?yōu)?0/25GE，5G回傳承載網(wǎng)接入/匯聚/核心層帶寬由GE/10GE/100GE變?yōu)?0GE/N×100GE/N×200GE。其次，時(shí)延要求提高，由4G時(shí)期的20ms變?yōu)閁RLLC業(yè)務(wù)最小1ms，單設(shè)備時(shí)延由50~100μs變?yōu)?0μs量級(jí)。時(shí)間同步精度需求也在不斷提升，單設(shè)備同步精度需求由±30ns變?yōu)椤?ns。IPv6方面，LTE基站采用IPv4，5G基站采用IPv6，傳輸網(wǎng)由原來基于IPv4變?yōu)樾枰С諭Pv4/IPv6雙棧。此外，5G不再是單一和剛性的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而是能適應(yīng)多種應(yīng)用場景，并滿足各種垂直行業(yè)多樣化需求的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)5G核心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步云化，引入移動(dòng)NFV和網(wǎng)絡(luò)切片等新型技術(shù)。這些都給5G承載技術(shù)帶來了變革的機(jī)會(huì)點(diǎn)。

  2017年，中國移動(dòng)針對(duì)5G傳輸需求，提出切片分組網(wǎng)SPN（Slicing Packet Network）架構(gòu)及理念，并持續(xù)推進(jìn)。SPN切片通道層SCL（Slicing Channel Layer）技術(shù)2018年10月在ITU-T立項(xiàng)MTN（Metro Transport Network）接口標(biāo)準(zhǔn)，并從2019年起全面立項(xiàng)，標(biāo)志著MTN作為全新的傳送網(wǎng)技術(shù)成為新一代國際標(biāo)準(zhǔn)體系。SPN實(shí)現(xiàn)了TDM和分組的有機(jī)融合，支持L0到L3能力，契合5G無損、高效的承載需求，具備大帶寬、低時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)切片、靈活連接、高精度同步和統(tǒng)一管控等技術(shù)優(yōu)勢。在組網(wǎng)架構(gòu)方面，SPN支持端到端承載，通過不同的切片特性，實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的定制化承載。在節(jié)點(diǎn)架構(gòu)方面，轉(zhuǎn)發(fā)面融合了L0—L3技術(shù)，支持軟、硬隔離管道；管控面采用SDN，實(shí)現(xiàn)管控合一的集中智能調(diào)度，支持切片和業(yè)務(wù)隧道的自動(dòng)規(guī)劃和部署。在性能方面，SPN為分組網(wǎng)帶來確定性低時(shí)延特征。此外，SPN端到端靈活帶寬、硬隔離及豐富的切片能力也可為高等級(jí)政企業(yè)務(wù)承載提供差異化優(yōu)勢。

  目前中國移動(dòng)已經(jīng)規(guī)模商用SPN設(shè)備，全國所有地市及以上城市部署共計(jì)20萬端以上。

  5G承載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢

  隨著5G部署的全面深入，5G回傳網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)也初具規(guī)模。5G承載網(wǎng)絡(luò)相比4G網(wǎng)絡(luò)，從建設(shè)之初就是一個(gè)高起點(diǎn)高能力的網(wǎng)絡(luò)。一是核心匯聚接入層的帶寬普遍大幅提升，達(dá)到百G以上的接口和幾十T的設(shè)備交換容量；二是轉(zhuǎn)發(fā)層面和管控層面的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)能力也達(dá)到一定規(guī)模，支持萬節(jié)點(diǎn)以上的組網(wǎng)規(guī)模，以及大量的硬切片和軟切片管道的連接。大帶寬、高能力的5G承載網(wǎng)絡(luò)，也在逐步向著一張綜合承載網(wǎng)絡(luò)的趨勢發(fā)展。一方面可以提升這張高能力網(wǎng)絡(luò)的利用率和價(jià)值，另一方面，從業(yè)務(wù)和客戶需求來看，無線基站、垂直行業(yè)、政企專線、家庭寬帶和云網(wǎng)接入等各種業(yè)務(wù)也在不斷下沉到邊緣并融合，承載網(wǎng)絡(luò)的融合也符合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)融合的趨勢。

  以SPN網(wǎng)絡(luò)為例，其本身既支持硬切片又支持軟切片，面向各種應(yīng)用場景，SPN提供五大類切片，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線基站、政企專線、云網(wǎng)接入等業(yè)務(wù)場景的綜合承載，一網(wǎng)多業(yè)，全面提升SPN網(wǎng)絡(luò)的利用率，助力千行百業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)（如圖1所示）。

圖1  SPN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展

  從網(wǎng)絡(luò)能力角度，承載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢總體可以概括為切片粒度更精細(xì)、業(yè)務(wù)連接更豐富、設(shè)備組網(wǎng)更靈活、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維更智能、在線運(yùn)營更低碳。

  - 切片粒度更精細(xì)：不同業(yè)務(wù)的帶寬需求不一樣，目前對(duì)于專線、行業(yè)用戶控制信令等高要求業(yè)務(wù)，帶寬需求普遍比較小，因此，要求網(wǎng)絡(luò)切片能夠靈活匹配各類業(yè)務(wù)帶寬需求，實(shí)現(xiàn)帶寬精細(xì)化；同時(shí)，需要滿足各類客戶的隔離要求，達(dá)到隔離精細(xì)化；高質(zhì)保證99.999%可靠性，確保管理精細(xì)化。

  - 業(yè)務(wù)連接更豐富：業(yè)務(wù)連接不僅有一層TDM連接需求，也有二三層以太網(wǎng)和IP連接需求，業(yè)務(wù)接口不僅包括以太網(wǎng)接口，也包括TDM接口；整張網(wǎng)絡(luò)切片感知、邊緣計(jì)算、邊緣覆蓋和接入能力需要提升，以更加貼近與匹配垂直行業(yè)和政企專線業(yè)務(wù)的接入和承載需求。

  - 設(shè)備組網(wǎng)更靈活：傳送網(wǎng)絡(luò)在向開放化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向不斷發(fā)展。未來承載網(wǎng)將通過標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)發(fā)能力和南向接口，規(guī)范化接口模型和組網(wǎng)方式，全面提升NNI（Network to Network Interface）融合互通的能力，實(shí)現(xiàn)邊緣網(wǎng)絡(luò)異廠家靈活組網(wǎng)。

  - 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維更智能：InBand OAM端到端隨流實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，實(shí)現(xiàn)基于逐基站/專線的精確實(shí)時(shí)性能監(jiān)測和跨域業(yè)務(wù)性能監(jiān)測；面向客戶呈現(xiàn)當(dāng)前專線業(yè)務(wù)質(zhì)量和流量信息，幫助客戶快速了解當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)；基于對(duì)歷史數(shù)據(jù)的搜集與分析和管控系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與仿真、業(yè)務(wù)快速創(chuàng)建、運(yùn)維自動(dòng)化等能力。

  - 在線運(yùn)營更低碳：通過芯片、光模塊的技術(shù)升級(jí)和優(yōu)化，以及自動(dòng)休眠等技術(shù)實(shí)現(xiàn)SPN網(wǎng)元級(jí)低碳運(yùn)營；通過功耗可視化和智能分析與調(diào)度技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)級(jí)低碳運(yùn)營。

  SPN技術(shù)和組網(wǎng)演進(jìn)

  為了打造“高效、融合、智能、低碳”的新一代綜合業(yè)務(wù)承載網(wǎng)，SPN在技術(shù)上圍繞小顆粒技術(shù)FGU（Fine Granularity Unit）向2.0時(shí)代邁進(jìn)，以滿足5G+垂直行業(yè)和政企專線等場景中的小帶寬、高隔離、高安全和確定性低時(shí)延等承載需求，提供一種精細(xì)化和硬隔離、高可靠的小顆粒承載管道。

  FGU兼容現(xiàn)有SPN和10GE標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口，采用與位于IEEE 802.3 PCS層的SPN通道層相同的64/66B編碼格式。FGU幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，將開銷和包含多個(gè)時(shí)隙的凈荷編碼后封裝到固定長度的S塊+D塊+T塊序列，為確保小顆粒業(yè)務(wù)獨(dú)享時(shí)隙資源，嚴(yán)格硬隔離，同時(shí)保證低時(shí)延、低抖動(dòng)、高效承載；FGU采用TDM機(jī)制循環(huán)發(fā)送FGU幀，每幀時(shí)隙數(shù)量及位置均嚴(yán)格固定，因此每時(shí)隙具有固定的發(fā)送周期，實(shí)現(xiàn)對(duì)SPN通道層5Gbps顆粒的時(shí)隙劃分與復(fù)用。SPN網(wǎng)絡(luò)基于FGU的交叉連接，提供端到端切片通道L1層組網(wǎng)（如圖2所示）。

圖2  支持FGU的SPN技術(shù)架構(gòu)

  此外，F(xiàn)GU OAM與SPN/MTN通道OAM機(jī)制一致，為每條小顆粒通道提供獨(dú)立和完善的端到端OAM監(jiān)測能力。為提供更優(yōu)的切片應(yīng)用體驗(yàn)，F(xiàn)GU通過開銷信令支持端到端帶寬與時(shí)隙無損調(diào)整功能，調(diào)整帶寬時(shí)不會(huì)丟失數(shù)據(jù)報(bào)文，資源分配更加靈活。

  在組網(wǎng)方面，SPN 1.0向以FGU為核心的2.0演進(jìn)中，將采用前向兼容的平滑網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)方式，一方面將最大化重用已有的SPN 1.0的成果和優(yōu)勢，保護(hù)現(xiàn)有投資；另一方面將提升和鞏固SPN在硬切片方面的能力，更好滿足5G垂直行業(yè)、政企客戶和云網(wǎng)業(yè)務(wù)的承載需求。近兩年，F(xiàn)GU的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)快速推進(jìn)并成熟，同時(shí)驗(yàn)證了SPN現(xiàn)網(wǎng)支持通過在線升級(jí)的方式進(jìn)行演進(jìn)。

  SPN 2.0網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)過程中，管控技術(shù)的演進(jìn)和成熟也是重要方面。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)層具備各項(xiàng)能力之后，如何能夠在應(yīng)用中靈活發(fā)揮這些優(yōu)勢，需要管控和編排層面的支持，以實(shí)現(xiàn)在一張大網(wǎng)中及時(shí)配置成千上萬條切片通道，根據(jù)客戶的不同需求，定制化地提供不同的端到端軟硬切片通道，支持靈活地創(chuàng)建、更新、刪除、查詢切片通道的能力。更智能的管控和編排技術(shù)的發(fā)展，將持續(xù)保障網(wǎng)絡(luò)能力到用戶需求的轉(zhuǎn)化。

  隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)推進(jìn)，以及多樣化示范性業(yè)務(wù)的逐步開展，表明SPN能為各種行業(yè)用戶提供個(gè)性化的承載能力，且滿足MEC下沉之后的互聯(lián)和承載需求，有力支撐了5G業(yè)務(wù)的發(fā)展。未來，5G承載網(wǎng)絡(luò)向綜合承載網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，SPN提出了2.0的演進(jìn)思路，尤其通過小顆粒技術(shù)提供更為靈活精細(xì)的切片連接，將支持更為廣泛的應(yīng)用。

  致謝

  本文得到中國移動(dòng)通信集團(tuán)公司網(wǎng)絡(luò)事業(yè)部吳超，以及中國移動(dòng)通信研究院葉雯、王敏學(xué)、張德朝的指導(dǎo)與幫助，謹(jǐn)致謝意！