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        面向5G的傳輸網絡演進與發展探討

        http://www.rxbn.tw ( 2018/9/12 17:39 )

        摘要:為了分析5G演進對傳輸網絡的影響,基于5G演進標準的進展和典型應用場景,分析了5G布網對傳輸的關鍵需求是超高帶寬、低時延、網絡分片、站間流量和高精度時間同步。基于這些訴求,探討了基礎資源儲備、網絡分片、高精度時間同步部署、三層網絡下移等關鍵問題,并通過建立模型對傳輸各層帶寬進行了測算,提出了城域傳輸網核心層、匯聚層、接入層的演進方向和組網等特征。

        1  5G演進的標準進展與典型場景

        移動通信網絡在大面積普及4G網絡以后,中國用戶的使用體驗和網絡速率得到較大提升。隨著技術進步和多方面因素的驅動,美日韓及歐洲的5G測試與商用正在加速,國內方面,工信部也在積極推進5G的進程,IMT2020推進組的5G技術研發驗證已從關鍵技術驗證階段到了技術方案驗證階段,中移動集團也在積極布局5G,加緊進行5G的外場驗證。

        1.1  3GPP時間表

        以目前3GPP標準的節奏,預判2020年試商用能相對比較成熟,而隨著產業環境加速的趨勢,也可能基于目前的Rel-14版本或Rel-15版本開展試點或試商用,試商用中將更側重于增強版的移動寬帶(eMBB)應用場景。如圖1所示。

        圖1    3GPP標準節奏

        1.2  5G的典型應用場景

        5G的典型應用場景如圖2所示包含eMBB(增強版的移動寬帶)應用場景、mMTC(大規模機器通信)應用場景、uRLLC(高可靠低時延通信)應用場景。

        圖2    5G的三類典型應用場景

        這三類場景在5G建網初期最典型的應用是增強版的移動寬帶(eMBB)應用場景,比如隨時隨地高清視頻直播和分享、虛擬現實、高速上網等方面。隨著物聯網的發展,大規模機器通信(mMTC)應用場景應用會越來越多,比如智能抄表、自動停車、智能交通等。相對而言高可靠低時延通信(uRLLC)應用場景在初期應用可能不多,比如自動駕駛汽車、工業互聯、遠程機械作業控制等會隨著5G網絡的部署成熟出現應用,但這類應用對傳輸網時延要求會比較高,在1ms~4ms之間,對網絡架構的影響較大。

        2  5G布網對傳輸的關鍵需求

        2.1  超高帶寬需求

        由于5G的單位面積的接入速率比4G提升1000倍,這里的1000倍一般認為“千倍速率提升=10倍基站密度x10倍頻譜帶寬x10倍頻譜利用率”,在實際應用中,拋開基站密度因素,單基站帶寬提升30~50倍。因此,5G基站帶寬均值將超過2G,峰值更是超過10G。以S111站型為例,CIR/PIR將達到4G/16G,按每接入環6個站,一個站達到峰值帶寬計算,接入環帶寬將達到40G,考慮到5G基站的密集程度,100G組網可能性更大,而核心層/匯聚層則有可能達到T級別組網。

        2.2  低時延需求

        5G定義的場景和需求里面,高可靠低時延通信(uRLLC)應用場景提到端到端1ms延時,低延時主要滿足一些特殊場景,相關標準組織提到的主要場景是自動駕駛。但1ms場景存在爭議。例如,自動駕駛場景中,100km時速,1ms移動距離約3cm,3cm的移動距離對自動駕駛來說時沒有必要的,對安全性也沒有威脅。相對而言,比較符合應用實際的S1接口單向時延10ms,分解到傳輸網延時為2ms,X2/ex2接口單向時延20ms,分解到承載網延時為4ms,所以傳輸網絡以2ms~4ms的低時延考慮較為合理。

        2.3 網絡分片的需求

        5G網絡將滲透到社會的各個領域,除了移動互聯網,還將實現萬物互聯,海量的連接設備、不斷涌現的各類新業務和應用場景,給5G網絡帶來豐富應用的同時,也為5G網絡的承載提出了不同的傳輸需求,車聯網、移動醫療、工業控制等應用對傳輸時延要求較苛刻,而數據業務、高清視頻則對帶寬要求較高,為滿足各種業務的需求,同時又最高效地利用無線、承載網絡的設備資源,需要對無線、承載網絡的資源進行切片,采用不同的資源來承載不同的業務,按需實現網絡資源的合理編排。

        網絡分片需要網絡設備硬件和軟件平臺支持,將與SDN(軟件定義網絡)結合緊密。

        2.4  站間流量的需求

        5G場景下,5G高密流量/高密聯接的特征將使移動承載流量模型mesh化:基站-基站、EPC-EPC之間的移動時交接流量占可能占比相對4G有較大幅度的提升,流量模型偏向mesh化。站間流量有兩個場景,一是基站站間協同的X2/eX2接口而產生的流量,二是部分應用,因為網關/EPC/MEC的位置可能比較低,從而產生了站間流量。站間流量的需求對傳輸網絡的架構也提出了一定的要求。

        2.5  高精度時間同步

        在超密集組網場景下,基站聯合發送對同步提出更高要求:非相鄰載波下的聯合發送要求時間同步精度為260ns;相鄰載波下的聯合發送要求時間同步精度為130ns;同一載波下的聯合發送要求時間同步精度為65ns。而在65ns的時間同步精度下,即使是基站直接從GPS獲取時間,也難以保證該同步精度,需要考慮采用承載網實現高精度的時間同步。

        3  面向5G的傳輸網絡演進探討

        3.1  基礎資源儲備分析

        面向5G的發展,基礎資源的儲備極為關鍵。考慮高頻衰竭實際覆蓋縮短,5G基站的密度會是4G的1.5倍左右,微站超密級分布,同時低時延和站間流量需求會對成環結構的網狀化提出一定的要求。

        基于以上的特點,基礎資源的儲備關鍵是:

        一是進行局房和匯聚節點等重要節點的資源儲備,尤其是匯聚節點自有率的提升和機房面積的提升。首先,推動核心機房的能力儲備,5G對于核心節點的裝機需求約30~50個機架,功耗約120~200kw,核心機房裝機條件的改善和電源、空調等條件的提前儲備很關鍵;其次,中移動的匯聚機房條件并不算好,還有不少依然是租用機房,剩余的裝機位也不多,面向5G的布網對這些資源提出了新購以及現網整治以改善裝機條件的需求。

        二是光交網絡網格化的部署和延伸,靠近接入點,實現資源的網格化、有序化、靈活安全的接入。5G基站依然以光交網為主要的光纖接入、組網手段,面對超密集組網的站址接入需求,光交資源需要著重從“密度”和“健康度”兩個方面規劃考慮。“密度”的維度以綜合業務接入區為單位,考察其覆蓋半徑及接入能力,按照基站站址密度提高到1.5倍考慮,需要著重增強綜合業務接入區的覆蓋范圍并加大二級分纖點的建設。“健康度”的維度則是從“微網格”的角度,考察基礎資源的持續可接入能力,對微網格范圍內“規整率”、 “覆蓋率”、“連通率”、“接入率”等指標推動建設和優化。

        三是道路管道的新增或擴容,滿足設備組網的需求。面向5G,基礎資源層面也需重視管道的加排、疏通建設,要提早進行管道加排,增強線路連通的能力,并推廣紡織子管等應用,盤活已建管孔資源,為5G的CRAN和DRAN部署及傳輸設備的組網做好準備。

        3.2  網絡分片的實現探討

        網絡分片是面向5G的一個特征,可分為轉發層分片、管理層分片、控制層分片,面向5G的幾種場景也可進行連續廣覆蓋切片、低時延高可靠切片,而SDN的應用是實現這些網絡分片的一種重要方式。

        相對而言,在中移動的倡導下,在PTN網絡中引入SDN是近期可能應用的一種方案。SPTN的組網和應用可通過引入S-Controller和D-Controller來實現。目前,SPTN的驗證在多個城市做個試點,但在現網的應用還很少,隨著5G的臨近其部署將會越來越多。

        同時,隨著PTN技術的不斷發展,正向第二代PTN演進。第二代PTN將具有FlexE(基于傳統以太網輕量級增強)等特性,FlexE可實現業務的隔離和捆綁,可在轉發層實現分片,從而5G的網絡分片特征可以通過FlexE及SDN同時實現硬隔離和軟隔離,其應用更具價值。

        3.3  高精度時間同步部署要求

        5G空口需要高精度時間同步,在6G以下頻段的厘米波甚至達到150ns,這對超高精度時間同步提出了要求。為了達到時間同步的要求,尤其在傳輸網絡傳遞的場景中,一方面需要部署超高精度時間同步服務器,另一方面改進時間同步算法,以提高時間同步的精度。

        3.4  三層網絡下移的探討

        目前傳輸網絡以二層設備為主,中移動PTN網絡的三層設備一般部署在核心層,同時成對部署L2/L3橋接設備,匯聚層和接入層均為二層設備。網絡為一個小三層的網絡,對站間流量等X2業務,其路徑為接入->匯聚->橋接->匯聚->接入,X2業務所經過的跳數多、距離遠,時延相對也較大。

        低時延的要求、站間流量的增多和5G無線跟核心的云化都對傳輸網絡的三層下移提出了需求。

        三層網絡的下移有下沉到匯聚和下沉到接入邊緣兩種方案。下沉到接入的方案將是一個非常復雜的三層網絡,其站間流量和到業務網元的時延將大為降低,但網絡維護相對復雜。下沉到匯聚的方案能將時延降到1.5ms以內,其路徑為接入->匯聚->接入,對絕大部分5G的業務能滿足其要求,匯聚點由于相對穩定,對網絡維護的復雜性相對降低。無論是下沉到匯聚還是下沉到接入,這都將成為一個大三層的網絡,靜態路由方式需改為動態路由方式。

        3.5  城域傳輸網絡架構演進的探討

        (1)城域傳輸網內帶寬測算

        5G基站峰值帶寬按7G,平均帶寬按3.5G考慮,接入環帶8個節點,按7*單站平均帶寬+單站峰值,則接入環帶寬約為31.5G;對于匯聚環,以環形組網估算,假定每匯聚環6臺設備,每對設備帶3個接入環,按6*3*接入環帶寬*匯聚收斂比/2估算,匯聚收斂比暫定為4:3,則匯聚環帶寬約為213G。

        對于CRAN方式,按每個接入環可帶20個RRU考慮,5G基站峰值帶寬7G,平均帶寬3.5G,接入環帶4個節點,按23*單站平均帶寬+單站峰值,則接入環帶寬約為87.5G;對于匯聚環,以環形組網估算,假定每匯聚環6臺設備,每對設備帶3個接入環,按6*3*接入環帶寬*匯聚收斂比/2估算,匯聚收斂比暫定為4:3,則匯聚環帶寬約為590G。

        以上測算可見,接入層設備需考慮40GE的環或直接組50G/100G的環;匯聚層設備需逐步考慮組400GE的環或疊加。

        對于核心層,每對節點可帶3000個站以上,假定按4:2的收斂算法,測算帶寬約為6T,核心層更需采用大容量的設備。

        (2)城域傳輸網絡架構演進探討

        結合三層網絡下移、網絡分片的實現和帶寬的測算,城域網的架構將向著智能化、扁平化、高速帶寬和靈活組網的方向發展。

        1)三層網絡下移方面,下移到匯聚層還是接入層目前還存在爭議。從現有網絡的利用來滿足5G試點和初期發展來講,下移到匯聚層會是折中的一個選擇,能將業務路徑經匯聚層疏導到下沉的業務終結點,時延相比目前已大為降低;從滿足5G的所有場景和長期發展來看,下移到接入層也將是一個選擇,整個城域傳輸網將成為一個三層網絡,可最大程度滿足各類業務終結和站間流量的低時延傳輸和最短路徑傳輸,但是整網將新建平面,投資成本較高。

        2)網絡分片方面,目前討論較多的是FlexE和SDN。FlexE是傳統以太網輕量級增強的技術,基于以太網的多速率子接口在多PHY鏈路上的承載技術實現業務的隔離和捆綁,支持多速率接口,網絡分片,多業務綜合承載,目前該技術的應用方式存在較多爭議,但在一定層面的應用較大。SDN的引入尤其是SPTN的應用目前取得共識較多,通過SDN實現網絡分片在未來可能性較大。

        傳輸網絡架構演進如圖3所示。

        圖3    傳輸網絡架構演進

        3)帶寬速率提升和網絡組網方面,將呈現高速帶寬和靈活組網的特征。

        大城市的核心層組網將以網狀網為主,通過分區組網實現分區的接入,采用L3設備進行架構搭建,需采用單端口400G以上的大容量設備。

        匯聚層逐步采用L3設備進行架構搭建,可由環網考慮逐步改為口字型上聯,根據網絡的下沉網元設置進行半mesh結構的靈活組網,也需采用單端口400G以上的大容量設備以滿足5G帶寬陡增的需求。

        接入層可仍以環網形式接入,也可進行半mesh結構的靈活組網,帶寬由目前的GE環/10GE環升級為單環40G或50G/100G。

        4  結語

        隨著4G網絡為人們提供了視頻、圖片、以及話音、短信等高質量的通信服務,人們的移動通信使用體驗相比10年前甚至5年前已有很大不同和提升,這也讓人們對5G網絡充滿了期待。本文從5G標準的進展和場景典型應用開始,論述了5G布網對傳輸的關鍵需求是超高帶寬、低時延需求、網絡分片、站間流量和高精度時間同步。通過帶寬流量的推算建立了各層帶寬模型,提出了傳輸網核心層、匯聚層、接入層的帶寬速率提升和網絡組網特征,并探討了面向5G的傳輸網會逐步將三層下移,進行網絡分片的努力、基礎資源的儲備和高精度時間同步的部署,網絡架構向智能化、扁平化、高速帶寬和靈活組網的方向發展。

        參考文獻:

        [1] 湯進凱. 面向5G發展的城域傳輸PTN網絡演進探討[J]. 移動通信, 2016(23). ★

        作者:湯進凱   來源:《移動通信》

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