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面向5G的传输网络演进与发展探讨

http://www.c114.com.cn ( 2018/9/12 17:39 )

摘要:为了分析5G演进对传输网络的影响,基于5G演进标准的进展和典型应用场景,分析了5G布网对传输的关键需求是超高带宽、低时延、网络分片、站间流量和高精度时间同步。基于这些诉求,探讨了基础资源储备、网络分片、高精度时间同步部署、三层网络下移等关键问题,并通过建立模型对传输各层带宽进行了测算,提出了城域传输网核心层、汇聚层、接入层的演进方向和组网等特征。

1  5G演进的标准进展与典型场景

移动通信网络在大面积普及4G网络以后,中国用户的使用体验和网络速率得到较大提升。随着技术进步和多方面因素的驱动,美日韩及欧洲的5G测试与商用正在加速,国内方面,工信部也在积极推进5G的进程,IMT2020推进组的5G技术研发验证已从关键技术验证阶段到了技术方案验证阶段,中移动集团也在积极布局5G,加紧进行5G的外场验证。

1.1  3GPP时间表

以目前3GPP标准的节奏,预判2020年试商用能相对比较成熟,而随着产业环境加速的趋势,也可能基于目前的Rel-14版本或Rel-15版本开展试点或试商用,试商用中将更侧重于增强版的移动宽带(eMBB)应用场景。如图1所示。

图1    3GPP标准节奏

1.2  5G的典型应用场景

5G的典型应用场景如图2所示包含eMBB(增强版的移动宽带)应用场景、mMTC(大规模机器通信)应用场景、uRLLC(高可靠低时延通信)应用场景。

图2    5G的三类典型应用场景

这三类场景在5G建网初期最典型的应用是增强版的移动宽带(eMBB)应用场景,比如随时随地高清视频直播和分享、虚拟现实、高速上网等方面。随着物联网的发展,大规模机器通信(mMTC)应用场景应用会越来越多,比如智能抄表、自动停车、智能交通等。相对而言高可靠低时延通信(uRLLC)应用场景在初期应用可能不多,比如自动驾驶汽车、工业互联、远程机械作业控制等会随着5G网络的部署成熟出现应用,但这类应用对传输网时延要求会比较高,在1ms~4ms之间,对网络架构的影响较大。

2  5G布网对传输的关键需求

2.1  超高带宽需求

由于5G的单位面积的接入速率比4G提升1000倍,这里的1000倍一般认为“千倍速率提升=10倍基站密度x10倍频谱带宽x10倍频谱利用率”,在实际应用中,抛开基站密度因素,单基站带宽提升30~50倍。因此,5G基站带宽均值将超过2G,峰值更是超过10G。以S111站型为例,CIR/PIR将达到4G/16G,按每接入环6个站,一个站达到峰值带宽计算,接入环带宽将达到40G,考虑到5G基站的密集程度,100G组网可能性更大,而核心层/汇聚层则有可能达到T级别组网。

2.2  低时延需求

5G定义的场景和需求里面,高可靠低时延通信(uRLLC)应用场景提到端到端1ms延时,低延时主要满足一些特殊场景,相关标准组织提到的主要场景是自动驾驶。但1ms场景存在争议。例如,自动驾驶场景中,100km时速,1ms移动距离约3cm,3cm的移动距离对自动驾驶来说时没有必要的,对安全性也没有威胁。相对而言,比较符合应用实际的S1接口单向时延10ms,分解到传输网延时为2ms,X2/ex2接口单向时延20ms,分解到承载网延时为4ms,所以传输网络以2ms~4ms的低时延考虑较为合理。

2.3 网络分片的需求

5G网络将渗透到社会的各个领域,除了移动互联网,还将实现万物互联,海量的连接设备、不断涌现的各类新业务和应用场景,给5G网络带来丰富应用的同时,也为5G网络的承载提出了不同的传输需求,车联网、移动医疗、工业控制等应用对传输时延要求较苛刻,而数据业务、高清视频则对带宽要求较高,为满足各种业务的需求,同时又最高效地利用无线、承载网络的设备资源,需要对无线、承载网络的资源进行切片,采用不同的资源来承载不同的业务,按需实现网络资源的合理编排。

网络分片需要网络设备硬件和软件平台支持,将与SDN(软件定义网络)结合紧密。

2.4  站间流量的需求

5G场景下,5G高密流量/高密联接的特征将使移动承载流量模型mesh化:基站-基站、EPC-EPC之间的移动时交接流量占可能占比相对4G有较大幅度的提升,流量模型偏向mesh化。站间流量有两个场景,一是基站站间协同的X2/eX2接口而产生的流量,二是部分应用,因为网关/EPC/MEC的位置可能比较低,从而产生了站间流量。站间流量的需求对传输网络的架构也提出了一定的要求。

2.5  高精度时间同步

在超密集组网场景下,基站联合发送对同步提出更高要求:非相邻载波下的联合发送要求时间同步精度为260ns;相邻载波下的联合发送要求时间同步精度为130ns;同一载波下的联合发送要求时间同步精度为65ns。而在65ns的时间同步精度下,即使是基站直接从GPS获取时间,也难以保证该同步精度,需要考虑采用承载网实现高精度的时间同步。

3  面向5G的传输网络演进探讨

3.1  基础资源储备分析

面向5G的发展,基础资源的储备极为关键。考虑高频衰竭实际覆盖缩短,5G基站的密度会是4G的1.5倍左右,微站超密级分布,同时低时延和站间流量需求会对成环结构的网状化提出一定的要求。

基于以上的特点,基础资源的储备关键是:

一是进行局房和汇聚节点等重要节点的资源储备,尤其是汇聚节点自有率的提升和机房面积的提升。首先,推动核心机房的能力储备,5G对于核心节点的装机需求约30~50个机架,功耗约120~200kw,核心机房装机条件的改善和电源、空调等条件的提前储备很关键;其次,中移动的汇聚机房条件并不算好,还有不少依然是租用机房,剩余的装机位也不多,面向5G的布网对这些资源提出了新购以及现网整治以改善装机条件的需求。

二是光交网络网格化的部署和延伸,靠近接入点,实现资源的网格化、有序化、灵活安全的接入。5G基站依然以光交网为主要的光纤接入、组网手段,面对超密集组网的站址接入需求,光交资源需要着重从“密度”和“健康度”两个方面规划考虑。“密度”的维度以综合业务接入区为单位,考察其覆盖半径及接入能力,按照基站站址密度提高到1.5倍考虑,需要着重增强综合业务接入区的覆盖范围并加大二级分纤点的建设。“健康度”的维度则是从“微网格”的角度,考察基础资源的持续可接入能力,对微网格范围内“规整率”、 “覆盖率”、“连通率”、“接入率”等指标推动建设和优化。

三是道路管道的新增或扩容,满足设备组网的需求。面向5G,基础资源层面也需重视管道的加排、疏通建设,要提早进行管道加排,增强线路连通的能力,并推广纺织子管等应用,盘活已建管孔资源,为5G的CRAN和DRAN部署及传输设备的组网做好准备。

3.2  网络分片的实现探讨

网络分片是面向5G的一个特征,可分为转发层分片、管理层分片、控制层分片,面向5G的几种场景也可进行连续广覆盖切片、低时延高可靠切片,而SDN的应用是实现这些网络分片的一种重要方式。

相对而言,在中移动的倡导下,在PTN网络中引入SDN是近期可能应用的一种方案。SPTN的组网和应用可通过引入S-Controller和D-Controller来实现。目前,SPTN的验证在多个城市做个试点,但在现网的应用还很少,随着5G的临近其部署将会越来越多。

同时,随着PTN技术的不断发展,正向第二代PTN演进。第二代PTN将具有FlexE(基于传统以太网轻量级增强)等特性,FlexE可实现业务的隔离和捆绑,可在转发层实现分片,从而5G的网络分片特征可以通过FlexE及SDN同时实现硬隔离和软隔离,其应用更具价值。

3.3  高精度时间同步部署要求

5G空口需要高精度时间同步,在6G以下频段的厘米波甚至达到150ns,这对超高精度时间同步提出了要求。为了达到时间同步的要求,尤其在传输网络传递的场景中,一方面需要部署超高精度时间同步服务器,另一方面改进时间同步算法,以提高时间同步的精度。

3.4  三层网络下移的探讨

目前传输网络以二层设备为主,中移动PTN网络的三层设备一般部署在核心层,同时成对部署L2/L3桥接设备,汇聚层和接入层均为二层设备。网络为一个小三层的网络,对站间流量等X2业务,其路径为接入->汇聚->桥接->汇聚->接入,X2业务所经过的跳数多、距离远,时延相对也较大。

低时延的要求、站间流量的增多和5G无线跟核心的云化都对传输网络的三层下移提出了需求。

三层网络的下移有下沉到汇聚和下沉到接入边缘两种方案。下沉到接入的方案将是一个非常复杂的三层网络,其站间流量和到业务网元的时延将大为降低,但网络维护相对复杂。下沉到汇聚的方案能将时延降到1.5ms以内,其路径为接入->汇聚->接入,对绝大部分5G的业务能满足其要求,汇聚点由于相对稳定,对网络维护的复杂性相对降低。无论是下沉到汇聚还是下沉到接入,这都将成为一个大三层的网络,静态路由方式需改为动态路由方式。

3.5  城域传输网络架构演进的探讨

(1)城域传输网内带宽测算

5G基站峰值带宽按7G,平均带宽按3.5G考虑,接入环带8个节点,按7*单站平均带宽+单站峰值,则接入环带宽约为31.5G;对于汇聚环,以环形组网估算,假定每汇聚环6台设备,每对设备带3个接入环,按6*3*接入环带宽*汇聚收敛比/2估算,汇聚收敛比暂定为4:3,则汇聚环带宽约为213G。

对于CRAN方式,按每个接入环可带20个RRU考虑,5G基站峰值带宽7G,平均带宽3.5G,接入环带4个节点,按23*单站平均带宽+单站峰值,则接入环带宽约为87.5G;对于汇聚环,以环形组网估算,假定每汇聚环6台设备,每对设备带3个接入环,按6*3*接入环带宽*汇聚收敛比/2估算,汇聚收敛比暂定为4:3,则汇聚环带宽约为590G。

以上测算可见,接入层设备需考虑40GE的环或直接组50G/100G的环;汇聚层设备需逐步考虑组400GE的环或叠加。

对于核心层,每对节点可带3000个站以上,假定按4:2的收敛算法,测算带宽约为6T,核心层更需采用大容量的设备。

(2)城域传输网络架构演进探讨

结合三层网络下移、网络分片的实现和带宽的测算,城域网的架构将向着智能化、扁平化、高速带宽和灵活组网的方向发展。

1)三层网络下移方面,下移到汇聚层还是接入层目前还存在争议。从现有网络的利用来满足5G试点和初期发展来讲,下移到汇聚层会是折中的一个选择,能将业务路径经汇聚层疏导到下沉的业务终结点,时延相比目前已大为降低;从满足5G的所有场景和长期发展来看,下移到接入层也将是一个选择,整个城域传输网将成为一个三层网络,可最大程度满足各类业务终结和站间流量的低时延传输和最短路径传输,但是整网将新建平面,投资成本较高。

2)网络分片方面,目前讨论较多的是FlexE和SDN。FlexE是传统以太网轻量级增强的技术,基于以太网的多速率子接口在多PHY链路上的承载技术实现业务的隔离和捆绑,支持多速率接口,网络分片,多业务综合承载,目前该技术的应用方式存在较多争议,但在一定层面的应用较大。SDN的引入尤其是SPTN的应用目前取得共识较多,通过SDN实现网络分片在未来可能性较大。

传输网络架构演进如图3所示。

图3    传输网络架构演进

3)带宽速率提升和网络组网方面,将呈现高速带宽和灵活组网的特征。

大城市的核心层组网将以网状网为主,通过分区组网实现分区的接入,采用L3设备进行架构搭建,需采用单端口400G以上的大容量设备。

汇聚层逐步采用L3设备进行架构搭建,可由环网考虑逐步改为口字型上联,根据网络的下沉网元设置进行半mesh结构的灵活组网,也需采用单端口400G以上的大容量设备以满足5G带宽陡增的需求。

接入层可仍以环网形式接入,也可进行半mesh结构的灵活组网,带宽由目前的GE环/10GE环升级为单环40G或50G/100G。

4  结语

随着4G网络为人们提供了视频、图片、以及话音、短信等高质量的通信服务,人们的移动通信使用体验相比10年前甚至5年前已有很大不同和提升,这也让人们对5G网络充满了期待。本文从5G标准的进展和场景典型应用开始,论述了5G布网对传输的关键需求是超高带宽、低时延需求、网络分片、站间流量和高精度时间同步。通过带宽流量的推算建立了各层带宽模型,提出了传输网核心层、汇聚层、接入层的带宽速率提升和网络组网特征,并探讨了面向5G的传输网会逐步将三层下移,进行网络分片的努力、基础资源的储备和高精度时间同步的部署,网络架构向智能化、扁平化、高速带宽和灵活组网的方向发展。

参考文献:

[1] 汤进凯. 面向5G发展的城域传输PTN网络演进探讨[J]. 移动通信, 2016(23). ★

作者:汤进凯   来源:《移动通信》

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