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5G将至 承载先行-浙江移动探索5G承载方案

http://www.c114.com.cn ( 2018/1/9 14:43 )

ITU定义了5G的三大类典型应用场景,包括eMBB(移动宽带增强)、uRLLC(超高可靠、超低时延通信)、mMTC(大规模物联网)。5G将渗透到未来社会的各个领域,以用户为中心构建全方位的信息生态系统,最终实现“信息随心至,万物触手及”的总体愿景。5G承载是5G端到端系统的基础,如何建设高效、成本最优的承载网以满足5G时代要求成为大家关注的焦点。浙江移动于2016年11月联合华为成立5G承载创新项目组进行5G承载方案探索。

看5G无线架构演进,相比4G时代基站划分为BBU与RRU两个功能单元,5G无线基站功能将分解为CU、DU和RRU 三个功能模块。CU、DU、RRU这三个模块可分可合,非常灵活,可能出现多种部署型态。承载网需要满足灵活转发需求,满足DU多归属,基站之间COMP或CA等协同需要。

看5G核心网的变化,5G时代,eMBB / uRLLC / mMTC 业务对网络的带宽、时延等要求差异化巨大。2016年底,3GPP 确定了5G网络架构,以C/U分离实现用户面分布式部署,控制与承载的分离使得用户面变得简单,可以灵活地部署在业务体验需要的地方。核心网云化下移给承载网带来的最大变化是连接变化,单个基站存在到不同核心网的流量,如自动驾驶业务在边缘的MEC处理,视频类等业务则在本地DC处终结;由于内容备份、虚机迁移等需要,不同层级核心网之间也存在流量,导致整个网络的流量呈现mesh化。为了应对mesh化的连接以及连接的不确定性,承载网需要将L3下移,至少下移至MEC所在的位置,从而灵活的调度。

由此可见,5G三大类典型业务场景的性能要求(大容量,低时延,多连接),以及无线网和核心网架构的演进,对承载网的需求主要体现在带宽、时延、同步、灵活连接、网络分片能力等方面。

5G大带宽需求,按NGMN的带宽规划原则,单站峰值=单小区峰值+均值*(N-1),单站均值=单小区均值*N;理论带宽计算得出5G低频站单站峰值带宽约5G,均值约3G,高频站峰值近20G;因此,理论上来看,5G接入环需支持50GE/100GE;汇聚环需支持100GE/200GE,核心环需支持200GE/400GE甚至T级别。

5G低时延需求,不同的应用对时延的要求不同,其中URLLC业务对承载网的时延挑战最大,见下表。5G URLLC 场景,自动驾驶是重要应用之一,从3GPP当前定义来看,为避免汽车相撞,5G网络在理想状态下的时延为1毫秒需求,端到端时延125us,对传送网挑战大,每台设备的时延要控制到10us以下,光纤1KM时延5us。为满足5G超低时延业务需求,除了承载设备降低单跳时延之外,主要需要通过降低空口时延,以及核心网下移以减少业务转发路径带来的光纤时延。

5G网络切片需求,网络切片即 “在一个物理网络中,将相关的业务功能、网络资源组织在一起,形成一个完整、自治、独立运维的逻辑网络,满足特定的用户和业务需求”。网络分片的第一推动力来源于5G的多样化应用场景,每种应用场景的需求差别很大。

NGMN提出的网络切片

5G网络自动化需求,是通过SDN网络自动化简化业务布放,满足一张物理网络支撑海量的不同SLA的定制等需求。具体可以分为三个方面:

1)按需的连接:承载网连接要以敏捷的方式,通过SDN提供分钟级自动化的连接;

2)分片全生命周期自动管理:网络分片的生成、调整、删除;

3)业务跨域快速布放:通过SDN网络自动化提升业务的跨域布放;

5G时钟同步需求,5G NR使用超短帧,超短帧子载波越大,留给基本业务和协同业务的时间同步的裕量越小,要求同步精度更高:基本业务时间同步:基本业务同步避免基站的上行与下行重叠产生干扰。5G基本业务同步要求±1.5us ,同TDD LTE时间同步要求相同;协同业务时间同步:5G协同类业务, 可以减少物理小区之间交叠区域的同频干扰, 改善小区边缘网络性能,5G协同特性需要高精度时间同步来进行多个站点间的信号协同;5G协同类业务对高精度时间同步的要求为±350ns;

5G基础设施需求,5G架构变化, CU部署在综合业务接入/汇聚机房,要求云化部署;5G DU在综合接入/汇聚机房,要求CRAN对电源、空间、光纤等方面的扩展性要求高;5G DU在站址机房(铁塔资源),要求在现有4G BBU的综合柜中,新增1~2个5G DU; 未来网络面临云化和IT化的需求,大量的服务器资源对机房数量、面积、供电等基础资源提出挑战。

总体来看,面向5G的需求,承载网必须具备以下的关键技术:

大带宽技术,以太网高速接口光电平台演进路线:2.5G(GE/FE) à 10G(10GE/40GE) à 25G(25GE/100GE) à 50G PAM4(50GE/200GE/400GE);接入层采用基于PAM4的高性价比的50GE组网,未来可以平滑升级到100G组网;汇聚层采用 200GE/400GE环形组网,骨干汇聚核心层面向DC中心,初期采用200GE口字型组网,后期支持400GE或T级别组网;

超低时延技术,承载网络的时延,主要由两部分构成:光纤传输时延和设备时延。光纤传输时延是刚性的,每公里光纤传输时延为5us,降低这种时延的唯一方法就是减少传输距离;设备转发时延是弹性的,降低这种时延的方法有两个:一是降低报文转发的处理时延,二是降低报文的调度时延,即避免拥塞。关于传输时延的降低,需要应用网关分类下移,提供业务就近接入,对于时延敏感的业务,将网关下沉到网络边缘,甚至下降到站点,大幅减少终端到网关的通信距离,从而降低传输时延;

关于设备时延降低,主要是设部转发和调度时延降低;可以实现框式设备单跳时延小于15us,盒式设备单跳时延小于10us。

网络分片技术,FLexE实现网络分片是基于传统以太网的轻量级增强,引入FlexE Shim(时隙化技术),采用64/66bit以太网的物理层码块,基于64/66bit块构成时隙,实现业务的隔离和捆绑;简单来讲,FlexE = 标准以太网 + 时隙调度SHIM。

灵活组网技术,L3到边缘,支持多业务mesh化流向,采用SR简化路由协议,业务调整仅源节点下发,转发节点不感知业务状态,只维护拓扑信息,同时与SDN控制器无缝衔接,SDN统一管理网络,实现端到端业务流量管理和路由调优,实现自动化业务发放,整网统一管控和运维。

高精度时钟同步,采用超高精度的时间基准源技术和超高精度的时间传送技术,来保证5G端到端网络同步精度提升;

考虑到5G承载需求的节奏(初期只有eMBB业务),现有的 PTN 网络初期是容量提升为主,建议热点城区接入环升级支持50GE;部分区域10GE环可满足少量5G站接入; 同步启动管控系统规划建设;L3逐步下移;中期根据流量变化逐步扩容升级,热点城区汇聚环升级支持200GE,端到端满足5G流量的大幅提升;基本完成SDN L3到边缘的部署,简化运维、同时提升灵活性;后期全网流量快速增长,核心层引入400GE接口,进入垂直行业,现网的板卡启动分片等特性,端到端分片部署;逐步实现一张5G Ready的目标承载网。

关于基础网建设,考虑5G云化和TIC/TAC架构需求,机房作为重要的战略资源,需要提前储备,机房面积,配电,光缆资源等等。省会/大地市核心需要部署核心网CP(IT机房),地市核心部署核心网UP(IT机房),地市骨干汇聚部署核心网UP(IT机房),基站非实时单元CU(IT机房),地市普通汇聚部署基站非实时单元CU(IT机房)或者CRAN(DU集中),各地市综合接入机房部署CRAN(DU集中),地市站址机房部署分布式DU等。

 “5G之路、承载先行”,5G承载就相当于5G端到端系统的高速公路,是整个5G产业化进程的重要基石。全球不少领先运营商已将5G承载网络建设提上日程,纷纷开启相关的关键技术研究、验证和测试,乃至筹备小规模试商用,浙江移动也积极开启了5G承载方案的探索并取得了一些成果。

作者:吴晓峰、王晓义   来源:C114中国通信网

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