基于IP/MPLS多業(yè)務(wù)綜合承載網(wǎng)IPRAN技術(shù)方向和網(wǎng)絡(luò)方案分析

進(jìn)入2019年，5G網(wǎng)絡(luò)在全球進(jìn)入商用建設(shè)的快車道。4月3日，韓國三家運(yùn)營商與美國Verizon宣布5G網(wǎng)絡(luò)正式商用。2019年3月28日工信部部長苗圩在博鰲亞洲論壇上表示，將根據(jù)終端成熟情況適時(shí)發(fā)放5G牌照，國內(nèi)三大運(yùn)營商也開始進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，并先后發(fā)布2019年的5G投資計(jì)劃。

5G基站回傳帶寬需求大幅度提升，預(yù)計(jì)將達(dá)到LTE基站的10倍以上，因此現(xiàn)有移動(dòng)回傳承載網(wǎng)絡(luò)的容量難以滿足，除此之外，5G網(wǎng)絡(luò)的切片服務(wù)、虛擬化核心網(wǎng)的分布式部署架構(gòu)、超低時(shí)延業(yè)務(wù)、高精度時(shí)間同步等網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)特點(diǎn)都對(duì)承載網(wǎng)提出了更多、更高的要求。因此自2016年開始全球運(yùn)營商、設(shè)備供應(yīng)商開始研究面向5G的移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。如今IP/MPLS技術(shù)已經(jīng)成為多數(shù)運(yùn)營商的選擇，IP/MPLS技術(shù)是比較成熟的技術(shù)，但近幾年來IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)承載技術(shù)也不斷發(fā)展和革新，運(yùn)營商在具體的技術(shù)演進(jìn)和方案上各有特色。

本文基于國內(nèi)運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)和5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)承載網(wǎng)的需求，對(duì)基于IP/MPLS多業(yè)務(wù)綜合承載網(wǎng)（IPRAN）技術(shù)方向和網(wǎng)絡(luò)方案進(jìn)行分析，并提出一些網(wǎng)絡(luò)方案建議。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及部署特點(diǎn)

5G組網(wǎng)存在兩種模式，分別為獨(dú)立組網(wǎng)（SA）和非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）。NSA模式以4G基站作為錨點(diǎn)，主要面向eMBB業(yè)務(wù)，提供大帶寬互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。該方式采用4G和5G結(jié)合組網(wǎng)方式，標(biāo)準(zhǔn)比較成熟，設(shè)備也基本成熟，目前商用或正在建設(shè)的5G網(wǎng)絡(luò)普遍采用該模式。SA模式是完全獨(dú)立建設(shè)的5G網(wǎng)絡(luò)，能夠提供5G網(wǎng)絡(luò)愿景提出的各種服務(wù)場景，但標(biāo)準(zhǔn)的成熟比NSA模式晚了半年以上，設(shè)備及終端相應(yīng)也將晚半年到一年的時(shí)間才能商用（預(yù)計(jì)在2020年）。因此5G網(wǎng)絡(luò)盛宴將從NSA模式開始，5G精彩將在SA模式下綻放。

國內(nèi)運(yùn)營商一直在推動(dòng)SA技術(shù)，希望直接采用SA組網(wǎng)模式。但在國際市場競爭態(tài)勢下，國內(nèi)運(yùn)營商很有可能先采用NSA模式建設(shè)，再逐步演進(jìn)到SA模式。

3GPP提出NSA和SA組網(wǎng)模式的多種選項(xiàng)，國內(nèi)運(yùn)營商N(yùn)SA模式組網(wǎng)將選擇Option3x架構(gòu)，SA模式組網(wǎng)將選擇OpTIon2架構(gòu)。如圖1所示。

圖1 ?5G組網(wǎng)示意圖

OpTIon3x是以4G基站作為錨點(diǎn)，新建5G基站控制面通過錨定的4G基站接入核心網(wǎng)，下行流量全部承載在5G基站上，4G基站主要解決5G基站上行覆蓋和控制信令，4G/5G基站間Xx接口主要為控制面流量及5G基站覆蓋邊緣的上行流量，總體流量占比較小。

OpTIon2獨(dú)立部署5G核心網(wǎng)，5G基站獨(dú)立于4G基站，直接接入5G核心網(wǎng)5GC。4G網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)間通過EPC與5GC實(shí)現(xiàn)互通。

OpTIon3x充分利用LTE的核心網(wǎng)，LTE核心網(wǎng)普遍采用按省集中部署方式，基站回傳業(yè)務(wù)的組織相對(duì)簡單，但LTE基站和5G基站間的連接需求（Xx接口）不可避免，不但5G RAN網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)復(fù)雜度較高，回傳承載方案也更為復(fù)雜。

Option2采用5G網(wǎng)絡(luò)全新建設(shè)方式，回傳業(yè)務(wù)組織相對(duì)比較簡單，但核心網(wǎng)的虛擬化和分布式部署要求回傳承載網(wǎng)絡(luò)有更強(qiáng)的路由能力。

面向5G承載的IPRAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進(jìn)

IPRAN是業(yè)界主流的移動(dòng)回傳業(yè)務(wù)承載技術(shù)，在國內(nèi)運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)上被大規(guī)模應(yīng)用，在3G和4G時(shí)代發(fā)揮了卓越的作用，運(yùn)營商也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。尤其是IPRAN統(tǒng)計(jì)復(fù)用的特點(diǎn)，充分利用網(wǎng)絡(luò)的帶寬，比如自3G時(shí)代建成后，4G時(shí)代根據(jù)流量發(fā)展適當(dāng)擴(kuò)容就滿足4G網(wǎng)絡(luò)多年來的業(yè)務(wù)量10倍增長的承載需求。5G基站的業(yè)務(wù)量將比4G基站高10倍以上，比3G基站高近百倍?，F(xiàn)有IPRAN網(wǎng)絡(luò)的能力無法滿足如此大跨度的業(yè)務(wù)發(fā)展。因此面對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的需求，IPRAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需從多個(gè)角度進(jìn)行革新。

IPRAN設(shè)備技術(shù)

IPRAN設(shè)備技術(shù)的變化主要包括四個(gè)方面。

設(shè)備吞吐量大幅提升。面對(duì)5G基站吞吐量10倍以上的提升，IPRAN網(wǎng)絡(luò)整體容量應(yīng)有相應(yīng)的提升，相比現(xiàn)有IPRAN設(shè)備，IPRAN2.0設(shè)備的端口接入能力、交換容量等都將有大幅度的提升，單臺(tái)核心匯聚設(shè)備的容量大到6.4T以上，甚至可以升級(jí)支持高達(dá)25.6T的容量。不但能夠滿足移動(dòng)回傳業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，還可以滿足專線業(yè)務(wù)甚至寬帶業(yè)務(wù)承載的需求。網(wǎng)絡(luò)接口速率也將從GE/10GE為主，演進(jìn)到10GE/25GE/50GE/100GE等更高速率。IPRAN設(shè)備技術(shù)與WDM設(shè)備技術(shù)進(jìn)一步融合，IPRAN設(shè)備直接提供高速彩光接口over到WDM的波道上（IP over WDM）將成為發(fā)展方向。

芯片技術(shù)發(fā)展。采用新一代的芯片技術(shù)，提升芯片容量的同時(shí)，降低芯片的單位GB功耗，芯片處理業(yè)務(wù)的性能也有大幅度的提升。在國際上交換芯片企業(yè)出現(xiàn)寡頭壟斷趨勢，國內(nèi)多個(gè)設(shè)備供應(yīng)商自主開展網(wǎng)絡(luò)處理器（NP）芯片的研發(fā)，新一代的IPRAN設(shè)備將更多采用國產(chǎn)芯片。

將采用基于FlexEth的鏈路綁定和管道隔離技術(shù)，簡化網(wǎng)絡(luò)容量擴(kuò)展，并提供硬管道的業(yè)務(wù)隔離。

高壓直流供電技術(shù)。5G核心網(wǎng)將采用虛擬化和云化部署方式，傳統(tǒng)的專用核心網(wǎng)設(shè)備將演進(jìn)為數(shù)據(jù)中心內(nèi)通信云上虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能，設(shè)備硬件則變成通用的服務(wù)器和交換機(jī)設(shè)備。數(shù)據(jù)中心普遍采用高壓直流或高壓直流+交流直供方式。IPRAN設(shè)備也將從-48V供電逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐绷骰蚋邏褐绷?交流直供方式。

業(yè)務(wù)承載技術(shù)

（1）隧道技術(shù)。目前IPRAN普遍采用LDP和RSVP-TE協(xié)議來建立業(yè)務(wù)隧道，這兩種方式應(yīng)用多年，但其協(xié)議相對(duì)比較復(fù)雜，導(dǎo)致業(yè)務(wù)的配置和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)也比較復(fù)雜。近幾年面向連接的隧道技術(shù)——SR技術(shù)逐步成熟。SR對(duì)IGP協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展，不再需要專門的RSVP-TE和LDP協(xié)議，協(xié)議更加簡化，因此更容易支持通過集中的控制面進(jìn)行路徑計(jì)算和部署，能夠大大降低RSVP-TE協(xié)議對(duì)設(shè)備控制面的性能壓力。同時(shí)，也更容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的SR隧道部署。結(jié)合SDN智能控制技術(shù)，SR技術(shù)將推動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)向路由智能計(jì)算和路徑可控方向發(fā)展，具備類似傳輸網(wǎng)的功能和性能，提升業(yè)務(wù)的可靠性、智能恢復(fù)和保護(hù)能力。

（2）切片承載技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)切片是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵特征之一。要求承載網(wǎng)也能夠提供靈活可靠的切片承載。隧道隔離、VPN隔離和QoS調(diào)度將是常用的軟切片方案，針對(duì)特定的網(wǎng)絡(luò)切片需求，可采用FlexEth技術(shù)，結(jié)合智能化管控，基于硬管道為特定的業(yè)務(wù)提供硬切片承載方案。網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)需要從基站到核心網(wǎng)端到端的協(xié)同，需要跨專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)編排器實(shí)現(xiàn)端到端切片的自動(dòng)編排和端到端自動(dòng)部署。目前端到端跨專業(yè)切片協(xié)同工作尚在推進(jìn)中。

智能維護(hù)技術(shù)

（1）智能管控技術(shù)。5G承載網(wǎng)將采用更加智能、完善的網(wǎng)絡(luò)管控技術(shù)要求，提升對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能、流量的自動(dòng)采集和數(shù)據(jù)分析能力，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的自動(dòng)發(fā)放、網(wǎng)絡(luò)智能運(yùn)維，降低運(yùn)營維護(hù)的復(fù)雜度。

（2）在設(shè)備上實(shí)現(xiàn)多重在線自動(dòng)測量技術(shù)，不需要儀表即可對(duì)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，提供多層次的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，提高網(wǎng)絡(luò)的可維護(hù)性。

（3）客戶接入自動(dòng)識(shí)別。與業(yè)務(wù)網(wǎng)聯(lián)合部署LLDP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)設(shè)備信息的自動(dòng)識(shí)別，提升網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)感知能力。

面向5G承載的IPRAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案

組網(wǎng)方案

IPRAN網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)采用現(xiàn)有的核心匯聚+接入兩大層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，核心匯聚層和接入層分屬不同的IGP進(jìn)程，如圖2所示。核心匯聚層主要采用口字型結(jié)構(gòu)，接入層采用環(huán)形結(jié)構(gòu)。在接入層，部署CRAN基站BBU的綜合業(yè)務(wù)接入點(diǎn)/BBU集中點(diǎn)與DRAN基站分別組環(huán)以提升網(wǎng)絡(luò)效率，降低網(wǎng)絡(luò)成本。

采用靈活的業(yè)務(wù)承載方案，同時(shí)滿足LTE、5G NSA和SA業(yè)務(wù)承載及其他業(yè)務(wù)綜合承載的需要。在NSA組網(wǎng)模式下5G和4G基站的Xx接口通信需求通過接入環(huán)內(nèi)部或匯聚點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。

核心網(wǎng)所在的通信云，通過數(shù)據(jù)中心的邊界設(shè)備（border）與IPRAN網(wǎng)絡(luò)的ASBR相連，并通過ASBR與骨干承載網(wǎng)相連，滿足骨干范圍內(nèi)核心網(wǎng)間組網(wǎng)的需求；邊界設(shè)備直接與城域網(wǎng)的CR相連并接入互聯(lián)網(wǎng)。

圖2 ?5G承載網(wǎng)組網(wǎng)示意圖

5G基站將更多采用CRAN部署模式，BBU集中部署到綜合業(yè)務(wù)接入點(diǎn)或BBU集中點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)上回傳物理站點(diǎn)將大幅減少，圖2中，左側(cè)綜合接入環(huán)將是接入層組網(wǎng)的主流方式，右側(cè)的以DRAN基站為主的基站接入環(huán)僅作為特殊場景下的補(bǔ)充。這種模式，不但節(jié)省設(shè)備數(shù)量、降低機(jī)房配套成本和OPEX成本，更能夠在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，縮短基站到核心網(wǎng)間的傳輸距離，有效降低業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延。

網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃

對(duì)大量現(xiàn)網(wǎng)IPRAN核心匯聚層和接入層網(wǎng)絡(luò)流量的統(tǒng)計(jì)分析表明，現(xiàn)網(wǎng)IPRAN在4G業(yè)務(wù)已經(jīng)充分發(fā)展的今天，平均單基站的回傳帶寬遠(yuǎn)低于LTE基站的理論吞吐量?，F(xiàn)網(wǎng)80%以上的接入環(huán)還是采用GE速率組網(wǎng)，部分采用10GE速率組網(wǎng)的接入層網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率普遍小于10%。

核心匯聚層的帶寬利用率還比較低。對(duì)某運(yùn)營商流量最大的3個(gè)城市IPRAN核心匯聚層網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率分析結(jié)果見表。

表? 典型城市IPRAN網(wǎng)絡(luò)核心匯聚層帶寬利用率

根據(jù)表中數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論。

（1）全網(wǎng)峰值帶寬利用率約32%，總體帶寬利用率不高，還滿足一倍以上的業(yè)務(wù)增長需求。

（2）核心匯聚組網(wǎng)主要為10GE速率，約占90%?，F(xiàn)網(wǎng)核心匯聚層設(shè)備的冗余10GE端口還能夠支持網(wǎng)絡(luò)一倍以上的擴(kuò)容需求。

（3）根據(jù)更細(xì)化的匯聚鏈路利用率統(tǒng)計(jì)分析，樣本城市中，50%的鏈路利用率低于30%，70%以上的鏈路無需擴(kuò)容即可滿足5G初期需求。

（4）從樣本城市的全網(wǎng)鏈路分布分析，網(wǎng)絡(luò)流量的熱點(diǎn)匯聚區(qū)較為集中，TOP 10%的匯聚區(qū)總流量約占全網(wǎng)的30%，TOP 20%的匯聚區(qū)總流量約占全網(wǎng)的50%。

（5）樣本城市為全國流量最大的省市，全國總體網(wǎng)絡(luò)利用率會(huì)更低。

5G承載網(wǎng)的容量規(guī)劃思路應(yīng)從傳統(tǒng)的基于基站理論吞吐量和模型收斂比進(jìn)行規(guī)劃的方式，轉(zhuǎn)向基于現(xiàn)網(wǎng)流量分析和業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)律進(jìn)行規(guī)劃。

根據(jù)上述典型城市的流量分析，以及對(duì)5G用戶、終端、業(yè)務(wù)、服務(wù)策略等的預(yù)測，通過對(duì)現(xiàn)有IPRAN網(wǎng)絡(luò)的核心匯聚層熱點(diǎn)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)容（從10GE容量變成20GE容量），可以滿足5G初期3年左右的業(yè)務(wù)發(fā)展。之后可基于流量的分析進(jìn)行擴(kuò)容，逐步滿足業(yè)務(wù)發(fā)展的需要。這種循序漸進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方式將大幅降低運(yùn)營商5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資。

接入層網(wǎng)絡(luò)采用10GE速率組網(wǎng)，將能夠滿足5G初期3年以上業(yè)務(wù)發(fā)展的需求。

基于上述分析以及目前25GE/50GE/100GE光模塊成本遠(yuǎn)高于10GE光模塊成本的狀況，5G承載網(wǎng)初期采用10GE速率組網(wǎng)，后期按需升級(jí)到25GE/50GE將是最經(jīng)濟(jì)可行的建網(wǎng)策略。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

時(shí)延是5G網(wǎng)絡(luò)比較關(guān)注的參數(shù)之一，基于上述架構(gòu)的IPRAN網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延能力，如圖3所示。圖3中的時(shí)延是根據(jù)典型城市網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、站點(diǎn)布局、光纜長度、IPRAN轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延模擬計(jì)算的最大傳輸時(shí)延，其中IPRAN轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延按照輕載情況下的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延計(jì)算。

通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、減少轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、優(yōu)化IPRAN設(shè)備本身的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，承載網(wǎng)的時(shí)延可能比圖中的數(shù)據(jù)更小。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署階段，通過適當(dāng)?shù)妮p載策略和合理的QoS調(diào)度，可保證高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)時(shí)延。

圖3? 承載網(wǎng)引入的時(shí)延

5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)承載網(wǎng)提出更高更多的需求，基于IP/MPLS多業(yè)務(wù)綜合承載網(wǎng)依然是滿足5G網(wǎng)絡(luò)需求的最佳選擇。近年來不斷發(fā)展的SDN智能控制技術(shù)和SR技術(shù)將支撐5G網(wǎng)絡(luò)精彩開啟。循序漸進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容和建設(shè)策略將節(jié)省運(yùn)營商CAPEX成本。