5G承载(1):5G承载技术究竟做了什么?

需求可以推动技术的发展。5G时代的带来了.

需求可以推动技术的发展。5G时代的带来了丰富多彩的eMBB, mMTC, URLLC等数据业务,因此也对5G承载网的带宽、时延、时间同步精度都提出了更高规格的要求。相关需求如下图所示:

那么在网络结构上,这些需求主要体现在哪些层次。我们知道,与4G承载网的2级架构不同。在5G时代,由于CU、DU分离,5G移动承载网被划分为移动回传(backhaul)、移动中传(midhaul)和移动前传(fronthaul)3级,如下图所示。

其中:

  • 大带宽的需求:主要体现在前传、中传和回传上;
  • 低时延的需求:主要体现在前传和中传部分;
  • 高精度时间时钟的需求:主要集中在前传和中传部分,以保障基站间的载波聚合的协同等;
  • 切片的需求:从RAN到核心网的端到端,体现在eMBB切片,uRLLC切片和mMTC切片;
  • 时间同步需求:基站协作化CoMP、TDOA、载波聚合CA、MIMO以及室友定位等。
    ……

如何满足大带宽需求我们就不细说了,简单点就是扩大从接入到汇聚核心的链路带宽,比如说接入设备具备用户侧10GE及以上的到站能力,接入环10GE/50GE,汇聚环100GE/200GE及的大带宽。

为什么要简体网络协议?在4G承载网中,有诸如L2VPN,L2VPLS, L3VPN等VPN技术。也有隧道技术如MPLS LDP/RSVP-TE,以及OSPF/ISIS作为IGP协议。这些协议的交互变得非常复杂。

为了应对这些问题,5G承载方案以SR为基础,EVPN 统一承载。即在承载网中引入SR(Segment Routing)代替了MPLS TE/LDP来构建隧道,实现了转发与控制的解耦;具体来说,在业务转发层上的协议数量减少到2-3个:

  • 使用EVPN统一L2VPN和L3VPN业务协议层。
  • 使用SR-MPLS或SRv6代替MPLS协议,
  • 使用VxLAN扩展了VLAN。

其中的SR技术一种源路由协议,由源节点来为应用报文指定路径,并将路径转换成一个有序的Segment列表封装到报文头中,路径的中间节点只需要根据报文头中指定的路径进行转发。

比如说,我们从上海到纽约,假设需要在旧金山转机,以前我们需要买两张机票:上海→旧金山;旧金山→纽约。而现在你只需在上海买票,一张票直达目的地。然后就可以乘坐这两个航班,按计划抵达纽约。(下图目的地应该是纽约,写错了)

另外,SR涉及到SR-MPLS和SRv6两个技术协议,它们都具有简单、高效、易于扩展、兼容SDN网络的特点。其中,SR-MPLS 基于IP/MPLS 转发架构。而SRv6是一种基于IPv6转发平面的SR技术。它结合了 SR-MPLS 的源路由优势和 IPv6 的简单性和可扩展性。

目前来看,得益于SRv6具有原生IP的优势和基于原生IPv6数据包转发等特点,国内的运营商和几个设备商主推的是SRv6。但是从报文开销上和协议成熟度上来说,可能SR-MPLS更优。

在这里,MPLS和SR-MPLS或SRv6都是网络层面的隧道技术。

下面我们来看看在5G承载中使用的VPN技术。在上面我们提到了EVPN一统VPN江湖,统一了各种 VPN 的控制平面,并将将数据转发平面与控制平面分离。以L2VPN为例,L2VPN没有控制平面,在数据平面实现MAC地址学习和流量的转发,而EVPN则将IP/MAC地址的学习放在基于MP-BGP协议的控制平面,流量转发仍然在数据平面。

有了隧道技术和VPN技术,5G承载如何实现SLA保障的硬切片和业务的带宽隔离呢?这就不得不说FlexE技术了。

灵活以太网(FlexE)通过在传统以太网层次中新增FlexE shim层,以实现在传输网络上的业务隔离和网络切片的接口。通过FlexE这个Shim层,MAC和PHY之间不再需要一对一的映射,具体的原理就不在这过多陈述。

当然,在5G切片技术上还可以使用基于ODUk交叉的OTN技术,以及基于SDN的控制面切片技术。

在时间时钟要求方面。从3G/4G到5G发生了一些比较显著的变化,传统承载网络的端到端时间精度为µs级别,不能满足5G新技术、新场景对时间精度的要求。

为了满足对时间时钟的同步要求,5G承载网需要在时间源、承载网络的设备层面以及时间时钟网络架构方面着手。比如说:

架构方面:可以根据业务需求采用时间源设备下沉方案,减少时钟跳数,并严格要求网络节点的跳数。

设备层面:全网设备全部支持高精度时间同步(PTP 1588V2),包括时间源设备到末端设备(通常是基站)之间所有物理设备(包括传输设备WDM,微波,交换机,MSTP等),并在分组传送设备的接口上支持PTP、以太网接口/FlexE接口等。

时间源方面:引入共视差分时钟源(common view difference time source),即多地时间服务器在同一时刻接收同一颗导航卫星的GPS信息,以消除卫星钟的影响以及大部分路径延迟的影响,提高了两地相对时钟差的精度,从而达到高精度时间比对。

综上,5G承载网与4G承载网技术相比,有明显的不同,涉及到很多新的技术,我们就不细聊,今天开个头,留在此专题后面再讲。

我们用下图列出了5G承载网的关键技术,以供参考,文章所述若有不周全之处请谅解。

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