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5G承载网,到底有哪些关键技术?

2019-07-07
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之前给大家介绍了5G承载网的基本知识(链接:5G承载网到底有什么不同?)。今天,我们再来看看5G承载网中的常见关键技术。


首先,我们要先看一下5G承载网的整体分层结构


任何通信系统,都是先看分层。就像OSI七层模型一样,不同的层级对应不同的功能,每个层级都有自己的作用。



传送网的分层,从电到光,从SDH到OTN,也在发生变化。以OTN为例,引入光之后,主要分层变成了这样:



简单来说,最下面是物理层,然后就是光层。光层分为传输、复用、通道,简单理解,就像公路运输,需要发动车辆,需要划分车道,还要编排车队。最终,面向顶层提供服务支撑。


从整体上来看,5G承载网的分层可以大致看成如下几层:


5G承载网分层结构


5G承载网的所有关键技术,都在这个层级中有自己的位置。如果要搞懂这项技术,首先要知道它所处的层级。


上一篇文章里,小枣君提到,中国移动、中国电信、中国联通分别有自己5G承载网主推方向,即SPN、M-OTN、增强IPRAN。这三个方案,对应各个层级的具体技术如下:


三家方案的各层级技术对比


我们从下往上,一个一个来看。


首先是物理层,光层。对于5G来说,这一层的主要作用就是提供单通路高速光接口,还有多波长的光层传输、组网和调度能力。


因为光纤在数据传输方面的巨大优势,所以现在不管是哪家运营商,都会采用光纤光接口作为自己的物理传输媒介。


灰光彩光上一篇我们介绍过,而且它们也不算新型关键技术,我们略过不表。


在底层里面,有一个PAM4技术需要特别提一下。


  • PAM4


PAM4(4 Pulse Amplitude Modulation)是一个“翻倍”技术。


对于光模块来说,如果想要实现速率提升,要么增加通道数量,要么提高单通道的速率。


传统的数字信号最多采用的是NRZ(Non-Return-to-Zero)信号,即采用高、低两种信号电平来表示要传输的数字逻辑信号的1、0信息,每个信号符号周期可以传输1bit的逻辑信息。而PAM信号则可以采用更多的信号电平,从而每个信号符号周期可以传输更多bit的逻辑信息。


PAM4信号就是采用4个不同的信号电平来进行信号传输,每个符号周期可以表示2个bit的逻辑信息(0、1、2、3)。可以在相同通道物理带宽情况下,PAM4传输相当于NRZ信号两倍的信息量,从而实现速率的倍增。


例如,光层从单波10G到25G,从25G到50G。大大降低了成本,具有很强的实用性。



然后是L1数据链路层。它的作用,是提供L1通道到光层的适配。


这里就出现了FlexE,大家肯定经常看到。


  • FlexE


FlexE就是Flex Ethernet,灵活以太网。简单来说,它就是把多个物理端口进行“捆绑合并”,形成一个虚拟的逻辑通道,以支持更高的业务速率。


FlexE技术在以太网技术的基础上实现了业务速率和物理通道速率的解耦,物理接口速率不必再等于客户业务速率,可以是灵活的其它速率。


例如,客户业务速率是400GE,但设备物理通道端口的速率是25GE、100GE或其它速率。那么,通过端口捆绑和时隙交叉技术,就能轻松实现业务带宽25G->50G->100G->200G->400G->xT的逐步演进。



采用FlexE,可以有助于解决高速物理通道性价比不高的问题。(高速率物理接口,目前成本还是比较高。)



除了FlexE,还有一个FlexO,灵活光传送网(Flex OTN)。看到O就应该想到OTN,中国电信。这个在电信的方案里有。


FlexO的逻辑其实和FlexE很像,就是拆分、映射、绑定、解绑定、解映射、复用,以此规避光模块物理限制以及成本过高的问题。


简而言之,FlexE是用在PTN网络的,处理以太网信号,FlexO是用在OTN网络的,处理OTUCn信号。两者共同点:都是通过多端口绑定实现大颗粒度信号的传输。



再上一层是TDM通道层。5G承载网这个通道层的任务,就是服务于网络切片所需的硬管道隔离,提供低时延保证。


SPN在这层是SCL切片通道层。


SPN的整体架构大家可以看这里:



SCL为网络业务和切片业务提供端到端硬隔离通道,可显著降低时延,支持网络拓扑重构和切片,满足5G业务超低时延、硬隔离切片的需求。


OTN的话,是ODUk/ODUflex。根据前面的架构图,ODU是光信道数据单元,属于光通道层网络的一部分。它提供和信号无关的连通性、连接保护和监控等功能。



ODUflex,又是flex,也就是灵活带宽调整技术。传统的ODUk是按照一定标准进行封装,容易造成资源浪费。ODUFlex可以灵活调整通道带宽,调整范围是1.25G~100G,从而实现高效承载,以及更好的兼容性。


再往上,是分组转发层,涉及到的,是路由转发相关的能力。对5G来说,这一层的主要作用是提供灵活连接调度和统计复用功能。SR技术是这一层的主角。


  • SR


SR是Segment Routing,分段路由。它也是目前承载网中非常受关注的一项技术,由CISCO提出,是一种源路由机制。


它是一种新型的MPLS(多协议标签转换)技术,源自MPLS,又有了更多的创新和升级。


传统IP网络中,路由技术是不可管理、不可控制的。IP逐级转发,每经过一个路由器都要进行路由查询(可能多次查找),速度缓慢,这种转发机制不适合大型网络。


而MPLS是通过事先分配好的标签,为报文建立一条标签转发通道(LSP),在通道经过的每一台设备处,只需要进行快速的标签交换即可(一次查找),从而节约了处理时间。


MPLS隧道(Tunnel)


MPLS处理速度更快,效率更高,更适合大容量网络。


既然SR技术源自MPLS,那么简单来说,它也是一种“不管中间节点”的路由技术,灵活性更高,开支更少,效率更高。


分段路由(SR)技术通过内部网关协议(IGP)扩展收集路径信息,头结点根据收集的信息组成一个显式/非显式的路径,路径的建立不依赖中间节点,从而使得路径在头节点即创建即生效,避免了网络中间节点路径计算。


再说说SR-TP、SR-BE、SRv6。


SR-TP和SR-BE是隧道扩展技术。SR-TP隧道用于面向连接的、点到点业务承载,提供基于连接的端到端监控运维能力;SR-BE隧道用于面向无连接的、Mesh业务承载,提供任意拓扑业务连接并简化隧道规划和部署。


SRv6的话,很好理解。传统的SR是基于IPv4的,也是基于MPLS的。而SRv6是基于IPv6的。


继续往上,是业务适配层,目的是提供多业务映射和适配支持。这一层的CBR、L2VPN、L3VPN都不是新概念,以后我们再专门介绍。


接下来,我们说一说SDN和高精度时间同步。


  • SDN


前面小枣君说过,5G承载网必须支持切片。想要支持切片,就必须上SDN。5G承载网庞大而复杂,想要对它进行更好的管理和调度,也必须上SDN。


SDN之前小枣君已经介绍过很多次,Software Defined Network,软件定义网络。就是把网络的控制和流量转发进行拆分,由SDN控制器专门进行控制,底下的节点只需要进行转发,是一种加强型的集权管理模式。


前面我们介绍的SR,就是主要为SDN和切片服务的。SDN与SR完美结合,才使5G承载网足够灵活,可以更好地实现切片。


  • 超高精度时间同步


承载网之所以需要超高精度时间同步,原因是多方面的:


5G的载波聚合、多点协同和超短帧要求空口之间的时间同步精度偏差小于260ns。5G的基本业务采用时分双工(TDD)制式,要求任意两个空口之间的相对精度偏差小于1.5μs。5G的室内定位增值服务对时间同步的精度要求更高,要求一定区域内基站空口时间同步的相对精度小于10ns。


5G同步网采用的关键技术包括:高精度同步源头技术、高精度同步传输技术、高精度同步局内分配技术、高精度同步检测技术。限于篇幅,暂时不一一介绍了。


以上,就是5G承载网关键技术的初步介绍。



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