1 引言

我國在“十三五規(guī)劃”中把5G描述為“新的增長點”和“戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)”，工信部在2019年正式發(fā)放了第五代移動通信技術(shù)商用牌照，四大運營商也紛紛加快了5G通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃部署和建設(shè)步伐。在5G網(wǎng)絡(luò)中，BBU（基帶處理單元）被重構(gòu)為CU（集中單元）和DU（分布單元），回傳網(wǎng)絡(luò)處于CU和核心網(wǎng)之間，是連接兩者的紐帶。

5G業(yè)務(wù)場景目前主要有eMBB（增強移動寬帶）、mMTC（海量機器連接）和uRLLC（低時延高可靠通信）三個業(yè)務(wù)場景，不同的業(yè)務(wù)場景對回傳網(wǎng)絡(luò)提出不同的要求，需要適合的關(guān)鍵技術(shù)支撐，這些關(guān)鍵技術(shù)中除了包含適合三種業(yè)務(wù)場景的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)和mesh型組網(wǎng)技術(shù)，還包括了適合不同業(yè)務(wù)場景的不同新技術(shù)。

2 支撐eMBB業(yè)務(wù)場景的回傳網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)

eMBB業(yè)務(wù)場景主要包括移動視頻監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實、高速移動上網(wǎng)和4K/8K超高清數(shù)字電視等業(yè)務(wù)。據(jù)測算eMBB的單用戶的接入峰值速率可提升到1 Gbps，單基站均值帶寬可達(dá)到 6.75 G，單基站峰值帶寬將達(dá)到16 G，熱點區(qū)域的單基站峰值帶寬甚至可以達(dá)到50.8 G。因此eMBB對5G回傳的網(wǎng)絡(luò)容量和高速分組轉(zhuǎn)發(fā)能力提出了較高要求，目前支持eMBB的5G回傳網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)主要有高速超大容量的光互連網(wǎng)PAM4技術(shù)和更加高效的SRv6分組隧道技術(shù)等。

2.1 高速超大容量的光互連網(wǎng)PAM4技術(shù)

eMBB業(yè)務(wù)場景不但要求具備高速超大容量的傳輸網(wǎng)絡(luò)，而且對調(diào)制技術(shù)也提出了較高要求。目前5G部分回傳網(wǎng)絡(luò)的線路口已支持100GE/200GE/400GE的PAM4調(diào)制技術(shù)，和傳統(tǒng)NRZ信號不同，如圖1所示，PAM4使用4個不同的信號電平進行信號的傳輸，因此每個PAM4信號符號周期可以傳輸兩個bit 的NRZ碼的邏輯信息，相當(dāng)于在通道物理帶寬不變的條件下，系統(tǒng)傳輸速率翻了一倍，從而大大降低了設(shè)備光學(xué)部件成本。從圖1還可以看出，幅度噪音對PAM4 碼間串?dāng)_影響更加惡劣，PAM4 的眼圖對幅度噪音更加敏感[1]。因此引入了RSFEC（里德－所羅門前向糾錯碼）技術(shù)，用來彌補PAM4編碼技術(shù)造成的傳輸性能的損失。隨著eMBB業(yè)務(wù)的發(fā)展，5G回傳網(wǎng)絡(luò)的線路口將會發(fā)展出支持800GE甚至1TE的PAM4調(diào)制技術(shù)以適應(yīng)不斷提速的網(wǎng)絡(luò)需求。

圖1 對比NRZ和PM4基帶調(diào)制信號與眼圖

2.2 更加高效的SRv6分組隧道技術(shù)

分組隧道技術(shù)中MPLS、SR-TP、SR-BE比較成熟，目前已在回傳網(wǎng)絡(luò)中使用，但轉(zhuǎn)發(fā)效率還有待提高。目前基于IPv6數(shù)據(jù)平面的最新分組隧道技術(shù)是SRv6，SRv6不再使用LDP、MPLS和RSVP等協(xié)議，大幅減少了網(wǎng)絡(luò)中協(xié)議類型，使得網(wǎng)絡(luò)越來越簡單化和扁平化[2]。如圖2所示，和傳統(tǒng)的基于IPv4的SR技術(shù)不同，SRv6沒有破壞標(biāo)準(zhǔn)的IPv6頭，只在IPv6中擴展了SRH（路由擴展頭），用SRH擴展替代傳統(tǒng)的MPLS下的標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)功能。因此SRv6可以兼容現(xiàn)網(wǎng)的IPv6設(shè)備，當(dāng)中間某些節(jié)點不支持SRv6時，這些節(jié)點可以按照IPv6路由方式來轉(zhuǎn)發(fā)報文。另外，SRv6具有三層編程空間，具有強大的網(wǎng)絡(luò)編程能力，可以提供更加靈活和多樣化的服務(wù)。SRv6技術(shù)不但兼容傳統(tǒng)的L2/L3VPN和EVPN等業(yè)務(wù)，可以提供E2E（端到端）的優(yōu)質(zhì)服務(wù)并且具有良好的可編程性，擴展能力強，可以進行自動跨域連接，能有力支撐eMBB業(yè)務(wù)場景應(yīng)用。

圖2 對比傳統(tǒng)SR與SRv6幀結(jié)構(gòu)

3 支撐mMTC業(yè)務(wù)場景的回傳網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)

mMTC業(yè)務(wù)場景主要包括環(huán)境監(jiān)測、智能農(nóng)業(yè)、森林防火、智能物流等傳感和數(shù)據(jù)采集等業(yè)務(wù)。據(jù)估計mMTC業(yè)務(wù)場景需要滿足每平方公里內(nèi)大約100萬個終端設(shè)備之間的通訊需求，全球需要進行的連接設(shè)備數(shù)量超過1 000億臺，這要求5G回傳網(wǎng)絡(luò)必須支持IPV6的海量靈活連接，并提供多種小顆粒（2～200 M為主）業(yè)務(wù)承載能力，但對帶寬和時延的要求并不高。支持mMTC的5G回傳網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要有MTN和OTN小顆粒業(yè)務(wù)承載等技術(shù)，目前IMT-2020(5G)推進組正在開展這兩項技術(shù)方案和標(biāo)準(zhǔn)化的研究工作[3]。

3.1 MTN小顆粒業(yè)務(wù)承載技術(shù)

MTN小顆粒業(yè)務(wù)承載技術(shù)涉及了小帶寬信道化子接口技術(shù)，信道化子接口技術(shù)可以根據(jù)業(yè)務(wù)的SLA（服務(wù)等級協(xié)議）要求，為不同業(yè)務(wù)分配相應(yīng)的硬件緩存資源，為每個業(yè)務(wù)劃分不同的通道，業(yè)務(wù)通道最小粒度是1 M。通過這種硬隔離技術(shù)，在流量突發(fā)時，各個業(yè)務(wù)能有效避免爭搶緩存資源的現(xiàn)象。

3.2 OTN小顆粒業(yè)務(wù)承載技術(shù)

OTN小顆粒業(yè)務(wù)承載技術(shù)，主要研究基于信元或小字節(jié)碼塊的OSU（光業(yè)務(wù)單元）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。OSU標(biāo)準(zhǔn)將規(guī)范光業(yè)務(wù)單元通道層網(wǎng)絡(luò)的開銷、映射、幀格式、層間適配和保護等方面的內(nèi)容。OSU技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是現(xiàn)有OTN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的完善和補充，在OTN技術(shù)架構(gòu)中，可將OSU作為ODUk（光信道數(shù)據(jù)單元)）的客戶層網(wǎng)絡(luò)，用于高效承載1 Gbit/s以下的小顆粒業(yè)務(wù)。

4 支撐uRLLC業(yè)務(wù)場景的回傳網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)

uRLLC業(yè)務(wù)場景主要包括工業(yè)應(yīng)用和控制、自動駕駛、遠(yuǎn)程制造、遠(yuǎn)程手術(shù)和遙控飛行器快遞等。URLLC業(yè)務(wù)場景要求回傳網(wǎng)絡(luò)低于1 ms的時延以及99.999%高可靠和可用性，而目前4G LTE回傳網(wǎng)絡(luò)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，因此需要打破現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上采用新技術(shù)才有可能實現(xiàn)低時延、高可靠業(yè)務(wù)的服務(wù)。影響回傳網(wǎng)絡(luò)時延有“距離”、“擁塞”和“轉(zhuǎn)發(fā)速度”三大關(guān)鍵因素，解決這三大因素的5G回傳網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有回傳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化方案、信道化隔離技術(shù)和轉(zhuǎn)發(fā)面新技術(shù)三大關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 回傳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化方案

如圖3所示，5G回傳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化方案需要盡量將業(yè)務(wù)服務(wù)器以及網(wǎng)關(guān)等核心設(shè)備下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，在5G傳送網(wǎng)中接入層、匯聚層和核心層全部使用了L3VPN和SR隧道技術(shù)，端到端地部署了IGP協(xié)議。通過L3到邊緣和使用面向無連接的SR-BE隧道技術(shù)，可以簡化隧道規(guī)劃和部署，實現(xiàn)東西向流量就近轉(zhuǎn)發(fā)，從而降低東西向時延。通過MEC等核心網(wǎng)下沉和使用面向連接的SR-TP隧道技術(shù)，可以靈活的選擇轉(zhuǎn)發(fā)路徑，能有效地減輕網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的轉(zhuǎn)發(fā)壓力，從而降低南北向流量的轉(zhuǎn)發(fā)時延。

圖3 通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)降低時延

4.2 信道化隔離技術(shù)

信道化隔離技術(shù)是指切片網(wǎng)絡(luò)的切片通道層不但提供以太網(wǎng)物理接口的切片機制,還具備了以太網(wǎng)業(yè)務(wù)透明適配技術(shù)和基于以太網(wǎng)碼塊的交叉技術(shù)以及端到端OAM技術(shù)[4]。L2&L3分組層保證了網(wǎng)絡(luò)靈活連接能力，靈活支持MPLS-TP，SR-BE，SR-TP和SRv6等分組轉(zhuǎn)發(fā)機制；L1通道層支持基于66 B定長塊TDM交換，實現(xiàn)輕量級TDM交叉。信道化隔離技術(shù)通過分組網(wǎng)絡(luò)硬切片技術(shù)，提供了高質(zhì)量、低時延的通道，降低了網(wǎng)絡(luò)擁塞。

4.3 轉(zhuǎn)發(fā)面新技術(shù)

轉(zhuǎn)發(fā)面新技術(shù)包括802.1TSN（時間敏感網(wǎng)絡(luò)）和Cut-through（直通轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)）等技術(shù)，TSN是基于以太網(wǎng)架構(gòu)的用于實時數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議集，它有效地解決了數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)傳輸中的時序性和流量整形的問題，降低了延時[5]。802.1TSN加上低時延轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)可以使設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)延時下降一個數(shù)量級，達(dá)到10 μs的數(shù)量級。Cutthrough技術(shù)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時只檢查數(shù)據(jù)包的包頭，獲取數(shù)據(jù)包的目的地址，然后通過動態(tài)查找表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出端口，把數(shù)據(jù)包直接送到相應(yīng)的輸出端口。由于Cutthrough技術(shù)避免了傳統(tǒng)IP數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)發(fā)過程中的成幀、組包等步驟，也不需要存儲數(shù)據(jù)包，因此交換速度快，從而顯著降低了轉(zhuǎn)發(fā)時延。

5 結(jié)束語

5G有三大業(yè)務(wù)場景eMBB、mMTC和uRLLC，不同的業(yè)務(wù)場景對回傳網(wǎng)絡(luò)提出不同的要求，業(yè)務(wù)需求是網(wǎng)絡(luò)進步的動力，因此不斷有新技術(shù)和新方案涌現(xiàn)出來，如PAM4調(diào)制技術(shù)、SRv6分組隧道技術(shù)、小顆粒承載技術(shù)、回傳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化方案、信道化隔離技術(shù)和轉(zhuǎn)發(fā)面新技術(shù)等。在這些新技術(shù)和新方案的支撐下，回傳網(wǎng)絡(luò)必然能為5G業(yè)務(wù)提供更好的服務(wù)。