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1 中兴通讯技术ZTE TECHNOLOGY JOURNAL 二O 一八年二月第二十四卷第一期总第一三八期信息通信领域产学研合作特色期刊 第三届国家期刊奖百种重点期刊 中国科技核心期刊 ISSN CN /TN CODEN ZTJHAY ZTE TECHNOLOGY JOURNAL tech.zte.com.cn 专题 :5G 承载网技术和优化组网 2018 年 2 月 第 1 期

2 中兴通讯技术 第 7 届编辑委员会委员名单主任陆建华 ( 中国科学院院士, 清华大学教授 ) 副主任赵先明 ( 中兴通讯股份有限公司总裁 ) 糜正琨 ( 南京邮电大学教授 ) 编委 ( 按姓名拼音排序 ) 曹淑敏北京航空航天大学党委书记陈建平上海交通大学教授陈杰中兴通讯股份有限公司高级副总裁陈前斌重庆邮电大学副校长葛建华西安电子科技大学教授管海兵上海交通大学教授洪波中兴发展股份有限公司总裁洪伟东南大学教授纪越峰北京邮电大学教授蒋林涛中国信息通信研究院科技委主任李尔平浙江大学教授李红滨北京大学教授李建东西安电子科技大学副校长李军清华大学教授李乐民中国工程院院士, 电子科技大学教授李融林华南理工大学教授李少谦电子科技大学教授李星清华大学教授刘建伟北京航空航天大学教授陆建华中国科学院院士, 清华大学教授马建国广东工业大学教授孟洛明北京邮电大学教授糜正琨南京邮电大学教授庞胜清中兴通讯股份有限公司执行副总裁孙知信南京邮电大学教授谈振辉北京交通大学教授唐雄燕中国联通网络技术研究院首席专家童晓渝中电科软件信息服务有限公司副总经理王京清华大学教授王文东北京邮电大学教授王喜瑜中兴通讯股份有限公司副总裁王翔中兴通讯股份有限公司副总裁卫国中国科学技术大学教授吴春明浙江大学教授邬贺铨中国工程院院士徐安士北京大学教授续合元中国信息通信研究院副总工徐慧俊中兴通讯股份有限公司执行副总裁薛一波清华大学教授杨义先北京邮电大学教授杨震南京邮电大学校长尤肖虎东南大学教授张宏科北京交通大学教授张平北京邮电大学教授张云勇中国联通研究院院长赵慧玲中国通信标准化协会网络与业务能力技术工作委员会主席赵先明中兴通讯股份有限公司总裁郑纬民清华大学教授钟章队北京交通大学教授周亮南京邮电大学教授朱近康中国科学技术大学教授副主任马建国 ( 广东工业大学教授 ) 陈前斌 ( 重庆邮电大学副校长 ) 顾问侯为贵 ( 中兴通讯股份有限公司创始人 ) 钟义信 ( 北京邮电大学教授 ) 陈锡生 ( 南京邮电大学教授 )

3 信息通信领域产学研合作特色期刊 ISSN 第三届国家期刊奖百种重点期刊 中国科技核心期刊 CN /TN CODEN ZTJHAY ZTE TECHNOLOGY JOURNAL tech.zte.com.cn 2018 年 2 月 第 1 期 Contents 目次 专题 :5G 承载网技术和优化组网 中兴通讯技术总第 138 期第 24 卷第 1 期 2018 年 2 月 卷首特稿 信息通信领域产学研合作特色期刊第三届国家期刊奖百种重点期刊中国科技核心期刊工信部优秀科技期刊中国五大文献数据库收录期刊 ISSN CN /TN 1995 年创刊 02 5G 商用, 蓄势待发 徐慧俊 专题 :5G 承载网技术和优化组网 06 5G 无线网络架构对传输网的影响 许森, 高程, 卞宏梁 13 5G 移动业务 OTN 承载解决方案 孙志勇 17 面向 5G 的承载网需求及关键技术 师严, 王光全, 王海军 21 面向 5G 的 MEC 系统关键技术 宋晓诗, 闫岩, 王梦源 26 网络切片 : 构建可定制化的 5G 网络 任驰, 马瑞涛 31 基于增强学习的 5G 网络切片资源动态优化方案 任语铮, 谢人超, 黄韬 37 移动边缘计算的移动性管理研究 王秋宁, 谢人超, 黄韬 42 5G 承载网技术和优化组网 张宝亚 专家论坛 49 5G 承载的挑战与技术方案探讨 李俊杰, 唐建军 53 面向 5G 的传送网新架构及关键技术 李晗 企业视界 58 面向 5G 承载的网络切片架构与关键技术 王强, 陈捷, 廖国庆 办刊宗旨 62 5G 传送标准进展 张源斌, 杨剑, 占治国, 周严伟 以人为本, 荟萃通信技术领域精英迎接挑战, 把握世界通信技术动态立即行动, 求解通信发展疑难课题励精图治, 促进民族信息产业崛起 期刊基本参数 :CN /TN 1995 b zh P

4 Contents 目次 ZTE TECHNOLOGY JOURNAL Vol. 24 No. 1 Feb Guest Paper 02 Commercial 5G, Ready to Take Off XU Huijun Special Topic: Technologies and Optimal Networking of 5G Bearing Network 06 Impact of 5G Wireless Network Architecture on Transport Network XU Sen, GAO Cheng, BIAN Hongliang 敬告读者 本刊享有所发表文章的版权, 包括英文版 电子版 网络版和优先数字出版版权, 所支付的稿酬已经包含上述各版本的费用 未经本刊许可, 不得以任何形式全文转载本刊内容 ; 如部分引用本刊内容, 须注明该内容出自本刊 13 OTN Bearing Solution for 5G Mobile Service SUN Zhiyong 17 Requirements and Technologies of 5G Transmission Bearing Network SHI Yan, WANG Guangquan, WANG Haijun 21 Key Technologies of 5G Oriented Mobile Edge Computing System SONG Xiaoshi, YAN Yan, WANG Mengyuan 26 Network Slicing: Building Customizable 5G Network REN Chi, MA Ruitao 31 Dynamic Resources Optimization for 5G Network Slicing Based on Enhanced Learning REN Yuzheng, XIE Renchao, HUANG Tao 37 Mobility Management of Mobile Edge Computing WANG Qiuning, XIE Renchao, HUANG Tao 42 Technologies and Optimal Networking of 5G Bearing Network ZHANG Baoya Expert Forum 49 Challenge and Technical Scheme of 5G Bearing Network LI Junjie, TANG Jianjun 53 The New Architecture and Key Technologies for 5G Transport Network LI Han Enterprise View 58 Architecture and Key Technologies of 5G Transport Network Slicing WANG Qiang, CHEN Jie, LIAO Guoqing 62 Standardization Progress of 5G Transport ZHANG Yuanbin, YANG Jian, ZHAN Zhiguo, ZHOU Yanwei 2018 年第 1 6 期专题 1 5G 承载网技术和优化组网 张云勇中国联通研究院院长徐雷中国联通研究院高级工程师 2 大数据智能化无线网络技术 陈前斌重庆邮电大学副校长 3 毫米波与太赫兹通信技术 洪伟东南大学教授王海明东南大学教授 4 5G 回传网络光电子器件技术 孙笑晨中兴光电子技术有限公司技术总监徐勇积中兴光电子技术有限公司总经理 5 可再生能源供电的无线通信牛志升清华大学教授 6 区块链技术及其物联网应用刘建伟北京航空航天大学教授

5 专题名称 :5G 承载网技术和优化组网 策划人简介 内容导读 全国政协委员 国务院特殊津贴专家 教授级高工 百千万人才工程国家级人选, 现为中国联通研究院院长 党委副书记, 北京邮电大学 北京理工大学兼职张云勇教授, 863 国家重大专项和国家奖励办核心专家, 国资委教授级高工评审委员会专家, 大数据流通与交易国家工程实验室专家委员会专家, 中国电子学会会士, 通信学会会士, 优秀科技工作者, 青年俱乐部网络通信委员会副主任, 通信学会学术委员会会员, 工信部 SDN 产业联盟副理事长, 信息通信大数据联盟副理事长 ; 被授予 国家有突出贡献中青年专家 称号, 获工信部 ITU 优秀文稿奖 2 次 优秀个人奖 2 次, 获国际奖励 1 项, 省部级奖励 15 项 ; 主持 发布国际上第 1 个 ITU 云计算框架 SDN 标准, 报批发布国家 行业规范 9 项 ; 发表论文 70 余篇, 出版中文论著 19 部 英文论著 1 部, 授权专利 54 项 软件著作权 37 项, 被国际组织采纳文稿 300 余篇 中国联通研究院云计算研究中心主任 高级工程师, 北京邮电大学企业导师, 信息通信技术编委会副主任 ; 在 CCSA SDN/NFV 产业联盟牵头多项标准制定 ; 徐雷获行业奖项 5 次, 联通科技进步奖 5 次 ; 参与编写中文论著 3 部 英文论著 1 部, 发表论文 20 余篇, 授权专利 5 项 软件著作权 9 项, 被国际组织采纳文稿 50 余篇 近年来, 随着移动通信技术的发展, 针对移动通信的需求也日益增加, 业务的差异化带来了各种完全不同的需求 5G 技术提出至今, 一直是业界最热门的话题之一 目前, 中国各大运营商都在加速 5G 商用步伐, 预计 2020 年进行正式商用 国际电信联盟 (ITU) 定义的 5G 的 3 类典型应用场景包括 : 增强型移动宽带 (embb) 大规模机器类通信 (mmtc) 超可靠低时延通信 (urllc), 其中 embb 的特点是大带宽 面向移动通信场景 ;mmtc 的特点是链接大 流量小, 主要面向物联网应用 ;urllc 的特点是超低时延 高可靠性, 主要面向工业自动化等实时性控制类应用 5G 网络对带宽 时延 时间同步等多方面功能和指标的更高诉求, 都给承载网络带来了巨大的挑战 因此, 业界对 5G 承载网技术和组网方式的关注度相当高 承载能否满足网络要求, 将直接影响到 5G 商用进程 承载网络技术发展是 5G 能否成功的关键因素之一, 网络架构在 5G 时代的主要变化包括 : 核心网全面云化 集中式演变为分散式 引入 SDN 实现控制层面和转发层面的解耦, 这使得网络更开放, 从而灵活支撑上层业务和应用 通过布局软件定义网络 (SDN) 网络功能虚拟化 (NFV) 以及云计算技术进行网络重构, 是 5G 承载网的重中之重 网络切片技术可以满足多样化的网络应用场景需求, 在 5G 发展中扮演着重要的角色, 成为 5G 创新技术的讨论热点之一 SDN/NFV 技术, 将物理基础设施资源虚拟化为多个相互独立的逻辑专有网络, 每个网络切片服务于某一具体的业务场景, 以满足不同业务场景对带宽 时延 服务质量等差异化要求, 从而满足各种垂直行业多样化需求, 以增强网络弹性和自适应性 移动边缘计算 (MEC) 也是 5G 一个非常重要的关键技术, 可以把业务和存储包括计算的能力, 都推送到用户, 更靠近基站, 即下沉到网络的边缘 MEC 技术可以让 5G 的应用服务和内容部署更加灵活, 可以提供更低成本和更低时延的 5G 新业务 另外,5G 时代网络数据流量爆炸式增长, 网络的 覆盖 和 容量 成为需要重点考虑的问题,5G 超密集组网是解决未来 5G 网络数据流量 倍以及用户体验速率 10~100 倍提升的有效解决方案 本期专题围绕 5G 承载网技术和优化组网的最新进展 发展趋势 关键技术 实现手段等多个维度开展专题讨论 来自高校 运营商以及设备厂商等 5G 承载网技术研究优势单位的专家学者通过他们独到的视角对 5G 承载网技术进行了深入分析和探讨 感谢各位作者对本期专题的支持与贡献! 张云勇徐雷 2018 年 1 月 10 日

6 卷首特稿徐慧俊 5G 商用, 蓄势待发 DOI: /j.issn 网络出版地址 : [ 摘要 ] 分析了 2017 年 5G 标准进展 各国 5G 频谱规划以及主流运营商的 5G 商用时间表等, 认为 5G 产业链正在加速成熟,5G 商用越来越近 5G 相关的关键技术已经得到充分验证, 如 : 大规模多输入多输出 (Massive MIMO) 在 Pre5G 中商用, 基于网络功能虚拟化 (NFV) 架构的云化网络方案在 4G 网络中商用,5G 承载的软件定义网络 (SDN) 架构 灵活以太网 (FlexE)/ 灵活光传送网 (FlexO) 等趋于成熟,5G 端到端 (E2E) 网络切片 自动化运维 人工智能 (AI) 等关键技术也将助力 5G 网络运营 分析了中国在 5G 产业进程中发挥的作用, 并展望了 5G 未来的发展进程 [ 关键词 ] 5G;SDN/NFV; 网络切片 ; 自动化运维 ;AI [Abstract] The standardization progress, wireless spectrum planning and the updated timetable for 5G of some advanced countries are analyzed in this paper. The commercial 5G is regarded much closer to the market with an accelerating industrial chain. The 5G technologies have been fully verified in many fields, such as massive multiple input multiple output (Massive MIMO) application in Pre5G, network function virtualization (NFV)-based cloudification deployment in 4G network, software defined networking (SDN) architecture for 5G bearing, flexible Ethernet (FlexE)/ flexible optical transport network (FlexO) application and 5G smart operation aided by end-to-end (E2E) network slicing, automatic operation and maintenance (O&M), and artificial intelligence (AI). The important role of China is also analyzed in the progress of 5G industry development, and finally the commercial 5G timetable is proposed with an aspiring expectation. [Key words] 5G; SDN/NFV; network slicing; automatic O&M; AI 中图分类号 :TN929.5 文献标志码 :A 文章编号 : (2018) G 商用, 蓄势待发 Commercial 5G, Ready to Take Off 徐慧俊 /XU Huijun ( 中兴通讯股份有限公司, 广东深圳 ) (ZTE Corporation, Shenzhen , China) 徐慧俊,1998 年毕业于清华大学电子 工程专业, 获得工学硕士学位, 同年加 入中兴通讯股份有限公司 自 2016 年 4 月起担任中兴通讯执行副总裁 首席 技术官 (CTO), 是公司系统产品负责 人 ; 年 3 月任中兴通讯高 级副总裁, 先后负责本部事业部 工程 服务经营部 无线产品经营部工作 ; 年, 历任中兴通讯北京研 究所系统工程师 项目经理 副所长 所 长 在有线 无线及工程服务等领域有 超过 19 年的管理经验 收稿日期 : 网络出版日期 : G 改变生活,5G 改变社会 5G 不仅仅是带宽的提升, 而且是一次 颠覆性升级, 是人与人通信向万物互 联的转变, 是整个社会数字化转型的 基石 移动超高清视频 增强现实 (AR)/ 虚拟现实 (VR) 等大视频应用 推动网络带宽需求大幅提升 ; 工业自 动化 无人驾驶 网联无人机 远程医 疗 智能交通 智能电网等行业应用 逐步兴起, 也对网络提出了超高可靠 性 超低时延 海量连接等特殊场景 需求 5G 将开启万物互联 无限遐 想的新时代, 整个社会对 5G 时代充 满期待 1 5G 产业环境趋于成熟 1.1 5G 标准化进程不断加速 自 4G 产业走向成熟时起, 国际 标准组织和主流运营商逐渐将产业 发展重心聚焦到 5G 的标准制定上, 第 3 代合作伙伴计划 (3GPP) 国际电 信联盟 (ITU) 下一代移动通信网络 联盟 (NGMN) 等标准组织分别在 2015 年先后启动了 5G 相关的标准制 [1-3] 定工作 2017 年 12 月 21 日,3GPP 的 5G 新空口 (NR) 首发版本 R15 非独立组网 (NSA) 核心标准正式冻 结 这是 5G 标准的重要里程碑, 标 志着不久的将来将进入 5G 网络建设 的规模验证和预商用阶段 5G 标准比前面的 1G 2G 3G 4G 标准都更为统一 业界吸取了移动 通信技术发展的经验教训, 合力推动 形成统一的 5G 标准, 避免了各种利 益集团之间的纷争 这是 5G 标准能 够不断提速的重要原因, 也使得未来 5G 在基站 终端 芯片等各方面都能 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

7 5G 商用, 蓄势待发 徐慧俊 卷首特稿 够更为统一,5G 产业链将更加容易成熟 1.2 各国政府陆续出台 5G 频谱规划各国政府均将 5G 网络建设提升到信息化产业的战略高度, 从全球 5G 试验进度来看, 美国 韩国 日本 中国将成为首批部署 5G 网络的国家, 欧洲紧随其后 中东地区部分国家也有快速部署 5G 网络的需求, 如阿联酋将在 2020 年举办世博会, 卡塔尔将在 2022 年举办世界杯, 这些都将刺激 5G 网络部署需求 非洲大多数国家 4G 普及率仍较低,5G 部署计划将相对滞后 以中 美 日 韩 欧为代表的多个国家和地区分别发布了 3.5 GHz 4.9 GHz 附近的中频段以及 26 GHz 28 GHz 附近的高频段的 5G 频谱规划, 抢占 5G 发展先机 中国在 2017 年 11 月确定将 3.3~3.6 GHz 和 4.8~5 GHz 中频段作为 5G 频段 3.5 GHz 已经成为大多数运营商首选的 5G 建网频段, 未来可以应用于全球网络漫游的 5G 频段 5G 网络建设需要同时兼顾覆盖和容量, 3.5 GHz 频段借助大规模多输入多输出 (Massive MIMO) 等天线技术, 覆盖范围可以媲美 MHz, 运营商可以复用现有站点来建设 5G 网络 高频段具有大量连续频段, 频谱资源丰富, 但网络覆盖存在挑战 1.3 主流国家和运营商纷纷明确 5G 商用时间表 5G 已经成为全球运营商发展的焦点, 全球 51 家运营商积极开展 5G 技术验证和部署试验, 以中 日 韩为主的亚太地区最多, 共有 22 家, 欧洲 16 家, 北美 7 家 其中有 23 家运营商已经发布 5G 网络商用时间表, 亚太 10 家, 欧洲 5 家, 北美 4 家 从发布时间表来看, 美国 韩国将率先推出 5G 商用服务 中国三大运营商 2017 年分别在北京 上海等 10 多个城市启动 5G 试验 中国移动 2017 年 6 月提出服务化架构 (SBA) 正式纳入 3GPP 5G 核心网统一架构,2017 年底制定切片分组网 (SPN) 企业标准, 并与中兴通讯等厂家完成 SPN 第 1 阶段测试 中国电信 2017 年 8 月发布 中国电信 5G 创新示范网白皮书 中国联通于 2017 年 6 月完成首个 5G 在 3.5 GHz 和 1.8 GHz 的双频试验, 并联合中兴通讯在深圳开通 5G NR 外场测试 中国三大运营商的 5G 试验网已经全面启动,2018 年将启动面向商用的大规模组网试验,2019 年进入预商用阶段,2020 年进入规模商用阶段 美国规划到 2020 年为 1 亿家庭提供无线宽带服务, 两大运营商在 2016 年初就启动了在高频段面向固定场景的 5G 测试工作 2017 年, AT&T 在印第安纳波利斯的部分地区推出 5G 演进网络 ;Verizon 向亚特兰大 达拉斯等 11 座城市的特定用户提供高速 5G 网络 两个运营商均计划在 2018 年面向全美推出固定 5G 通信服务 韩国成立 5G Forum, 推动 5G 移动通信进展, 计划 2020 年推出全面的 5G 商用服务 SKT 在 2017 年 6 月成功展示 3.5 GHz 频段的 5G 通信, 在 2017 年底前进行规模预商用 5G 网络部署, 计划在 2018 年冬奥会期间开启 5G 试验网商用服务 日本计划在 2020 年东京奥运会前商用 5G 移动通信服务 Softbank 在 2016 年 9 月宣布启动 5G 项目, 并于 2017 年 6 月与中兴通讯开展了基于 4.5 GHz 的 5G 外场试验, 且成为全球首家将 Massive MIMO 技术正式投入商用的运营商 德国发布了 5G 国家战略, 借助于 5G 建设, 拉动电网 智慧城市等数字基础设施建设 DT 在 2015 年 2 月成立了 5G 创新实验室,2017 年在柏林成功部署了基于最新 3GPP 标准的 5G NR 网络连接, 并计划在 2018 年试运行 5G 网络, 为广泛商用部署做准备 从目前开展 5G 测试的情况来 看, 各国运营商对 5G 应用场景的关 注点存在明显差别 中 日 韩运营 商重点关注增强型移动宽带 (embb) 场景, 欧洲运营商关注 5G 在垂直行 业的应用, 美国运营商更关注固定无 线接入场景应用 综合 5G 标准进展 各国 5G 频谱 规划 主流运营商公布的 5G 商用时 间表来看,2017 年在 5G 标准 频谱规 划 5G 关键技术验证等方面均取得 了突破性进展, 整个 5G 产业链正加 速成熟, 年将成为 5G 预 商用阶段和小规模商用阶段,2020 年 将逐步进入 5G 规模商用阶段 5G 正 向我们走来 2 5G 关键技术已经开展广泛的实践和验证 5G 网络建设理念已经从传统 业 务适配网络 向 网络适配业务 转 变 5G 网络需要构建为面向 embb 超可靠低时延通信 (urllc) 大规模 机器类通信 (mmtc) 等典型场景服务 的综合性网络 除了通过天线阵列 化 组网密集化 非正交等无线关键 技术进一步提升无线网络带宽能力 外, 还需要覆盖到核心网 前传 / 回传 网络 运维系统等, 包括网络云化 ( 软 件定义网络 (SDN)/ 网络功能虚拟化 (NFV)) 端到端 (E2E) 网络切片 运 维自动化等方面的关键技术, 以便灵 活适应更多垂直行业应用场景的差 异化需求和商业模式 2.1 无线网络向天线阵列化 非正交 组网密集化发展 无线频谱资源始终是有限的 稀 缺的, 提升频谱效率始终是一代代移 动网络升级中的关键 多天线空分 技术是唯一可成倍提升频谱效率的 技术,Massive MIMO 作为最重要的空 分技术, 支持更为精准的波束控制和 更高的并发流数, 已经成为 5G 最核 心的关键技术 Massive MIMO 技术 已经被提前应用来解决 4G 网络容量 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

8 卷首特稿徐慧俊 5G 商用, 蓄势待发 问题 在全球很多市场, 频谱资源非常有限, 而流量增速很快, 产生了 4G 网络与流量需求之间的矛盾, 将 Massive MIMO 技术应用到 4G 网络, 小区吞吐量提升了 4~6 倍, 成功解决了市场的痛点问题 中兴通讯创新地提出 Pre5G, 将 Massive MIMO 技术提前应用于 4G 网络, 获得全球移动通信系统协会 (GSMA) 颁发的 突破性创新奖 和 CTO 选择奖 两项殊荣, 并成功将其推向商用 Pre5G Massive MIMO 的成功商用, 大幅度加速了 5G Massive MIMO 的商用进程 非正交技术是 5G 很有前途的一个技术方向 从 1G 到 4G 均基于正交通信技术, 具有简单高效的特点, 然而对于超大数量连接 小带宽需求, 正交技术带来较大的开销, 且不能有效应对远近效应 5G 提出非正交通信技术, 可以针对远近效应进行优化, 部分非正交技术可以实现完全的免调度, 例如 : 中兴提出的多用户共享接入 (MUSA) 技术, 可大幅度提升小数据包的性能和效率, 并使连接数量提升 6 倍以上 超密集组网 (UDN) 可以进一步提升 5G 网络单位面积的网络容量和用户体验速率, 但 UDN 提升容量的同时, 也面临着同频干扰 移动性管理 多层网络协同等技术问题 国际移动通信 (IMT) 专门成立了 UDN 工作组, 针对 UDN 可能面临的问题提出了一系列解决方案, 包括干扰管理 小区虚拟化等方案 干扰管理通过网络侧多天线技术形成的空域自由度, 从频域 时域 码域 功率域和空域等角度进行干扰规避 ; 通过终端侧干扰对齐技术, 利用干扰信道信息设计编码和译码矩阵, 把多个干扰信号抑制到较低的干扰空间 小区虚拟化以用户为中心, 将多个实体小区虚拟为一个逻辑小区, 通过传输节点间协作, 为用户提供一致 连续的服务, 并通过控制层与数据层分离, 避免了用户频繁切换, 降低小区间控制信道干扰, 改善了移动性和用 户体验 2.2 网络功能云化为了适应业务的灵活快速发展, 云化部署和分层解耦已经成为 5G 网络建设的基本需求 中国移动牵头的 SBA 架构已经成为 3GPP 的 5G 核心网统一架构 遵循互联网软件架构发展历程和 NFV 架构, 电信网络功能从软硬件解耦 云化部署 / 多层解耦, 进一步向云原生架构发展 5G 核心网和 5G 集中单元 (CU) 将遵循 NFV 技术架构, 采用云原生技术构建, 并基于虚拟化 / 容器化的基础设施灵活部署 NFV 技术架构已经在 4G 网络的虚拟演进分组核心网 (vepc) 虚拟 IP 多媒体子系统 (vims) 等建设中得到了规模商用验证 中国移动 中国电信 VDF AT&T 等主流运营商均已经在云化基础设施 核心网虚拟化 三层解耦等方面进行了充分的验证, 积累了丰富的经验 中兴通讯已经为 VEON 提供了架构领先 面向 5G 演进的 SDN/NFV 云化网络解决方案, 可实现端到端网络切片和软硬件解耦, 2G/3G/4G 同时接入, 总体拥有成本 (TCO) 降低达 30.4% 2.3 承载网络弹性化 5G 建设, 承载先行,5G 承载网的技术和标准变得越来越重要 面对 5G 无线接入网络 (RAN) 侧灵活切分 核心网云化等架构转变, 承载网可以采用分组传送网 (PTN) 无线接入网 IP 化 (IPRAN) 光传送网 (OTN) 波分复用点对点无源光网络 (WDM-PON) 微波等灵活构建前传 中传和回传网络, 并引入 SDN 架构 灵活以太网 (FlexE) 灵活光传送网 (FlexO) 分段路由 (SR) 超高精度时间同步等关键技术, 来构建统一弹性承载网络, 满足 5G 网络超大带宽 超低时延 灵活连接等关键需求 例如 :FlexE 技术实现媒体接入控制 (MAC) 层与物理 (PHY) 层解耦, 可以 通过多个物理链路捆绑来扩展网络容量, 满足 5G 的大带宽和灵活组网需求 ; 中兴 FlexE Tunnel 技术进一步将 FlexE 从接口级技术扩展到网络级技术, 更好地满足 5G 网络前传 / 中传 / 回传的虚拟切片和低时延传送需求 在 5G 外场测试和组网验证中, 5G 承载技术已得到充分的试验和验证 2017 年底中国移动发布了 5G 承载 SPN 企业标准, 并完成了 SPN 第 1 阶段验证工作 2017 年世界移动大会 ( 上海 ) 期间, 中兴通讯进行了 FlexE Tunnel 现场测试, 支持端到端连通性检测 时延测量等操作管理维护 (OAM) 功能, 故障倒换时间小于 1 ms, 单节点转发时延最低小于 0.5 us 2.4 E2E 网络切片化 5G E2E 网络切片化是 5G 网络支撑行业数字化转型的关键 相对传统无线网络主要面向公众用户提供接入服务,5G 网络需要面对接入速率 连接数量 传输时延等业务服务等级 (SLA) 指标迥异的不同垂直行业场景的差异化需求, 不同商业模式在统一的 5G 网络架构下共存 5G 网络建设需要贯穿 5G RAN 核心网和承载网络, 构建 E2E 切片网络, 面向行业客户提供快速定制交付 自动化闭环保障 安全隔离的虚拟专网 基于 CU/ 分布单元 (DU) 分离的无线接入网 云化的核心网 弹性的承载网的分布式部署 网络可编程的能力, 可以面向 embb urllc mmtc 等 SLA 迥异的行业应用场景, 快速定制具备独立关键业绩指标 (KPI) 安全隔离的 E2E 5G 网络切片, 交付给各个垂直行业数字化转型所需的虚拟专网 3G/4G 网络实现从语音经营向流量经营转变, 在 5G 时代, 网络切片将成为电信运营商面向垂直行业可运营的产品, 使 5G 网络能更灵活地支撑各个垂直行业的数字化转型 2.5 AI 赋能 5G 网络 5G 时代依靠人工进行参数配置 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

9 5G 商用, 蓄势待发 徐慧俊 卷首特稿 和通过专家经验形成策略的方式越来越难以满足业务的动态变化要求, 在 5G 网络中引入智能引擎, 通过人工智能 (AI) 技术提升网络智能化水平, 实现智能的策略生成和参数自动配置已经成为趋势 AI 赋能 5G 网络的典型场景有基于 AI 的 5G 波束赋形 / 移动负荷均衡 承载网流量预测和路径优化 虚拟化资源的智能动态分配 智能运维等 例如 : 基于 AI 的 5G 移动负载均衡 (MLB) 是利用射频指纹库, 通过机器学习 (ML)/ 深度学习 (DL) 算法对负荷提前预测, 精选切换用户和目标小区, 使得负荷快速降低并达到均衡状态, 平均用户吞吐量提升 10% 以上 AI 技术的引入, 将大幅提升 5G 网络的智能化水平, 有效降低运维人力需求, 提升 5G 系统的整体性能和综合效率 2.6 运维自动化 5G 网络中, 连接类型的泛化 业务的多样性使得网络向着更加复杂多样的异构化方向发展, 网络的参数配置越来越多, 各类网络策略也愈加复杂, 运维自动化已经成为 5G 网络建设和运营的关键 以编排为核心, 借鉴 DevOps 理念提升电信网络运营效率, 以控制 编排 管理 策略 分析 (COMPA) 为关键技术要素, 构建自动化闭环运维系统 ; 并实现 E2E 切片的快速定制开通 自动化闭环保障等全生命周期管理, 通过能力开放向行业客户提供 E2E 网络切片的自服务 自运营门户 结合大数据 /AI 技术, 将进一步增强运维系统的自动化能力, 包括故障自愈 网络自优化 智能策略生成 网络规划预测等能力 2017 年底, 开放网络自动化平台 (ONAP) 开源社区发布了针对云化网络建设的自动化运维第 1 个开源版本 Amsterdam 欧洲电信标准化协会 (ETSI) 专门设立了零接触网络和服务管理行业规范组 (ZSM ISG), 致力于面向 5G 网络与服务, 实现灵 活 高效地管理 服务 运营自动化系 统的标准化工作, 实现 5G 网络全生 命周期的所有操作流程和任务 ( 包括 交付 部署 配置 保障 优化 ) 的自 动执行, 包括 E2E 网络切片的管理和 运营 中兴通讯在 2017 年底协助中 国移动在广州部署 OSS4.0 系统, 实现 vepc 家宽业务 窄带物联网 (NB- IoT) 等多场景网络下的统一自动化 闭环运维管理 3 中国正在领跑全球 5G 发展 中国在全球标准制定中经历了 2G 跟随,3G 突破,4G 同步, 到 5G 引 领 的过程, 在 5G 标准制定中充分彰 显了中国元素 3GPP 定义 5G 物理层 的工作组中, 华人专家占到 60%, 其 中服务于中国通信企业的达到 70%; 中国通信企业贡献到 3GPP 关于 5G 的提案, 占全部提案的 40% 如中兴 通讯在 3GPP 针对 5G 的标准提案有 多篇, 承担了 3 个核心规范编辑 人的角色, 同时也参与了 ITU 电气 与电子工程师协会 (IEEE) IMT 2020 NGMN ETSI 等 40 多个主流标 准组织 联盟和行业论坛 中国在 5G 产业成熟方面功不可 没 截至 2017 年底, 中国已经完成 5G 技术试验的两阶段测试, 并全面 启动第 3 阶段测试, 验证 5G 关键技 术, 推进商用前的互联互通工作 中 国已经建成全球最大的 5G 外场试验 环境, 在北京怀柔外场完成 30 个站 址规划, 可满足多厂家的外场组网性 能测试需求 ;2018 年将进一步扩大 5G 外场测试规模 中国将成为 5G 率先规模商用的 国家之一, 快速发展的垂直行业数字 化转型和巨大的用户规模都将推动 中国 5G 产业快速健康地发展 中国 三大运营商和设备商已在 5G 产业合 作和垂直行业场景验证方面开展了 很多工作 中兴通讯已开展了与多 个垂直行业标杆企业的深入合作, 在 VR/AR 车联网 工业无线 远程控 制 智能电网 远程医疗六大领域的 云 VR 直播 无人驾驶 工业机器人 远程挖掘机 无人机电网巡检 远程 手术等典型场景, 不断探索未来 5G 的创新应用, 优化 5G 基础网络产品 4 未来 5G 发展展望 2017 年, 在整个 5G 产业的共同 努力下,5G 标准 关键技术 产业环 境都取得了突破性的进展, 预计 2018 年将进入规模的外场测试和预商用 阶段 但运营商面临着营收增长的 压力, 在垂直行业应用未出现明显增 长的情况下, 运营商对 5G 投资将相 对谨慎 这也将导致 5G 的建设周期 拉长, 未来 5G 发展将经历 3 个阶段 年,5G 外场测试和 预商用阶段 : 标准和技术将进一步完 善, 大规模外场测试持续进行, 早期 的 5G 小规模商用将在中 美 日 韩 欧等国家和地区不断涌现 同时, Massive MIMO 等 5G 相关的核心技术 应用到 4G 网络中,Pre5G 将成为现阶 段移动网络建设的主旋律 年,5G 规模商用初 期阶段 : 这个阶段 5G 网络建设的主 要目标是分流 4G 网络的压力, 进一 步提升无线网络带宽,eMBB 是核心 场景 中国将率先大规模部署 5G 网 络, 成为全球最大的 5G 市场 2022 年以后,5G 商用持续深入 和拓展 : 这个阶段的主旋律是通信业 与垂直行业的跨界融合 5G 作为未 来数字经济时代的关键使能技术和 基础设施,uRLLC 和 mmtc 场景将快 速发展, 支撑垂直行业的数字化转 型, 如智慧城市 环境检测 工业自动 化 无人驾驶 智能机器人等, 新的场 景应用将层出不穷 5G 商用, 蓄势待发! 参考文献 [1] ITU-R. IMT 愿景 :5G 架构和总体目标 :ITU-R M.2083[S]. ITU, 2015 [2] Study on Architecture for Next Generation System: TR23.799[S]. 3GPP, 2016 [3] NGMN 5G White Paper V1.0[R]. Frankfurt: NGMN Alliance, 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

10 专题许森等 5G 无线网络架构对传输网的影响 DOI: /j.issn 网络出版地址 : 5G 无线网络架构对传输网的影响 Impact of 5G Wireless Network Architecture on Transport Network 许森 /XU Sen 高程 /GAO Cheng 卞宏梁 /BIAN Hongliang ( 中国电信股份有限公司北京研究院, 北京 ) (China Telecom Beijing Research Institute, Beijing , China) 5 G 无线网络的设计目标是为多种不同类型的业务提供满意的服 务 这些典型业务通常分为三大类 : 增强型移动宽带 (embb) 业务 面向 垂直行业的大规模机器类通信 (mmtc) 业务 超可靠低时延 (urllc) [1] 业务 不同的业务对于移 动网络空口能力 架构等存在一定的 差异, 这些差异主要体现在时延 空 口传输以及回传能力等方面 : (1) 移动宽带业务 主要包括大 带宽和低时延类业务, 如交互式视频 或者增强 / 虚拟现实 (AR/VR) 类业 务, 相对于 3G/4G 时代的典型业务而 言, 其对于用户体验带宽 时延等都 有明显的差异 (2) 大规模机器通信连接业务 该类型业务是 5G 新拓展的场景, 重 点解决传统移动通信无法很好地支 持物联网及垂直行业应用的问题 这类业务具有小数据包 低功耗 海 量连接等特点 这类终端分布范围 广 数量众多, 不仅要求网络具备超 千亿连接的支持能力, 满足 10 5 /km 2 连接数密度指标要求, 而且还要保证 收稿日期 : 网络出版日期 : 摘要 : 为了满足 3 种 5G 典型业务的覆盖和容量的需求,5G 网络中引入了非独立和独立部署 4G 和 5G 组网架构以及集中单元 (CU)/ 分布单元 (DU) 分离的设备形态 新的无线网络架构对于未来传输网的部署也提出了新的挑战 基于当前 5G 网络架构的标准进展, 从无线网络的角度分析了 5G 网络架构对传输网的影响和需求 关键词 : 5G 网络 ; 非独立组网 ;CU/DU 分离 ; 传输网络 Abstract: To satisfy the coverage and capacity for 5G typical traffic, the nonstandalone and standalone deployment for 4G and 5G and a new base station type with centralized unit (CU) /distributed unit (DU) splitting have been introduced in future 5G network. The new wireless network architecture brings challenges to the transport network deployment. Based on the standardization progress of 5G network architecture, the impact and requirement of 5G wireless network architecture on transport network are analyzed from the perspective of wireless network. Key words: network 中图分类号 :TN929.5 文献标志码 :A 文章编号 : (2018) G network; non-standalone deployment; CU/DU splitting; transport 终端的超低功耗和超低成本 因此 5G 网络中支持如此巨大的数目需要 设计合理的网络结构, 以降低网络部 署成本 (3) 低时延高可靠需求 当前一 些新兴业务对于时延和可靠性都提 出严苛的要求 这类业务最低要求 支持小于 1 ms 的空口时延以及在一 些场景里达到较高的传输可靠性 传统的蜂窝网络设计无法满足为这 些特殊场景通信的可靠性需求, 因此 为了满足此类业务的需求, 蜂窝网和 传输网的可靠性和实时性都面临着 极大的挑战 基于上述需求, 第 3 代合作伙伴 项目 (3GPP) 从 2017 年 3 月后正式展 开了针对 5G 空口技术以及网络架构 的标准化工作, 如图 1 所示 当前 5G 下一代无线接入网 (NG-RAN) 中 无线网络包括基于长期演进 (LTE) 空口的以及基于 5G 新空口的两种类 [2] 型的基站 两种类型基站在覆盖 容量 时 延 新业务支持等方面都存在较大的 差异 (1) 连接到 5G 核心网的下一代 演进型节点 (NG-eNB): 该类型基站 是在现有的 4G 网络上进行升级以支 持 5G 的相关特性, 因此通常可以认 为 NG-eNB 网络支持多数的业务的连 续覆盖 由于该类型基站的物理结 构 ( 如天线 帧结构等 ) 仍然采用 4G 空口, 因此其无法支持超低时延 超 高速率的业务, 无法满足 5G 定义的 全部关键绩效指标 (KPI) 指标的要 求 这种类型的基站对于前传和回 传网络的需求基本可以认为与当前 的 4G 无线网络相同 (2) 基于 5G 新空口的下一代节 点 (gnb): 理论上可以满足 5G 定义的 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

11 5G 无线网络架构对传输网的影响 许森等 专题 AMF/UPF NG NG gnb Xn NG NG Xn Xn NG NG AMF/UPF NG NG gnb Xn 5GC NG-RAN (NR) 独立组网的方案, 其架构的特点为 :(1)5G NR gnb 连接到 5G 的核心网 ;(2)NR 基站连接到 5G 核心网 在与现有的 4G 网络混合部署时,Option 1(Legacy LTE)+Option 2 形成了两张独立的网络, 为了保持业务连续性现网 LTE 和分组核心网 (EPC) 需要升级去支持跨核心网的移动性 该方案计划于 2018 年 6 月完成标准冻结工作 Option 2 架构如图 3 所示 5GC:5G 核心网 AMF: 接入和移动管理功能 图 1 NG-RAN 无线网络架构 所有关键绩效指标 (KPI) 需求及支持 所有 5G 典型业务, 相比于 NG-eNB, gnb 可以支持更高的空口速率, 因此 这种类型的基站对于前传和回传的 带宽和时延都提出了更高的需求 因此针对 3GPP 新业务的需求以 及现网实际情况, 运营商在未来的 5G 部署时需要充分考虑两网的能力 特点来选择业务的支撑方案 在标准中 gnb 的形态包括了类 似于 4G enb 的一体化基站以及集中 单元 (CU)/ 分布单元 (DU) 分离两种 基站类型 图 2 给出了 5G 网络中不 同类型的无线网元之间的架构和相 EPC S1 NG-eNB 5GC NG NG NG-eNB NB: 节点 NG: 下一代 关接口 在实际网络部署中,NRgNB 及 CU/DU 不同部署位置对于传 输网络都提出了不同的需求 1 SA/NSA 标准进展 针对 4G 和 5G 网络之间的协作关 系,3GPP 在 SI 阶段定义了独立部署 (SA) 和非独立部署 (NSA) 等不同类 型的架构, 主要包括 Option 2 Option 3/3a/3x Option 4/4a Option 5 Option 7/7a/7x 其中 NSA 架构主要以 3GPP Rel-12/13 标准中双链接方案为参考 进行设计 RAN: 无线接入网 UPF: 用户面功能 1.1 Option 2(NR SA) 该方案在标准中是一种新空口 1.2 Option 3/3a/3x 本架构在标准上是非独立组网方案之一, 也被称为 EN-DC 方案, 其特点是 :(1)LTE 基站作为控制面的锚点接入到 EPC 网络中,NR 不需要支持 S1- C 接口和协议 ;(2) 对于 Option 3,NR 作为 LTE 的一个 新载波 类型接入 ;(3)3a/3x 方案 NR 需要支持 S1 接口 该方案已经在 2017 年 11 月美国召开的会议中完成标准的冻结 Option 3/3a/3x 架构如图 4 所示 该方案中存在 3 个子方案 : 在 Option 3 中, 用户面承载锚点位于 LTE 侧, 采用类似于双链接 3C 方案, 该方案通常也被称为主小区组 (MCG) 分离承载, 其中该承载的分组数据汇聚协议 (PDCP) 采用 NR PDCP 协议以保证在承载转换过程中终端侧无需进行 PDCP 版本的变化 ; 在 Option 3a 中, 用户面承载通过 gnb 进行发送, 采用类似于双链接 1A 方案, 该方案也被称为辅小区组 (SCG) 承载 ; 对于 Option 3x 的方案, 用户面承 NG-eNB Xn Xn gnb Xn CU-C F1-C CU-U F1-U CU/DU 分离的 gnb DU NG-C NGC NG-U (e)cpri (e)cpri gnb AAU 5GC:5G 核心网 AAU: 有源天线单元 CPRI: 通用公共无线电接口 CU: 集中单元 AAU DU: 分布单元 EPC: 分组核心演进 NB: 节点 NG: 下一代 图 2 5G 网络中不同类型的无线网元之间的架构和相关接口 NB: 节点 NG: 下一代 NGC: 下一代核心网 图 3 Option 2 架构 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

12 专题 许森等 5G 无线网络架构对传输网的影响 MCG 承载分离承载 SCG 承载 MCG 承载 SCG 分离承载 S1 S1 S1 S1 PDCP PDCP Xx NR PDCP PDCP Xx NR PDCP NR PDCP RLC RLC NR RLC NR RLC RLC RLC NR RLC NR RLC MAC NR MAC MAC NR MAC LTE enb gnb LTE enb gnb LTE: 长期演进 MAC: 媒体访问控制 MCG: 主小区组 NB: 节点 NR: 新空口 PDCP: 分组数据汇聚协议 RLC: 无线链路层控制协议 SCG: 辅小区组 图 4 Option 3/3a/3x 架构 载的锚点位于 gnb, 该方案也被称之为 SCG 分离承载 其在 Rel-15 中引入的原因主要有两个 :(1) 减少 NR 和 LTE 之间的 Xn 接口的前转流量 ( 基站间传输带宽需要满足 LTE 的峰值流量需求, 而 MCG 分离承载中基站间传输带宽需要支持 5G 的峰值需求 );(2) 考虑到 5G 高频段 ( 如毫米波 ) 上信号存在不稳定的现象, 在 NR 传输中一旦出现中断, 可以利用 LTE 的覆盖的连续性和稳定性保证用户速率的快速恢复 1.3 Option 7/7a/7x Option 7/7a/7x 方案与 Option 3/3a/ 3x 类似, 都是一种非独立组网的方案, 都采用 LTE 作为锚点进行控制面和用户面传输 在标准中被称为 NG EN-DC 方案, 计划在 2018 年 6 月与 Option 2 一起完成标准的冻结工作 与 Option 3 系列的主要差异在于 LTE 需要连接到 5G 核心网, 且 LTE 需要升级支持 NG-eNB, 包括协议栈上需要支持新的服务质量 (QoS) 协议层服务发现应用规范 (SDAP) 支持 NR 的 PDCP 协议 NG/Xn 协议等 1.4 Option 5 本架构为 NG- enb 独立连接到 5G 的核心网, 本架构可以认为是 Option 7 的一个子状态, 无论是网络还是终端若要支持 Option 7 系列必须要支持 Option 5 具体的架构特点为 :(1)NG-eNB 基站连接到无线接入 (NR) 核心网,5G 终端通过 NG-eNB 连接到 5G 核心网 ;(2)NG-eNB 同时 连接到 4G 的 EPC, 传统 4G 终端通过 NG-eNB 连接到 4G 核心网 ;Option 5 需要升级现网 LTE 以支持其连接到 5G 核心网, 基站协议栈改动相对 Option 2 较多 1.5 Option 4/4a 该架构的特点是 NR gnb 作为锚 点接入到 5G 核心网中, 如图 5 所 示 LTE 作为 NR gnb 的一个特殊的 载波类型接入, 其中对于 4a 方案 LTE 需要支持 NG-U 接口 Option 4/4a 采 用了 NR 作为锚点, 因此通常应用在 NR 已经连续覆盖的场景中 在当前 的 3GPP Rel-15 的标准研究过程中, Option 4/4a 被列为较低的优先级 2 CU/DU 分离的标准进展 2.1 分离的需求 对于 5G gnb, 当前标准中支持 CU/DU 合设和分离的两种部署方 案 在合设方案中, 一个基站实体上 实现的全部的协议栈功能 这个架 构可以适用于密集城区和室内热点 场景 对于 CU/DU 分离架构,5G 协 elte enb NGC 图 5 Option 4/4a 架构 NG-C gnb NG-U 议栈中的上层功能位于 CU 中, 而底 层协议栈位于 DU 中 引入 CU/DU 分 离的动机, 在 3GPP 的标准研究过程 [3] 中主要有如下几个方面 : 成本 ; (1) 硬件实现灵活, 可实现节省 (2)CU 和 DU 分离的架构下可以 实现性能和负荷管理的协调 实时性 能优化, 并易于实现 SDN/NFV 功能 ; (3) 功能分割可配置能够满足不 同应用场景的需求, 如传输时延的多 变性 在实际部署中采用合适或者分 离部署, 主要取决于网络部署场景 业务类型以及传输网性能等因素 此外 5G 网络高速 低时延的特 点也对传输网提出了挑战 : (1) 前传接口带宽需求 考虑到 毫米波将支持 1 GHz 系统带宽以及 256 通道天线 根据现有射频拉远单 元 (BBU)/ 远端射频模块 (RRU) 的功 能划分, 前传接口带宽要求随着载频 频率带宽以及天线通道数量成线性 增长的关系 即便在考虑使用 64 通 道 20 MHz 带宽, 仍需要近 64 Gbit/s 的前传接口带宽 LTE: 长期演进 NB: 节点 NGC: 下一代核心网 (2) 传输时延 考虑到当前 LTE NG-U elte enb NGC NG-C gnb NG-U 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

13 5G 无线网络架构对传输网的影响 许森等 专题 RRC PDCP 高 RLC 低 RLC 高 MAC 低 MAC 高 PHY 低 PHY RF 数据 Option 1 Option 2 Option 3 Option 4 Option 5 Option 6 Option 7 Option 8 RRC PDCP 高 RLC 低 RLC 高 MAC 低 MAC 高 PHY 低 PHY RF 数据 MAC: 媒体接入控制 PDCP: 分组数据汇聚 PHY: 物理层 RF: 射频 RLC: 无线链路控制 RRC: 无线资源控制 图 6 8 种 CU/DU 划分方案协议要求用户 UE 侧与系统侧的混合自动重传请求 (HARQ) 交互时间是固定的, 若将 CU/DU 功能划分点仍放在 HARQ 过程中, 对 CU 芯片处理时延和传输设备时延的挑战依然很大 ; 若 CU/DU 功能切分点放置于 HARQ 以外, 对 CU 芯片处理时延和传输设备时延的要求有所放宽, 但会有过多功能前置于远端位置, 将会影响多载波的协作化性能 在 CU 和 DU 之间新定义了一个 F1 的新接口, 用于传输控制面配置信息 用户信令以及用户面数据等信息 在 CU 内部控制面和用户面在部署时也可以分离, 以满足不同类型业务对于时延和集中管理的差异 标准中定义 CU 控制面 (CU-CP) 和 CU 用户面 (CU-UP) 之间的接口为 E1 一个逻辑 DU 可以支撑多个物理小区, 但是逻辑上只能属于一个 CU, 为了可扩展性考虑能分别为 CU-CP 和 CU-UP 提供多个传输点 在 5G 的 SI 阶段, 针对 CU/DU 划分共有 8 种大的划分方案 其中 Option 1 4 被定义为高层划分方案, 而 Option 5 8 被定义为底层的划分方案 这 8 种划分方案从实现的角度来看都是可行的, 但是为了减少后续开发的复杂度, 无法同时支持上述 8 种方案, 如图 6 所示 因此在 Rel-15 WI 开始时确定了 Option 2-1 作为高层划分方案的标准化对象 ; 而对于底层切分方案, 考虑到各个厂家在物理层实现上差异较大较为难以标准化, 因此在 2017 年 11 月完成底层切换方案的研究中确定不会标准化任何一种划分方案, 由厂家在部署中实现决定 2.2 高层划分方案 (Option 2-1) 在 Option 2-1 中,CU 完成无线资源控制 (RRC) PDCP 层的功能和小区调度, 在 DU 中完成无线链路层控制协议 (RLC) 多媒体接入控制 (MAC) 物理层 (PHY) 的功能和单小区调度 在标准讨论过程中, 高层划分方案采用 Option 2-1 还是 Option 3-1 是存在争议的 其中 Option 3-1 是基于自动重传请求 (ARQ) 进行的划分, 其特点为 : 低 RLC 包含分段和拼接功能, 位于 DU; 高 RLC 包含 ARQ 以及重排序功能, 位于 CU 其中 Option 2-1 的优势在于 : PDCP-RLC 划分方案可以复用 3GPP Rel- 12 标准化方案中已有的 LTE 双连接架构和接口 ; LTE-NR 紧互操作的对齐以及功能划分至少在用户面上对 4G 向 5G 的迁移有利 ; 与 Option 3-1 相比 (ARQ 在 CU 侧 ),Option 2-1 没有 RLC PDU 重传的时延 如图 7 所示,CU/DU 之间传输时延较大时,Option 2-1 可以有效提升用户吞吐量 认为 Option 3 更优的观点如下 : 在非理想传输条件下, 由于 ARQ 和重排序在 CU 侧,Option 3-1 具有更好的传输可靠性 ; ARQ 在 CU 侧可以提供集中化 以及池化增益 ; 传输网络的错误可以通过 CU 端到端的 ARQ 机制进行修复, 这种机制可以给重要数据以及控制面信令提供保护 ; 由于没有 RLC 状态信息, 因此没有 UE 上下文, 没有 RLC 功能的 DU 可以处理更多连接态的 UE; 由于没有 ARQ 协议,DU 可以减少运算和缓冲的需求 最终 3GPP 选择了标准化相对简单且性能更佳的 Option2-1 方案作为高层划分的最终方案 2.3 底层划分方案底层划分方案主要集中在 Option 7, 即物理层的划分方案 标准讨论初期根据实现方式的不同, 又划分出 3 个子方案, 如图 8 所示 其中允许对上下行分别使用不同的 Option( 如 Option 7-1 用于上行, Option 7-2 可用于下行 ) CU 和 DU 间的传输带宽可以使用一定的压缩技术进行减少 在 2017 年 11 月的美国会议中根据 RAN1 的相关结论, 标准中认为所有的划分方案仅仅是一个参考方案, 主要考虑到标准和实现上顺序可能无法按照图中所示进行设计, 并且不同类型的业务如 mmtc 等其物理层处理功能和过程与 embb 可能会存在差异 相对于其他划分方案, 物理层划分方案的技术优势包括 : 此 Option 能够使得 NR 以及演 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

14 专题 许森等 5G 无线网络架构对传输网的影响 1.00 进的 UMTS 陆面无线接入 (E-UTRA) 0.95 集中化的传输点获得流量聚合 此外, 此 Option 也能够便于管理 NR 与 TCP 吞吐效率 E-UTRA 之间的流量负载 ; CU 侧可使用集中调度, 如多点协作 (CoMP); CU 侧可使用联合处理 同时该方案在实现和部署上也 0.75 非理想 Option 2 非理想 Option 3-1 方案 存在着一定的挑战, 如需要 CU 侧 PHY 层和 DU 侧 PHY 层子帧级别时间 误块率 /% TCP 吞吐效率 ( 非理想 Option 2 ) TCP 吞吐效率 ( 非理想 Option 3-1) 交互, 对传输网络时延也有着较高的要求 对传输网的影响分析 a) 非理想前传时延下的吞吐效率 (5 ms) 3.1 SA/NSA 架构对于 Xn 和 NG 接口带宽的影响 0.80 (1)Option 3/3a/3x TCP 吞吐效率 Option 3/3a 是激进运营商急于部署 5G 业务时的过渡场景 ( 如 DoCoMo AT&T 等 ), 其架构本质上仍然是一个 4G+ 增强网络, 需要 LTE 硬 0.40 误块率 /% 非理想 Option 2 非理想 Option 3-1 方案 TCP 吞吐效率 ( 非理想 Option 2 ) TCP 吞吐效率 ( 非理想 Option 3-1) 件改造或升级 EPC 实现特殊的会话管理功能, 和其他场景不兼容 当采用 Option 3 时, 由于 LTE 侧需要聚合 LTE 和 NR 的空口速率, 因此 S1 的带宽需要大幅度提升, 并且 LTE 和 NR b) 非理想前传时延下的吞吐效率 (15 ms) TCP: 传输控制协议 图 7 Option 2 与 Option 3 在非理想前传时延下 (5 ms 和 15 ms) 的吞吐效率 之间若不采用合设部署方案, 则基站接口之间的带宽也需要大幅度提升, 在 LTE 中 X2 接口通常用于传输 X2 信令以及切换时数据前传, 一般规划带 Option 7-3 Option 7-2 Option 7-1 每码字的加扰过程 调制层映射解码资源映射 IFFT/CP DA 每码字的加扰过程 解调 CE& 均衡前置滤波资源解映射 FFT/CP SRS 过程 AD 模拟波束赋形 峰值探测 相关性 PRACH 滤波器 AD: 模拟到数字 CE: 客户侧边缘 CP: 循环前缀 DA: 数字到模拟 FFT: 快速傅里叶变换 IFFT: 快速傅里叶反变换 PRACH: 物理随机接入信道 SRS: 探测参考信号 图 8 Option 7 的不同划分子方案 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

15 5G 无线网络架构对传输网的影响 许森等 专题 宽为 S1 接口的 5%~10%, 因此一般也就是几兆比特每秒到十几兆比特每秒的量级 若支持 Option 3 则需要提升吉比特每秒的量级, 因此该方案多数运营商缺乏足够兴趣 而 3a/3x 方案无需改变现有 S1 接口的传输带宽, 其中考虑到 3x 方案可以支持更好和更稳定的用户体验, 受到一些运营商和芯片商的支持, 相对于现有 X2 带宽需要升级基站间接口的带宽至百兆比特每秒量级 (2)Option 4/4a 和 Option 7/7a/7x Option 7/7a 利用 LTE 作为基础覆盖, 当前计划支持的运营商也较多 ; Option 4/4a 利用 5G 作为锚点, 通常应用在 5G 部署中后期, 对于 5G 连续覆盖有一定要求, 支持的运营商相对 7/ 7a 较少 其中对于 Option 4 和 7/7x 而言有如下优缺点 优点 : 用户面汇聚效果好, 针对 5G 高频 闪断 情况可以保持承载的连续发送 ; 缺点 :Option 7 用户面锚定点在 LTE,LTE 的 PDCP 需要支持 NR 的大容量汇聚, 提供大容量的 buffer, 从而要升级 LTE 硬件设备 ;Option 7 需要增加 NG Xn 的传输容量 ; 不利于异厂家组网 其中, 对于 Option 4a 和 7a 而言有如下的优缺点 优点 :LTE 硬件改造需求相对较小, 利于异厂家组网 ; 缺点 :LTE 和 NR 之间用户面切换的中断时延较大 其中 Option 7/7a/7x 对于传输带宽的需求与 Option 3/3a/3x 类似 (3)Option 2 和 Option 5 Option 2 支持 5G 全业务,5G 网络演进的最终形态, 在部署上有着如下结论 : 非移动类超低时延和高容量业务可以考虑通过纯 5G 网络支持 ; 为了改善部分低时延类业务的体验, 可以下沉部分核心网功能, 减少基站与核心网之间的传输时延 ; 5G 成规模连续覆盖时, 可以考 虑采用纯 5G 网络支持 ; 相比于 4G 网络,NG 接口传输带宽需要提升至吉比特每秒量级以满足 5G 高速空口的需求 Option 5 本身是 Option 7/7a/7x 的一个特例, 从需求角度有如下结论 : 纯 NG-eNB 网络难以支持 5G 全业务, 特别是低时延类业务 为了改善部分低时延类业务的体验, 可以下沉部分核心网功能, 减少基站与核心网之间的传输时延 基站到核心网 (4G 和 5G 核心网 ) 之间的总传输带宽 (S1+NG 接口 ) 与改造前相同 3.2 CU/DU 划分对于前传和中传带宽的需求我们把高层划分中 F1 接口所需要的传输网称之为中传, 把 DU 到有源天线系统 (AAU) 之间的接口所需的传输网称之为前传 对于高层划分方案 (Option 2-1), 其适用部署场景包括综合业务接入区 室分系统等 综合业务接入区场景下的下一代前传接口应用是指以综合业务接入区为单位, 对区内的分布式基站, 利用接入区内原有的光缆网连接, 选择合适的传输技术如波分复用 (WDM)/ 光传送网 (OTN)/ 下一代无源光网络 (NG-PON)/ 分组传送网 (PTN), 连接 CU 和 DU, 实现 BBU 的集中部署, 原有光缆网承载中传接口数据 ; 在室分系统部署中, 可以考虑利用楼内预先部署的丰富网线资源承载下一代前传接口数据, 实现 CU 与 DU 间的通信 对于中传的带宽和时延需要满足如下条件 : (1) 传输带宽 对于 5G 情况, 以 6 GHz 以下频带 100 MHz 带宽为例, 假设在基站 128 天线配置下, 上下行端口数为 8, 上行满负载时最高调制阶数为 64 QAM, 下行满负载时最高调制阶数为 256 QAM, 最大用户数为 1 000, 上下行峰值速率为 3 Gbit/s 和 4 Gbit/s 下行接口信息带宽跟预选 UE/Bearer 的数量相关 根据前面假 设每载波 个 UE, 假定 10% 的 UE 被预选, 每 UE 一个无限承载, 每个 UE 包含 20 B 信息 这样所需的带宽为 % 20 B 8 = bit/ms, 即 16 Mbit/s 上行接口信息带宽与需要上报信息的用户数量和上报的内容相关 前面假设每载波 个 UE, 假定 10% 的 UE 有信息上报, 每个 UE 上报的信息为 30 Bytes 这样以来所需的带宽为 % 30 B 8= bit/ms, 即 24 Mbit/s 因此, 在基于调度的 L2 划分方案下, 每载波下行和上行总带宽分别为 : 下行为 Mbit/s, 上行 Mbit/s (2) 传输时延 由于将 HARQ 部分处理放到 DU 侧, 本方案中的前传接口传输将不受 LTE 最大混合自动重传请求 (HARQ) 响应时间 4 ms 的时序限制 基于当前 LTE 业务端到端的时延要求, 对 FI 接口的时延按照当前 S1 接口的传输时延要求即可 经初步仿真和评估, 在只考虑 CS/CB 协作增益的情况下,FI 接口最大单向端到端时延要求为 1.5~10 ms 如果未来业务对端到端时延的要求变化, 则此时延要求需要从新评估 对于前传接口的需求, 本节以 Option 7-2 为例, 从以下两个维度进行分析 : (1) 传输带宽 考虑到 5G 场景时, 以 6 GHz 以下频带 100 MHz 带宽 0.2 mstti 为例, 假设在基站 128 天线配置下, 上行端口数为 32, 下行为 8 上行数据带宽都将增至 4G 的 20 倍, 下行为 20 倍 下行控制信道按端口数 4, 上行按数据信道端口数进行带宽需求计算 而根据 MAC 层信息相关假设, 该方案所需的带宽为 : 下行 9.2 Gbit/s, 上行 60.4 Gbit/s (2) 传输时延 基于 4G 场景, 该划分方案在物理层进行划分, 受 LTE 最大单向时延 4 ms(harq 周期 4 TTI) 的时序限制, 假设空口时延需要 1 ms, 其余部分将需要在剩下的 3 ms 完成 这其中主要包含 DU 的处理时延 CU 上的处理时延 ( 物理层和上层 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

16 专题 许森等 5G 无线网络架构对传输网的影响 处理 ) 和 CU-DU 之间的传输时延 因此刨除了两端处理时延后, 前传接口传输最大单向端到端时延需要控制在 250 us 以内 由于 5G 将比 4G 有着更严格的端到端时延要求, 比如在 0.2 mstti 假设下, 整个 HARQ 响应时间估计在 600 us 左右, 留给数据传输的时间将进一步减小, 因此对传输网络时延和抖动的要求会更高 4 结束语 5G 无线网络为了满足不同业务以及运营商的部署需求, 引入了 NSA 和 SA 两种 4G 和 5G 网络部署方案, 以及 CU/DU 分离的基站架构 本文介绍了当前 5G 无线网络的标准进展, 并结合现有架构分析了 5G 无线网络架构部署方案, 特别针对传输网的需求进行了分析 分析结果表明 : 5G 无线网络对于传输网的带宽和时延都提出了严苛的要求, 后续在部署过程中需要根据业务需求和网络发展需要合理规划传输网络以保证 5G 用户的体验 参考文献 [1] Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies: 3GPP TR V14.0.0[S] [2] NR; NR and NG-RAN Overall Description; Stage 2 (Release 15): 3GPP TS , V1.0.1 [S] [3] Study on New Radio Access Technology: Radio Access Architecture and Interfaces: 3GPP TR V14.0.0[S] [4] Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN); Overall Description: 3GPP TS V14.2.0[S] [5] IAESI, Thales, Fairspectrum, VTT, Option 2 Split with Performant and Reliable CU-DU Connection: R [S]. USA: 3GPP TSG- RAN WG3 Meeting#95bis, 2017 [6] CATT. Further Clarification of CU-DU Split Option 3-1: R [S]. Greece : 3GPP TSG RAN WG3 Meeting, 2017 [7] Nokia. Conclusion on Higher Layer Split Option: R [S]. Greece: 3GPP TSG- RAN WG3 Meeting #95, 2017 [8] ZTE. Clarification on CU-DU Split Options: R [S]. USA: GPP TSG RAN WG3 Meeting#94, 2016 [9] Ericsson. Network Deployments Based on Option 2: R [S]. Greece: 3GPP TSG- RAN WG3 Meeting #95, 2017 [10] Ericsson. Performance Evaluation of Option 3: R [S]. Greece: 3GPP TSG-RAN WG3 Meeting #95, 2017 [11] X2 Interface User Plane Protocol:3GPP TS V [S] 作者简介 许森, 中国电信股份有限公司北京研究院网络技术与规划部技术总监 高级工程师 ; 主要研究方向为 3GPP 标准化 5G 新技术研究和测试 ; 已发表论文 10 余篇 高程, 中国电信股份有限公司北京研究院工程师 ; 主要研究方向为 3GPP 标准化 5G 新技术研究和测试等 卞宏梁, 中国电信股份有限公司北京研究院工程师 ; 主要研究方向为频率标准化 5G 新技术研究和测试等 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

17 5G 移动业务 OTN 承载解决方案 孙志勇 专题 DOI: /j.issn 网络出版地址 : 5G 移动业务 OTN 承载解决方案 OTN Bearing Solution for 5G Mobile Service 孙志勇 /SUN Zhiyong ( 中兴通讯股份有限公司, 广东深圳 ) (ZTE Corporation, Shenzhen , China) 中图分类号 :TN929.5 文献标志码 :A 文章编号 : (2018) 摘要 : 针对 5G 移动业务, 光传送网 (OTN) 可以实现承载移动前传 中传和回传业务 认为作为基础的承载技术,OTN 可以提供大带宽 低时延 灵活分片 高可靠性 开放协同的能力, 适合在 5G 时代新网络架构下的前传和回传组网, 并能同时支撑运营商固网等其他业务的发展, 满足未来网络持续演进的需求 关键词 : 5G;OTN; 前传 ; 中传 ; 回传 1 5G 对承载网带来的挑战 5 G 移动新业务对承载网带来了新 [1-2] 的要求和挑战 : 增强型移动宽带 (embb) 高带 宽业务, 对承载网提出了 10 倍以上 的带宽需求 ; 超可靠低时延通信 (urllc) 业 务要求承载网络支持极低的时延和 极高的可靠性 ; 5G 承载网络需要支持高精度 的时钟和时间同步 ; embb urllc 和大规模机器类 通信 (mmtc) 等不同的业务对带宽 时延 服务质量等不同的要求, 并要 求分配不同的网络资源, 这就要求承 载网提供网络切片能力 5G 网络架构相对于 3G 4G 发生 了如下变化, 具体如图 1 所示 : 5G 核心网云化和虚拟化部 署 5G 核心网引入了网络功能虚拟 化 (NFV) 和软件定义网络 (SDN), 不 再沿袭传统的 烟囱 架构 ; 而是采用 统一的物理基础设施, 在云数据中心 间实现池化 虚拟化 容器化的资源 共享 5G 核心网将实现管理控制层 和业务层进行了分离 收稿日期 : 网络出版日期 : Abstract: For 5G mobile services, the fronthaul, midhaul and backhaul services can be achieved by optical transport network (OTN). As the foundation of the bearing technology, OTN can provide large bandwidth, low latency, flexible fragment, high reliability, and open collaboration capabilities, and is suitable for the fronthaul and backhaul networking in 5G era. OTN can also support the development of other services, such as fixed network, so as to meet the needs of the continuous evolution of future networks. Key words: 5G; OTN; fronthaul; midhaul; backhaul 5G 基站密度大幅度增加 为 降低网络综合建设成本, 无线接入网 更多地采用集中式无线接入网络 (C-RAN) 架构, 更便于实现灵活的无 线资源管理 5G 网络架构的这些变化给承载 网带来了影响 : 核心网业务锚点下 移, 回传网更加扁平化 ;C-RAN 架构 带来更多的前传网络, 前传网要满足 低成本 灵活组网的需求 ; 光纤进一 [3] 步下移, 需要部署更多的承载节点 2 C-RAN 下的 5G 移动前传网技术方案 5G 承载网通常分为前传 中传 和回传 3 部分 其中 C-RAN 架构下 4G 前传网有常见如下 3 种传输技术 选择 ( 如图 2 所示 ): (1) 裸光纤直驱 该方式在基带 处理单元 (BBU) 和射频拉远单元 (RRU) 间无需传输设备, 时延最低, 部署最简单 ; 但耗费光纤资源 (2) 无源波分复用 (WDM) 该 方式采用无源合分波器将多路波长 复用到一根 ( 或一对 ) 光纤传输, 可节 省光纤资源, 光器件引入的时延很 小, 无源设备不需加电, 维护比较简 单, 综合成本较低 ; 但 RRU 和 BBU 需 要采用彩光接口, 增加无线设备的成 本, 并且要求无线设备支持彩光功 能, 无线设备管理复杂化, 增加成 本 业务无保护, 可靠性差 (3) 光传送网 (OTN) 承载 该方 式采用 OTN 设备实现多个站点多路 前传信号的复用和透明传输, 可大幅 度节省光纤资源, 支持光层和电层的 性能和故障检测等管理维护 (OAM) 功能, 并能提供业务保护, 保障业务 的高可靠 OTN 采用 L0/L1 的传输, 具有大带宽 低时延的特性, 可实现 低延时传输 该方案减少了无线设 备部署的复杂度, 支持从非 C-RAN 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

18 专题孙志勇 5G 移动业务 OTN 承载解决方案 3G 网络架构 4G 网络架构 5G 网络架构 CN/Internet CN/Internet APP 服务器 APP 服务器 APP 服务器 CN GW EPC CN/Internet Metro vepc vepc RNC 回传网 RNC 回传网 回传网 BBU 扁平化的回传网 vbbu vbbu NB NB NB NB NB NB enb enb enb enb 前传网 gnb gnb 前传网 前传网 RRU RRU RRU RRU RRU RRU RRU RRU RRU BBU: 基带处理单元 CN: 核心网 EPC: 核心网分组演进 GW: 网关 NB: 节点 RNC: 无线网络控制器 RRU: 射频拉远单元 图 1 5G 网络架构变化对承载网络的影响 裸纤直驱 无源波分 OTN CU+DU CU+DU CU+DU AAU AAU AAU AAU AAU AAU AAU AAU AAU AAU AAU AAU AAU: 有源天线单元 CU: 集中单元 DU: 分布单元 OTN: 光传送网 图 2 C-RAN 架构下 4G 前传网技术选择架构向 C-RAN 架构迁移时, 不需要距离应小于 10 km 这种情况下, 可替换无线设备的光接口 缺点是设以采用裸纤直连, 也可以采用 WDM/ 备成本相对较高, 需开发低成本方案 OTN 节省光纤, 提供保护 5G 的无线接入网 (RAN) 功能将 OTN 承载 5G 前传 OTN 的被重新划分, 原来的 BBU 和 RRU 被 Muxponder 将多个 RRU/AAU 的 10 G 或重构为集中单元 (CU) 分布单元 25 G 的通用公共无线电接口 (CPRI) (DU) RRU/ 有源天线单元 (AAU)3 或标准 CPRI(eCPRI) 信号复用到 100 个功能实体 根据 CU DU RRU/ G/200 G 高速信号后传送到 DU, 满足 AAU 的放置位置不同, 可以有不同的了大带宽的传输需求 按照光纤路中传组网模式 : 由可灵活组建点到点 链型 环形网 DU 和 RRU/AAU 同站部署, 它络 ( 如图 3 所示 ), 在点到点组网的情们之间通常以裸纤直连为主 况下还可采用单纤双向技术进一步 如 DU 按一定规模集中部署, 减少光纤使用 DU 集中池化节省无 DU 和 RRU/AAU 之间对应前传, 由于线设备投资, 同时提供最佳的协同增 DU 实时性处理对时延的要求, 前传益 前传采用 OTN 设备成本还比较 高, 目前在进行成本优化 3 5G 移动中传 WDM/OTN 承载方案 CU 和 DU 之间中传一般以环网 为主 如图 4 所示,5G 移动中传业务 承载, 可采用 WDM/OTN 技术实现波 长在光层穿通中间站点一跳直达, 满 足大带宽低时延要求, 可配置光通道 保护满足高可靠业务要求 由于不 同传输站点的 DU 容量可能不同, 各 传输站点的波长可配置不同的速率, 以满足不同的 DU 容量需求, 并且各 接入站点可单独扩容和升级, 不影响 其他站点 如果 OTN 集成分组增强 功能 (E-OTN), 在 CU 站点可实现业 务汇聚和灵活转发, 在 DU 站点可对 多个 DU 的业务进行汇聚收敛 采用相同的 E-OTN 设备, 也可以 提供 100 G 环网方案 DU 数量较少 业务量小的多个站点可以用灵活速 率光数字单元 (ODUflex) 子波长相连 组成一个分组环, 多站点业务统计复 用, 提高带宽利用率 ; 业务量较大的 站点 (DU 池 ), 可以 ODUflex 子波长在 中间站点交叉连接穿通直达 CU 站 点 或者不同类型的业务采用不同 的 ODUflex 分片传送, 如 embb 业务采 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

19 5G 移动业务 OTN 承载解决方案 孙志勇 专题 DU 池 DU 池 DU 池 Muxponder Muxponder AAU: 有源天线单元 CPRI: 通用公共无线电接口 图 3 5G 前传 OTN 承载方案 OTN 灰光接口 无源 WDM WDM/OTN DU: 分布单元 ecpri: 标准 CPRI Muxponder CPRI/eCPRI AAU OTN: 光传送网 WDM: 无源波分复用 CPRI/eCPRI Muxponder CPRI/eCPRI CPRI/eCPRI Muxponder AAU AAU AAU 证 5G 业务的低时延和大带宽 回传网拓扑复杂,OTN 节点设备采用光交叉和电交叉的光电混合调度是满足高速传送 灵活调度 多样性组网的最好方式 大颗粒业务在光层调度, 中小颗粒业务在电层梳理调度, 光电配合整体功耗也是最低的 网络可分层次建设, 汇聚层以环网为主, 线路侧单波速率 100 G 或超 100 G, 采用 4 维 mini 可重构光分插复用器 (ROADM) 和 10 T 级别的电交叉 核心层以无线网格网络 (Mesh) 网为主, 线路侧单波速率超 100 G, 采用 9~20 维 ROADM 和大容量电交叉 基于智能控制平面实现端到端业务部署 资源动态计算和调整 备用路径自动计算等 波长直达方案 25 G λ CU n 10 G λ 10 G λ 100 G λ CU: 集中单元 urrlc: 超可靠低时延通信 图 4 移动中传 E-OTN 承载 用分组环网逐点转发,uRLLC 业务采 用 L1 穿通直达, 减少延时 ODUflex 的带宽以 1.25 G 为颗粒灵活可调, 100 G 的环网总带宽可以在多个站点 多个逻辑环网间灵活分配 4 固移融合统一回传和 OTN 承载方案 在移动网络向 5G 演进的同时, CO 重构也在进行中 未来城域网的 流量将会是以边缘数字中心 (DC) 到 网络提供点到点 (PoP) 间的南北向流 量, 以及边缘 DC 间和 PoP 点之间的 东西向流量为主 如图 5 所示,5G 阶 分组环网方案 CU 100 G 环网 DU 池 DU 池 DU 池 DU 池 embb: 增强移动宽带 ODUflex: 灵活速率光数字单元 ODUflex 子波长 L1 直达 (urllc 业务 ) ODUflex 分组共享环 (embb 业务 ) DU: 分布单元 段的回传网也将会是固移业务统一 承载的数据中心互联网络 各级 DC 通过 OTN 光传送网高速互联, 光网络 构建带宽资源池, 根据 DC 间流量进 行带宽按需配置和合理调整 如图 6 所示,5G 回传网可以基于 分组增强 OTN(E- OTN) 来实现 OTN 集成分组功能, 既可以在 L2 和 L3 实现业务的汇聚和灵活转发, 又 可以在 L0 和 L1 实现大容量低时延的 业务传送 OTN 节点之间可以根据 业务需求配置 IP/ 多协议标签交换传 送应用 (MPLS-TP) 光通路数据单元 (ODUk) 通道, 实现一跳直达从而保 5 5G 承载中 OTN 关键技术 (1) 高速率低成本传送技术 5G 带来海量的带宽增长, 高速率 低成 本 低功耗的业务传送成为关键 100 G 和超 100 G 速率信号的中长距 离传输主要采用相干技术 ; 而采用离 散多载波 (DMT) 4 级脉冲幅度调制 (PAM4) 等调制技术的线路光接口, 是实现低成本 低功耗 高速传输的 [4] 新选择 (2) 大容量光电混合调度 5G 业务有在城域网内网络拓扑复杂, 采 用具有光电混合调度能力的 OTN 设 备组网是较理想的方式 ROADM 光 交叉技术与 OTN 电交叉技术配合, 可 以实现更大的交叉容量和更灵活的 调度能力, 同时降低系统的成本和功 耗, 减少占地面积 在城域核心 汇 聚层面引入光电混合交叉, 实现电层 业务汇聚和光层业务调度 ; 网络进行 MESH 改造, 实现多路径通达, 一方面 减少设备处理时延, 另一方面减少网 络层次 实现网络的扁平化, 降低业 务转发时延, 提升网络安全性 (3) 分组与光传送的融合 OTN 设备支持 ODUk/Packet/VC4 统一交 换, 多业务统一传送, 避免了目前传 输网络技术体系多 设备种类庞杂 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

20 专题孙志勇 5G 移动业务 OTN 承载解决方案 MEC CU PoP BRAS: 宽带远程接入服务器 CDN: 内容分发网络 CPE: 中央处理单元 CU: 集中单元 图 5 5G 阶段的回传网 前传 vcdn OLT vfw vcpe vepc 边缘 DC vlb vcdn vbras 图 6 5G 回传网 E-OTN 组网方案 网络建设运维成本高等缺点, 既有小 颗粒业务处理的灵活性, 又有海量的 传送容量, 提供刚柔并济的传送管 道 其对 IP 层业务的感知, 使光网络 能够经济高效地传送 IP 业务, 满足运 营商发展 5G 业务的需要, 同时也支 撑如宽带等业务综合承载 中兴通 讯 E-OTN 设备采用统一的硬件平台, 分组带宽 (P) 与 OTN(O) 带宽可任意 比例配置, 无缝接合, 统一管控 MEC CU (4) 低时延传送和转发 5G 前 传和中传网络对时延要求非常苛刻, 中兴通讯在 OTN 设备通过减少缓存 时间 自动调整缓存深度 内部若干 处理步骤串行转并行 提升内部处理 N 100G PoP vcdn OLT N 100G DC: 数据中心 EPC: 核心网分组演进 FW: 防火墙 LB: 负载均衡器 N 10G vfw vcpe vepc 边缘 DC MEC: 移动边缘计算 OLT: 光线路终端 PoP: 点到点 E-OTN: 分组增强 OTN PoP: 点到点 DCI: 数据中心互联 时钟频率等多种技术和措施, 可以将 设备引入的时延降到 us 量级, 更好地 支撑业务的发展 vlb vcdn vbras MEC CU PoP vcdn OLT PoP 边缘 DC 核心 DC E OTN E OTN E OTN 回传网 : 基于 E-OTN 的 DCI (5) 面向前传的轻量级 OTN 标 准 针对 5G 前传, 业内也在研究新 的轻量级的 OTN 标准, 以降低设备成 本, 进一步降低时延, 实现带宽灵活 配置 例如 : 对 OTN 帧结构进行优 化, 线路侧接口采用 n 25 G, 可以引 入低成本的光器件 ; 改变检错和纠错 的机制, 缩短缓存时间降低时延 ; 前 传组网通常比较简单, 可以简化 OTN 开销减少设备处理 ; 在业务映射和时 隙结构方面考虑兼容 3G/4G 前传的 CPRI 兼容 5G 的 ecpri 和下一代前 传网络接口 (NGFI), 以及 small cell 的 [5] 回传等 (6) 高精度时间同步 为满足 5G 高精度时间同步要求, 中兴通讯 OTN 设备基于 1588(V2.1) 方案, 采用 相位检测技术和零延迟锁相环 (PLL) 技术, 在频率同步优化基础上 进行相位同步, 确保相邻站点间同步 误差低于 1 个时钟周期 同时通过 复帧定位触发 高速接口底层触发等 多种方式提升时间戳精度 针对时 间源选择 时间同步融合算法进行优 化 采用单纤双向消除时延不对称 性 综合运用这些技术, 时间同步精 度大幅提升 6 结束语 5G 给用户带来更多样的服务 更 好的业务体验 5G 网络以承载网为 依托, 并对承载网提出了更高的要 求 OTN 作为基础的承载技术, 提供 大带宽 低时延 灵活分片 高可靠 性 开放协同的能力, 适合在 5G 时代 新网络架构下的前传和回传组网, 并 能支撑运营商固网等其他业务的发 展, 满足未来网络持续演进的需求 参考文献 [1] 曾智, 王泰立. OTN 在 5G 承载中的应用和关键技术探讨 [J]. 中兴通讯技术 ( 简讯 ), 2017,(6): [2] IMT-2020(5G) 推进组. 5G 概念白皮书 [R], 2015 [3] IMT-2020(5G) 推进组. 5G 网络架构设计白皮书 [R], 2016 [4] IMT-2020(5G) 推进组. 5G 无线技术架构白皮书 [R],2015 [5] 中兴通讯. 面向 5G 的 OTN 承载解决方案技术白皮书 [R], 2017 作者简介 孙志勇, 中兴通讯股份有限公司有线规划部产品规划经理 ; 主要研究领域为 WDM/OTN, 长期从事光传输相关的技术研究和产品开发设计 ; 曾参加多个产品的研发, 相关产品获得省 市科技进步奖 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

21 面向 5G 的承载网需求及关键技术 师严等 专题 DOI: /j.issn 网络出版地址 : 面向 5G 的承载网需求及关键技术 Requirements and Technologies of 5G Transmission Bearing Network 师严 /SHI Yan 王光全 /WANG Guangquan 王海军 /WANG Haijun ( 中国联通网络技术研究院, 北京 ) (China Unicom Network Technology Research Institute, Beijing , China) 对于 4G 网络,5G 将采用更宽的相无线频谱, 并通过大规模多进 多出 (MIMO) 高阶正交振幅调制 (QAM) 等技术提升空口带宽, 峰值带 宽和用户体验带宽提升数十倍, 对承 载网提出更大带宽需求 ; 远程医疗 自动驾驶等业务对承载网带来了超 低时延 (1 ms) 和高可靠性的要求 ;5G 网络的广域覆盖 高密度 大容量等 的海量需求对承载网提出了低成本 低功耗及易维护的要求 ;5G 网络的 灵活智能和高效开放 网络功能虚拟 化 (NFV) 技术的广泛应用, 推动承载 网络采用软件定义网络 (SDN) 技术, 高效 敏捷 开放性地满足差异化的 业务需求 同时,5G 无线核心网架 构的变化也促进承载传送网络架构 [1] 和功能进行变革 国际电信联盟无线电通信局 (ITU-R) 确定未来的 5G 具有以下三 大主要的应用场景 ( 如图 1 所示 ): 增 强型移动宽带 (emmb) 大规模机器 类通信 (mmtc) 超可靠低时延通信 (urllc), 这 3 类业务场景各具不同 特点 摘要 : 认为 5G 传输承载网是支撑 5G 业务的基础 针对新的业务需求, 提出了低成本城域波分 高精度同步 低时延传送技术 FlexE 切片技术以及软件定义网络 (SDN) 控制等新技术, 以应对 5G 对传输承载网的传输能力 设备性能, 以及智能管控的挑战, 从而满足移动互联网 物联网等多种应用场景的需求 关键词 : 传输网 ;5G 网络 ; 同步 ;SDN; 网络切片 Abstract: 5G transmission bearing network is the base of 5G services. According to the new service demands, several key technologies are proposed in this paper, such as metro wavelength division multiplexing (WDM) with lost cost, high-definition synchronization, transport technology with low latency, network slicing with Flex-E and soft-defined network (SDN) technology. With these technologies, the challenges of 5G in transport ability, equipment performance and intelligent control can be well addressed, and the variable scenarios of mobile internet and Internet of things (IoT) can be realized. Key words: slicing 中图分类号 :TN929.5 文献标志码 :A 文章编号 : (2018) transmission network; 5G network; synchronization; SDN; network emmb 主要应对 4 K/8 K 超高清 视频 虚拟现实 (VR)/ 增强现实 (AR) 等大流量应用 emmb 是 5G 在 4G 移 动宽带场景下的增强 目前的 4G 主 流带宽为 20 MHz, 单基站的峰值吞 智能城市 语音 Gbit/s 通信 智能家居 吐量目前为 240 Mbit/s, 而 5G 网络单 基站的吞吐量是 4G 的 20 多倍, 空口 频宽达到 100~200 MHz 甚至更高, 单用户的接入带宽可与现在的固网 宽带接入相比 增强移动带宽 未来 IMT 3D 超高清视频 云办公和游戏 增强现实 工业自动化 高可靠应用, 如移动医疗 自动驾驶 收稿日期 : 网络出版日期 : 图 1 5G 三大主要的应用场景 大规模机器类通信 IMT: 国际移动通信 超可靠低时延通信 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

22 专题师严等面向 5G 的承载网需求及关键技术 mmtc 主要应对以传感和数据 采集为目标的应用场景, 如物联网 等 mmtc 具有小数据包 低功耗 海量连接等特点 这类终端分布范 围广 数量众多, 要求网络具备海量 连接的支持能力 mmtc 可以促进物 联网的提质增速, 人类与机器 机器 与机器间的交流将能够更加智能和 快捷 urllc 主要应对车联网 工业 控制等垂直行业的特殊应用需求 为了应对无人驾驶 智能工厂等低时 延应用,uRLLC 要求 5G 时延必须低 于 1 ms 这类应用需要网络对巨大 的数据拥有超高速 低时延等的处理 能力 1 面向 5G 的承载网需求和挑战 对于承载网而言,5G 的需求和挑 战主要来自于网络带宽 网络时延 资源动态分配, 以及差异化承载等几 [2] 个方面 网络带宽是 5G 网络的关键性指 标之一 在 3.5 G 频段, 按照带宽为 100 MHz 计算, 单站峰值带宽将达到 5 Gbit/s, 单站均值带宽也将能够达到 3 Gbit/s 5G 高频基站带宽为 20 Gbit/s, 回传带宽主要与空口频率宽度和天 线有关, 高频点可用频率带宽会更 宽, 因此回传带宽需求会更大 网络时延同样是 5G 网络的关键 性指标之一 不同场景下对时延的 要求不同, 这也会导致对承载网架构 的影响 embb 的低时延场景包括 AR/VR 高速列车 飞行器 任意 50 M 等, 要求端到端 (E2E) 的时延不超过 10 ms; 大规模物联网 (IoT) 的低时延 场景包括可穿戴设备 视频监测等, 要求 E2E 时延最小为 10 ms;critical IoT 的超低时延场景包括触摸互联 网 车联网 / 遥控驾驶 工业机器人 等, 要求 E2E 时延不超过 1 ms 从 5G 业务颗粒和业务性能来 看,eMBB 超大宽带 urllc 超低时 延 mmtc 对时延不敏感的万物互联 等, 对资源的利用和需求不同, 存在 动态的弹性需求 5G 网络灵活性具 体体现在以下 4 个方面 : (1) 支撑全网资源灵活调度, 满 足潮汐效应等导致的流量波动 ; (2) 支持流量的灵活路径调整, 网络负载动态均衡 ; (3) 网络开放 可编程, 支撑新增 业务快速部署 ; (4) 组播能力, 灾难 / 自动驾驶等 场景下, 信息快速推送 5G 业务在关键绩效指标 (KPI) 差异化的需求明显, 对网络的安全性 也提出了更高的要求, 如果像 4G 一 样统一承载, 仅仅依靠服务质量 (QoS) 很难满足 5G 三大场景应用需 求, 因此业界提出以网络切片来应对 差异化承载 网络切片的目的在于 通过切片实现差异化的服务, 保证每 种业务都能根据其业务特点得到最 佳承载要求, 同时切片有助于设备和 存储资源的安全管理 承载网络需 要思考前传 / 中传 / 回传网络如何满足 5G 不同场景下的差异化需求, 以及 考虑面向网络切片的承载网方案 2 面向 5G 的承载传送网关键技术 5G 基站高密度 大容量 灵活部 署的特点, 以及到目前为止还有很大 不确定性的网络部署架构, 要求承载 网应具备灵活 高效 低成本 智能的 品质 在研究面向 5G 承载的技术方 案时, 主要考虑以下原则 : (1) 架构清晰, 通过架构优化降 低网络建设成本, 提高网络灵活适应 业务发展和 5G 网络部署不确定性 ; (2) 网络稳定, 适当集约, 推动以 综合业务接入点为目标的集中式无 线接入网 (C-RAN) 部署, 快速满足基 站接入的需要 ; (3) 网络智能, 能够快速进行业 务的优化调整, 满足大量业务发展 调整 ; 快速响应业务路由变化和调 度 ; 具备全网智能编排调度的能力 ; (4) 低成本接入, 研究和采用低 成本末端接入和边缘汇聚技术, 降低 接入段成本 采用合理的网络收敛 机制, 充分利用承载带宽 ; (5) 综合接入承载, 不但能够满 足 5G 业务承载需要, 还能够满足专 线等业务承载的需要 2.1 G.metro 低成本城域接入技术 由于 G.metro 系统支持室内和室 外全场景复杂环境接入应用, 可调光 模块需要满足不同的工作环境要求 ( 商业级 扩展级和工业级 ), 尤其是 用于室外环境 实现波长可调, 自身 没有很大技术挑战, 目前已在 10 G/ 40 G/100 G 中广泛应用, 难点和挑战 在于如何实现低成本, 满足城域接入 层海量且成本敏感的应用场景 降 低成本的主要途径有简化现有可调 激光器结构及功能, 设计新结构, 引 入新材料, 并引入全新的共享波长锁 [4] 定机制等 5G 前传增强通用公共无线电接 口 (ecpri) 功能划分及带宽预估如图 2 所示, 业内倾向于采用 II D 和 I U 切 分, 对于 100 MHz 频谱 64T64R 16 流 的应用,eCPRI 接口需要支持 25 G 速 率 移动前传应用工作距离较短 ( 拉 远光纤传输距离小于 20 km, 绝大部 分小于 10 km), 基于低成本光器件和 数字信号处理 (DSP) 算法的非相干 技术成为主要选择 对于 25G 速率, 可以通过不归零码 (NRZ) 脉幅调制 (PAM4) 或光双二进制调制格式 (ODB)/ 电双二进制调制格式 (EDB) 等调制方式实现 25 G 光模块主要 在数据中心的短距应用和 100 G BASE LR4/ER4 应用, 工作于单模光 纤的单通道长距离 25 G 和密集型光 波复用 (DWDM)25 G 光模块并不够 成熟, 相关标准化工作尚未完成 25 G 电芯片和光芯片在逐步成熟中, 部分厂家已发布 25 G DWDM 光模块, [5] 波长可调 25 G 光模块也即将发布 2.2 低时延全光组网技术 超低时延是 5G 业务相对 4G 非常 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

23 面向 5G 的承载网需求及关键技术 师严等 专题 erec ere erec ere 用户数据 / (Gbit/s) 3 ( 预估 ) 1.5 ( 预估 ) ere:ecpri 无线设备 图 2 ecpri 功能划分及带宽预估 切片 D 切片 ID 切片 IID 切片 E 控制 / 用户数据 / (Gbit/s) (Gbit/s) 控制 / 用户数据 / (Gbit/s) (Gbit/s) erec:ecpri 无线设备控制 控制 / (Gbit/s) 用户数据 / (Gbit/s) <<1 <4 <10 ~20 < 切片 Iu <<1 ~20 < 递精度 ;G.Metro 技术本身为单纤双 向, 可避免因为链路非对称性产生的 时间误差, 进而可以提高网络时间传 递精度 对于载波聚合 MIMO 等特殊业 务, 指标要求甚至达到几十纳秒量 级, 可考虑采用将小型化时间同步节 点设备下沉至靠近 5G 基站位置, 减 少链路所经过节点跳数, 提高时间同 [6] 步精度 重要的一个性能提升, 对承载网提出苛刻的要求 因此, 如何实现全光传送网是 5G 对承载传送网的一个重要关键点 在前传, 采用 G.Metro 技术实现全光接入网络, 并能够实现固定与移动的统一承载 ; 在中传段, 超低时延全光传送网络拓扑示意如图 3 所示 利用 G.Metro 或波分复用 (WDM) 进行端口汇聚 ; 在核心汇聚层, 通过可重构光分插复用器 (ROADM) 灵活的光层调度, 减少电交叉部分的业务调度量, 实现光层直达, 免去了中间不必要的光 - 电 - 光转换, 减少端到端的时延, 降低整网功耗通过简化光传送网 (OTN) 映射封装路线, 减少映射复用层次等技术, 提高 OTN 封装和解封装的效率, 从而降低 OTN 设备的单点时延 此外, 通过引入 SDN 技术, 实现分组与光融合后的统一控制, 集中计算多层网络下的最优转发路径, 实现对全网光层的有效管理, 最大幅度 减少传输时延 2.3 高精度同步传送技术对于 5G 基本业务, 第 3 代合作伙伴计划 (3GPP) 目前已经确定时间精度指标要求为 ±1.5 μs, 标准将在 2018 年 6 月正式发布 对于 5G 超短帧等需求, 目前 3GPP 尚未确定具体指标, 可能在几百纳秒量级的水平 采用以下两种方式 : (1) 提升单设备静态误差性能, 但基于不带来较大成本提升的原则, 将单个 1588v2 的边界时钟 (BC) 设备静态误差由现有的 20~25 ns 提升至 10~15 ns (2)5G 承载传送中采用 G.Metro 技术 G.Metro 技术中的头端设备 (HEE) 及尾端设备 (TEE) 设备之间仅为一跳, 其中经过的设备均为无源设备, 不影响时间同步的传递精度 采用 G.Metro 方式的优点为 : 可以大幅度减少链路经过跳数, 提高时间传 2.4 端到端智能管控面向 5G 的承载网络具有海量连接 大流量 灵活调度等特点, 同时在中传段与回传段之间, 以及回传段本身均存在 IP+ 光的异构网络协同需求, 因此对于管理和运维均提出了新的挑战 面对这些新的需求,5G 承载传送网将全面引入 SDN 技术, 实现端到端智能管控 SDN 管控运维系统应同时具备网络规划仿真 网络业务部署和发放 网络监测控制 保障和优化等功能, 目标是实现网络连接服务从月到天甚至分钟级的快速开通 ; 实现规划 部署 监测控制 维护和保障的智能化运营, 大幅度提升运维效率, 极大地降低运营成本 (OPEX) 基于 SDN 的管控系统应具备如下功能 : (1) 全局管控, 智能调优 智能的路径计算, 包括提供低时延路径 链路负载均衡, 一方面可以满足用户 综合业务接入点 汇聚节点 核心节点 DC 边缘层 G.Metro/WDM/ROADM 全光网络 核心汇聚层 WDM/ROADM/OTN 全光网络 骨干全光网络 全光传送网络 ONT CPE G.Metro 全光接入网络 RRU CPE: 客户终端设备 DC: 数据中心 ONT: 光网络终端 OTN: 光传送网 ROADM: 可重构光分插复用器 RRU: 远端射频模块 WDM: 波分复用 图 3 超低时延全光传送网络拓扑示意图 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

24 专题师严等面向 5G 的承载网需求及关键技术 体验要求, 满足不同业务服务等级协议 (SLA) 需求 ; 另一方面, 基于全局算路和调优, 可以提升整网的带宽利用效率 (2) 跨网协同, 统一管控 基于 SDN 系统的控制模块可以支持跨域协同, 包括跨承载网自治域的协同, 以及未来光网络等网络协同, 将传统网络中部门之间的人工协作转变为机机交互, 提升效率 通过北向开放,SDN 系统支持包括专线业务自动发放 APP 等网络应用, 具备网络业务快速发放, 带宽快速调整, 故障快速恢复等功能 SDN 系统可以针对用户的不同业务, 对丢包率 误码率 时延 抖动等 KPI 指标进行高精度测量, 支持快速故障定界和定位, 对流量趋势进行精准评估和预测, 对不同类型的客户提供差异化的服务和保障 同时, 基于丰富的大数据汇总和实时分析对于告警数据 流量数据等进行智能分析, 提高网络运维效率, 自动提供有效的承载网络优化建议 2.5 FlexE 与网络切片对于网络切片的应用, 无论是企业专线 低时延业务 SLA 保证, 还是垂直行业的独立管控, 综合承载多业务之间的隔离, 本质上都是要求分片网络之间需要做到一定程度的刚性或弹性的隔离 FlexE 在普通以太网基础上定义了基于 N 5G 的多种子速率可配置 调整以及 Client 层的互连互通机制 FlexE 定义为以太网 L2( 媒体接入控 制 (MAC))/L1( 物理层 (PHY)) 之间 的中间层 FlexE Shim, 是以太网的多 速率子接口在多 PHY 链路上的新技 [7] 术 FlexE 应用场景包括 : (1) 适配路由器不同业务子接口 与通道化灵活以太网, 实现路由器端 到端直连硬管道, 实现 5G 不同业务 和客户的网络要求 ; (2) 通过可变带宽以太网, 路由 器子接口与光网络 ODUflex 管道结合 起来, 实现 IP+ 光进一步协同 ; (3) 端口捆绑, 如将 N 100 GE 捆 绑成的超 100 GE 大管道接口 FlexE 技术是实现网络切片的主 流技术方案之一, 基于 Flexible Ethernet 可以建立端到端 FlexE 硬管 道, 提供约束延时 / 低延时 / 低抖动 实时业务的 IP 承载网络 3 结束语 5G 时代将开创一个新的产业, 从 以前的网络为中心变为以业务为中 心, 从以前的以人为中心变为以人和 物为中心 5G 网络中, 承载网是不 可或缺的一部分, 同时也面临着超低 时延 大带宽 高灵活性 超高精度时 间同步等挑战, 面对 5G 不同应用场 景, 需要引入 G.metro 低成本城域接 入 可调谐激光器 25G 光模块 高精 度时间同步传送等技术, 以低成本建 网, 充分利用现有网络资源和产业链 成熟快速的部署为原则, 以满足 emmb mmtc urllc 等应用场景下 的多样化的业务需求 参考文献 [1] IMT 2020 推进组. 5G 网络技术架构白皮书 [R] [2] LI H, HAN L Y, DUAN R, et al. Analysis of the Synchronization Requirements of 5G and Corresponding Solutions[J]. IEEE Communication Standards Magazine, 2017, 1 (1):52-58 [3] 中国移动. 迈向 5G-C-RAN: 需求 架构与挑战 [R] [4] ITU-T. Draft New Recommendation ITU-T G. Metro (version 0.10)[R] [5] OTN transport of CPRI Signals: ITU-T G. sup.56[s] [6] Considerations on Sync Requirements and Network Budget for 5G: ITU-T C165[S] [7] Flexible Ethernet Implementation Agreement: OIF-FLEXE-01.1[S] 作者简介 师严, 中国联通网络技术研究院高级工程师 ; 研究方向为光传送网技术 SDN 智能控制技术等 ; 已发表论文 10 余篇 王光全, 中国联通网络技术研究院网络技术研究部处长, 教授级高级工程师 ; 研究方向为传输网络咨询 规划 设计和应用 ; 负责并主持了 30 余项国家大中型工程的可行性研究和设计工作, 获得省部级以上奖项 30 余项 ; 发表论文 30 余篇 王海军, 中国联通网络技术研究院教授级高级工程师 ; 研究方向为传输网络的咨询 规划 设计和应用 ; 先后主持 20 余个传输大中型工程 新技术应用工程项目的设计和规划编制工作, 荣获 15 项省部级优秀咨询 设计 工程 科技进步奖项 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

25 面向 5G 的 MEC 系统关键技术 宋晓诗等 专题 DOI: /j.issn 网络出版地址 : 面向 5G 的 MEC 系统关键技术 Key Technologies of 5G Oriented Mobile Edge Computing System 宋晓诗 /SONG Xiaoshi 1 闫岩 /YAN Yan 1 王梦源 /WANG Mengyuan 2 (1. 东北大学, 辽宁沈阳 ; 2. 航天恒星科技有限公司, 北京 ) (1. Northeastern University, Shenyang , China; 2. Space Star Technology Co., Ltd., Beijing , China ) 动边缘计算 (MEC) 技术的概念移最早提出于 2009 年卡内基梅隆 [1] 大学所研发的 cloudlet 计算平台 2014 年, 欧洲电信标准协会 (ETSI) 正 式定义了 MEC 的基本概念并成立了 MEC 规范工作组, 开始启动相关标准 [2] 化工作 2016 年,ETSI 将此概念扩 展为多接入边缘计算, 并将移动蜂窝 网络中的边缘计算应用推广至其他 无线接入网络 ( 如 Wi-Fi) 在 ETSI 的推动下, 包括第 3 代合作伙伴 (3GPP) 及中国通信标准化协会 (CCSA) 在内的其他国际及中国标准 化组织也相继启动了相关工作 目 前,MEC 已经发展演进为 5G 移动通 信系统的重要技术之一 随着 MEC 的不断发展成熟, 全球 各大电信运营商及设备商均加快了 [3] MEC 系统的研发和部署进程 其 中, 在国际上, 沃达丰 AT&T Verizon 等运营商及诺基亚 高通等设备商已 经开始部署商用 MEC 系统和解决方 收稿日期 : 网络出版日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金 ( ); 中央高校基本科研业务费专项资金 (N ) 中图分类号 :TN929.5 文献标志码 :A 文章编号 : (2018) 摘要 : 移动边缘计算 (MEC) 是未来 5G 移动通信系统提升服务应用能力的重要技术手段之一 通过在无线接入网络的边缘节点处部署具备计算 存储和通信能力的服务应用平台,MEC 能够有效处理终端用户的高时效性业务需求, 大幅度缩短端到端时延, 并解决核心网络的数据流量瓶颈等相关问题 关键词 : 5G;MEC; 无线缓存 ; 基于软件定义网络 (SDN) 的本地分流技术 Abstract: Mobile edge computing (MEC) is envisioned as one of the most important techniques for 5G mobile communication systems in the future. By deploying a generic computing platform with computing, storage, and communication capabilities across the wireless edges, MEC can effectively meet the high timeliness service requirements of end users, greatly shorten the end-to-end delay, and solve the related problems of data traffic bottleneck in core network. Key words: 5G; MEC; wireless content caching; software defined network(sdn)- based traffic offloading 案, 面向物联网 车联网等行业应用, 提供低时延 高速率 大容量的网络 服务 ; 在中国, 中国移动 中国电信和 中国联通等运营商也在积极联合中 兴通讯等公司开展 MEC 试验网络的 验证测试 综上所述, 通过在无线网络侧增 加具备计算 存储 网络资源管理等 功能的边缘节点,MEC 能够将无线网 络 数据缓存和云计算技术有机地融 合在一起, 并因此可以有效推动 5G 移动通信系统在车联网 物联网 无 人机网络和智慧城市等领域的应用 和发展 1 MEC 概述 MEC 的基本思想是把云计算平 台从移动核心网络内部迁移到移动 接入网边缘, 通过部署具备计算 存 储 通信等功能的边缘节点, 使传统 无线接入网具备业务本地化条件, 进 一步为终端用户提供更高带宽 更低 时延的数据服务, 并大幅度减少核心 网的网络负荷, 同时降低数据业务对 网络回传的带宽要求 1.1 MEC 的整体架构 ETSI 在文献 [4] 中定义的 MEC 系 统的整体架构如图 1 所示, 其中 MEC 服务器是整个系统的核心, 覆盖移动 终端的 MEC 系统由一个或多个 MEC 服务器组成 通过将 MEC 服务器部 署于无线接入网与核心网之间,MEC 系统将能够在无线网络侧 ( 网络的近 端 ) 为终端用户提供更高效率 更低 时延的计算 存储和通信服务, 并因 此能够提升终端用户的服务质量 (QoS) 体验 由图 1 可以看出 :MEC 服务器包 括路由子系统 能力开放子系统 平 台管理子系统以及边缘云基础设施 等 4 个基本组件 通过上述基本组 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

26 专题宋晓诗等面向 5G 的 MEC 系统关键技术 件,MEC 系统能够与无线接入网 移 动核心网 企业网及软 / 硬件基础环 境进行业务融合和动态交互 1.2 MEC 的基本功能组件 在 MEC 服务器所包含的 4 个基 本功能组件中, 路由子系统 能力开 放子系统和平台管理子系统均部署 在 MEC 服务器内部, 而边缘云基础 设施则由部署在网络边缘的小型或 微型数据中心构成 MEC 服务器的 4 个基本功能组件在 MEC 系统中的 作用与相互关系如图 2 所示 (1) 路由子系统 路由子系统为 MEC 系统 无线接 入系统和核心网络系统之间提供数 据转发的功能 当移送设备请求数 据时, 若 MEC 系统存储设备中有目 标数据, 则通过路由子系统将数据下 发给用户 ; 若 MEC 系统中没有目标 数据, 则通过路由子系统将用户的请 求数据包经移动核心网发送至第三 方服务器或云数据中心 此外, 路由 子系统还可以在 MEC 服务器之间发 送数据以支持设备的移动性 典型 的路由转发案例如图 3 所示 (2) 能力开放子系统 无线接入网 边缘云基础设施 边缘云基础设施 边缘云基础设施 图 1 MEC 系统整体架构示意图 MEC: 移动边缘计算技术 能力开放子系统的主要功能是 通过向路由子系统提供网络及用户 的实时动态信息, 以及向平台管理子 移动核心网 MEC 服务器 路由子系统能力开放子系统平台管理子系统 VM: 虚拟机器 系统上报能力开放注册信息以及能 力调用统计信息, 实现路由转发策略 的制定和业务数据的管控 同时, 能 力开放子系统可以通过分析用户的 业务数据实现网络业务处理 网络资 源分配 监测终端能力等特定功能的 部署 (3) 平台管理子系统 平台管理子系统的主要作用是 对移动网络数据平面进行控制, 对来 自能力开放子系统的能力调用请求 进行管控, 对边缘云内的 IT 基础设施 进行虚拟化资源管理, 以及对相关计 费信息进行统计上报 外部网络 ( 如企业网 ) 移动核心网 无线接入网 网络数据 软 / 硬件基础环境 VM VM VM VM VM 平台中间件 虚拟化环境 硬件平台 能力调用请求 私有云 企业网 边缘云基础设施 业务数据 路由子系统 业务数据 图 2 MEC 系统功能结构示意图 数据平面控制 能力开放子系统 MEC 系统 (4) 边缘云基础设施 边缘云基础设施的主要作用是 通过为终端用户提供由小型化硬件 平台构建的计算 存储及网络通信等 资源的物理资源池, 实现 MEC 系统 的本地化数据业务处理, 提升网络的 QoS 体验 2 MEC 系统的关键技术 MEC 系统的关键技术主要包括 计算卸载技术 无线数据缓存技术和 基于软件定义网络 (SDN) 的本地分 流技术等 上述关键技术是 MEC 系 统实现计算处理实时化 数据处理本 地化以及信息交互高效化的前提和 基础 MEC: 移动边缘计算技术 2.1 计算卸载技术 [5] 计算卸载技术是 MEC 系统实现 终端业务实时化处理的重要手段 计算卸载是指将部分计算功能由移 动设备迁移到 MEC 服务器执行, 其 主要过程包括卸载决策 卸载执行 结果回传等 3 部分 其中, 卸载决策 是指某项计算任务应该如何进行高 效卸载, 是计算卸载的理论基础 ; 卸 载执行是如何将计算能力在 MEC 服 务器和终端进行划分, 是计算卸载的 核心 ; 结果回传是将计算任务处理结 果下发给终端用户, 是计算卸载最终 虚拟化资源管理 数据平面控制数据流量统计 能力调用管控 能力调用统计能力开放注册信息 平台管理子系统 计费信息 运营商计费系统 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

27 面向 5G 的 MEC 系统关键技术 宋晓诗等 专题 无线接入网 a) MEC 系统中有目标数据 b) MEC 系统中无目标数据 实现并完成的关键 利用计算卸载 技术, 通过将业务计算及时卸载到移 动边缘计算服务器进行计算处理, 能 够有效扩展移动设备的即时计算能 力, 降低计算延迟, 并提高移动终端 的电池寿命 因此, 高效的计算卸载 策略在边缘计算技术中扮演着不可 缺少的角色 无线接入网 MEC 服务器 边缘云 图 3 路由子系统转发数据案例 计算卸载的基本设计原理为 : 当 终端发起计算卸载请求时, 终端上的 资源监测器检测 MEC 系统的资源信 息, 整理出可用的 MEC 服务器网络 的资源情况 ( 包括服务器运算能力 负载情况 通信花销等 ); 根据上述接 收到的服务器网络信息, 终端内部的 计算卸载决策引擎决定哪些任务为 本地执行, 哪些为边缘计算节点执 行 ; 最后, 根据计算卸载决策引擎的 决策指示, 分割模块将任务分割成可 以在不同设备独立执行的子任务 其中, 本地执行部分由终端在本地进 行, 边缘计算节点执行部分经转化后 卸载到 MEC 服务器进行运算处理 路由子系统无线接入网路由子系统 MEC 服务器 边缘云 路由子系统 计算卸载根据业务计算强度可 [6] 划分为二元卸载和部分卸载 其 中, 二元卸载主要针对高密度且小规 模的计算任务 通过二元卸载, 终端 的计算任务被整体迁移到 MEC 服务 器进行计算处理 部分卸载主要针 对大规模的计算任务 通过部分卸 c) 移动中设备在 MEC 系统间切换 MEC: 移动边缘计算技术 MEC 服务器 边缘云 MEC 服务器 边缘云 路由子系统 移动核心网 载, 终端的计算任务由分割模块分为 多个子任务, 分别卸载到多个 MEC 服务器执行计算 最简单的部分卸 [7] 载任务模型是数据分区模型 在数 据分区模型中, 终端用户的计算任务 可以被划分成多个相互独立的子任 务, 并根据计算卸载决策指示在移动 设备及一个或多个 MEC 服务器中并 行执行 需要指出的是 : 在部分卸载 过程中, 不同子任务之间可能存在一 定的依赖关系, 例如 : 子任务 A 的输 出为子任务 B 的执行前提 因此, 被 划分后的多个子任务存在无法同时 执行的情况 针对上述问题, 可将任 [8] 务的执行过程划分为 n 个时隙, 根 据子任务之间的依赖关系, 将能够并 图 4 基于微小基站的 MEC 无线数据缓存模型 行执行的子任务在同一时隙卸载到 多个 MEC 服务器进行并行运算, 而 将不能并行执行的子任务按照其优 先级顺序分配至不同时隙依次执行 通过上述讨论可以看出 : 计算卸 载技术的应用, 能够有效地降低计算 任务的时延, 扩展移动设备的计算能 力, 并减少移动设备的能量消耗, 延 长移动设备电池的寿命 因此, 探寻 高效的计算卸载策略是 MEC 系统等 相关研究的重点 在已有的工作中, 文献 [9] 提出了用李雅谱诺夫函数解 决此类最优性问题 文献 [10] 提出将 寻找最优 MEC 系统的问题看成解决 多臂赌博机问题, 其中采用了上置信 算法和 ε -greedy 算法解决寻找最优 卸载策略 2.2 无线数据缓存技术 [11] 无线数据缓存技术是实现 MEC 数据业务本地化的主要途径 无线 数据缓存技术的基本原理是将相关 热点数据提前缓存在 MEC 服务器的 边缘存储节点上, 使得终端用户在单 跳距离范围内即可以获得所需要的 数据 MEC 系统的无线数据缓存示 意如图 4 所示 内容缓存策略和内容传输策略 是无线数据缓存技术需要解决的两 个重要问题 其中, 内容缓存策略是 指网络边缘节点对于热点数据的选 取和缓存机制, 内容传输策略是指网 : 终端用户 : 基站 : 数据申请 : 数据缓存 : 无线链路 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

28 专题宋晓诗等面向 5G 的 MEC 系统关键技术 络边缘节点将其缓存的热点数据分 发给申请用户的传输机制 两个问 题相互影响, 相互耦合 在已有的相 关研究中, 文献 [12-13] 对微小基站端 的内容缓存策略和内容传输策略进 行了研究, 并指出无线数据缓存技术 能够有效减少海量数据在核心网内 的冗余重复传输, 降低传输时延 需 要指出的是 : 虽然微小基站端的无线 数据缓存技术能够将网络的业务负 载从核心网内卸载至网络的边缘节 点处, 并以此减轻承载网的链路阻 塞 ; 但在内容传输阶段, 数据业务的 发送仍然需要大量占用接入网的基 带资源和射频资源, 无线网络的整体 性能因此无法获得进一步突破 为了解决上述问题, 文献 [14-15] 考虑了位于用户终端处的无线数据 缓存技术, 以解决微小基站端无线数 据缓存技术的技术瓶颈, 并通过探索 设备到设备 (D2D) 通信机制下的内 容缓存策略和内容传输策略, 实现基 站端基带资源与射频资源的释放, 进 一步提升移动通信网络的传输性 能 其中, 文献 [14] 研究了基于速率 门限的 D2D 内容传输策略, 通过选取 具有高传输速率的 D2D 数据链路进 行数据传输, 最大化 D2D 网络的数据 承载概率, 并在该策略下对最优内容 缓存策略进行了求解 文献 [15] 考虑 了基于载波侦听接入机制的 D2D 内 容传输策略, 通过为可能冲突的终端 用户设定随机退避时间, 减少 D2D 传 输链路间的相互干扰, 并在此基础上 对最优的内容缓存策略进行了求解 2.3 基于 SDN 的本地分流技术 基于 SDN 的本地分流技术是 MEC 系统实现网络信息交互高效化 [16] 的有效措施 基于 SDN 的本地分 流技术的核心思想为 : 首先,SDN 控 制器从本地或者从策略服务器获取 预先设置的分流策略 ; 其次,SDN 控 制器根据数据流描述信息和分流策 略, 生成分流规则流表 ; 最后, 分流网 关根据分流规则流表将相应的数据 流进行最终分流 相比于传统的本地分流技术, 基于 SDN 的本地分流技术能够根据终端用户的实际需求和 MEC 系统的资源部署情况有效实现数据业务的本地化处理, 缩短网络对终端用户的响应时间, 保证终端用户数据业务需求的连续性, 并大幅度降低核心网的数据流量压力, 提升终端用户的服务体验 基于 SDN 的本地分流技术的优势之一是能够快速适应由终端用户的移动性引起的网络拓扑的变化, 有效保证终端用户的业务连续性 具体来说 : 在 MEC 系统中, 当终端用户的位置发生变化时, 基于 SDN 的本地分流技术能够根据感知到的网络接入点的改变重新生成路由转发策略, 并将其以流表的形式下发至交换机 由于基于流表的转发机制实时性强且配置灵活, 基于 SDN 的本地分流技术能够有效处理由终端用户位置变化引起的网络接入点的切换, 从而保障终端用户的服务体验 综上所述 : 在 MEC 的场景下, MEC 服务器通过感知计算 缓存和网络的实时状况, 利用 SDN 实现了网络资源的有效分配, 以及数据业务的高效调度与分发 因此, 基于 SDN 的本地分流技术是 MEC 业务本地化未来发展的重要趋势 3 MEC 系统面临的挑战 MEC 通过在无线接入网内提供云化的计算 存储 通信服务能力, 实现了近距离 超低时延 高带宽以及实时访问无线网络信息的服务环境, 并实现了网络从接入管道向信息化服务使能平台的跨越, 是 5G 的关键技术之一 目前, 移动边缘计算仍面临着如下研究挑战 : (1) 安全性挑战 MEC 的分布式架构增加了攻击向量的维度, 移动边缘计算客户端越智能, 越容易受到恶意软件感染和安全漏洞攻击 (2) 公平性挑战 MEC 系统资源共享的公平性是影响用户服务质量 和网络整体性能的关键因素之一 如何在网络中存在大量 MEC 边缘计 算节点和终端用户接入节点的情况 下, 实现基于公平性的资源优化管理 和网络负载均衡, 是目前相关领域的 研究重点 (3) 互操作性挑战 MEC 设备之 间的互操作性是 MEC 系统大规模商 用的关键 不同设备商之间需要通 过制定相关的标准规范和通用的协 作协议, 实现异构 MEC 设备和系统 之间的互操作 (4) 移动性管理挑战 在大连 接 高速率 低时延的 MEC 典型应用 场景中, 如何有效保证终端用户的业 务连续性和无缝切换是 MEC 系统需 要解决的重要问题 4 结束语 MEC 作为 5G 的关键技术之一, 通过将具有计算 存储 通信能力的 业务平台下沉到网络边缘, 为终端用 户提供更近距离 更低延时 更高带 宽的泛在数据业务服务 结合现有 的相关研究, 我们对 MEC 的体系架 构 关键技术, 以及重要应用进行了 详细阐述, 并同时对 MEC 所面临的 研究挑战进行了归纳和总结 可以 预见 : 移动边缘计算必将成为 5G 乃 至未来移动通信系统不可或缺的重 要组成部分 参考文献 [1] SATYANARAYANAN M, BAHL P, CACERES R, et al. The Case for VM-Based Cloudlets in Mobile Computing [J]. IEEE Pervasive Computing, 2009, 8(4): DOI: / MPRV [2] PATEL M, NAUGHTON B, CHAN C, et al. Mobile-Edge Computing Introductory Technical White Paper[R]. White Paper, Mobile-edge Computing (MEC) Industry Initiative, 2014 [3] HU YC, PATEL M, SABELLA D, et al. Mobile Edge Computing-A Key Technology Towards 5G[R]. ETSI White Paper, 2015 [4] SATHYA A. Mobile Edge Computing: A Gateway to 5G Era[R]. Huawei Technologies White Paper,2016 [5] LIU J, MAO Y, ZHANG J, et al. Delay- Optimal Computation Task Scheduling for Mobile-Edge Computing Systems[C]//IEEE 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

29 面向 5G 的 MEC 系统关键技术 宋晓诗等 专题 International Symposium on Information Theory. IEEE, 2016: DOI: /ISIT [6] YU Y. Mobile Edge Computing Towards 5G: Vision, Recent Progress, and Open Challenges[J]. China Communications, 2016, 13(S2): DOI: / CC [7] MAO Y, YOU C, ZHANG J, et al. A Survey on Mobile Edge Computing: The Communication Perspective [J]. IEEE Communications Surveys&Tutorials, 2017,13 (4): DOI: / COMST [8] TEREFE M B, LEE H, HEO N, et al. Energy- Efficient Multisite Offloading Policy Using Markov Decision Process for Mobile Cloud Computing[J]. Pervasive & Mobile Computing, 2016, 27(C): DOI: /j.pmcj [9] LIU J, MAO Y, ZHANG J, et al. Delay- Optimal Computation Task Scheduling for Mobile-Edge Computing Systems[C]//IEEE International Symposium on Information Theory. USA:IEEE, 2016: DOI: /ISIT [10] SUN Y, ZHOU S, XU J. EMM: Energy- Aware Mobility Management for Mobile Edge Computing in Ultra Dense Networks [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2017, 35(11): DOI: /JSAC [11] WANG X, CHEN M, TALEB T, et al. Cache in the Air: Exploiting Content Caching and Delivery Techniques for 5G Systems[J]. Communications Magazine IEEE, 2014, 52 (2): DOI: / MCOM [12] LI J, CHEN Y, LIN Z, et al. Distributed Caching for Data Dissemination in the Downlink of Heterogeneous Networks[J]. IEEE Transactions on Communications, 2015, 63(10): DOI: / TCOMM [13] BHARATH B N, NAGANANDA K G, POOR H V. A Learning-Based Approach to Caching in Heterogenous Small Cell Networks[J]. IEEE Transactions on Communications, 2015, 64(4): DOI: /TCOMM [14] CHEN B, YANG C, XIONG Z. Optimal Caching and Scheduling for Cache-enabled D2D Communications[J]. IEEE Communications Letters, 2017, 21(5): DOI: /LCOMM [15] SONG X, GENG Y, MENG X, et al. Cache- Enabled Device to Device Networks with Contention-Based Multimedia Delivery[J]. IEEE Access, 2017, 5(99): DOI: /ACCESS [16] HUO R, YU F R, HUANG T, et al. Software Defined Networking, Caching, and Computing for Green Wireless Networks[J]. IEEE Communications Magazine, 2016, 54 (11): DOI: / MCOM CM 作者简介 宋晓诗, 东北大学计算机科学与工程学院讲师, 主要研究方向为 5G 移动通信网络 闫岩, 东北大学在读硕士生, 主要研究方向为 5G 移动通信与移动边缘计算 王梦源, 航天恒星科技有限公司 (503 所 ) 高级工程师 ; 主要研究方向为卫星通信 天地一体化网络 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

30 专题任驰等网络切片 : 构建可定制化的 5G 网络 DOI: /j.issn 网络出版地址 : 网络切片 : 构建可定制化的 5G 网络 Network Slicing: Building Customizable 5G Network 任驰 /REN Chi 马瑞涛 /MA Ruitao ( 中国联通网络技术研究院, 北京 ) (China Unicom Network Technology Research Institute, Beijing100048, China) 中图分类号 :TN929.5 文献标志码 :A 文章编号 : (2018) 摘要 : 通过对网络切片的逻辑组网 定制流程 生命周期管理等方面的介绍, 提出了网络切片技术中目前尚未解决的一些问题, 为未来的网络切片演进提供了参考 认为在未来的移动网络中, 切片可定制化将是最重要的需求之一 通过在通用的物理平台上生成功能 性能不同, 并且彼此隔离的多张逻辑专网, 配合对第三方的网络能力开放, 将使得运营商更有效率地运营网络, 更加深入地挖掘自身网络的赢利点 关键词 : 5G; 网络切片 ; 定制化 ; 垂直行业 ; 网络功能虚拟化 (NFV) 动通信技术已经成为了当今社移会数字化发展的强力催化剂 放眼未来, 移动通信将进一步发展并 触及各种垂直行业, 如自动驾驶 制 造业 后勤产业 能源行业, 并在当前 已有涉及但还未完全挖掘出移动业 务潜力的金融业 健康护理等行业深 入发挥作用 移动网络潜力的进一 步挖掘就取决于这些商业模式提出 的多样化的, 甚至是互相冲突的需 求, 比如 : 运营商中的一个客户需要 高可靠性的业务, 而另一个客户可能 需要超高带宽的通信业务 但业务需求的多样性同样为运 营商带来了巨大的挑战, 如果运营商 遵循传统网络的建设思路, 仅通过一 张网络来满足这些彼此之间差异巨 大的业务需求, 对于运营商来说将是 一笔成本巨大但是同时效率低下的 投资 从功能的角度来看, 最符合逻辑 并且最有效率的做法应该是 : 在一个 通用的物理平台之上构建多个专用 的 虚拟化的 互相隔离的逻辑网络, 来满足不同客户对网络能力的不同 要求, 而这正是网络切片技术的最典 型的应用实例 收稿日期 : 网络出版日期 : Abstract: The logical networking, customization procedure and life-cycle management of network slicing are introduced in this paper. Some problems that have not been solved in the network slicing technology are put forward, which provide references for the evolution of the future network slicing. It is believed that in future mobile networks, the customization of sliceing will be one of the most important requirements. By generating the different functions and isolated multi logical private networks on the general physical platform, and opening the network capabilities functions to the third party, the operators can operate the network more efficiently and dig deeper into the profit points of their own network. Key words: 5G; network slicing; customization; vertical industry; network function virtualization (NFV) 由此, 通过基于 5G 服务化架构 的网络切片技术, 运营商将能够最大 程度地提升网络对外部环境 客户需 求 业务场景的适应性, 提升网络资 源使用效率, 最优化运营商的网络建 设投资, 构建智慧的 可定制化的 5G 网络 1 行业趋势及挑战 5G 网络将会逐步引发新兴行业 前所未有的大规模发展 5G 业务种 类相比传统 3G/4G 网络将出现爆发 式的增长, 例如 : 增强 / 虚拟现实 (AR/ VR) 高清移动视频 数字医疗 车联 网 智慧家居 工业控制和环境监测 等 这些业务同时也会促进 5G 网络 的迅速发展, 来自数百种垂直行业的 数百亿设备将在这一过程中连接到 移动网络, 从而真正实现 万物互联 [1] 的愿景 5G 业务对网络的要求也是多样 化的, 例如 : 智慧家居 智能电网 智 能农业和智能秒表需要支撑额外大 量的连接并且频繁传输小的数据包, 智能车辆和工业控制要求毫秒级的 延迟和接近 100% 的可靠性,AR/VR 高清视频等业务要求更大的移动带 宽 上述这些要求表明 :5G 网络需 要更加灵活 可定制化, 以支撑不同 环境下的大量连接 同时, 运营商将 逐步从管道服务转向垂直行业, 这也 将同时带来更多的挑战 (1) 服务多样化 在 5G 时代, 预 知的服务分为 3 个典型的情形 : 增强 型移动带宽 (embb) 超可靠低延迟 通信 (urllc) 和大连接物联网 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

31 网络切片 : 构建可定制化的 5G 网络 任驰等 专题 (miot) embb 专注于高传输速率的服务, 例如 : 高清视频 VR AR; urllc 专注于延迟敏感的服务, 如无人驾驶 远程手术 miot 专注于对连接密度有高要求的服务, 典型的例子有智慧城市和智慧农业 每种服务要求完全不同的网络服务, 这导致它们的要求完全不同, 有时甚至是互相冲突的 (2) 快速部署 部署传统的无线网络是一个很长的过程, 一个简单的服务更新周期可能会以月甚至年为单位 在业务发展日新月异的今天, 这样的长周期更新将很难满足快速定制服务和垂直行业缩短上市时间的需求 (3) 网络隔离 与传统的电信业务不同, 垂直行业倾向于定制专业网络功能 ( 如专用路由 移动支持 定制流程处理和网络内处理等 ) 为在不损失运行效率的情况下处理上述多样化需求, 运营商应使用有安全隔离保障的网络资源 (4) 能力开放 针对多样化的移动业务, 需要第三方充分参与网络切片的生命周期管理, 包括切片的设计 上线和运行管理, 因此需要允许第三方应用通过可信而灵活的应用程序编程接口 (API) 对网络切片的某些方面进行运营商监管下的控制管理, 以便提供针对第三方业务定制化的服务 (5) 自动化控制 灵活性和可扩展性是 5G 网络的重要特点, 网络发展的趋势是不依靠人工管理, 而是用全自动网络管理技术, 例如 : 自我诊断 自我治愈和自动安装 / 即插即用, 这也是获得动态业务控制的基础 随着自动网络管理技术的发展, 管理应更具敏捷性和自适应性, 以满足复杂商业生态下的业务需求 如上所述,5G 业务灵活性和多样性所带来的挑战是真实存在且不可忽视的, 为了在克服这些挑战的同时满足业务需求, 网络切片技术应运而生 通过网络切片, 运营商只需要结 合垂直行业业务的具体需求, 通过统 一的虚拟化管理平台快速 动态地管 理网络切片的具体配置, 就可以在保 证垂直行业业务竞争力的同时, 从网 络设计 部署 测试和运行这样的复 [2-3] 杂考虑中解脱出来 2 网络切片的概念 网络切片是 5G 网络最重要的技 术之一, 第 3 代合作伙伴计划 (3GPP) 下一代移动网络 (NGMN) 全球移动通信系统联盟 (GSMA) 等不 同标准组织均对网络切片展开了深 入的研究并取得了一定的成果 总体来说, 网络切片是一系列技 术的集合, 这些技术能够产生特殊 的 专有的逻辑网络作为服务以支撑 网络切片差异化并满足垂直行业的 多样化需求 通过对功能 隔离机制 和网络运行和维护服务进行灵活的 定制设计, 网络切片能够基于相同的 基础设施提供逻辑专有网络 网络 切片实例 (NSI) 是实现网络切片概念 的核心, 它是一个端到端的逻辑网 络, 包含了一系列的网络功能 资源 和连接关系 一个 NSI 通常会横跨 多个技术领域, 包括终端 接入网 传 输网 核心网以及管理垂直行业第三 [4] 方应用的数据中心 在一个公共陆地移动网络 (PLMN) 内, 一个 NSI 由一个单切片 选择辅助信息 (S-NSSAI) 唯一标识, 一个 S-NSSAI 由切片 / 业务类型和切 片区分标识两部分组成, 其中切片类 型表示在特性和业务方面期望的网 络切片行为, 切片区分标识用于在多 个切片 / 业务类型相同的多个网络切 片当中补充网络切片区分信息 现 表 1 3GPP 定义的标准化切片 / 业务类型取值 切片 / 业务类型 embb urllc miot SST 取值 阶段, 在 3GPP 标准中定义了 3 种标 准化切片 / 业务类型取值, 具体如表 1 所示. 在网络切片的设计中, 并不需要 每一个切片都包含所有的网络功能, 针对特定业务或垂直行业的网络切 片只需要定制化地包含业务所必须 的网络功能, 而应尽量避免包含任何 对业务来说非必要的网络功能, 以最 大程度地满足垂直行业业务的相关 需求 3 定制化网络切片 3.1 逻辑组网 5G 移动网络可以根据不同业务 的需求, 提供通用或专有网络服务, 形成不同的网络切片 在 5G 网络 中, 网元概念将被弱化, 取而代之的 是虚拟机中运行的各种网络功能 (NF), 这些网络功能是从原有网元 功能中剥离出来并进行优化 增强 后, 通过网络功能虚拟化 (NFV) 技术 实现 在通用的物理基础设施之上, 不同的网络切片基于软件定义网络 (SDN)/NFV 技术, 并根据业务和场景 的需求上线不同的功能模块并部署 在不同位置, 在逻辑上生成彼此隔离 的多张专网 以 3GPP 中标准的切 片 / 业务类型定义的三大场景为例进 行说明 (1)mIoT 场景将使终端连接到网 络的连接数量急剧增长 与庞大的 连接数量相比, 物联网的终端所传输 的数据非常有限, 并且物联网终端的 通信行为往往有着特定的规律, 同时 物联网终端经常被固定在某个地点, 不具备移动性 因此, 大连接物联网 embb: 增强型移动宽带 miot: 大连接物联网 SST: 切片 / 业务类型 urllc: 超可靠低时延通信 特性 切片适用于处理 5G 增强型移动宽带, 不限于一般消费空间移动宽带应用, 包括高质量视频流 快速大文件传输等 支持用于包括工业自动化 ( 远程 ) 控制系统在内的高可靠低时延通信 支持大量和高密度的物联网设备 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

32 专题任驰等网络切片 : 构建可定制化的 5G 网络 场景下的网络切片不一定具有用户 面连接, 其控制面的部署位置也可以 相对较高 (2)uRLLC 主要应用领域之一是 车联网, 它需要终端在快速移动的情 况下, 仍具有带宽和时延保障, 并具 有可靠的传输能力, 因此低时延 高 可靠场景下的网络切片的控制面和 用户面应分开部署, 控制面部署位置 不宜过高, 用户面部署位置则必须很 低, 尽量靠近终端侧, 尽量减少终端 访问服务器的时延 在网络切片的部署中, 可通过多 级数据中心的云化形成用户层 控制 层 能力开放层等几个主要层次 用 户层专注于用户数据包的传送 ; 控制 层实现无线接入网 (RAN) 侧控制功 能的云化集中, 用户数据和策略信息 的集中存放以及不同的控制功能模 块的实现 ; 能力开放层则提供对于第 三方的信息开放并提供 API 接口供 第三方进行合法的网络能力调用以 及网络功能的实现 详细的逻辑组 [5] 网如图 1 所示 3.2 切片按需定制 网络切片能够通过第三方按需 定制是未来 5G 网络能力开放的重要 组成部分 结合 SDN/NFV 技术, 用户 可以在运营商提供好的基础切片蓝 图 ( 模板 ) 上进行需求匹配 部件选 择 拓扑管理 转发流图定制等步骤, 按需实例化切片相关的描述文件, 并 通过管理编排系统和运营支撑系统 对切片进行上线操作 所示 网络切片按需定制的流程如图 2 网络切片按需定制的各步骤说 明如下 : (1) 基础切片蓝图 网络切片的 设计复杂, 需要的相关实例化文件很 多, 因此需要定义好各种网络切片基 础模板, 帮助定制者基于该模板进行 相关修改, 切片基础模板主要按三大 场景分为 embb urllc miot3 种, 用 户根据需要进行选择 (2) 需求匹配 主要目的在于将 业务需求转化成网络能力需求, 选择 网络需要承载的用户数 带宽 高可 靠性等, 将这些需求映射到具体需要 的网络资源上 (3) 部件选择 该步骤需要用户 对具体需要的部件进行选择或更 改 未来的 5G 网络中, 原本的移动 性实体 (MME) 管理 服务网关 (SGW) 共用数据网网关 (PGW) 等 按固定拓扑 固定接口连接的网元功 能将被 IT 化的服务化架构的网络功 能代替, 形成可按需调用网络功能和 embb urllc miot 云 RAN 云 RAN 云 RAN DC: 数据中心 embb: 增强型移动宽带 miot: 大连接物联网 图 1 网络切片逻辑组网 DC: 数据中心 embb: 增强型移动宽带 图 2 网络切片按需定制流程 移动性管理 用户面功能 下沉用户面 第三方服务器 会话管理 会话管理 网络服务的新型网络架构, 从而能够 给予用户最大限度的自由定制的可 [6] 能性 NFVO: 虚拟化资源分配 RAN: 无线接入网 SDN: 软件定义网络 EMS: 网元管理系统 MANO: 管理编排系统 (4) 拓扑关联 选择好的各功能 模块需要进行拓扑关联, 确定相关的 连接关系 由于未来 5G 网络将是基 于业务化的架构模式, 所有的模块之 间均可通过轻量级协议 ( 如 HTTP JSON 或 RESTful 等 ) 进行连接, 模块 之间的功能可以互相调用, 形成弹性 化的网络能力 (5) 转发流图定制 该步骤中确 定网络切片中控制层 用户层 能力 移动性管理 会话管理 移动网络切片 运营商 embb urllc miot 切片蓝图 切片服务设计 个性化网络切片设计 C-RAN C-RAN UP 传输 业务使能 能力开放层 统一数据库 控制层 用户层 UP: 用户平面 urllc: 超可靠低时延通信 miot: 大连接物联网 urllc: 超可靠低时延通信 5GC 控制器 5GC UP 行业应用 核心 - 地区 - 边缘三级 DC 架构 需求匹配部件选择拓扑关联转发流图定制 NG EMS ( 业务数据配置 ) 边缘 DC 回传网络 切片实例化 汇聚 DC 虚拟化资源分配 骨干网 核心 DC 云化网络架构 业务需求输入 按需生成切片 快速热上线 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

33 网络切片 : 构建可定制化的 5G 网络 任驰等 专题 开放层 第三方业务服务器等各模块之间的接口, 完成切片功能对应的软之间的消息交互模式, 按需实现灵活件包的下发, 切片功能实例化过程中的轻量级切片能力 所需要的资源模板的下发以及切片网络切片的按需定制能力克服功能相关的基础配置的下发, 然后触了冰冷的 NFV SDN 等纯技术概念, 发 MANO 进行切片网络的实例化 通过软件交互界面的方式, 给予客户 MANO 进行切片实例化过程中, 切片更直接 更简便的按需定制方法, 呈服务器通过和 MANO 之间的接口, 查现出一种全新的业务形式 看切片实例化的进展 MANO 完成切片的实例化后, 如果仍有部分切片 3.3 生命周期管理功能需要进行特定的配置, 则切片管网络切片具备逻辑隔离和独立理器通过与实例化完成之后的切片的生命周期管理, 提供开放的接口给之间的接口完成这些特定的配置 运营方, 以便切片运营方按照自己的最后切片服务器通过与切片之间的特殊要求开发自己特定的运维功接口触发切片的连通性测试, 确认切能 网络切片需要支持模块化设计, 片的可用性 并支持各自独立按需 敏捷高效的部在运营阶段中, 切片运营方可在署和弹性伸缩, 其生命周期包含设切片上完成自己制定的切片运营策计 购买 上线 运营 下线等 5 个阶略 切片用户发放 切片的维护 切片段 网络切片的生命周期具体如图 3 的监测控制等工作, 这些均通过切片所示 管理器与切片之间的接口完成 网其中, 切片的应用重点集中在上络侧也可提供开放的运维接口给运线阶段和运营阶段两个主要阶段 营方, 以便切片运营方进行二次开切片上线的过程实际上是切片发, 按照自己的特殊要求开发自己特模板的实例化过程, 切片所包含的功定的运维功能 如切片运营方因为能可以部署在特定的物理资源上, 也某些原因不再运营切片, 则可进行切可以部署在虚拟化的逻辑资源上 片的下线 在切片运维过程中, 可根如果切片功能部署在虚拟化的逻辑据需要对切片的进行动态修改, 切片资源上, 则切片管理器通过与 MANO 的动态修改包括 : 切片的动态伸缩, 第三方 ( 切片客户 ) 开放 API(KPI/SLA) 切片生命周期管理 切片设计 切片购买 切片上线 切片运营 切片下线 网络服务 / 网络切片运维界面 网络切片 1 网络功能 1 网络功能 2 第三方功能 MANO 网络切片 2 切片选择功能 网络功能 1 网络功能 2 网络功能 3 通用基础设施 ( 存储资源 / 计算资源 / 网络资源 ) API: 应用程序编程接口 KPI: 关键绩效指标 MANO: 管理和编排 SLA: 服务等级协议 图 3 网络切片生命周期管理 如切片内局部拥塞需要进行局部扩容 ; 在原切片的基础上进行子功能的动态增加或者删除 ( 如原切片无安全功能, 因业务发展的需要在正在运行的切片中增加安全功能 ); 切片功能的版本升级等 4 网络切片技术的思考 网络切片技术在带来可定制化网络, 满足万千行业需求的同时, 对网络运营商和设备制造商来说, 也带来了一些亟待明确和解决的问题 : 垂直行业需求对接 目前垂直行业和通信产业彼此之间还存在一定程度的隔阂, 垂直行业对通信产业能够提供的服务和资源并不明确, 在一定程度上造成需求和实现方案之间难以对接的情况 因此, 在未来, 的相关技术的研究 讨论 标准化等一系列工作中, 通信产业应积极同典型垂直行业进行接触, 以打通通信产业能力和垂直行业需求之间的对接通道 SDN/NFV 设备统一的管理编排 在未来 SDN/NFV 技术的应用中, 随着各个层面和功能部件的进一步解耦, 如何实现对网络中不同层面 不同厂家的网络功能进行统一管理 编排和控制还需要在后续的研究和试验中进行验证 同时, 不仅限于核心网部分, 以及接入网 传输网部分, 同样应支持基于 SDN/NFV 的系统架构, 以支持端到端的网络切片管理, 如何推动整个产业的虚拟化改造进程也是需要考虑的一个问题 统一架构开放 API 对第三方业务提供商来说, 如果针对每个运营商的切片应用都要开发一套专用的适配架构, 将使得网络切片的商业吸引力大大下降 因此在网络切片的能力开放方面, 如果要达到第三方自主进行切片配置及管理的效果, 则必须构建标准化统一架构的开放 API 接口, 使第三方业务提供商可以通过同一套标准化的接口架构同所有合作伙伴对接 目前, 诸如 3GPP SA 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

34 专题任驰等网络切片 : 构建可定制化的 5G 网络 等标准化工作组已经在进行相关的研究, 并取得了一定的成果 5 结束语 SDN/NFV 技术使得未来的移动网络架构更加灵活 弹性化, 同时也使得网络切片技术成为可能 随着网络技术的不断发展, 以及网络业务的不断创新, 在未来的移动网络中, 可定制化将是最重要的需求之一 通过在通用的物理平台上生成功能 性能不同, 并且彼此隔离的多张逻辑专网, 配合对第三方的网络能力开放, 将使得运营商更有效率地运营网络, 并能够更加深入地挖掘自身网络的赢利点 同时, 第三方公司将通过灵活的网络切片运营使用户获得更 快 更好 更安全的业务体验, 最终实 现双赢 参考文献 [1] Feasibility Study on New Services and Markets Technology Enablers - Network Operation; Stage 1: 3GPP TS [S/OL]. ( )[ ].ftp://ftp.3gpp.org/ Specs [2] Study on Architecture for Next Generation System:3GPP TR [S/OL].( ) [ ].ftp://ftp.3gpp.org/Specs [3] System Architecture for the 5G System: 3GPP TS [S].( )[ ]. ftp://ftp.3gpp.org/specs [4] Service Capability Exposure Functionality over Nt Reference Point:3GPP TS [S]. ( )[ ].ftp://ftp.3gpp. org/specs/ [5] General Packet Radio Service(GPRS) Enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E- UTRAN)Access:3GPP TS [S].( )[ ]. ftp://ftp.3gpp.org/ Specs/ [6] Study on Dedicated Core Network Enhancements:3GPP TR [S].( )[ ]. ftp://ftp.3gpp.org/ 作者简介 任驰, 中国联通网络技术研究院工程师 ; 主要从事移动核心网技术 5G 核心网架构等研究工作 马瑞涛, 中国联通网络技术研究院高级工程师 ; 主要从事移动核心网技术 5G 核心网架构技术及网络演进规划等研究工作 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

35 基于增强学习的 5G 网络切片资源动态优化方案 任语铮等 专题 DOI: /j.issn 网络出版地址 : 基于增强学习的 5G 网络切片资源动态优化方案 Dynamic Resources Optimization for 5G Network Slicing Based on Reinforcement Learning 任语铮 /REN Yuzheng 谢人超 /XIE Renchao 黄韬 /HUANG Tao ( 北京邮电大学, 北京 ) (Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing , China) 中图分类号 :TN929.5 文献标志码 :A 文章编号 : (2018) 摘要 : 提出了一种基于增强学习的网络切片资源动态优化方案 使用该方案动态调整网络切片资源时, 通过考虑未来网络切片中的业务流量变化情况, 对业务流量进行预测, 从而推断出未来网络资源的划分情况 ; 再通过增强学习算法, 使得未来时刻的网络资源划分状态对当前划分策略做出影响, 从而得到当前的最佳策略 基于该算法, 可以保证在资源分配过程中对网络需求变化做出快速响应, 并通过仿真进行了验证 关键词 : 5G; 网络切片 ; 增强学习 ; 动态优化 1 5G 网络架构与网络切片的概念 了能对各业务提供独立的网络为服务而又不铺设专用网络,5G [1-2] 网络引入了网络切片技术, 即使用 软件网络定义 (SDN)/ 网络功能虚拟 化 (NFV) 技术, 将物理基础设施资源 虚拟化为多个相互独立的平行的网 络切片, 每个网络切片服务于某一具 体的业务场景, 以满足不同业务场景 对带宽 时延 服务质量等差异化要 求, 从而满足各种垂直行业多样化需 求, 以增强网络弹性和自适应性 网 络切片技术提升了网络资源利用率, 节省了运营商的花费 下一代移动通信网 (NGMN)5G 白皮书中的网络切片如图 1 [3] 所示 目前 NGMN 对不同的应用场景进行 了划分, 并为每个应用场景设计了相 应的网络切片, 总共定义了 8 个系列, [3] 覆盖了现今业务的大部分场景 然而网络切片资源的划分并非 是一成不变的, 而应随各业务流量的 收稿日期 : 网络出版日期 : Abstract: In this paper, a dynamic optimization algorithm based on reinforcement learning for network slicing division is proposed. Network resources can be dynamically allocated in the following ways: the traffic flow can be predicted by considering the changes of flow, then the division of future network resources can be deduced; based on reinforcement learning algorithm, the current partition strategy will be affected by the state of network resource partitioning in the future, and the best division strategy can be got. Based on this algorithm, the change of network requirements can be rapidly responded in the process of resource allocation, and verified by simulation. Key words: 5G; network slicing; reinforcement learning; dynamic optimization 变化进行动态调整 首先, 由于部分 用户在不断移动, 且用户需求往往会 随着时间的改变发生改变, 所以网络 中各业务流量也是动态变化的 此 外, 第三方服务提供商可能会开发不 同的网络业务, 形成不同的应用需 求, 从而要求一个不同的网络切片实 例 这都导致了网络切片的划分要 随需求的改变发生变动 在基于切 片的网络架构中, 切片划分的优劣程 度直接影响了网络性能, 所以如何对 切片资源进行动态优化至关重要 针对网络切片资源的动态优化, 有学者提出了一种基于比例公平算 法的半静态资源分配方案 该方案 使各网络切片之间能实现更公平地 [4] 资源分配 然而该算法更着眼于公 平性而不是性能, 所以其资源利用率 还有提升空间 还有学者认为可以 通过对流量进行统计分析, 从而得到 全网的流量分布特征, 再根据流量分 布预先构造好基本切片 之后通过 分析实时流量的负载和需求构造切 片, 并将构造结果通过 OpenFlow 协 [5] 议下发到交换节点上 然而, 以上的切片划分算法都是 依据当前时刻流量进行优化, 而未考 虑未来网络流量变化的影响 事实 上, 在动态优化网络切片资源时需要 将未来网络流量的情况一并考虑进 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

36 专题任语铮等基于增强学习的 5G 网络切片资源动态优化方案 5G 网络切片 1 ( 智能手机 ) 智能手机 无线接入技术 2 无线接入技术 1 控制面 / 用户面 控制面 / 用户面 用户面用户面 控制面 5G 网络切片 2 ( 自动驾驶 ) 车联网 无线接入技术 2 无线接入技术 1 控制面 / 用户面 控制面 / 用户面 垂直热点 控制面 5G 网络切片 3 ( 大规模物联网 ) 无线接入技术 1 无线接入技术 3 用户面 大规模物联多设备 其他切片 接入节点云节点 ( 边缘 & 中心 ) 网络节点切片部分 图 1 网络切片逻辑架构 来, 因为如果在决策时考虑了未来网 络的流量变化, 则相当于在切片划分 策略中引入了预测功能 使得划分 结果可以更快地对未来网络的需求 变化作出响应 为了解决这一问题, 我们提出了 一种基于增强学习的动态优化网络 切片资源方案 2 基于增强学习的网络切片动态优化方案 2.1 增强学习 增强学习 (RL) 是近些年机器学 习和智能控制领域的主要方法之 一 RL 通过使累积效用最大化, 从 而确定智能体在环境中应该采取的 一组行为 RL 累积效用的计算方式并不取决于过去的行为, 而取决于未来的状态, 也就是说未来所处的状态会影响到当前的状态选择 通过增强学习, 一个智能体可以知道在某个特定状态下应该采取什么行动 RL 的思想很像马尔可夫过程 (MDP) 它定义了四元组 {S,A,P sa, R} 其中,S 是智能体当前所处的状态,A 是智能体采取的行为,P sa 是智能体在状态 S 下做出动作 A 之后转移到其它状态的概率分布,R 是每个状态的效用函数 此外,RL 还定义了状态到行为的映射,π:S A, 被称为策略 如图 2 所示, 状态 S 00 在动作 a 00 下, 以一定的转移概率转移到了 S 10, 状态 S 00 的效用函数是 r 00, 状态 S 10 的效用函数是 r 10 增强学习通过定义和最优化值函数来得到最优策略, 最常见的值函数形式如式 (1): r 20 S 00 r 10 r 21 S 00 a 00 S 00 r 00 r 11 a 01 S 00 S 00 a 02 r 12 S 00 图 2 马尔可夫过程 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

37 基于增强学习的 5G 网络切片资源动态优化方案 任语铮等 专题 V π (s) = E π ( i = 0 γ i r i s 0 = s) (1) 可以看到 : 这是对一组效用函数 的加权和求期望, 其中 γ 被称为折合 因子, 描述了未来效用对当前效用的 重要程度 有了值函数的定义之后, 求最优 策略就变成了最大化值函数, 即 : π* = arg maxv π (s), s S (2) π 我们可以依据以下原则来对已 有策略进行改进 : 若保持策略 π 的其 他行为不变, 仅将状态 s 下的动作 a 改变为 a, 由此得到了新策略 π 若值函数 V > V, 则说明策略 π 好于 策略 π 我们可以通过动态规划的 算法来得到最优策略 π* 2.2 基于增强学习的网络切片动态 优化方案 算法的基本思想 端到端的网络切片主要包括无 线接入网 (RAN) 侧切片 核心网 (CN) 切片, 以及连接两者的传输网 络切片 本算法主要针对 CN 切片 在 5G 网络中, 核心网节点分布式协 作, 以拥有更优的网络性能 算法的基本思想是 : 通过定义链 路状态矩阵和节点状态矩阵来描述 CN 切片的不同划分方式, 则切片在 不同划分方式间的改变就映射成了 一张状态转移图, 再通过定义各状态 下的效用函数和搜索最大化效用函 数的方式, 得到下一个最佳转移状 态, 也就得到了 CN 切片的最优化分 方式 算法中几个重要定义 (1) 定义链路状态和节点状态 首先需要对 CN 资源进行离散化, 即 对核心网链路与核心网节点资源划 分资源片 在动态优化时, 以一个资 源片为最小的变动单位 链路和节 点在划分切片时的不同划分方式对 应着不同的状态向量 (2) 预测未来链路和节点所处的 状态 如果动态优化算法具有一定 的预测功能, 那么 CN 的划分结果则 能更快地对网络需求变化作出响应, 所以在决策时需要考虑将来时刻核 心网可能处于的划分状态 由此我 们还需要进行流量分析, 从而预测出 未来各时刻 CN 所处的状态 (3) 链路效用函数 节点效用函 数与总效用函数 效用函数描述了 关心的若干指标 由于对链路和节 点往往关心不同的指标, 需要分别定 义链路效用函数和节点效用函数 以链路效用函数为例, 假设在一 个网络中有 n 类业务, 则可以定义某 状态下的链路效用函数为 : n V l = i = 0 V li, 其中 V li 为该链路的第 i 个 网络切片的效用函数 第 i 个网络切 片的子效用函数可以按照如下的思 路定义 : 首先, 链路的利用率应该为 一个合适的值, 因为链路利用率过高 会带来拥塞 丢包 ; 链路利用率过低 会带来资源的浪费, 所以在定义效用 函数时, 可以给定一个参考链路利用 率 α, 当链路的实际利用率偏离 α 的 程度越小时, 该网络切片的子效用函 数越高 另外, 对某一业务而言, 不 同切片的重要性可能不同, 所以可以 定义越重要的切片对应的效用函数 越高等等 同理, 可以定义节点的效用函数 V n 于是, 在某时刻 t 下, 可以定义 总的效用函数 V t = V l + V n, 则 t 0 时刻 的最大化目标函数为 : V = v 总 t0 + γ 1 V t1 + γ 2 V t2 + + γ T V tt = γ k V tk (3) 其中,γ 为折合因子, 描述了未来状 态对当前决策的重要程度 2.3 算法的具体步骤 算法包括输入和输出 输入指 各链路 节点在一段时间内的历史数 据包, 数据包信息主要包括 : 数据的 业务类型及其对应的网络切片号 数 据包长度 时间戳等 T k = 0 输出指此时应该对网络链路和 网络节点做出怎样的划分 算法的流程如下 : (1) 内容预测 基于过去一段时 间内核心网中的数据请求情况, 预测 未来各离散时刻下每条链路中各类 业务包的流量情况 (2) 资源离散化 将各链路和网 络节点的资源划分资源片, 日后在进 行资源配置时都以一个资源片为最 小的划分单位 (3) 维护两个状态矩阵, 分别描 述核心网的链路状态和节点状态 假设网络中共有 n 类切片, 给定链路 初始状态 S l 此时第 i 条链路的资 源划分情况为 l i =(a 1,a 2,,a n ), 其中, a k 是第 k 个网络切片分得的资源片 n 数, i = 0 a i 为该条链路的资源片总数, 则可得到整个网络的链路资源划分 矩阵 A m n, 其中每个行向量描述了 各条链路的资源划分情况 定义 S l = A m n (m 条链路 ) 给定节点初始状态 S n, 此时对第 j 个节点的资源划分情况为 n j =(b 1,b 2,,b n ), 其中 b k 是第 k 个网络 切片分得的资源片数, b i 为该网络 n i = 0 节点的资源片总数, 则可得到整个网 络的节点资源划分矩阵 B k n, 其中每 个行向量描述了各节点的资源划分 情况 定义 S n = B k n (k 个节点 ) (4) 定义效用函数 根据关心的 指标定义链路效用函数 V l 和网络节 点效用函数 V n ; 从而得到总的效用 函数 V t = V l + V n 假设关心未来 T 个 时刻网络状态对当前决策的影响, 则 需要最大化的目标函数为 : V 总 = V t0 + γ 1 V t1 + γ 2 V t2 + + γ T T (4) V tt = γ k V tk k = 0 (5) 假设需要优化的为 t 0 时刻, 此时的链路状态为 S l 节点状态为 S n, 则可求得其相应的链路效用函数 和节点效用函数 在某一 action 下, 链路状态和节点状态在 t 1 时刻将转 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

38 专题任语铮等基于增强学习的 5G 网络切片资源动态优化方案 移到其相邻状态 S l 和 S n S l 和 S n 均为集合, 里面的元素是当前状态的 相邻状态 由于核心网的链路资源往往比 节点资源更为丰富, 且不同的业务对 网络节点的资源需求不同, 例如 : 有 的 CN 切片需要较大的计算资源, 有 的切片则需要更大的存储资源, 所以 每次转移到新的一组状态 S l 和 S n 之后需要将 S l 代入 S n 内进行检验, 考查新的链路资源划分是否满足此 时的节点划分需求, 若满足, 则可求得新状态下 S l 和 S n 的效用函数, 然 后继续进行下一次状态转移 ; 若不满 足, 则将该状态对标记为无效状态, 即从状态转移图中将该转移节点删 除 链路状态 S l 回退到状态 S l, 重 新转移到 S l 集合中的其他状态, 再 继续进行验证, 于是可以得到未来 T 个时刻的网络状态, 再根据预测的数 据包流量情况算出其各自的效用函 数, 并以一定的折合率影响当前决 策, 得到了该组策略对应的效应值 : V 总 = V t0 + γ 1 V t1 + γ 2 V t2 + + γ T T (5) V tt = γ k V tk k = 0 (6) 最大化目标函数 V 总 使用 动态规划算法进行策略改进, 从而收 敛到最优策略, 即可得到当前时刻与 未来时刻的链路和节点的资源划分 3 仿真结果分析 我们对比考察了 3 种算法的性 能 : 方法 1 是基于比例的网络切片动 态优化方案, 该方案会依据当前各业 务流量按比例划分切片资源 ; 方法 2 是基于公平的静态网络切片分配方 案, 该方案将网络资源公平地分配到 各切片上, 且不根据网络流量变化进 行调整 ; 方法 3 是基于增强学习的 5G 网络切片资源动态优化方案, 即文中 第 3 部分所述方案 下面的实验模 拟 5G 核心网, 其中的核心网节点假 设采用分布式协作 首先保证核心 网的网络资源不变, 通过提升网络中 请求数据量, 比较 3 种算法的资源利 用率 ; 再保证核心网资源和请求数据量不变, 通过改变折合因子 γ 的取值, 考察网络资源的利用率 假设有 4 个核心网网关节点, 每个节点可提供的资源数按照以 40 为中心的均匀分布生成,CN 节点的资源包括计算资源 存储资源等, 两个 CN 节点间的链路以一定的概率 P 生成, 每条链路的资源数按照以 55 为中心的均匀分布生成 假设运营商同时构建了 2 个 CN 切片, 各切片的请求数据包数量在一定的范围内随机生成, 例如 : 当各切片的最大内容请求数为 N, 则每条链路各切片请求数均为 0~N 内的随机数, 依次可以得到每条链路的数据包请求数, 进而可得到通过每个节点的数据包请求数, 其值为连接在该节点上的各链路数据量之和的 1/2, 总共可以生成 T 组数据, 用以模拟未来 T 时间内各切片的需求情况 3.1 网络中数据量的影响图 3 图 4 描述了 5G 核心网中, 当前时刻各算法的节点平均资源利用率和链路平均资源利用率 节点平均资源利用率依据以下方式得到 : 首先考察一个 CN 节点, 并根据当前时刻的流量情况算出该节点各切片的节点资源利用率, 再根据各切片的资源利用率算出该节点的资源利用率 同理可得到每个 CN 节点的资源利用率, 进而可得到节点的平均资源利用率, 以及链路平均资源利用率 图 3 图 4 主要用于考察 3 种算法对网络资源的利用情况 图 5 图 6 描述了 5G 核心网中, 未来时刻各算法的节点平均资源利用率和链路平均资源利用率 节点平均资源利用率按照以下方式得到 : 保持网络划分结果不变, 首先考察一个 CN 节点, 根据未来时刻的流量情况算出该节点各切片的资源利用率 ; 再根据各切片的资源利用率算出该节点的平均资源利用率 ; 同理可得到每个 CN 节点的资源利用率, 进而可 得到节点的平均资源利用率, 以及链路平均资源利用率 图 5 图 6 主要用于考察各算法的网络划分结果对未来时刻数据流量的匹配程度 由图 3 图 4 可以看到 : 当各 CN 切片的最大内容请求数上升, 即核心网中的数据总量上升时,3 种算法的资源利用率随之上升, 并且两种动态调整算法的资源利用率提升幅度要高于静态划分算法 这主要是因为动态的资源分配结果与网络需求更为匹配, 所以让核心网资源被更好地利用 由图 5 图 6 可以看到 : 基于增强学习的 5G 网络切片资源动态优化方案的平均资源利用率最高, 基于公平的静态划分算法其次, 基于比例的划分算法最后, 其中基于比例的网络切片动态优化方案最不稳定 直观地, 各 CN 切片的最大内容请求数增加主要会带来两方面的变化 : 第一, 使得核心网中的数据总量上升, 从而资源被更充分的利用 ; 第二, 各 CN 切片流量需求的变动幅度加大 这意味着当网络中流量变动时, 基于比例的划分算法需要反复调整网络划分结果, 而核心网资源的不断调整会消耗大量时间和资源, 所以其资源划分结果对未来网络的需求变化响应较慢, 且不具有稳定性 因此当网络划分结果与未来时刻流量不匹配时, 会导致资源利用率很低 3.2 γ 取值的影响折合因子 γ 描述了未来效用对当前效用的重要程度 下面我们考察其对基于增强学习的 5G 网络切片动态优化方案性能的影响 假设运营商同时构建了 2 个 CN 切片, 拓扑及核心网资源的生成方式与 3.1 中一致, 各切片最大内容请求数为 18 共生成 T 组数据, 用以模拟未来 T 时间内各切片的需求情况 固定以上参数不变, 通过改变折合因子 γ 的取值, 考察其对资源利用率的影响, 结果如图 7 图 8 所示 节点资 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

39 基于增强学习的 5G 网络切片资源动态优化方案 任语铮等 专题 : 基于增强学习的 5G 网络切片资源动态优化方案 : 基于比例的网络切片动态化方案 : 基于公平的静态网络切片分配方案 : 基于增强学习的 5G 网络切片资源动态优化方案 : 基于比例的网络切片动态化方案 : 基于公平的静态网络切片分配方案 节点平均资源利用率 节点平均资源利用率 各切片的最大内容请求数 各切片的最大内容请求数 图 3 当前时刻各算法的节点资源利用率 图 4 当前时刻各算法的链路资源利用率 : 基于增强学习的 5G 网络切片资源动态优化方案 : 基于比例的网络切片动态化方案 : 基于公平的静态网络切片分配方案 : 基于增强学习的 5G 网络切片资源动态优化方案 : 基于比例的网络切片动态化方案 : 基于公平的静态网络切片分配方案 节点平均资源利用率 节点平均资源利用率 各切片的最大内容请求数 图 5 未来时刻各算法的节点资源利用率 各切片的最大内容请求数 图 6 未来时刻各算法的链路资源利用率 源利用率根据以下方式得到 : 先考察一个 CN 节点 分别根据当前时刻 未来时刻的流量情况算出该节点各切片资源利用率 ; 再根据各切片的资源利用率算出该节点的平均资源利用率 ; 同理可得到每个 CN 节点的资源利用率, 进而可得到节点的平均资源利用率, 同理可得到链路平均资源利用率 t 0 为当前时刻的资源利用率,t 1 为未来时刻的资源利用率 随着折合因子 γ 的增加, 当前时刻的资源利用率略有下降, 未来时刻的资源利用率大幅提升 4 算法的简化与参数选择 从前文我们可以看到 : 增强学习得到的是 5G 核心网在未来一段时间内的一组划分策略 这组策略除了包括当前策略及未来策略, 这意味我们可以通过检测核心网中数据包的 实际情况来简化计算量 如果未来时刻核心网数据包的实际流量情况与预测的结果相差不大, 那么只需要在计算好的未来策略的基础上做演近式微调, 就可以得到新的策略 基于这种方式, 我们可以大大简化该算法的计算量 另外, 我们还可以通过 5G 核心网中的链路与节点资源的约束来定义无效状态, 并以此来简化计算量 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

40 专题任语铮等基于增强学习的 5G 网络切片资源动态优化方案 节点平均资源利用率 :t 0 :t 1 节点平均资源利用率 :t 0 :t γ 的取值 γ 的取值 图 7 γ 取值对节点资源利用率的影响 图 8 γ 取值对链路资源利用率的影响 因为实际的 5G 网络中往往会存在链 路和节点资源不匹配的问题, 所以链 路和网络节点则存在着一系列的约 束关系 在划网络资源时, 移动运营 商往往需要根据网络切片类型和网 络负载情况为各个网络切片分配固 定的资源以满足其最低要求, 这说明 有些状态是不能被转移的 所以, 我 们可以定义无效状态, 并且在实际计 算的过程中不断标注无效状态, 删除 不符合资源约束条件的状态组合, 不 断缩小状态转移图的规模, 以此来简 化计算量 我们需要考虑的另一个问题是 如何对核心网资源进行离散化 网 络资源的离散化粒度决定了计算量 的大小, 如果离散化粒度过小, 则状 态矩阵维度太高, 计算时间太长 ; 如 果离散化粒度过大, 虽然可以简化计 算, 但计算结果却很难逼近最优解 另外, 每一条链路和网络节点的离散 化粒度可以不同 此外, 我们还需要找到合适的折 合因子 γ, 它表明了未来效用对当前 效用的影响, 并据此来影响当前的决 策 γ 的值不可过大或者过小, 如果 γ 过大, 而对数据包的情况预测与事 实相差很大, 则会导致对将来时刻的 效用计算不够准确, 进而影响当前策 略的选择 ; 如果 γ 过小, 则将来时刻 的状态对此刻选择的策略影响不够, 就可能达不到我们的目的, 无法更好 地反应各切片对资源的需求变化 最后我们还需要选择合适的时 间窗 T, 它描述了我们需要考虑将来 多长一段时间内的状态与效用函 数 可以看到 :T 不可以过大, 一方 面 T 值的选择直接决定了本文算法 的计算量大小 ; 另一方面, 如果 T 值 过大, 而对数据包的情况预测与事实 相差很大, 则会导致对将来时刻的效 用计算不够准确, 进而影响当前策略 的选择 但 T 也不可以过小, 如果 T 太小则对未来状态考虑得不够, 同样 不能更好地实现我们的目的 5 结束语 针对如何动态调整 5G 核心网网 络切片资源, 我们提出了一种基于增 强学习的 5G 网络切片资源动态优化 方案 该算法首先对未来时刻的核 心网状态进行预测, 再依据核心网未 来时刻所处的状态对当前决策做出 影响, 以使切片划分结果更快地对网 络的需求变化做出响应 改善网络整 体性能 该算法中的一些参数会较大地 影响性能, 如何对这些参数进行选取 在日后还值得更多的研究 参考文献 [1] ITRI. Updates to Solution 6.1.3:Introducing Network Instance ID:S [R/OL]. ( )[ ] _Nanjing_China/Docs/ [2] IMT-2020 (5G) 推进组.5G 网络架构设计白皮书 [R/OL].( )[ ]. t _ html [3] NGMN Alliance. 5G White Paper[R] [4] 粟欣, 龚金金, 曾捷. 面向 5G 网络切片无线资源分配 [J]. 电子产品世界,2017,24(04): [5] 周恒, 畅志贤, 杨武军, 郭娟. 一种 5G 网络切片的编排算法 [J]. 电信科学,2017,33(08): 作者简介 任语铮, 北京邮电大学在读硕士研究生 ; 主要研究方向为基于人工智能的未来网络体系架构, 现从事基于人工智能的视频缓存与调度算法研究 谢人超, 北京邮电大学副教授 硕士生导师 ; 主要研究方向为未来网络体系架构 信息中心网络与边缘计算等 ; 主持国家与省部级项目 4 项 ; 已发表论文 40 余篇, 申请授权专利 10 余项 黄韬, 北京邮电大学教授 博士生导师 ; 主要研究方向为未来网络体系架构 软件定义网络 信息中心网络等 ; 主持国家与省部级项目 10 余项 ; 已发表论文 100 余篇, 申请授权专利 40 余项 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

41 移动边缘计算的移动性管理研究 王秋宁等 专题 DOI: /j.issn 网络出版地址 : 移动边缘计算的移动性管理研究 Mobility Management of Mobile Edge Computing 王秋宁 /WANG Qiuning 谢人超 /XIE Renchao 黄韬 /HUANG Tao ( 北京邮电大学, 北京 ) (Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing , China) Cisco 最新发布的预测报告 : 全据球移动数据流量在 年间将增长 7 倍, 移动数据流量将在 年保持 47% 的年增长率, 到 2021 年达到每月 49.0 EB [1] 除了 爆炸性的流量增长, 虚拟现实所需的 接近实时响应时间和物联网所需的 海量数目连接等要求也都超出了现 有网络的承受能力 为了应对上述 挑战, 业界在 5G 移动网络中采用了 移动边缘计算 (MEC) 技术 MEC 的 核心思想是将计算能力从移动网络 的数据中心转移到无线接入网边缘, 向移动边缘应用程序提供 IT 服务环 境和计算功能, 从而可以将业务本地 化, 在接入网处理用户请求 这减少 了用户等待时间, 确保了高效的网络 运行和服务交付, 也缓解了网络流量 的回传需求, 降低了网络运营成本 尽管 MEC 给 5G 带来巨大的潜在 收益, 但将 MEC 应用于实践仍面临 许多挑战, 移动性管理正是关键瓶颈 之一 移动性管理的功能是跟踪移 动用户设备 (UE) 并将其与适当的基 站 (BS) 相关联, 使得移动系统能够 收稿日期 : 网络出版日期 : 中图分类号 :TN929.5 文献标志码 :A 文章编号 : (2018) 摘要 : 提出了移动边缘计算 (MEC) 中基于马尔可夫决策过程 (MDP) 的虚拟机迁移策略 该策略可以在保证用户体验的前提下, 能使得系统成本达到最优 每次用户进入新的 MEC 区域后, 都通过该策略决定是否进行迁移 通过与常规迁移策略对比, 仿真结果表明本策略总能达到最优情况, 有效地降低了系统成本 关键词 : MEC;MDP; 移动性管理 ; 成本最优 Abstract: In this paper, a virtual machine migration strategy based on Markov decision process (MDP) in mobile edge computing (MEC) is proposed, which can minimize the system cost while ensuring the user experience. After entering a new MEC area, the users can be determined whether or not to migrate by this policy. Compared with the conventional migration strategy, the simulation results show that this strategy can always achieve the optimal situation and effectively reduce the system cost. Key words: MEC; MDP; mobility management; cost optimization 交付数据和服务 这一技术已经广 [2] 泛应用于传统的异构蜂窝网络, 能 够实现动态移动性管理并保证高数 据速率和低误码率 但是现有的移 动性管理技术并不能直接应用到 5G 网络中, 因为它忽略了 MEC 服务器 上的计算资源对切换策略的影响 当 UE 在 MEC 处进行卸载计算时, 确 保服务的连续性是非常重要的, 比如 车联网中, 车辆需要实时地上传位置 信息, 并且 MEC 需对周围的车辆信 息进行汇总计算并给出指导或警 告 当一个移动用户从一个区域移 动到另一个区域时, 既可以继续在前 一个区域的 MEC 上运行服务, 并通 过回程网络将数据传输给用户, 也可 以将承载应用程序的虚拟机或数据 迁移到新区域中的 MEC 这两种情 况都会有成本 : 第 1 种情况是数据传 输成本, 第 2 种情况是迁移成本, 并 且两种情况中用户获得服务的延迟 也不相同 因此, 虚拟机迁移决策既 要考虑到系统的成本, 也要保证服务 质量 我们分析蜂窝网络中用户移 动规律并归纳了马尔可夫链, 在此基 础上加入成本回报函数, 将成本最优 化问题等效为马尔可夫决策过程, 并 通过仿真证明本策略能达到节约成 本 能量高效的目的 1 移动边缘计算 根据欧洲电信标准化协会 (ETSI) 的定义,MEC 通过在无线接入 网部署通用服务器, 为无线接入网提 [3] 供 IT 和云计算能力 MEC 系统允 许移动设备将计算任务卸载到网络 边缘节点, 如基站和无线接入点等, 既缓解了云服务器远离用户的带来 的高延迟问题, 又增强了移动设备处 理数据的能力 因而 MEC 迅速成为 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

42 专题王秋宁等移动边缘计算的移动性管理研究 5G 的一项关键技术, 使得接入网具 有了高带宽和低延迟地处理信息, 感 知网络上下文信息和向第三方边缘 应用开放等能力, 有助于 5G 网络达 到低时延 高能效 高容量和高可靠 性等技术指标 MEC 的系统架构如图 1 所示, 关 键部件包括移动设备 演进型节点 (enb) 汇聚节点和 MEC 服务器 MEC 服务器是小型数据中心, 由运营 商部署在靠近最终用户的位置, 并且 可以和基站共同放置, 但通常都是通 过汇聚节点控制几台基站 通过网 关, 服务器通过 Internet 连接到数据 中心 移动设备和基站之间通过空 中接口通信, 使用先进的无线通信技 术建立无线链路 MEC 平台可分为 3 层 : 最底层为 基础设施层, 通过网络功能虚拟化的 方式为上层提供计算 存储和转发等 物理资源 ; 第 2 层为应用平台层, 它 是移动边缘应用程序所需的基本功 能集合, 能提供移动边缘服务的环 境, 它具有服务注册 流量管理和数 据分析等功能 ; 最顶层为移动边缘应 用程序, 它在 MEC 平台上的虚拟机 (VM) 运行, 并且可以通过应用程序 编程接口 (API) 与移动边缘平台进行 交互以调用 MEC 的功能 在 MEC 中, 需要考虑的关键问题 核心网 接入网 移动设备 MEC Internet MEC enb enb enb enb 之一是如何保证用户在移动过程中 获得服务的连续性 当 UE 正在使用 MEC 虚拟机的边缘移动应用程序功 能时, 如果 UE 的地理位置从原来的 MEC 区域移动到新的 MEC 区域, 为 了保证 MEC 服务的可持续性, 有 3 种 选择 : 第 1 种选择是增加基站的传输 功率从而保证了用户的服务质量, 这 种方法适用于用户移动速度慢且移 动距离较近的情况 ; 第 2 种选择是原 MEC 通过回程链路与 UE 进行通信, 这适用于用户和原 MEC 的距离不太 远的情况, 以免用户获得服务的延迟 过高 ; 第 3 种选择是进行虚拟机迁 移 原 MEC 将用户正在使用的虚拟 机数据发送到新的 MEC, 并关闭虚拟 机, 新的 MEC 开启虚拟机接收数据, 继续向用户提供计算服务 相比于 第 2 种选择, 传输虚拟机数据的成本 较高, 但却降低了用户获得服务的延 迟 当然对于 UE 来说, 不是所有的 计算任务都需要卸载到 MEC, 并且也 不是所有的移动边缘应用都会受到 UE 移动性的影响, 比如对 UE 上传到 云端数据进行简单处理并上传的应 用程序, 或者能够在 UE 切换 MEC 之 后快速重建相关状态的应用程序 考虑到文中的研究情景, 接下来提到 的移动边缘应用程序都是指 UE 需要 全部卸载到 MEC 进行计算的, 并且 enb: 演进型节点 MEC: 移动边缘计算 图 1 MEC 系统架构 会受到 UE 移动性影响的应用程序 2 移动性管理的相关工作 文献 [4] 将蜂窝网络中的用户移动描述为马尔可夫链模型, 分析了各状态之间的转化关系, 并在此基础上计算了虚拟机迁移到最佳 MEC 之后用户和最佳 MEC 的平均距离 用户获得服务的平均时延 进行虚拟机迁移的平均成本和虚拟机迁移的平均时延等数据 仿真结果表明 : 与虚拟机 50% 和 10% 的部分迁移相比, 虚拟机全体迁移需要成本最高, 但用户服务延迟最低 文献 [5] 将蜂窝网络简化为一维移动模型, 进一步将 VM 迁移策略制定为连续时间马尔可夫决策过程 (CTMDP), 并尝试在启动 VM 迁移时找到最佳阈值策略 该策略允许在用户体验质量和服务迁移产生的成本之间取得良好平衡 仿真结果表明 : 与其他两个基本策略相比, 所提出的服务迁移决策机制总是达到最大的期望收益 文献 [6] 通过研究设备移动性的模式来解决辅助移动性的机会计算卸载问题 首先利用定义为接触时间和接触率的移动性的统计特性制定最优的机会卸载模型, 然后利用凸优化的方法确定要卸载到其他设备的计算量 人机交互下的仿真证明了此方案的效率在各种设置下比基准情况下能获得更高的计算成功率 文献 [7] 通过预测用户的移动进一步优化了虚拟机迁移策略, 提出了基于移动性的服务迁移预测方案 (MSMP), 在成本和服务质量之间采取了折中 该方案有 3 部分 :(1) 提前估计用户在整个网络漫游时可以从各个 MEC 服务器接收到的吞吐量 ;(2) 估计用户执行切换时的时间窗 ;(3) 执行 VM 的迁移, 根据吞吐量选择最优的 MEC 服务器 仿真结果表明 : 该方案相对于文献 [5] 提出的方案能够将延迟降低 35%; 但是迁移成本更高并且会需要采集信息, 并预估 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

43 移动边缘计算的移动性管理研究 王秋宁等 专题 吞吐量 现有的方案多是建立在用户移动的一维模型, 或者是通过距离因素简化后的模型, 并未考虑用户在蜂窝网络中移动的实际情况 借助于文献 [4] 提出的蜂窝网络模型, 文章中我们将研究用户的平面移动时的成本最优策略, 同时保证用户体验 相比于上述文献所述方案, 文中我们的研究贡献主要有以下几点 : (1) 对蜂窝网络中的用户移动规律进行研究, 发现按照用户和 MEC 的距离对蜂窝小区进行分类不够准确, 我们对每层蜂窝网络进行了更细化的分类并给出了状态转移概率 (2) 在此二维模型基础上, 从成本考虑将虚拟机迁移建模成了马尔可夫决策过程, 同时为了保证用户服务的质量, 加入了 MEC 与 UE 依靠回程链路的最远传输距离这一新的约束条件 (3) 给出了策略迭代算法以求得最优解, 并对文中的马尔可夫决策过程进行仿真, 结果显示相比于常规策略, 本策略能够取得最优成本 3 移动边缘计算的模型构建 本节主要在蜂窝网络的用户移动情况基础上, 确定马尔可夫决策过程的决策时刻 行动集 系统状态集 状态转移概率和回报函数, 进而确定优化目标函数和解决方法 第 3 代合作伙伴 (3GPP) 网络采用正六边形小区形式覆盖所有区域, 每个基站的覆盖范围被近似视为一个正六边形, 如图 2 所示 实际中 MEC 通常会控制几个基站的区域, 我们为了突出研究模型, 简化为每个 MEC 控制一个基站, 也即每个正六边形区域各自属于一个 MEC 节点 为了简化叙述, 称用户进行边缘应用程序计算所在的 MEC 为通信 MEC 我们研究的前提约束条件是保证对用户的服务质量, 也即将用户与通信 MEC 的延迟控制在一定范围内 这可以通过限定用户和通信 MEC 的最 大距离来保证, 我们限定用户和通信 MEC 的最大距离为 k 个小区 比如 k = 3 时, 在图 2 中, 如果此时通信 MEC 在小区 C(1,1), 那么用户与其通 信的最远位置为小区 C(4,1-18); 如果 用户进入更远的小区, 就会跳过策略 判断, 直接将虚拟机迁移至用户所在 小区的 MEC, 以保证服务质量 3.1 决策时刻集和行动集决策时刻集 T ={ 0,1,2, }, 每当 用户进入到新的小区后, 开始进行判 决策略决定是否需要进行虚拟机迁 移 用户在小区的停留时间服从参 数为 λ 的指数分布, 也即决策时刻的 差服从指数分布 系统的行动集 A ={ a 1,a 2 },a 1 表示进行虚拟机迁移,a 2 表示 UE 仍和 原 MEC 进行通信, 采用的行动 a A 行动集 A 取决于系统状态, 但 不受决策时刻的影响, 也不受历史状 态影响 图 2 3GPP 蜂窝网络 3.2 系统状态和转移概率 在图 2 中, 固定通信 MEC 的位置 为 C(1,1), 如果执行策略后将虚拟机 迁移到新的小区, 就把新的 MEC 编 号为 C(1,1), 其余小区编号做出相应 改变 同时默认用户的初始位置为 C(1,1), 即恰好进行完一次虚拟机迁 移 处于蜂窝网络中的 UE, 周围有 6 个小区 假设 UE 移动到任意一个邻 居小区的概率均是 r, 则 UE 在小区不移动的概率是 ( 1-6r ) 按照小区由内而外的顺序分为 ( k + 1 ) 层, 第 n 层 (n > 1) 共有 6( n - 1) 个小区 将第 n 层的小区分为 ( n - 1) 类 :S nm ={C( n,m + i( n - 1 )) i = 0,1,2,3,4, 1 m ( n - 1 ), m N }, 设 S 11 ={ C( )} 1,1 所有类的集合即为系统状态 S: S = S 11 {S nm 2 n ( k + 1 ),1 m ( n - 1 ), n N,m N } 之所以要把第 n 层划分为 ( n - 1) 类是因为同层不同的类节点之间的 状态转移概率是不同 k = 3 时的状 态转移如图 3 所示, 易知这是一个马 尔可夫链 结合图 3 和蜂窝网络结构, 可知 系统转移概率是一个和状态 S 及行 动集 A 有关的函数 设当前状态为 s = s nm, 下一状态为 s' 这里 4 n ( k + 1 ),n 更小的情况可以在图 3 中直接读出 我们可以推出转移概 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

44 专题王秋宁等移动边缘计算的移动性管理研究 1-6r 1-4r 6r S 11 r S 21 图 3 4 层蜂窝网络的状态转移示意图 率为 : P( ) a=a1 a=a2 ì1s = s 11,a = a 1 ïrs' = s n(m ± 1),s' = s (n ± 1)m,s' = s (n + 1)(m + 1),a = a 2 ï rs = s (n + 1)m,m = 1,a = a 2 ï rs' = s s' s nm,a = í (n - 1)(m - 1),m 1,a = a 2 (1) 3rs = s ï 11,m = 1,a = a 2 ï2rs = s 11,m 1,a = a 2 ï1-6rs = s 11,n = k + 1,a = a 2 î0 otherwise 3.3 回报函数 本策略的主要目标是能量高效, 因此回报函数设定为传输耗能 传 输耗能有两类 : 第 1 类为虚拟机迁移 耗能 C m, 主要是将虚拟机数据传输 到新的 MEC 区域的耗能, 关闭和开 启虚拟机服务的耗能, 前者与数据量 大小和传输距离有关, 后者是一个常 量, 综合后将 C m 当作常量 ; 第 2 类为 UE 和通信 MEC 的数据传输耗能 C t, 是一个和传输距离有关的变量, 因此表示为 C t = c( n - 1 ),n 表示用户所在 小区的层数,c 表示单位距离的传输 耗能 当虚拟机迁移完成后, 由于用 户和通信 MEC 的距离很近, 所以这 时的传输耗能近似为 0 由于每次决 定虚拟机迁移都是在用户刚进入新 小区时, 在虚拟机迁移过程中用户和 通信 MEC 的传输耗能可以忽略不 计, 所以迁移耗能和传输耗能不会同 1 2r r r 2r 2r 3r 1-6r S 31 时存在 当虚拟机迁移完成后, 由于 用户和通信 MEC 的距离很近, 所以 这时的传输耗能近似为 0 综合两类 情况可知回报函数是一个和系统状 态及行动集有关的函数, 当系统状态 s = s nm, 推得回报函数为 : R( ) s nm,a = ì C m a = a 1 í (2) î c( n - 1) a = a 目标函数 结合前 3 节的推导, 基于行动 集 状态集 转移概率和汇报函数, 定义目标函数 V ( s,a ) 为系统在状态 s 和 策略 a 时的期望回报 : V ( s,a ) = E é ë ê γ t R( ) t = 0 r r ù s t,a ú (3) û 目标函数表示的是系统的总成 本, 其中 γ 是折扣因子, 表示对未来回 报的重视程度 ;s t 表示 t 时刻的系统 状态, 以递归形式表示为 : V ( s,a ) = R( s,a ) + γs s,a)v ( s' ) (4) s' S 1-6r S 41 2r 2r r r r r r r r S 32 S r r r 1-6r r r r r S 43 目标函数由当前回报和一定比 重的未来回报组合而成 假设策略 集合为 π, 那么由上述分析可知 A = π( S ) 此模型下, 行动集和系统 状态都是有限的, 而时间长度是无限 2r 1-6r r 的, 所以采用马尔可夫决策的无限阶 段折扣模型 最优的目标函数为 : V * ( s ) = min π V ( s,π( s )) (5) 最优策略为 : π * ( s ) = arg min( V ( s )) (6) 3.5 策略迭代法 本模型中, 虽然时间集 T 是无限 的, 但是系统的状态集 S 是有限的 可以使用策略迭代法, 在有限的时间 内求得最优策略 具体方法如下 : f π ; 步骤 1: 确定一个决策策略 f, 步骤 2: 对于所有的 s S, 求解下面 S 个方程 V ( s ) = R( s,f ( )) s + s' S γs s,f ( s ))V ( s' ) (7) 步骤 3: 将上一步求得的 V ( s ) 带 入式 (8), 求得对于所有 s S, 满足 式子条件的新决策策略 f ( 若有多个 满足条件的则任取一组 ): min a A ì ír( ) î s,f ( ) s,a + s S 步骤 4: 如果对于所有的 s S, 式 (8) 的等号都成立, 则返回最优策略 f ; 否则令 f = f 并返回步骤 2 4 仿真结果 γ( s s,a) V ( ) ü s ý = þ R( s ) + γ( s s,f ( s) ) V ( s ) s S R( s,f ( s )) + γs s,f ( s ))V ( s ) s' S (8) 与文中我们提出的马尔可夫决 策策略进行对比的是频繁迁移策略 和不迁移策略 频繁迁移策略是当 用户进入新的小区后就进行虚拟机 迁移 ; 不迁移策略是指除非用户距通 信 MEC 为 k, 否则不进行虚拟机迁 移 假设仿真中用到的数值如下 : 用 户和通信 MEC 的最大距离 k = 9, 蜂 窝网络层数 n 的最大值为 10, 折扣因 子 γ = 0.5, 虚拟机迁移的耗能 C m = 100, 用户和通信 MEC 的单位距 离耗能 c = 30, 用户向其他小区移动 概率 r = 0.1 初始状态用户位于通 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

45 移动边缘计算的移动性管理研究 王秋宁等 专题 信 MEC 所在小区 如图 4 所示, 横坐标是用户和通信 MEC 的距离, 即不同小区之间的距离 ; 纵坐标是系统耗能 图中共有 3 条曲线, 分别代表总是进行虚拟机迁移策略 不进行虚拟机迁移策略和文中所提策略 对比之后可以看出 : 总是迁移策略的每次耗能是固定的, 即为虚拟机迁移的耗能 ; 不迁移策略中用户需要和原 MEC 进行通信, 耗能随距离增加 ; 文中所提策略可在两种策略中取得最优情况, 即最小耗能 图 5 中, 横坐标用户移动次数, 用户每移动一次都会进行一次小区选择 纵坐标是累计的系统总耗能, 分别展示了 3 种策略的耗能情况 对比这 3 种情况, 可以看出虽然前期不迁移策略耗能和本文策略相同, 但随着用户的移动距离逐渐变远, 文中策略的节能效果就体现了出来 5 结束语 MEC 中的用户移动性管理是必 须考虑的问题, 我们从能量高效的角 度给出了一种虚拟机迁移策略 为了使模型更加贴近实际, 我们 首先对蜂窝网络中的用户移动规律 进行研究, 发现仅按照用户和 MEC 的距离对蜂窝小区进行分类是可以 改善的, 并对每层蜂窝网络进行了更 细化的分类并给出了状态转移概率 ; 之后分析以能量高效为前提的马尔 可夫决策模型, 主要是通过对 MEC 移动管理中的耗能进行分析量化, 反 映到回报函数中, 进而能通过解决马 尔可夫决策模型达到能量高效的目 的 通过仿真实验证明 : 本策略相比 于常规策略能够有效地节约能量 接下来我们的研究方向可以考虑结 合用户移动性调整模型, 或是设计 MEC 移动性管理系统模块 参考文献 [1] Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, White Paper[R/OL].( )[ ]. collateral/service-provider/visualnetworking-index-vni/mobile-white-paperc html [2] DAMNANOVIC A. A Survey on 3GPP Heterogeneous Networks[J].IEEE Wireless Communications,2011,18(3): DOI: /MWC [3] Mobile Edge Computing-A key technology towards 5G[EB/OL].( )[ ]. org/ d6e7ab98a99488bf5507dfbe/ etsi_wp11_mec_a_key_technology_towards_ 5g.pdf [4] TALEB T, KSENTINI A. An Analytical Model for Follow Me Cloud[C]//Proceeding of IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM). USA: IEEE, 2013: [5] KSENTINI A, TALEB T, CHEN M. A Markov Decision Process-Based Service Migration Procedure for Follow Me Cloud[C]//2014 IEEE International Conference on Communications (ICC). USA:IEEE, 2014: DOI: /ICC [6] WANG C, LI Y, JIN D. Mobility-Assisted Opportunistic Computation Offloading [J]. IEEE Communications Letter, 2014, 18(10): DOI: / LCOMM [7] NADEMBEGA A, HAFID A S, BRISEBOIS R. Mobility Prediction Model-Based Service Migration Procedure for Follow Me Cloud to Support QoS and QoE [C]// 2016 IEEE International Conference on Communications (ICC). USA:IEEE, 2016:1-6. DOI: / ICC 系统耗能 /J : 频繁迁移策略 : 不迁移策略 : 马尔可夫策略 作者简介 王秋宁, 北京邮电大学在读硕士研究生 ; 主要研究方向为移动边缘计算和内容分发 系统耗能 /J 用户与通信 MEC 距离 / 个小区 : 频繁迁移策略 : 不迁移策略 : 马尔可夫策略 5 10 MEC: 移动边缘计算 15 用户移动次数 / 次 图 4 用户与通信 MEC 不同距离的系统耗能 图 5 系统总耗能 谢人超, 北京邮电大学副教授 硕士生导师 ; 主要研究方向为未来网络体系架构 信息中心网络与边缘计算等 ; 主持国家与省部级项目 4 项 ; 已发表论文 40 余篇, 申请授权专利 10 余项 黄韬, 北京邮电大学教授 博士生导师 ; 主要研究方向为未来网络体系架构 软件定义网络 信息中心网络等 ; 主持国家与省部级项目 10 余项 ; 已发表论文 100 余篇, 申请授权专利 40 余项 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

46 专题张宝亚 5G 承载网技术和优化组网 DOI: /j.issn 网络出版地址 : 5G 承载网技术和优化组网 Technologies and Optimal Networking of 5G Bearing Network 张宝亚 /ZHANG Baoya ( 中兴通讯股份有限公司, 广东深圳 ) (ZTE Corporation, Shenzhen , China) 中图分类号 :TN929.5 文献标志码 :A 文章编号 : (2018) 摘要 : 大带宽 强路由 高可靠 L3 到边缘 25 GE/50 GE/100 GE 低成本光模块是 5G 承载网的基础要求 灵活以太网 (FlexE) 分段路由 (SR) 以太网虚拟专用网络 (EVPN) IPv6 设备虚拟化 高精度时钟是 5G 承载设备应具备的关键技术 认为承载网存在 4 个方面演进趋势 : 网络扁平化 ; 管理 控制 转发隔离 ; 传统网管向管控融合的 SDN 架构演进 ;4G/5G 统一承载 关键词 : SR;Flex-E; 网络切片 ;EVPN; 光模块 1 5G 无线网络的特点 5 G 移动网提供增强型移动宽带 (embb) 超可靠低时延通信 (urllc) 大规模机器类通信 (mmtc) 三大类业务, 不同业务性能 差异较大 :embb 业务面向传统移动 通信, 带宽大 ;urllc 业务面向工业 自动化等实时性控制类应用, 时延 低 可靠性高 ;mmtc 面向物联网应 用, 连接多 流量小 5G 无线接入网 (RAN) 重新划分 为有源天线单元 (AAU) 分布单元 (DU) 集中单元 (CU) 部分, 核心网 由 3G/4G 时代集中部署逐步向云化 分布式部署转变, 不同业务核心网下 沉到不同位置, 满足业务低时延的要 求, 提升用户体验 1.1 大带宽 基站带宽取决于无线频谱带宽 频谱效率 天线数等参数配置,64 TR 100 M 带宽的基站, 峰值带宽可以 达到 6 Gbit/s, 均值带宽 3 Gbit/s, 按照 国际电信联盟 (ITU) 定义 :5G 基站最 大峰值带宽可达 20 Gbit/s 实际情况 下, 基站速率难以达到最大峰值速 收稿日期 : 网络出版日期 : Abstract: Large bandwidth, strong routing, high reliability, L3 to edge, 25 GE/50 GE/ 100 GE low cost optical modules are the basic requirements of 5G bearing network. Flex Ethernet (FlexE), segment routing (SR), Ethernet virtual private network (EVPN), IPv6, virtualization of devices and high precision clock are the key technologies for 5G bearing equipments. Four evolution trends are proposed in this paper: flat network; isolation between management plane, control plane and forwarding plane; evolution of soft-defined network (SDN) architecture from traditional network to the management and control integrated network; 4G/5G unified bearing. Key words: SR; FlexE; network slicing; EVPN; SDN; optical module 率 另外, 考虑成本 功率等因素, 5G 基站类型会多种共存, 基站带宽 从 1~20 Gbit/s 均会存在 5G 基站分为高频基站和低频基 站 :5G 低频基站用于广覆盖, 在初 期,5G 低频基站和 4G 基站会同址部 署, 在成熟期,5G 低频基站密度与 4G 基站相当 ;5G 高频基站主要用于补 热, 初期规模不大, 但是有一些需要 25 GE 接口接入 1.2 低时延 5G 不同业务的时延差异化较大, 第 3 代合作伙伴计划 (3GPP)TR 定义 embb 端到端 (E2E) 时延 是 10 ms,urllc 是 1 ms, 其中 embb 的空口时延 4 ms,urllc 的空口时延 0.5 ms; 但是, 对于不同的 urllc 业 务,3GPP TS V 给出不同 的时延定义, 具体见表 1 [1] 1.3 流量 Mesh 化 5G CU 与 DU 部署灵活 可分可 合, 分设的 CU 和 DU 之间具有多对 一 一对多的特点, 存在双归和冗余 要求 根据 embb urllc mmtc3 类 业务分步引入, 核心网从集中式部署 逐步过渡到分布式部署 CU 和核心 网之间存在着多对多的关系, 核心网 之间存在流量交互的情况,5G 时代 业务流量 Mesh 化趋势较为明显, 具 体如图 1 所示 1.4 网络切片 下一代移动通信网 (NGMN) IMT 2020 第 3 代合作伙伴 (3GPP) 均 提出了 5G 网络基于软件定义网络 (SDN)/ 网络功能虚拟化 (NFV) 的网 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

47 5G 承载网技术和优化组网 张宝亚 专题 表 1 3GPP TS urllc 低时延业务类型及指标要求 场景 离散自动化 - 运动控制 离散自动化 过程自动化 - 远程控制 过程自动化 - 监测 配电 - 中压 配电 - 高电压 智能交通系统 池 触觉交互 远程控制 络切片架构, 网络切片可以为未来网 络创新 快速部署业务提供基础 同 时, 网络切片服务可提供管理隔离 资源隔离 计算隔离 转发隔离 控制 隔离等特色服务, 不同资源的隔离灵 活配置, 以满足不同类型的业务安全 性 可靠性 关键绩效指标 (KPI) 等方 面差异化的要求, 保障业务安全和服 [2] 务质量 1.5 NSA 向 SA 逐步演进 端对端时延 /ms 5G 建网模式分为独立部署 (SA) 模式和非独立部署 (NSA) 模式 :SA 模 式下, 新建无线 核心 5G 网络,4G 网 络和 5G 网络两张网独立运行 ;NSA 是一种逐步演进的网络技术方案, 通 过 4G 既有的资源, 仅在 4G 网络上增 强, 以局部扩容的方式为 5G 提供服 务, 并随着 5G 业务的不断成熟逐步 EPC EPC EPC X2 S1 X2 CP: 控制面 EPC: 核心网分组演进 抖动 1 μs 100 μs 20 ms 20 ms 25 ms 1 ms 20 ms 待定 待定 图 1 核心网之间 / 基站与核心网多对多连接 S1 X2 enb enb enb 通信服务的可用性 /% mmtc: 海量机器类通信 NB: 演进节点 演进到 5G 2 5G 承载网基础要求 2.1 大带宽 4G/5G 同址部署, 承载设备需要 同时满足 4G/5G 基站的能力 5G 基 站提供 10 GE/25 GE 接入能力, 市区 基站需要具备 25 GE 接入能力 5G 承载网带宽的相关分析具体如表 2 所示 5G 承载网, 链式组网可以采用 10 GE 接口 ; 分布式无线接入网 (D- RAN) 可以采用 25 GE/50 GE 接口 ;C- RAN 则需要采用 50 GE/100 GE 接口 组网 5G_UP 可靠性 /% , G_CP mmtc CP/UP 5G_UP 5G_UP 5G_UP UP: 用户数据面 用户体验数据速率 /(Mbit/s) 1~ ~100 对于 5G 承载网扁平化的 3 层架 构, 可以在区县汇聚机房放置多对汇 聚设备形成扁平化组网, 汇聚层采用 低 从低到 10 5G_UP 100 GE 上行链路, 可满足 5G 流量需求 ; 对于城域则采用双层汇聚的组网方式, 汇聚上行链路可采用 100 GE 组网, 核心汇聚以上初期可以采用 100 GE 组网,5G 成熟期核心汇聚逐步引入 N 100 GE/200 GE/400 GE 链路 5G 网路设计的模型, 具体如图 2 所示 5G 采用大容量设备组网, 这要求芯片具备更强的处理能力, 以及更低的功耗 : 接入层设备的 320 G 640 G 芯片是主流需求, 而核心汇聚层的 200 G 400 G 1 T 的高集成度芯片, 则能提供高密度单板 2.2 强路由 5G 承载网需要满足 3G/4G/5G 基站及政企业务承载, 路由涉及公网路由和基站私网路由 根据 3G/4G 时代基站建设, 未来 3G/4G/5G 基站数比预计 1:2:4(5G 阶段高低频基站数量比例 1:1,4G 5G 低频基站数量比例 1:1) 一个 3G 基站使用 2 个 IP 地址, 一个 4G 基站使用 1 个 IP 地址, 考虑到无线组播业务的需求, 一个 5G 基站可能会引入 2 个 IP 地址 一个大型本地网 3G 基站以 计算, 则基站业务路由量为 = 路由, 即全网最大需 基站业务路由地址 承载网内的路由主要以设备地址 数据通信网络 (DCN) 地址 互联地址为主, 未来引入切片后, 网络地址会增加 一个 台设备大型网络, 整网网络地址数量为 (1 个控制面地址值 +1 个 DCN 地址 ) 2 ( 假设互联地址和设备节点数等同 ), 大约 , 考虑网络切片的引入网络地址可能到 以上 城域汇聚核心设备路由要求超过 , 考虑政企业务的引入, 以及外部网络的互联互通, 汇聚设备路由容量要求具备 10 5 级别的路由 接入设备由于没有全网的路由, 因此路由数目相对来说较少,10 4 就已经足 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

48 专题张宝亚 5G 承载网技术和优化组网 表 2 5G 承载网带宽需求分析 [3-4] 够 项目 BBU 侧端口 整网 5G 基站数 每站点设备基站数 每接入环上站点设备数 收敛比 汇聚对带的基站数 核心汇聚对带的基站数 接入环带宽 汇聚上行带宽 核心汇聚上行带宽 2.3 高可靠性 BBU: 基带处理单元 C-RAN: 集中化无线接入网 D-RAN: 分布式无线接入网 汇聚 小 D-RAN 4G 基站 :GE, 基站带宽 150 Mbit/s 5G 低频基站 :10 GE, 均值带宽 2.1 Gbit/s( 规划带宽为基站均值带宽的 70%) C-RAN: 集中化无线接入网 移动业务丢包敏感, 网络故障引 起丢包对于用户感知有一定的影响, 快速的业务恢复是承载网基本要求 3GPP TR 定义的部分 urllc 业务, 对于网络的可靠性要求 由 5 个 9 指标提升到 6 个 9, 承载 小 D-RAN 不考虑收敛比, 大 D-RAN/C-RAN 收敛比为 1:2 汇聚层收敛比为 1:4 核心汇聚层收敛比为 1:8 100 ( ) 8= 18 Gbit/s 10 GI D-RAN 25 GI/50 GI 接入接入 ( ) 100 / 4 = Gbit/s ( ) 600 / 8 = Gbit/s 接入 图 2 5G 承载网网络规划 汇聚 大 D-RAN 2~ ( ) 8 3/2= 27 Gbit/s 核心 核心汇聚 100 GI 接入 N 100 GI/200 GI 核心汇聚 接入 600 小 C-RAN D-RAN: 分布式无线接入网 ~200 ( ) 5 6/2= Gbit/s 核心汇聚 D-RAN 50 GI 核心 接入 ( ) 200 / 4 = Gbit/s 接入 D-RAN 50 GI/100 GI 网络需要提供更高的可靠性 4G 阶段, 传输专线通过移动承载 网承载成为业界发展趋势, 随着基于 同步数字体系 (SDH) 的多业务传送 平台 (MSTP) 的退网, 大量的业务需 要迁移到移动承载网上 大 C-RAN 6~20 任何网络故障下, 承载网 ms 级 业务快速收敛, 是确保移动业务可靠 性的基础 利用快速重路由 (FRR) 4 100~200 ( ) 20 4/2= 90 Gbit/s POP 10 GI POP 接入 保护技术, 结合转发面的故障快速检测技术可以为 ms 级业务恢复提供基础 ; 对于无法形成 FRR 的场景, 通过路由快速收敛可以实现 5G 承载网业务的可靠性 对于政企 urllc 业务, 通过网络切片可以实现隔离的专网服务, 不同切片之间完全隔离 2.4 全 L3 组网由于 5G RAN CU/DU 分离, 针对核心网云化, 基站之间低时延需求, L3 到边缘 5G 承载网的关键为 : 5G 网络 CU/DU 分离 随着移动边缘计算 (MEC) 的引入 CU 云化部署 DU 与 CU 之间业务 L3 转发, 均提供了灵活性 5G C- RAN 组网成为普遍需求 5G 阶段载波聚合 (CA)/ 协同多点传输 (CoMP) 等基站协同部署显著, 协同 X2 流量就近转发满足时延需求, 如果绕行汇聚增加了转发跳数和传输光纤距离, 时延变大, 则难以达到协同增益 接入层采用 L3 层技术, 基站之间就近 1 跳转发是协同类业务部署的必然要求 5G 基站东西向流量大, 绕行浪费汇聚层的网络带宽 NSA 组网 5G 基站附着在 4G 基站,4G 基站和 5G 基站间存在流量需求,L3 到边缘组网, 流量可以就近转发, 避免流量回绕 2.5 低成本光模块 5G 承载网在用户网络侧接口 (UNI), 采用 10 GE 25 GE 接口接入基站, 网络侧会引入 25 GE 50 GE 100 GE 互联技术, 城域未来则可能会向 200 GE 400 GE 链路演进 5G 承载网要求光模块具备 : 集成化 小型化 高速率 长距离 低成本 低功耗 3 5G 承载网关键技术 3.1 FlexE FlexE 可实现 n 5G 通道化带宽, 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

49 5G 承载网技术和优化组网 张宝亚 专题 不同子通道有独立的媒体接入控制 (MAC), 同一个端口上不同子通道物理隔离 通过 FlexE 技术可提供灵活的以太接口带宽, 能够解决传统以太网端口仅有 FE GE 10 GE 40 GE 100 GE 200 GE 400 GE 的颗粒弊端, 增强以太网的组网能力, 满足网络切片物理隔离要求, 在一条链路上实现多个物理专网 FlexE 也可以实现多个 100 GE 端口捆绑提供超 100 GE 的接口带宽, 改变了传统以太网拓展链路带宽依靠 Smartgroup, 流量分担不均匀的问题, 多端口捆绑也可以基于多个时隙实现捆绑 FlexE 通道化结合设备虚拟化可以实现承载网转发物理隔离 控制隔离 管理隔离的逻辑网络, 在一张物理网络上实现多个物理隔离的逻辑网络, 如图 3 所示 量工程扩展的资源预留协议 (RSVP- TE) 路径扩展性和协议复杂性问题, 可以应用于跨域路径的建立 在可靠性方面,SR 避免了原有 IGP 算法的限制, 在承载网以环网为主要的接入形态下, 可以通过拓扑独立无环替换 FRR(TI-LFA) 保护,100% 形成节点和链路的 FRR 保护 SR 相对其他路径协议具有很多优点, 具体见表 MPLS EVPN 传统多协议标签交换 (MPLS) 二层虚拟专用网 (L2VPN) 分为虚拟标签专线服务 (VPWS) 和虚拟专用局域网业务 (VPLS) 类型业务,VPWS 引入目标 LDP 会话,VPLS 除了部署目标 LDP 外, 还需要学习本地用户 MAC 和远端 PE 发过来的用户的 MAC 地址, 设备上如果没有学习到目的 MAC 地址, 则需要广播处理, 这样存在广播 环路风险, 对网络规划要求较高 另外,L2VPN 在解决跨域互通场景方面比较复杂, 通常 Option A/Option B 多链路对接组网, 跨域保护不好解决, 需要借助于 Option C 才能实现简化跨域组网 MPLS 三层虚拟专用网 (L3VPN) 采用的是路由转发方式, 路由通过 BGP 在不同 PE 之间进行路由传播 传统 MPLS VPN 部署方式下, 网络中部署多种协议 MPLS 以太网虚拟专用网络 (EVPN) 通过 BGP 扩展避免了目标 LDP 建立, 减少了控制面协议部署 在 MAC 学习方面, 除了本地 MAC 学习以外, 远端的地址不需要依赖业务流进行学习, 而是通过边界网关协议 (BGP) 学习远端的地址, 像学习 VPN 路由转发表 (VRF) 路由一样学习远端 PE 上的用户地址, 降低了转发面 3.2 分段路由分段路由 (SR) 技术是一种源路由技术, 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 引入 SDN 控制器以后, 可以通过控制器掌握的全局信息计算出一条 E2E 的路径, 而不依赖跨域路由的通告, 这样可以弥补传统路径创建能力不足, 增强组网能力 SR 技术具有标签分发协议 (LDP) 的灵活性, 同时解决了基于流 表 3 各种 LSP 路径协议的对比 协议配合 标签分配方式 可扩展性 流量工程 FRR 跨域 LSP IPv6 LDP IGP + LDP 本地分配 ( 在每个节点为每个路由分配 ) 对 LSP 不需要保活,CPU 等资源占用低, 可扩展性好 不支持 可靠性中等 不支持 需要扩展 CPU: 中央处理器 FRR: 快速重路由 IGP: 内部网关协议 RSVP-TE IGP + RSVP-TE 本地分配 ( 在每个节点为每个隧道 LSP 分配 ) 每个 LSP 维护状态信息, 定时保活 ;CPU 等资源占用高, 可扩展性差 ;Mesh 网络路径 N 平方问题对设备压力大 支持 可靠性高 可支持, 需要松散 需要扩展 LDP: 标签分发协议 LSP: 分层服务提供商 RSVP-TE: 基于流量工程扩展的资源预留协议 SR IGP 扩展, 较为简单 全局分配 ( 只在源头为路由分配一次, 其他节点只是发布 )+ 本地分配 ( 与路由和 LSP 无关, 仅代表某节点的某个出向连接 ) 原有 IGP 保活,SR 没有额外的保活,CPU 等资源占用低, 可扩展性好 控制器集中算路, 网络节点压力小 支持 可靠性高 支持 支持 SR: 分段路由 虚拟路由 1 N Ch1 Ch1 NE1 100 GE NE2 100 GE NE3 Ch2 Ch2 控制隔离 物理隔离 转发隔离 切片 1 控制面 / 转发面 切片 1 控制面 / 转发面 切片 2 控制面 / 转发面 NE: 网元 切片 2 控制面 / 转发面 图 3 FlexE 结合设备虚拟化实现物理隔离的网络 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

50 专题张宝亚 5G 承载网技术和优化组网 的要求 同时, 对于没有学习到的目的地址流, 支持地址解析协议 (ARP) 代理功能, 可以禁止流量广播, 避免网络环路风险 由于借助了 BGP 方式, 跨域组网可借助 BGP 互通, 组网更加灵活, 同时可增强 L2VPN 组网能力 L2VPN 和 L3VPN 通过一套 BGP 协议实现协议的统一, 简化了控制面和转发面 3.4 IPv6 3G/4G 阶段, 无线一般采用 IPv4 私网地址, 承载网内部也是使用 IPv4 私有地址作为控制面互联地址, 访问 Internet 时, 需要进行网络地址转换 (NAT) 的转换 5G 阶段 RAN 和核心网会向 IPv4/IPv6 双栈演进,IPv6 已经成为国家战略 5G 承载网引入 IPv6 可以是逐步演进的方式, 基站采用 V4/V6 双栈, 网络地址可以继续采用 V4, 以 6vPE 方式承接业务 ; 未来可以在网络内部引入 V6 地址 3.5 高精度时钟 5G 阶段,C-RAN 成为主流, 随着市区微站 室分站的部署, 基站全部通过全球定位系统 (GPS) 同步, 投资大, 施工困难 C-RAN 组网下 CoMP/ CA 等基站协同组网,5G 阶段可能大规模引入 4G 与 5G 时代对于时钟同步要求不同, 具体如图 4 所示 在 5G 时代, 时钟同步存在差异化的需求, 高频站通过传统方式基本可以满足同步精度, 但是需要减少转发跳数, 基站协同需要在站点进行时间的统一分发, 以便能够实现超高时 间同步 在 4G 时代, 时间源同步精度在 150 ns 左右, 单节点同步精度在 30 跳 ns, 每跳同步精度在 40 ns 左右, 基站同步精度要求 150 ns 5G 时代, 时间源同步精度需要进一步提升到 30 ns, 单跳时延要满足 10 ns, 基站精度需要提升到 20 ns 对于基站协同类, 时间源的同步精度为 10 ns, 前传网同步精度在 100 ns, 承载的时延要求控制在 5 ns 以下, 时延源需要下沉在 C-RAN 中的站点设备上或小汇聚设备上, 以减少承载跳数, 提升同步精度 3.6 设备虚拟化设备虚拟化是实现承载网网络切片的基础 设备虚拟化需要做到资源的灵活分配, 每个虚拟设备有自己独立的资源 切片拥有独立的控制面 转发面 管理面, 切片之间互不影响, 切片可独立升级, 而不影响其他非相关切片的业务, 从而保障业务可靠性 设备虚拟化对于网元可以进行 CPU 内存 转发资源 管理资源的灵活调配, 不同切片的资源不一样, 满足灵活 动态创建切片的能力 4 承载网演进 4.1 网络扁平化 5G 以提升用户体验为中心, 影响用户体验的包含时延 抖动 带宽 业务转发经过的网络节点越多则业务质量的影响越大, 带宽瞬间拥塞的可能性越大, 链路带宽压力越大 环网需要汇聚多个物理区域的业务, 环上的带宽要求大, 网络故障影响区域大, 并且环上流量存在回绕风险, 易造成瞬时拥塞 ; 而扁平化的组网通过增加光路, 将不同区域的业务分开承载, 降低了上行链路带宽需求, 降低了转发跳数 环形组网和扁平化组网技术对比, 如表 4 所示 通过部署光纤或者波分将分组跳数减少, 能够满足扁平化组网需求, 提升网络质量 4.2 网络切片对于承载而言, 根据无线业务及综合承载业务的需求, 可以划分为两类切片 : (1) 管 / 控 / 转隔离切片 在承载网内实现物理隔离的切片, 以实现管理 控制 转发隔离, 甚至 CPU 内存等物理资源也可以实现隔离 这种方式可以应用于安全性 隔离性要求高的业务, 可提供类似物理专网的服务, 例如 : 为政企业务划分一个切片, 也可为某个用户分一个切片 ; 对于 5G 业务可以为工业控制类等安全性 可靠性要求高的 urllc 类业务分一个切片, 为其 embb mmtc 类业务分一个切片, 也可为第三方网络租用划分一个切片 (2) 管 / 转隔离切片 承载网提供相应的 VPN 切片服务, 这种切片的特点是对于时延 物理隔离要求不高, 例如 : 同样是 embb 业务, 但可对不同用户提供不同的服务 VPN 切 表 4 环型组网和扁平化组网对比 项目 环型组网 扁平化组网 光路要求 少 多 LTE :±1.5 μs 低频站同步要求和 LTE 差不多,±1.5 μs 就可以满足要求 高频基站同步精度要求 ±400 ns 定位服务 :3 ms<->~100 ns, 目前标准没有明确定义 业务转发跳数 时延 / 抖动 N*100 GE 200 GE/400 GE 需求 多大高 少大低 CoMP/CA, 精度要去 ±130 ns, 目前标准没有明确定义 流量回绕 链路拥塞风险 存在高 不存在低 CA: 载波聚合 CoMP: 协同多点传输 LTE: 长期演进 可靠性 低 高 图 4 5G 与 4G 对于时钟同步的要求比较 组网成本 高 低 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

51 5G 承载网技术和优化组网 张宝亚 专题 片可提供告警 性能 配置 登录安全方面的隔离 每个切片网络有独立的管理资源, 从而使得不同切片的告警 统计 网络等信息实现管理隔离 5G 网络物理切片的架构模型如图 5 所示 4.3 管 + 控融合的 SDN 架构传统移动承载网是基于网管架构, 通过厂家网络管理系统 (NMS)/ 网元管理系统 (EMS) 提供统一北向 接口, 屏蔽不同厂家接口差异 由于网络切片及 SR 的引入, 上层管理平台需要具备智能算路的功能, 即具备路径计算单元 (PCE) 的能力, 而传统的网管网依然存在需求, 提供控制器 +EMS 融合的产品平台, 既能满足传统网络运维的要求, 又能满足未来 SDN 场景下 SR 网络切片 网络虚拟化演进要求 融合平台通过 SDN 架构的 restconf 接口提供统一开放的北向接口, 南向则通过厂家融 合传统设备命令行界面 (CLI)/QX/ 简单网络管理协议 (SNMP), 以及 SDN 架构下 Netconf/ 路径计算单元通信协议 (PCEP)/ BGP 链路状态 (BGP-LS), 实现标准以及厂家私有扩容的 YANG 模型, 屏蔽厂家南向接口差异, 快速过渡到 SDN 架构 管控融合 SDN 架构, 具体如图 6 所示 4.4 基于演进的 4G/5G 统一承载网络 5G 移动网的建设, 是循序渐进的 编排器 切片初图 管理 编排器层切片视图, 需切片管理隔离 每个切片拥有独立控制器 控制器 控制层拓扑和控制隔离 SG AAU DU 池 CU MEC NGC vdc 切片可独立升级 RAN 切片 1 路由器 承载切片 1 VPN instancex IGP+LSP FlexE 子通道 A 路由器 CN 切片 1 RAN 切片 2 承载切片 2 VPN instancex IGP+LSP FlexE 子通道 A 本地 IP VxLan CN 切片 2 AAU: 有源天线单元 CN: 核心网 CU: 集中单元 DC: 数据中心 DU: 分布单元 IGP: 内部网关协议 LSP: 分层服务提供商 MEC: 移动边缘计算 NGC: 下一代核心网 RAN: 无线接入网 SDN: 软件定义网络 VPN: 虚拟专用网络 VxLan: 可扩展虚拟局域网 图 5 网络切片模型 应用界面 OSS/BSS 客户 APPs 运营商 APPs 报警和性能报告 Restconf 运营商 / 第三方编排器 Restconf 合作界面 控制界面 Controller EMS 流量分析 BGP: 边界网关协议 BSS: 基本服务集 CLI: 命令行界面 EMS: 网元管理系统 OSS: 对象存储服务 PCEP: 径计算单元通信协议 SNMP: 简单网络管理协议 接入传统网络 / 新网络 Netconf/PCEP/BGP-LS/BGP/CLI/SNMP 接入传统网络 / 新网络 核心传统网络 / 新网络 转发界面 图 6 管 + 控的融合运维架构 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

52 专题张宝亚 5G 承载网技术和优化组网 5G 初期 : 小规模商用试点 5G 发展期 : 规模商用 5G 成熟期 : 全网覆盖, 新业务拓展 城域核心汇聚 100 GE 100 GE 2 10 GE/100 GE 城域核心汇聚 100 GE/2 100 GE 100 GE 城域核心汇聚 400 GE 100 GE/2*100 GE 城域接入 GE 2 10 GE 城域接入 25 GE/50 GE 10 GE 城域接入 25 GE/50 GE/100 GE 10 GE RAN 4G 4G/5G RAN 4G/5G 4G/5G RAN 4G/5G 4G/5G 核心汇聚按需扩容 100 GE/2 10 GE 接入层按需扩容 100 GE/2 10 GE 核心汇聚扩容 100 GE, 核心按需扩容 2 10 GE 或 200 GE 接入层按需新建 25 GE/50 GE 接入环 核心汇聚按需扩容 GE/200 GE/400 GE 接入层根据流量提升 25 GE/50 GE 的规模, 大的环采用 100 GE 或 2 50 GE 组网 RAN: 无线接入网 图 7 5G 承载网逐步演进技术路线过程 重新建设一张新的网络投资大, 当前, 运营商普遍采用了 NSA 的组网模式,4G 基站和 5G 业务统一承载是业界的主流选择 5G 基站的模式存在多种 : 有数百兆带宽的微基站 室分站, 也有带宽 1~3 G 的低频基站 高频基站 无线基站的带宽受制于空口技术 频谱资源 天线成本 功耗,90% 以上的 5G 基站中单站带宽达不到 10 GE 以上的目标带宽, 只有在未来的 5G 成熟期, 可能会局部引入 10 GE 以上的高频基站 5G 业务是逐步引入的,2019 年随着 3GPP R16 标准的推出, 一些业务形态才能逐步清晰, 基于承载网自身的演进需求的 SR FlexE MPLS EVPN 设备虚拟化技术在 5G 初期阶段不会全网引入, 因为当前的技术能够满足 5G 业务承载需求 基于现网的逐步演进技术路线具体如图 7 5G 初期, 网络建设基于 4G 承载网扩容以提升网络带宽, 快速满足 5G 试点 小规模商用需求 ;5G 发展期, 扩容接入节点和城域节点 新的硬件满足 5G 演进关键技术要求, 可以局部引入新技术 ;5G 的成熟期, 随着新的单板和网元节点能力增强, 具备全网引入新技术能力 5 结束语 5G 时代, 承载网需要基于现有网络不断演进, 逐步引入新技术以满足 5G 承载要求 :FlexE SR 为下一代芯片提供有竞争力解决方案 ; 设备虚拟化结合 FlexE SDN 的网络切片是实现物理隔离 管理隔离 控制隔离 转发隔离, 满足不同业务差异化要求, 支撑 6 个 9 的高可靠性网络的关键 ;EVPN 组网能力强 组网安全性高等均是未来政企业务主流承载技术 ; 25 GE 50 GE 100 GE 光模块广泛引入, 低成本的光模块是 5G 承载网规模建设的保证 ;4G 承载网向 5G 逐步演进满足 4G/5G 统一承载, 是降低运营商网络投资, 满足无线 NSA 组网的 主流选择 参考文献 [1] 3GPP. Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies: 3GPP TR [S].2017 [2] IMT G 网络技术架构白皮书 [R].2016 [3] Study on Management and Orchestration of Network Slicing for Next Generation Network: 3GPP TR [S].2017 [4] Study on New Radio Access Technology&Interface:3GPP. TR [S] 作者简介 张宝亚, 中兴通讯股份有限公司 IP RAN 承载方案与产品规划总工 ; 主要从事 IP/MPLS 移动承载网络方案的制定及产品规划, 先后参与 Ezchip Xelerated BCM 等厂家多款商用网络处理器软件研发工作, 2010 年开始从事分组产品方案与产品规划工作, 自 2012 年开始参与中国电信 IP RAN 中国联通 UTN 以及国际 IP RAN 解决方案与产品的规划工作,2015 年开始参与中兴通讯 5G 解决方案规划与产品的规划 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

53 5G 承载的挑战与技术方案探讨 李俊杰等 专家论坛 DOI: /j.issn 网络出版地址 : 专家论坛策划人简介 赵慧玲 工信部通信科技委专职常委 信 息通信网络专家组组长, 中国通 信学会常务理事 信息通信网络 技术专业委员会主任委员 北京 通信学会副理事长, 中国通信标 准协会网络与业务能力技术工作 委员会主席, 中国电信科技委常 委兼核心网组负责人, 国际标准 组织 MEF 顾问董事,SDN/NFV 产 业联盟技术委员会副主任 ; 长期 从事电信网络领域技术和标准工 作 ; 曾获多个国家及省部级科技 进步奖项 ; 已发表论文 100 余篇, 5G 承载的挑战与技术方案探讨 Challenge and Technical Scheme of 5G Bearing Network 李俊杰 /LI Junjie 唐建军 /TANG Jianjun ( 中国电信股份有限公司北京研究院, 北京 ) (China Telecom Beijing Research Institute, Beijing , China) 中图分类号 :TN929.5 文献标志码 :A 文章编号 : (2018) 摘要 : 5G 的网络架构和业务特征相对于 3G/4G 时代出现了较大变化, 对 5G 承载网提出了挑战性的需求 针对大带宽 超低时延 高可靠 高精度同步 灵活性 网络切片 智能协同等七大特征, 探讨了 5G 承载技术方案, 涵盖前传 中传和回传承载方案, 并分别对应有源天线单元 (AAU) 和分布单元 (DU) 之间,DU 和集中单元 (CU) 之间, 以及 CU 和核心网之间的通信承载 关键词 : 5G; 承载 ; 前传 ; 中传 ; 回传 Abstract: Comparing with 3G/4G, 5G network architecture and service characteristics have changed greatly, which brings challenging requirements for 5G bearing network. In this paper, seven features of 5G are proposed, such as wide bandwidth, ultra low latency, high reliability, high-precision synchronization, flexibility, network section, and intelligent cooperation. And 5G bearing technical proposals are also discussed, including fronthaul, middlehaul and backhaul which correspond to the bearing network between active antenna unit (AAU) and distributed unit (DU), the bearing network between DU and centralized unit (CU), and the bearing network between CU and core network. 技术专著 12 部 Key words: 5G; bearing network; fronthaul; middlehaul; backhaul 1 5G 发展概况 5 G 致力于构建信息与通信技术的生态系统, 是未来无线产业发展 的创新前沿, 也是目前产业界最热的 课题之一 5G 的愿景是为了应对未 来爆炸性的移动数据流量增长 海量 收稿日期 : 网络出版日期 : 的设备连接 不断涌现的各类新业务 和应用场景, 同时与行业深度融合, 满足垂直行业终端互联的多样化需 求, 实现真正的 万物互联, 构建社 会经济数字化转型的基石 国际电信联盟 (ITU) 为 5G 定义 了增强型移动宽带 (embb) 大规模 机器类通信 (mmtc) 超可靠低时延 [1] 通信 (urllc) 三大业务场景, 如图 1 所示 实际上, 不同行业往往在多个 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

54 专家论坛李俊杰等 5G 承载的挑战与技术方案探讨 超低成本 无处不在的覆盖 关键指标上存在着差异化的要求, 因 而 5G 系统还需支持可靠性 时延 吞 吐量 定位 计费 安全 可用性的优 化组合 ; 万物互联也带来了更高的安 全风险,5G 能够为多样化的业务场 景提供差异化的安全服务, 保护用户 隐私, 同时还能支持提供开放的安全 能力 超高带宽 超低功耗 mmtc embb 当前网络 感知内容 在政府 运营商和设备商的大力 推动下, 中国 5G 的发展步入快车 道 2017 年 11 月 30 日, 中国国家发 改委在 2018 年新一代信息基础设施 建设工程 [2] 中明确要求运营商启动 5G 规模组网建设及应用示范工 程 2017 年 12 月 1 日结束的 3GPP 超高可靠性 urllc 超低时延 高安全性 高移动性 embb: 增强型移动宽带 mmtc: 大规模机器类通信 urllc: 超可靠低时延通信 美国里诺会议上,3GPP R15 NSA 核心 标准部分已经冻结 中国的三大运 营商均已启动 5G 无线外场测试 5G [3] 承载技术研究等工作 2 5G 承载的需求与挑战 5G 建设, 承载先行, 承载网络 对 5G 发展的重要性不言而喻 由于 5G 网络架构和业务特征相对于 3G/ 4G 有了较大变化, 因此对 5G 承载网 提出了挑战性的需求, 可以归纳为七 大特征, 如图 2 所示 图 1 5G 典型业务场景性能需求 5G 网络由于引入了大带宽和低 时延的应用, 因此需要对传统的无线 接入网 (RAN) 体系架构进行改进 5G 的 RAN 网络将从 4G/LTE 网络的基带处理模块 (BBU) 射频拉远单元 (RRU) 两级结构演进到集中单元 (CU) 分布单元 (DU) 和有源天线单元 (AAU) 的 3 级结构, 如图 3 所示 因此,5G 承载网络也将会从 4G 时代的前传和回传两部分演变成 5G 时代的前传 (Fronthaul) 中传 (Middlehaul) 和回传 (Backhaul) 这 3 部分, 它们分别对应了 AAU 和 DU 之间,DU 和 CU 之间, 以及 CU 和核心网之间的通信承载 4G 时代就逐渐凸显的单个基站带宽大幅增加, 基站部署密度加大所引起的基站选址困难 机房成本高 基站资源利用率低 维护工作量大等问题在 5G 时代将愈演愈烈 因此, 作者认为 5G RAN 网络势必延续 4G BBU 集中策略, 将 DU 集中作为一种主流的组网架构 5G 核心网必须满足 5G 低时延业务处理的时效性需求, 核心网下移成为一种趋势, 特别是针对 urllc 等时延敏感型业务 3GPP 已经将核心网下移纳入讨论范围, 并推动移动边缘计算 (MEC) 的标准化 核心网下移并云化后,MEC 将分担核心网流量 运算压力, 其数量会 5 灵活性 : 海量设备连接的灵活管理 ex2 横向流量 核心网云化部署和动态迁移 1 大宽带 : 前传 ecpri 25 G 单基站 ( 低频 3Cell) 业务带宽 3~5 G, 中回传带宽超 100 G 智慧家庭 3D 视频 超高清视频 6 网络切片 :embb urllc mmtc 等不同类型业务隔离, 不同租户网络隔离 7 智能协同 :RAN 核心网 承载网智能协同, 满足高效运维和业务快速发放需求 智慧城市 智慧楼宇 游戏 云办公虚拟现实工业自动化关键任务自动驾驶 2 超低时延 :embb 业务 4 ms; urllc 业务 0.5 ms; urllc 业务前传时延要求 20-30μs 3 高可靠 : 部分 urllc 业务要求 % 可用性 4 高精度同步 : 协同业务同步需求达到 100 ns 量级 ecpri: 增强通用公共无线电接口 embb: 增强型移动宽带 mmtc: 大规模机器类通信 RAN: 无线接入网络 urllc: 超可靠低时延通信 图 2 5G 承载网的挑战性需求 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

55 5G 承载的挑战与技术方案探讨 李俊杰等 专家论坛 回传 回传 5G 承载中扮演重要角色 前传 (CPRI) 不断增加 而不同的业务回传可能 归属到不同的云上, 因此需要承载网 具备将不同业务通过 CU 归属到不同 MEC 的 L3 路由转发能力 而原来基 站与每个演进的分组网 (EPC) 建立 的连接也演进为 CU 到云 (MEC) 以及 云到云 (MEC 到 5G 核心网 (NGC)) 的 连接关系 综上所述,5G 承载网在带宽容 量 时延和组网灵活性等方面提出了 新的需求 如何利用一张统一的承 载网来满足 5G 不同业务的承载需求 是承载网所面临着的巨大挑战, 具体 包括 : (1)5G 网络带宽相对 4G 预计将 有数十倍增长, 导致承载网带宽急剧 增加,25 G 高速率将部署到网络边 缘, 低成本的 25 G/50 G 光模块和波 分复用 (WDM) 传输是承载网的第 1 个挑战 ; 非实时部分 4G BBU 部分物理层 4G RRU AAU: 有源无线单元 BBU: 基带处理单元 CPRI: 通用公共无线电接口 CU: 集中单元 DU: 分布单元 ecpri: 增强通用公共无线电接口 (2)uRLLC 业务提出的 1 ms 超低 时延要求不仅需要站点合理布局, 微 秒量级超低时延性能是承载设备的 第 2 个挑战 ; 中传 前传 (ecpri) (3)5G 核心网云化 网络切片等 需求导致 5G 回传网络对连接灵活性 的要求更高, 如何优化路由转发和控 制技术, 例如 : 引入分段路由 (SR) 以太网虚拟专用网 (EVPN) 等新技 PDCP MAC/RLC PHY 术, 满足 5G 承载设备的成本限制和 运维便利性需求, 是承载网的第 3 个 挑战 5G CU 5G DU 5G AAU MAC: 媒体接入控制 PDCP: 分组数据汇聚协议 PHY: 物理层 RLC: 无线电链路控制 RRU: 射频拉远模块 3 5G 承载技术方案探索 首先, 需要明确的是 5G 承载网 不会是独立的存在, 面向固移融合的 发展趋势,5G 承载网 光纤固定宽带 网络 政企专线网络等势必统筹考 虑, 特别是在光纤光缆 机房等基础 设施和传输承载设备方面, 都需要考 虑资源共享, 降低成本 基础设施和 基础网络共享是 5G 承载必须考虑的 前提条件 其次, 虽然 5G 承载网逻辑上分 成前传 中传和回传 3 部分, 但是在 实际网络部署中存在不同单元共机 房部署甚至设备融合的场景, 例如 CU/DU 合设 AAU/DU 合设 AAU/DU/ CU 合设等 而且为了保证网络质 量, 不同业务的 CU 可能会部署在网 络的不同位置 此外,5G 承载网还 需要考虑对 4G 甚至 3G 业务的后向 兼容能力 图 3 5G RAN 功能模块的重构 综上所述,5G 承载技术方案必须 考虑固移融合综合承载, 满足 3G/4G 后向兼容, 支持 5G 网络多样化部署 等需求, 而综合承载正是光传送网络 的优势, 因此大带宽光传送网络将在 3.1 5G 前传承载方案探讨 5G 前传对应 DU 和 AAU 之间的接口, 在 4G 及以前通常采用通用公共无线电接口 (CPRI), 但是进入 5G 以后, 若继续采用 CPRI 接口, 带宽将达到 300 Gbit/s 以上, 即使通过压缩, 带宽也在 100 Gbit/s 左右, 给前传带来的巨大的带宽和成本压力 为了解决此问题, 业界定义了新的增强通用公共无线电接口 (ecpri), 将带宽控制到了 25 Gbit/s 以内 ecpri 接口标准已于 2017 年 8 月底发布, 目前中国市场主流无线设备厂商均计划采用 25 G ecpri 接口 5G 前传对应 DU 集中部署,AAU 拉远 (C-RAN) 和 AAU 和 DU 共址部署 (D-RAN) 两种场景 D-RAN 场景相对简单,AAU 和 DU 之间一般部署在塔上塔下, 通常采用光纤连接, 传输距离一般在 100 m 以内, 少量场景在 100~200 m 之间, 此时可以选用 ecpri 接口, 少量厂商为了保持 CPRI 接口的性能优势, 也在努力开发低成本的 100 Gb/s 光模块, 计划在 D-RAN 使用 C-RAN 场景对应的拉远距离通常在 10 km 以内, 业界普遍认为将采用 25 Gbit/s ecpri 接口 考虑成本和维护便利性等因素,5G 前传将以光纤直连为主, 局部光纤资源不去的地区, 可通过设备承载方案作为补充 对于 5G 光纤直驱方案, 笔者强烈推荐采用 25 G 单纤双向 (BiDi) 光模块方案 该方案不仅可以节约 50% 的光纤资源, 还可以是保证往返路由长度和时延的一致性, 从而提高同步传输精度 5G 前传光模块需求数量巨大, 呼吁业界高度重视, 尽快形成一致方案并推动标准化, 加速相关器件产业链的成熟 5G 前传设备承载方案的思路是采用 WDM 技术节约光纤资源, 包括粗波分复用 (CWDM) 和密集波分复用 (DWDM) 两种, 设备形态包括无源 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

56 专家论坛李俊杰等 5G 承载的挑战与技术方案探讨 WDM 有源 WDM 波分复用无源光网络 (WDM-PON) 等 不同的设备类型和 WDM 技术方案存在不同的特点和适用范围, 后续将根据技术和设备发展情况进一步研究其应用场景 未来运营商实际部署可能存在较大的差异化 总之,5G 前传的设备承载方案的主要诉求是低成本和可维护性, 业界还在努力寻找具有最高性价比优势的方案 3.2 5G 中传 / 回传承载方案探讨 5G 不同业务的需求差异较大, 例如 :mmtc 物联网业务需要处理大连接需求, 业务带宽和性能高要求较低, 倾向于在核心网集中处理 ; 而 urllc 业务由于时延等性能要求, 核心网位置需要下移 因此 5G 核心网络的局部下移和云化将成为发展趋势, 中 / 回传承载网络的结构存在多样性 与前传一样,5G 中 / 回传首先需要解决的也是带宽问题, 根据模型计算, 工作在 3.5 GHz 频率和 100 MHz 带宽的 3 载扇单基站的中回传带宽需求将达到 3~5 Gbit/s 在 DU/AAU 合设或者 DU 小集中场景,DU 节点上行带宽将接近甚至超过 10 Gbit/s; 而在 DU 大集中场景,DU 集中节点上行带宽可能接近 100 Gbit/s 这样的带宽需求已经接近甚至超过了光纤到户 (FTTH) 宽带网络光线路终端 (OLT) 上联带宽需求, 因此 5G 中 / 回传需要引入 WDM/ 光传送网 (OTN) 承载技术, 采用 WDM 方式满足带宽和传输距离需求, 并实现光层保护等质量保障措施 在业务层面尽量采用光层波长直达 ( 即物理上采用环形组网, 逻辑上是树形组网 ), 有利于降低成本和功耗, 同时波长直达方案减少了处理时延, 优异的时延性能也满足了 5G 业务的低时延需求, 如图 4 所示 灵活性是 5G 中 / 回传网络的另一个重要需求 灵活性需求主要源于 3 个方面 :(1)5G 网络的 ex2 等横向流 50 G/100 G/200 G 共享环组网 25 G 波长树形组网 量相对于 4G 网络预计有明显增加 (2)DU 上联 CU CU 回传的双上联 动态迁移等安全性需求 (3) 核心网 云化部署以后带来 CU 与 MEC NGC 之间动态连接和动态迁移等需求 5G 中 / 回传网络的路由转发功能 实现有两种方式 :(1) 继续采用现有 的基于 IP 的无线接入网 (IPRAN) 技 术, 此时为了满足 5G 对大容量的需 求,IPRAN 需考虑引入 25 GE 50 GG 甚至 100 GE 等高速接口, 在市县 县 乡 城域核心层等区域还需要 WDM/ OTN 网络为 IPRAN 提供大量波长连 接 (2)OTN/WDM 方案在已经具备光 通路数据单元 (ODUk) 硬管道 以太 网 / 多协议标签交换传送应用 (MPLS- TP) 分组业务处理能力的基础上, 进 一步增强路由转发功能, 以更加紧凑 的设备形态和组网方案满足 5G 承载 的灵活组网需求 目前通信设备 L1/L2/L3 的交换功 能都可以通过统一信元交换技术加 以实现, 因此在 OTN/WDM 设备上增 强路由转发功能只需要配置相应的 线卡即可, 具有较强的技术可行性和 成本优势 基于 OTN/WDM 方案的硬 管道能力, 业界正在研究通过简化和 低成本的路由转发技术, 在满足 5G 承载灵活性需求的同时, 满足 5G 大 规模部署对低成本的要求, 例如 : SR EVPN 等新型路由和转发技术得 到了较多的关注 200 G 环 N*25 G 图 4 承载网从环形向树形组网演进示意 网络切片是 5G 的新需求, 本质 上网络切片就是对网络资源的划分 和隔离 具体承载网对 5G 切片的支 持, 可以提供 L1 硬切片和 L2/L3 软切 片两个层次的网络切片承载方案 4 结束语 5G 不仅仅是移动通信技术的升 级换代, 更是未来数字世界的驱动平 台和物联网发展的基础设施, 将真正 创建一个全联接的新世界 对于运 营商而言,5G 只是一种重要业务, 承 载网络必须考虑所有业务, 包括 5G 固定宽带 云和政企专线等业务, 提 供统一的综合承载 参考文献 [1] ITU-R. IMT 愿景 :5G 架构和总体目标 :ITU-R M.2083[S]. Geneva: ITU, 2015:9 [2] 中华人民共和国国家发展和改革委员会. 国家发展改革委办公厅关于组织实施 2018 年新一代信息基础设施建设工程的通知 [R/OL]. ( ) [ ]. ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201711/t _ html [3] C114. 5G 时代即将来临三大运营商是如何布局的 [R/OL]. ( ) [ ]. html 作者简介 李俊杰, 中国电信股份有限公司北京研究院网络研发与运营支持部副主任 教授级高工, 曾任中国通信学会青年工作委员会委员 国际标准组织 OIF 董事等职 ; 主要研究方向为光通信和光网络技术 ; 曾多次获得国家级和省部级科学技术奖励 唐建军, 中国电信股份有限公司北京研究院光通信中心高级工程师 ; 主要研究方向为 5G 承载 量子通信 ROADM 等 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

57 面向 5G 的传送网新架构及关键技术 李晗 专家论坛 DOI: /j.issn 网络出版地址 : 面向 5G 的传送网新架构及关键技术 The New Architecture and Key Technologies for 5G Transport Network 中图分类号 :TN929.5 文献标志码 :A 文章编号 : (2018) 摘要 : 面向 5G 的传送网面临大带宽 低时延 网络分片 灵活连接 高精度时间同步 组网架构变化等多方面的技术挑战 指出了分组传送网 (PTN) 基于 IP 的无线接入网 (IPRAN) 光传送网 (OTN) 等现有技术难以完全满足 5G 的长远需求, 灵活以太网 (FlexE) 灵活光传送网 (FlexO) 分段路由 (SR) 软件定义网络 (SDN) 等新技术为 5G 承载提供了新的选择, 基于 25 G 的光管芯也逐渐成为了高速光通信的基础 认为 5G 为新的传送网技术的引入提供了重要驱动和时间窗口, 并首次提出了将切片分组网 (SPN) 体系架构用作 5G 前传 中传和回传的统一承载, 同时还对其关键技术做了介绍 关键词 : 5G; 传送网 ;SPN Abstract: The 5G oriented transport network faces many technical challenges, such as large bandwidth, low latency, network fragmentation, flexible connection, high precision time synchronization, and network architecture change. Current transport technologies, including packet transport network (PTN), IP radio access network (IPRAN), and optical transport network (OTN), are difficult to fully meet the long-term needs of 5G. New technologies including flexible Ethernet (FlexE), flexible OTN (FlexO), segment routing (SR), and software defined networking (SDN) have provided new choices for 5G transport. The 25 G-based optical chip has gradually become the basis for high-speed optical communications. 5G will provide an important driving force and time window for new transport technologies. The 5G transport network is divided into three scenarios, including fronthaul, mid-haul and backhaul, which unified by slicing packet network (SPN) architecture. In addition, the key technologies of SPN are introduced. Key words: 收稿日期 : 网络出版日期 : G; transport network; SPN 1 现有传送网技术无法完全满足 5G 传送网需求 向 5G 承载的传送网面临多方面面挑战, 如 : 无线接入网络 (RAN) 架构变化 更高的带宽需求 更低的 时延 网络分片 更高的时间同步等 现有技术包括 : 分组传送网 (PTN) 基于 IP 的无线接入网 (IPRAN) 光传 送网 (OTN) 等都无法完全满足 5G 的 [1-3] 需求, 需要新的技术体制 1.1 5G RAN 架构变化 在 3GPP 的 5G 标准中,5G RAN 从 功能角度划分为了集中单元 (CU) 和 分布单元 (DU) 两级架构, 传送网也 相应分为前传 中传 回传, 并且所需 [4] 传送功能及业务需求各不相同 同 时由于 CU 与 DU 是逻辑网元, 可分开 或一体化部署, 所以中传 回传并没 有严格的物理界限, 需统一承载 此 李晗 / LI Han ( 中国移动通信研究院, 北京 ) (The Research Institution of China Mobile, Beijing , China) 外, 随着移动边缘计算 (MEC) 的引 入, 网络切片和核心网中将部署网络 功能虚拟化 (NFV) 这种新模式将 使传输网络成为云和数据中心之间 的网状网, 而不再只是提供传输服 务 因此需要新的传输技术和网络 架构来适应 5G 时代的架构转型 1.2 5G 移动传送网的超大带宽增长 一方面, 随着 4K 高清 增强现实 (AR) 虚拟现实 (VR) 物联网等业 务的快速增长, 流量急剧增长, 传送 网络需要更大的带宽 ; 另一方面,5G 基站的峰值带宽将增长 10 倍以上, 接口速率较 4G 将增长 10~100 倍 这 些需求驱动移动传输网络引入新的 比特率系统 在接入层, 比特率将从 100 M 提至 1 GE, 再到 50 GE/100 GE; 在汇聚层, 将从 10 GE 增长到 100 GE/ 400 GE, 在密集地区, 汇聚层峰值甚 至可达到太比特量级 提高物理端 口速率是选择之一, 更高效率的链路 聚合也是很必要的补充技术 1.3 5G 移动传送网中的严格低时延 要求 第 3 代合作伙伴计划 (3GPP) 在 超可靠低时延通信 (urllc) 场景中 定义了多种服务, 主要特点是低误码 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

58 专家论坛李晗面向 5G 的传送网新架构及关键技术 率 低延迟和确定性延迟 这些时间 敏感业务可能需在移动传送网中保 持亚毫秒级时延 因此,5G 传送网 时延要求越来越苛刻, 较 4G 需降低 10~100 倍 尽管可挖掘出现有设备 / 芯片的所有潜力, 但现有传输技术的 上限还无法满足这类业务的需求 1.4 网络灵活性需求 5G 核心网网关 (GW) 下沉 MEC 下沉 物联网 GW 下沉 ; 另外,5G 转变 为以云为中心进行网络构架, 网络流 量流向转为多点到多点 因此要求 5G 传送网能够提供灵活连接 1.5 5G 移动传送网网络切片需求 5G 传送网需要支持无线 集客 家庭宽带上联等业务, 同时需支持增 强型移动宽带 (embb), 大规模机器 类通信 (mmtc) 和 urllc 多种业务类 型, 这些业务具有不同特性, 如 : 时 延 带宽 连接数量 可靠性等 网络 应根据不同服务的特点提供隔离 功 能剪裁及网络资源分片, 且每个网络 切片可拥有独立的网络资源和管控 能力, 现有技术无法实现这些功能 1.6 5G 传送网超高精度时间同步需求 4G 基站间时间同步精度要求 是 ±1.5 us,5g 如果考虑基本空口需 求, 超短帧情况下, 时间同步精度需 求预计在 ±390 ns; 考虑基站间协作化 等增强属性不在全网要求, 预计在 ± 130 ns 左右 ; 考虑局部 5G 支持的新业 务 ( 如基站定位 ), 预计在 ±10 ns 左 右 相比 3G/4G, 时间同步精度需求 提高 10 倍以上, 现有同步技术无法 满足 2 SPN 技术架构更适合 5G 传送网应用 到 DU 之间的网络 ) 中传网络 (Midhaul, 即 DU 到 CU 之间的网络 ) 回传网络 (Backhaul, 即 CU 到核心网之间的网络 ), 如图 1 所示 这 3 部分可以根据业务需求动态地定位到网络中, 而每个部分对时延 带宽等都有不同的要求 CU 和 DU 的两级架构, 从应用场景以及部署场景来看, 前传 中传 回传网络在地理位置上是相互重叠的, 光纤和机房资源是共享的, 且面向分组的网络是首选, 这 3 个部分网络的实现可采用统一的具有分片功能的传输技术来实现, 以满足其对带宽 时延以及业务模型等方面的需求 针对前传 中传以及回传网络, 采用相同的传输技术, 有助于灵活地进行端到端业务的统一控制 管理与维护 在 5G 部署初期基站为低频段组网,CU 和 DU 采用合设的方式,RRU 采用分离方式 ; 在热点区域部署高频站进行覆盖,CU 与 DU 会采用分离的方式以实现统一锚点 在 5G 部署后期时, 会采用高频站组网, 传统 DU 与 RRU 之间增强通用公共无线电接口 (ecpri) 不能满足流量需求, 因此 DU 与 RRU 采用合设的方式,CU 可采用小集中或大集中的方式 (1) 前传网络前传网络是 RRU 和 DU 之间的网络, 是 5G 移动传输网络的一部分 前传网络符合低延迟要求, 且支持 ecpri 由于每个 RRU 只属于一个 DU, 因此采用点对点的业务模型 gnb RRU CU DU 由于 DU 距离 RRU 较近, 主要采用光纤直驱的方式, 少量采用有源设备的方式 RRU 和 DU 之间的距离在 2~5 km 之间 (2) 中传网络中传网络是指 DU 与 CU 之间的网络, 也是 5G 移动传输网络的一部分 中传网络为非实时业务提供合理的低时延, 并且支持统计复用 在 CU 集中部署时, 需要考虑负载分担以及容灾需求, 因此 DU 与 CU 之间需要支持多点到多点业务模型 设备调制之后对中传网络会有统计复用需求, 与回传网络的需求类似 DU 和 CU 之间的距离大约是在 10~40 km 之间 (3) 回传网络回传网络是指 CU 与核心网之间的网络, 是 5G 移动传送网络的一部分 密集波分复用 (DWDM) 技术是满足日益增长的带宽需求的可行性技术 在 5G 时代,MEC 需要部署到 CU 这一侧, 因此要求回传网络能够提供灵活的网络连接, 并支持统计复用, 其采用的是点对多点的业务模型 CU 与核心网之间的距离可能大于 80 km 2.2 5G 传输网优选 SPN 技术架构目前, 业界主要有 3 种面向 5G 承载的技术方案, 分别为 :L3 OTN 升级 PTN/IPRAN over OTN 切片分组网 (SPN) L3 OTN 方案通过改造 OTN 支持灵活光传送网 (FlexO) 功能, 实 Backhaul MEC 5G CN 2.1 5G 传输网端到端架构 5G 标准提出了 CU 和 DU 的分离, 使得传送网络分为 3 部分 : 前传网络 (Fronthaul, 即远端射频单元 (RRU) Fronthaul Mid-haul Backhaul 图 1 5G 传送网架构 CN: 核心网 CU: 集中单元 DU: 分布单元 gnb: 下一代基站 MEC: 移动边缘计算 RRU: 远端射频单元 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

59 面向 5G 的传送网新架构及关键技术 李晗 专家论坛 现灵活带宽能力, 并新增 L3 功能, 包 括统计复用 横向转发 虚拟专用网 (VPN) 等, 满足 5G 对高效和灵活连 接的需求, 新的 OTN 方案需要新芯片 满足低时延和高精度时间同步需 求 升级 PTN/IPRAN over OTN 方案 是通过两套设备来满足新的需求, 同 时为满足大容量 低时延 高精度时 间同步,PTN IPRAN 和 OTN 都要求 新平台, 新设备, 并通过硬件升级支 持灵活以太网 (FlexE) 分段路由 (SR) 软件定义网络 (SDN) SPN 融 合以太网和时分复用 (TDM) 技术优 势, 既保证高效承载, 又保证安全性 和业务质量, 支持切片能力 ; 同时引 入面向传送的分段路由技术 (SR- TP) 和 SDN 实现新型动态路由能力 ; 并在新的光层技术实现中长距离的 成本优化 3 种方案都需要芯片, 设 备方面的革新, 并非简单升级就能支 持 通过分析, 方案的 SPN 是基于通 用的以太网网络进行 TDM 切片创 新, 通过支持面向传送的以太网分片 技术 (SE-TP) 实现连接, 交换和监测 等方面高效传输, 并新增 SR-TP 支持 灵活连接和 SDN 统一管控, 能满足端 到端 5G 传输要求 SPN 基于高性价 比的以太网产业创新构建, 通过一套 设备实现传输, 满足多样传输需求, 更易于管控运维, 同时兼容已有的 PTN 传输网络, 是满足 5G 传输的优 选方案 3 SPN 融合多项创新技术形成新一代传送网体制 针对上述 5G 传输网络面临的挑 战,SPN 系统在带宽 时延 灵活连 接 分片 时间同步和统一管控上采 用了多项创新关键技术, 能够满足 5G 业务要求 3.1 切片分组网架构 SPN 采用创新的以太网分片技术 (SE) 和 SR- TP 技术, 并融合光层 DWDM 技术的层网络技术体制 SPN 总体结构见图 2, 层次包括 : 切片分组层 (SPL): 实现分组数 据的路由处理 切片通道层 (SCL): 实现切片以 太网通道的组网处理 切片传送层 (STL): 实现切片的 物理层编 解码, 以及 DWDM 光传送 处理 3.2 切片分组网关键技术 大带宽技术 根据 5G 频谱 (100 M, 64T/64R) 对 基站带宽需求测算, 接入环带宽达到 25 G 以上, 汇聚环接近 80 GE, 核心 环带宽超过 110 G, 对新型以太端口 的需求越来越高 对于 5G 传输网, 大部分接入环带宽需升级到 50 GE, 少部分甚至需要提升到 100 GE, 汇聚 环会出现超 100 GE 的需求, 核心环 需要 N 100 GE 或者 N 200 GE, 甚至 N 400 GE 等更大的带宽 因此, 核 心和汇聚层需引入彩光方案, 接入层 考虑采用高速的灰光接口技术 对汇聚核心层的传输通路, 考虑 使用彩光方案, 基于 25 G/50 G 非相 干 DWDM 和 100 G/200 G 相干 DWDM 的技术, 可根据性价比选择 接入层 考虑灰光方案, 使用 50 GE 的 4 级脉 冲幅度调制 (PAM4) 或者 100 GE 的 PAM4 满足带宽需求 对于前传, 在 光纤受限时, 可考虑简化的基于波分 DWDM: 密集波分复用 MAC: 媒体访问控制 PMA: 物理介质连接 PMD: 物理介质相关 图 2 SPN 分层架构 SPL SCL STL 复用 (WDM) 的 SPN 设备, 实现多业 务 多接口的汇聚, 实现前传 中传和 回传的统一承载 目前高速以太网端口基本光管 芯分为单波 10 G 非归零码 (NRZ) 和 25 G NRZ 两种 基于 10 G 光电器件 平台, 主要有 10 GE 和 40 GE 两种以 太网接口 下一代的 ETH 端口将基 于 25 G 光电器件平台, 实现 25 GE 端 口, 并通过 PAM4 电调制和前向纠错 (FEC) 实现 50 G/Lane 的数据端口, 由 于 PAM4 与 FEC 技术均使用电层技术 实现,50 GE 接口单吉比特性价比优 于 25 GE 接口 同样在 50 GE 的基础 之上, 使用 2λ 4λ 模式, 实现 100 GE 200 GE 接口光模块, 其中 200 GE 的 成本构成与 100 GE 的相当, 单吉比 特性价比则优于 100 GE 而对于 400 GE, 总共使用 8λ, 实现 400 GE 光 模块 低时延技术 SCL: 切片通道层 SE: 以太网分片 SPL: 切片分组层 SR-TP: 面向传送的分段路由技术 5G 的 urllc 业务和 CU/DU 的部 署都对时延提出了新的挑战 传输 网络的时延, 主要由两部分组成 : 设 备时延和设备间的光纤传输时延 设备时延是指设备转发数据时产生 的时延, 光纤传输时延是与传输距离 相关 设备转发时延通过使用新的 SPN 实现, 在物理层上基于时隙进行 转发处理, 能大幅降低设备处理时 L2/L3 VPN SR-TP MAC SE PMD/PMA DWDM STL: 切片传送层 VPN: 虚拟专用网 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

60 专家论坛李晗面向 5G 的传送网新架构及关键技术 延, 并且通过使用大速率接口组网, 从现在的 GE/10 GE 到 50 GE/100 GE/ 400 GE, 增加了设备的转发速率, 降低了时延 光纤传输时延的降低主要通过降低光纤链路的长度来实现, 包括了 MEC 或者 GW 部署位置下沉使得业务端到端的距离减少, 并且在转发调度层面通过 SDN 的全局智能管控, 实现最短路径的查找, 使光纤传输距离降低 灵活连接技术对于 5G 业务来说, 流量流向更趋多样化, 不仅有传统的南北向流量, 东西向流量也会更加的普遍和重要, 因此需要灵活连接技术来满足 SR 是一种隧道技术,SR-TP 引入了面向连接的隧道技术, 提升了 SR 通道的管控能力, 实现电信级的操作维护管理 (OAM) 和保护 SR 隧道通过首节点的标签栈来控制网络中的传输路径, 基于 SDN 控制器算路, 各转发设备通过内部网关协议 (IGP) 收集域的 SR 信息, 再结合 IGP 拓扑信息, 通过边界网关协议 - 域内链路状态 (BGP-LS) 发给 SDN 控制器, 计算出到达各转发设备的 SR 转发表项并下 发至转发设备, 通过配置隧道策略, 将流量封装入 SR 隧道转发 网络分片技术 5G 的 3 种典型业务以及专线 家宽等多样性的业务要求其提供不同类型的管道, 通过硬管道分片和软管道分片的结合, 可以更好地满足业务要求 传输网络需要支持硬隔离和软隔离, 基于 SPN 的 SE 技术, 在转发层面提供了一条基于时分链路的硬隔离管道, 加上传统的 VPN 与服务质量 (QoS) 结合实现的软隔离管道, 实现不同纬度的网络转发分片支持 网络分片要求网络实现业务端到端的隔离, 从管理面 控制面到转发面实现隔离, 并利用协同器 O 将无线 核心网及传输联动起来 超高精度时间同步技术 5G 无线空口对于时间同步提出更高要求, 对于传输网提出了 ±200 ns 的时间同步要求, 因此这要求时间服务器和终端时延精度达到 ±50 ns, 设备时延精度达到 ±5 ns 高精度时间同步主要包括超高 精度时钟源和超高精度的时间传送技术 超高精度时钟源包括 :(1) 卫星接收技术 通过共模共视或者双频段接收等降低卫星接收噪声, 拟在近期进行测试验证, 需要升级卫星接收模块 (2) 高稳定频率源技术 单一时钟过渡到时钟组, 提高丢失卫星的时间保持精度, 目前正在研究开发铷钟组方案 时间服务器跟踪卫星, 性能可从 100 ns 提升到 30 ns 超高精度的时间传送技术通过优化接口时间戳处理,1 588 时间同步协议演进和单纤双向改进链路对称性来改进设备的传输时间同步精度 SDN 统一管控技术 SDN 统一管控是 5G 传输的必选项, 并将纳入到整个编排管理中, 实现南向 北向接口开放 SDN 可以概括为网络集中控制 设备转发 / 控制分离和网络开放可编程 如图 3 所示,SDN 定义了业务协同层 网络控制层和设备转发层的 3 层架构, 提升网络可编程能力, 标准的南向和北向接口实现全网资源高 SDN-O 编排器 NFV-O 3RestConf 超级控制器 域控制器 1( 管控融合 ) 2 标准南向接口 1RestConf 域控制器 2( 管控融合 ) enb gnb BTS NB 边缘 DC MEC/vEPC 本地 DC MEC/vEPC 中心 DC MEC/vEPC MFH 接入层汇聚层 核心层 干线 图 3 SDN 统一控制架构 BTS: 基站收发系统 DC: 数据中心 enb: 演进基站 gnb: 下一代基站 MEC: 移动边缘计算 MFH: 移动前传网络 NFV-O: 网络功能虚拟化编排器 SDN-O: 软件定义网络编排器 vepc: 虚拟演进分组核心网 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

61 面向 5G 的传送网新架构及关键技术 李晗 专家论坛 SPTN/SPN 集中管控 集客 L2 MPLS-TP UNI MPLS-TP L2 L2 L2 2G IP 化 L2 SPTN MPLS-TP L2/L3 4G L2 MPLS-TP UNI MPLS-TP 5G embb 5G mmtc L2 L2 MPLS-TP MPLS-TP L2/L3 L2/L3 SR-TP/SR-BE SR-TP/SR-BE L3 L3 L3 UNI MPLS-TP L3 L3 L3 SPN 5G urllc ( 按需 ) L3 SR-TP/SR-BE L3 SR-TP/SR-BE L3 embb: 增强型移动宽带 mmtc: 大规模机器类通信 MPLS-TP: 面向传送的多协议标签交换 SPN: 切片分组网 SPTN: 软件定义分组传送网 SR-BE: 面向尽力而为业务的分段路由 SR-TP: 面向传送的分段路由 UNI: 用户网络接口 urllc: 超可靠低时延通信 图 4 5G 传送网技术部署 效调度, 提供网络创新平台, 增强网 络智能 域控制器分别管控一个域内的 设备和连接, 域之间通过超级控制器 来管理调度, 再通过协同器实现不同 领域的业务编排以及业务端到端的 管控 4 SPN 可与 PTN 构建互联互通网络实现 4G/5G 融合组网 SPN 和 PTN 都是基于以太网数据 包传输的网络架构,SPN 基于以太网 技术进行增强和完善, 主要包括 : 以 太网层引入切片以太网技术 SE-TP, 转发层采用灵活的分段路由技术 SR-TP, 控制层采用 SDN, 同时引入大 带宽的以太网接口, 进行更高精度的 时间同步 如图 4 所示, 面对 5G 需求, 需要 新建 SPN 平面来为 5G 的所有功能提供承载服务, 同时为支持 4G/5G 业务协同,SPN 需要能和 PTN 进行融合组网 在转发层面,SPN 和 PTN 通过 L3 层 VPN 互通, 实现业务层面的互联互通 在控制面升级支持 SPN 与软件定义分组传送网 (SPTN) 的控制器, 以实现跨 PTN 与 SPN 的资源调度及协同 5 结束语 下一代网络的发展对于传输网络提出了新的需求和挑战, 需要新的传输体制 SPN 是面向 5G 的新传输网技术体制, 其转发面基于 SR-TP over SE over DWDM, 控制面采用 SDN, 分别在物理层 链路层和转发控制层采用创新技术, 同时在光层采用低成本高速模块, 能够满足 5G 及未来传输网络需要, 是更适合的 5G 传送网技术 参考文献 [1] 李正茂. 通信 4.0[M]. 北京 : 中信出版社, 2016 [2] 5G 网络架构白皮书 [R]. 北京 : IMT2020 推进组, 2016 [3] NGMN 5G White Paper V1.0[R]. Frankfurt: NGMN Alliance, 2015 [4] 3GPP Release 14. Study on New Radio Access Technology: Radio Access Architecture and Interfaces: TR [S]. 3GPP, 2017 作者简介 李晗, 中国移动通信研究院教授级高工, 国家中青年科技创新领军人才 ; 从事光通信领域策略 标准和技术研发工作, 研究方向包括 PTN OTN PON 和时间同步等 ; 曾获得国家科学技术进步奖二等奖 2 次, 中国专利优秀奖 2 次, 省部级科学技术一等奖 2 次 二等奖 1 次 ; 已发表论文 50 余篇, 授权专利 34 项, 提交国际文稿 100 余篇 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

62 企业视界王强等面向 5G 承载的网络切片架构与关键技术 DOI: /j.issn 网络出版地址 : 面向 5G 承载的网络切片架构与关键技术 Architecture and Key Technologies of 5G Transport Network Slicing 王强 / WANG Qiang 1,2 陈捷 / CHEN Jie 1,2 廖国庆 / LIAO Guoqing 1,2 (1. 中兴通讯股份有限公司, 广东深圳 ; 2. 移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室, 广东深圳 ) (1. ZTE Corporation, Shenzhen , China; 2. State Key Laboratory of Mobile Network and Mobile Multimedia Technology, Shenzhen , China) 中图分类号 :TN929.5 文献标志码 :A 文章编号 : (2018) 摘要 : 5G 承载网作为基础网络, 面临着大带宽 低延时 灵活连接 高精度时间同步和网络切片五大挑战 提出了面向 5G 承载的网络切片分层架构, 并对涉及的软件定义网络 (SDN) 控制面切片 基于灵活以太网 (FlexE) 的转发面硬切片 承载设备切片与虚拟化技术 5G 业务的端到端切片编排等关键技术进行了研究 关键词 : 5G 承载网 ; 网络切片 ; 硬切片 ; 软切片 ;FlexE Abstract: As the basic network, 5G transport network is considered to face five major challenges, such as wide bandwidth, low delay, high-precision synchronization, flexible connection, and network slicing. In this paper, a layer network slicing architecture for 5G transport network is proposed, and some key technologies including soft-defined network (SDN) control plane slicing, flexible Ethernet (FlexE) - based data plane hard slicing, transport device slicing and virtualization, and E2E slicing orchestration for 5G services are studies. 1 5G 承载网络切片需求 Key words: 5G transport network; network slicing; hard slicing; soft slicing; FlexE 5 G 业务呈现出多场景 差异化的特点, 如 : 移动上网业务聚焦带宽, 自动驾驶业务需要低延时和抖动保 障, 工业控制对可靠性要求苛刻, 物 [1] 联网业务要支持巨大的连接数量 对此,5G 的无线接入网和核心网都 进行了功能重构, 根据业务类型改变 设备处理单元的物理部署位置, 并通 过切片在同一物理网络对不同类型 [2] 业务构建独立的端到端逻辑网络 5G 承载网是 5G 端到端业务路径 的一部分, 必须满足多场景下不同业 务需求, 同时 5G 是一个开放网络, 可 以提供面向垂直行业和租赁业务的 应用需求, 在此场景下要求承载网络 支持 5G 分片网络的业务隔离和独立 运维需求, 为不同类型的业务分配不 同类型的承载网分片, 每个承载网分 片象一个独立的物理网络一样 如果我们为每种业务服务建立 一个专用网络, 成本是无法想象的 网络切片技术可以让运营商在一个 收稿日期 : 网络出版日期 : 硬件基础设施中切分出多个虚拟的端到端网络, 每个网络切片在转发面 控制面 管理面上实现逻辑隔离, 适配各种类型服务并满足用户的不同需求 对每一个网络切片而言, 网络带宽 服务质量 安全性等专属资源都可以得到充分保证 由于切片之间相互隔离, 一个切片的错误或故障不会影响其他切片的通信 每个切片内的资源可以由租户自行管理 2 承载网络切片分层架构 传统的承载网网络可分为客户 / 租户层 业务层 物理网络层, 如图 1 所示 即在物理网络上直接部署业务, 如各种以太网专线业务 (EPL)/ 以太网虚拟专线业务 (EVPL) 以太网专用局域网业务 (EPLAN)/ 以太网虚拟专用局域网业务 (EVPLAN) 以太网专用树形业务 (EPTree)/ 以太网虚 拟专用树形业务 (EVPTree) 等, 形成业务层, 从而满足上层的客户租户业务 ( 例如 5G 业务 ) 的传送需求 在这种架构下, 业务层的各种业务共享物理网络的资源, 没有隔离机制, 存在资源竞争的问题, 并且在管理和控制上也难以实现按照不同业务场景 ( 如 5G 各种业务 ) 不同客户 / 租户等情况下的按需隔离 不能满足未来 5G 业务承载的精细化管理 控制 因此,5G 承载网引入了网络切片技术 承载网网络切片是通过对网络的拓扑资源 ( 如链路 节点 端口及网元内部资源 ) 进行虚拟化, 按需组织形成多个虚拟网络 (vnet), 即切片网络 在物理网络层之上构建虚拟网络层, 从而形成客户 / 租户层 业务层 虚拟网络层 物理网络层的分层架构, 如图 2 所示 vnet 具有类似物理网络的特征, 包括独立的管理面 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

63 面向 5G 承载的网络切片架构与关键技术 王强等 企业视界 客户 / 租户层 业务层 物理网络层 embb : 增强型移动宽带 EPL : 以太网专线业务 EPLAN : 以太网专用局域网业务 EPTree : 以太网专用树形业务 图 1 传统承载网网络架构 控制面和转发面, 各 vnet 之上可独立 支持各种业务 切片后, 承载于虚拟 网络上的业务看到的就是虚拟网络, 对实际物理网络不感知, 实现了业务 与物理网络资源的解耦 进一步, 通过虚拟网络的递归切 片可以支持虚拟运营商 子运营商的 运营, 以及网络二级租赁等业务 承载网络切片具有以下特性 按需网络重构 : 通过虚拟化形 成的 vnet 切片网络在网络拓扑 节点 能力方面可以根据业务需求进行重 构 每个切片网络具有各自特定的 带宽 时延等指标, 及生命周期 不 同切片网络彼此隔离, 拥有各自独立 租户 VPN embb urllc mmtc 互联网 EPL/EVPL EPTree/EVPTree EPLAN/EVPLAN EVPL : 以太网虚拟专线业务 EVPLAN : 以太网虚拟专用局域网业务 EVPTree : 以太网虚拟专用树形业务 mmtc : 大规模机器类通信 的拓扑结构 网络资源, 从而满足不 同的 5G 业务承载需求 切片网络和物理网络具有相 似性 : 类似于物理网络, 切片网络同 样向上层业务提供网络资源, 屏蔽了 切片与物理网络的差异 EPL/EVPL, EPLAN/EVPLAN 等业务可直接部署 在切片网络之上, 就如同部署在物理 网络之上一样 urllc : 超可靠低时延通信 VPN : 虚拟私人网络 业务层与物理网络解耦 : 业务 是建立在 vnet 切片网络之上, 从而业 务层与物理网络层解耦, 简化了业务 的部署, 有利于网络的管理和运维 切片网络的转发面隔离 : 不同 切片网络的转发面彼此隔离, 而隔离 性取决于采用不同的转发面切片技术 例如 : 基于 Layer 1 交换的灵活以太网 (FlexE) 通道的切片就具有刚性隔离性, 称为硬切片 ; 而基于分组交换的传送特性的多协议标签交换 (MPLS-TP) 通道或分段路由 (SR) 通道的切片则具有统计复用特性, 非刚性隔离, 称为软切片 切片网络的控制 & 管理面隔离 : 不同切片网络的控制 & 管理面彼此隔离 切片网络的业务隔离 : 不同切片之上的业务彼此隔离 可见, 切片网络 vnet 具有类似物理网络的特征, 具有独立的管理面 控制面和转发面, 不用业务应用可部署在不同的虚拟网络上, 从而满足未来 5G 差异化的业务特性以及子运营商等的业务租赁的需求 各网络切片能加载不同的应用协议, 支持独立部署和升级 通过切片生命周期的管理, 可实现业务的快速部署开通, 资源的共享和灵活调度 由于网络切片简化了网络规模和拓扑, 也使运维管理更便捷 高效 3 承载网络切片关键技术 3.1 基于 SDN 的控制面切片 SDN 实现了控制面和转发面的 客户 / 租户层 租户 VPN embb urllc MMTC 互联网 业务层 EPL/EVPL EPTree/EVPTree EPLAN/EVPLAN vnet1 控制器 vnet2 控制器 vnetn 控制器 vnet1 vnet2 vnetn 虚拟网络层 切片控制器 物理网络层 图 2 承载网网络切片分层架构 embb: 增强型移动宽带 EPL: 以太网专线业务 EPLAN: 以太网专用局域网业务 EPTree: 以太网专用树形业务 EVPL: 以太网虚拟专线业务 EVPLAN: 以太网虚拟专用局域网业务 EVPTree: 以太网虚拟专用树形业务 mmtc: 大规模机器类通信 urllc: 超可靠低时延通信 vnet: 虚拟网络 VPN: 虚拟私人网络 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术

64 企业视界王强等面向 5G 承载的网络切片架构与关键技术 解耦, 使得物理网络具有了开放 可 编程特征, 支持未来各种新型网络体 [3] 系结构和新型业务的创新 控制平 面完成网络拓扑和资源统一管理 网 络抽象 路径计算 策略管理等功能, 借助 SDN 控制面可将物理转发资源 抽象成虚拟的设备节点 虚拟的网络 连接, 并根据策略将这些虚拟资源进 [4] 行分组管理, 形成独立的逻辑切片 我们提出实现网络切片 / 虚拟化 的一种特殊软件定义网络 (SDN) 控 制器, 即切片控制器, 如图 2 所示 切片控制器负责完成物理网络的虚 拟化, 按需形成逻辑独立的虚拟网 络, 即切片网络 vnet, 并负责 vnet 虚 拟资源到物理网络资源的映射, 并将 vnet 资源信息暴露给 vnet 控制器 基于切片的业务与物理网络完 全解耦, 切片控制器可便捷完成 vnet 对应的物理资源的迁移 调整或扩 容, 而 vnet 上的业务对物理网络不 感知, 业务不受影响 ( 或短暂影响 ) 业务层的 vnet 控制器是 vnet 资 源的使用者, 只能看到分配给自己的 vnet 资源, 支持图形方式呈现虚拟网 络资源和拓扑, 可以在自己的 vnet 上 创建各种业务 ( 如 :L2VPN L3VPN), 并负责业务生命周期控制, 与基于物 理网络的业务控制类似 每个 vnet 对应一个独立的 vnet 控制器, 支持 vnet 间控制面和管理面的隔离 3.2 基于 FlexE 的转发面切片技术 承载网转发面的切片技术可分 为软切片技术和硬切片技术 软切 片是在二层 (Layer 2) 或以上, 基于统 计复用的切片技术, 如 : 基于多协议 标记交换协议 (IP/MPLS) 的隧道 / 伪 线技术, 基于虚拟专网 (VPN) 虚拟 局域网 (VLAN) 等的虚拟化技术 硬 切片是在一层 (Layer 1) 或光层, 基于 物理刚性管道的切片技术, 如 :FlexE [5] 技术, 光传送网 (OTN) 技术, 波分复 用 (WDM) 技术等 ; 在实际应用中, 也 可以采用混合硬切片 软切片的方 案, 硬切片方式保证业务的隔离安 全 低时延等需求, 软切片方式支持 业务的带宽复用 FlexE 可以实现基于物理层的切 片转发, 提供刚性管道隔离, 实现带 宽灵活分配 中兴通讯创新性地引 入了 FlexE Switch, 操作管理维护 (OAM) 和保护这 3 个关键技术, 成功 的把 FlexE 扩展成了一个网络级的技 术, 即 FlexE 通道技术 基于 FlexE Switch 创建的 FlexE 通道可形成切片 网络内部虚拟网元 (vne) 之间全新 的虚链路 (vlink), 从而实现切片网 络拓扑重构, 如图 3 所示 FlexE 通道将业务隔离从端口级 扩展到网络级, 可对不同业务实现端 到端子信道隔离, 为 5G 承载网络切 片提供最佳转发面支撑 基于 FlexE 通道技术的保护倒换能做到 1 ms 以 内, 把电信级保护提升到了工业控制 级 针对超可靠低时延通信 (urllc) 业务, 采用 FlexE 通道技术, 解决了波长穿通方案业务颗粒度过 大 承载效率偏低, 以及软切片技术 时延偏大 无法物理隔离的问题 对于不同业务的差异化需求, 综 合考虑成本 安全 运营管理等因素, 可以灵活选择网络 设备或者转发面 切片 基于 SDN 控制面, 可依据端 口 VPN VLAN FlexE 通道等不同资 源进行切片, 以满足 5G 不同业务场 景在时延 带宽等方面的业务需求 3.3 承载设备切片与虚拟化技术 转发面的切片包括端口 服务质 切片网络 基于 FlexE Tunnel 的转发面切片 物理网络 量 (QoS) 资源 转发面表项等的隔 离, 而端口隔离包括物理端口或 FlexE 子端口隔离,QoS 隔离包括带 宽 队列和 Buffer 等的隔离, 转发面表 项隔离包括媒体接入控制 (MAC) 表 路由表 标签表 下一跳表 流分类表 等的隔离 在转发面切片的基础上, 同时对网元内部的计算 存储等资源 进行切片 / 虚拟化, 就形成了虚拟网 元 (vne), 称为设备切片 如图 4 所 示, 切片网元之间, 在支持软件资源 的隔离基础上, 支持管理控制通道和 配置的隔离, 支持切片部署和升级的 独立性 因而切片网元具有物理网 元的类似特征, 包括了各自独立的转 发面 控制面 管理面, 在设备切片的 基础上可以支撑更高层的网络切片 4 5G 业务的端到端切片编排 对于 5G 业务端到端的网络分 片, 需要无线网络 核心网和承载网 共同配合完成, 如图 5 所示 可根据 无线业务的带宽 时延等属性对承载 网的切片进行定义 ; 并根据实际情 况, 灵活选择无线业务的 VLAN 可扩 展虚拟局域网 (VxLAN) 的虚拟网络 标识 (VNI) 业务 IP 的 DSCP 等进行 无线接入网 (RAN) 的业务和承载网 的切片之间的映射 RAN 核心网 承载网三者之间的协同通过基于 SDN/ 网络功能虚拟化 (NFV) 架构的 切片编排器完成, 层次化的 SDN 控制 器和 vnet 控制器, 负责承载网的切片 FlexE: 灵活以太网 vlink: 虚链路 vne: 虚拟网元 vnet: 虚拟网络 图 3 FlexE 通道技术方案 vnet 1 vnet 2 vlink vne 1 vne 2 vne 3 FlexE 交叉 vnet n 中兴通讯技术 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No. 1

65 面向 5G 承载的网络切片架构与关键技术 王强等 企业视界 vne 1 路由 IP 协议栈 OAM 业务 1 vne 2 MPLS OAM 业务 2 虚拟化层 vne n OSPF OAM 业务 n 准备 参考文献 [1] 5G White Paper V1.0[R]. Germany: NGMN, 2015 [2] Study on Architecture for Next Generation System: TR23.799[S]. France: 3GPP, 2016:12 [3] SDN Architecture: TR-521[S]. USA: ONF, 2016:2 [4] Applying SDN Architecture to 5G Slicing: TR- 526[S]. USA: ONF, 2016:4 [5] Flex Ethernet Implementation Agreement: OIF-FLEXE-01.0[S]. USA: OIF, 2016:5 操作系统层 CPU 内存 转发资源 作者简介 CPU: 中央处理器 MPLS: 多协议标记交换协议 OAM: 操作管理维护 和业务控制, 软件定义网络编排器 (SDNO) 完成跨域的承载业务编排 ; 网络功能虚拟化编排器 (NFVO) 和虚 拟化网络功能管理 (VNFM) 完成无线 及核心网的资源编排和业务编排 而全局编排器完成无线和承载之间 跨域的业务协调和编排, 从而实现 5G 业务的端到端切片, 并通过各切 片的不同功能属性满足 5G 业务的差 异化需求 5 结束语 通过承载网络的切片, 可以基于 统一的物理网络设施提供多个逻辑 网络服务, 以满足不同行业客户或者 特定场景的差异化需求, 实现资源共 OSPF: 开放式最短路径优先协议 vne: 虚拟网元 享 业务快速上线 在保证业务性能 及安全隔离的前提下, 可以实现承载 网络资源共享和灵活调度, 以及独立 的子网管理, 并减少运营商承载网络 建设的投入 图 4 设备切片基本架构 相比 4G 5G 的重点是服务于行 业应用, 从而帮助运营商开拓行业市 场 扩展收入渠道 未来的 5G 网络 将会实现灵活的云化业务部署, 定制 化的安全 路由 计费等策略, 并且可 以很快捷地为垂直行业用户提供从 无线 承载到核心网端到端的网络切 片, 方便行业用户直接管理和运维虚 拟网络 垂直行业用户具备较强的 排他性, 未来的行业市场争夺会变得 非常激烈, 运营商的网络应提早做好 王强, 中兴通讯股份有限公司承载网产品线规划总工 ; 中兴通讯 PTN 项目主要负责人之一, 曾先后担任 SDH/MSTP PTN 5G 承载项目总监, 规划部部长等职务 陈捷, 中兴通讯股份有限公司承载网标准总工 ; 曾先后从事研发 项目管理 产品规划工作 廖国庆, 中兴通讯股份有限公司承载网产品线规划经理 RAN CU 全局编排器 核心网 SDNO VNF NFVO VNFM vnet 控制器 mmtc GW 前传 中传 5G CU urllc GW MEC/vCDN 回传 embb GW vcdn 回传 5G CP vcdn 5G DU 云 RAN 边缘 DC 核心 DC 互联网 互联网 传送网 CP: 控制面 CU: 集中单元 DC: 数据中心 DU: 分布单元 embb: 增强型移动宽带 GW: 网关 MEC: 移动边缘计算 mmtc: 大规模机器类通信 NFVO: 网络功能虚拟化编排器 RAN: 无线接入网 SDNO: 软件定义网络编排器 urllc: 超可靠低时延通信 vcdn: 虚拟内容分发网络 vnet: 虚拟网络 VNF: 虚拟化网络功能 VNFM: 虚拟化网络功能管理 图 5 承载网与无线 核心网切片的协同 2018 年 2 月第 24 卷第 1 期 Feb Vol.24 No 中兴通讯技术