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超低时延 | 带你读《5G承载关键技术与规划设计》之七

简介: 通过对 5G 承载需求特性进行综合分析,提出和明确了 5G 承载关键性能、承载组网及功能等需求。相对于 4G 网络,5G 承载呈现出明显的差异化需求。在关键性能方面,本节介绍了在超低时延和高精度同步等需求非常突出;在组网及功能方面,呈现“多层级承载网络、灵活化连接调度、层次化网络切片、智能化协同管控、4G/5G 混合承载以及低成本高速组网”等需求。
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5G 承载的需求

| 3.1 大带宽增长需求 |

| 3.2 超低时延 |

超低时延是 5G 的关键特征之一,NGMN、3GPP(the 3rd Generation PartnershipProject)、CPRI 等标准组织对 5G 时延技术的指标进行了研究和初步规范。3GPP 在 TR 38.913 中对 eMBB 和 uRLLC 业务用户面和控制面时延指标进行了描述,要求 eMBB 业务用户面时延小于 4 ms,控制面时延小于 10 ms;uRLLC业务用户面时延小于 0.5 ms,控制面时延小于 10 ms,见表 3.8。

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目前,5G 规范的时延指标是无线网络与承载网络共同承担的时延要求,为了进一步分析时延与承载之间的关系,本书列出了 eMBB 和 uRLLC 两种业务所涉及的时延处理环节分配示意,如图 3.5 所示。

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考虑到时延除了与传输距离有关之外,还与无线设备和承载设备的处理能力密切相关。按照目前 eCPRI 接口的时延分配,前传时延约为 100 µs 量级,在不考虑节点处理时延的情况下,每千米光纤传输时延为 5 µs,前传距离将为 10 ~20 km 量级。目前,承载节点的处理时延一般是 20 ~ 50 µs 量级,这样在前传网络中需要引入承载设备进行组网时,要尽可能降低节点的时延处理能力。例如 10 µs 以内或更低。由于光纤传输的时延无法优化,当前传承载节点处理时延降低到一定程度以后,进一步优化的必要性不强。例如,当节点处理时延降低到 1 µs 量级时,1 km 光纤的传输时间相当于 5 个节点的处理时间,进一步优化节点时延的意义不大。未来为了进一步支撑 uRLLC 业务的应用与部署,无线网络与承载网络之间的时延分配协同日趋重要。

| 3.3 高精度时间同步 |

高精度时间同步是 5G 承载的关键需求之一。根据不同的技术实现或业务场景,需要提供不同的同步精度。5G 同步需求主要体现在 3 个方面:基本业务时间同步需求、协同业务时间同步需求和新业务同步需求。
基本业务时间同步需求是所有 TDD 制式无线系统的共性要求,主要是为了避免上下行时隙干扰。5G 系统根据子载波间隔可灵活扩展的特点,通过在保护周期中灵活配置多个符号的方式,与 4G TDD 维持相同的基本时间同步需求,即要求不同基站空口间时间偏差优于 3 µs。
协同业务时间同步需求是 5G 高精度时间同步需求的集中体现。5G 系统广泛使用的 MIMO、多点协同(CoMP,Coordinated Multi-Point)、载波聚合(CA,Carrier Aggregation)等协同技术对时间同步均有严格的要求。这些无线协同技术通常应用于同一 RRU/AAU 的不同天线,或是共站的两个 RRU/AAU 之间。根据 3GPP 规范,在不同的应用场景下,同步需求可包括 65 ns/130 ns/260 ns/3 µs 等不同精度级别,其中,260 ns 或优于 260 ns 的同步需求绝大部分发生在同一 RRU/AAU 的不同天线,其可通过 RRU/AAU 相对同步实现,无须外部网同步,部分百纳秒量级时间同步需求场景(如带内连续 CA)可能发生在同一基站的不同 RRU/AAU 之间,需要基于前传网络进行高精度网同步,而备受关注的带内非连续载波聚合以及带间载波聚合则发生在同一基站的不同 RRU/AAU之间,时间同步需求从最初的 260 ns(见 3GPPTS36.104)降低到 3 µs(见3GPP TS 38.104)。
5G 网络在承载车联网、工业互联网等新型业务时,可能需要提供基于到达时间差(TDOA,Time Difference Of Arrival)的基站定位业务。由于定位精度和基站之间的时间相位误差直接相关,这时可能需要更高精度的时间同步需求,比如,3 m 的定位精度对应的基站同步误差约为 10 ns。
总体来看,在一般情况下,5G 系统基站间同步需求仍为 3 µs,与 4G TDD相同,即同一基站的不同 RRU/AAU 之间的同步需求主要为 3 µs,少量应用场景可能需要百纳秒量级,另外,基站定位等新业务可能提出更高的时间同步需求。
为了满足 5G 高精度同步需求,须专门设计同步组网架构,并加大同步关键技术研究。在同步组网架构方面,可考虑将同步源头设备下沉,减少时钟跳数,进行扁平化组网;在同步关键技术方面,须重点进行双频卫星、卫星共模共视、高精度时钟锁相环、高精度时戳、单纤双向等技术的研究和应用。

| 3.4 灵活化连接调度 |

5G 核心网、无线接入网的云化和功能分布式部署给承载网带来的最大变化是业务连接的灵活调度需求。在 4G 时代,基站到核心网的连接是以南北向 S1流量为主,并且终结 S1-U 和 S1-C 的 EPC 网元部署位置基本相同。5G 核心网的UPF下移以后,基站到不同层面核心网元的S1-C(N2连接)和S1-U(N3连接)流量的终结位置存在差异,并且存在不同层面核心网元之间的网状东西向流量的传送需求,如图 3.6 所示,存在 UPF 与 UPF 之间的 N9 连接、UPF 与 SMF之间的 N4 连接等。此外,无线接入网的相邻基站之间的 eX2(Xn)连接也属于动态的东西向流量,为了降低时延和提高带宽效率,可部署 L3 功能到接入层节点以实现就近转发,或通过部署 L3 功能到汇聚节点实现间接转发。

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为了应对网状化的动态业务连接需求,5G 承载应至少将 L3 功能下移到UPF 和 MEC 的位置,根据网元之间不同流向的业务需求,为 5G 网络提供业务连接的灵活调度和组网路由功能,提升业务质量体验和网络带宽效率。

| 3.5 层次化网络切片 |

5G 网络切片对承载网的核心诉求体现在一张统一的物理网络中,将相关的业务功能、网络资源组织在一起,形成一个完整、自治、独立运维的虚拟网络(VN,Visual Network),满足特定的用户和业务需求。构建虚拟网络的关键技术包括 SDN/NFV 管控功能和转发面的网络切片技术。SDN/NFV 负责实现对资源的虚拟化抽象,转发面的网络切片负责实现对资源的隔离和分配,从而满足差异化的虚拟网络要求。
5G 承载需要提供支持硬隔离和软隔离的层次化网络切片方案,满足不同等级的 5G 网络切片需求,如图 3.7 所示。例如,uRLLC 和金融政企专线等业务要求独享资源、低时延和高可靠性,承载网络可提供基于 L1 TDM(Time-DivisionMultiplexing)隔离的网络硬切片;eMBB 的互联网接入和 AR/VR 视频业务具有大带宽、时延不敏感、动态突发性等特点,承载网络可提供基于 L2 或 L3 逻辑隔离的网络软切片。
为了满足 5G 网络大带宽和网络硬切片的需求,承载网须支持带宽捆绑和L1 TDM 隔离的灵活带宽接口技术,其中,基于以太网物理接口的 FlexE 技术和基于 OTN 的 ODUflex+FlexO 技术是 5G 承载网络切片的两种主要候选方案,结合多种 L2 和 L3 层技术可实现软切片承载方案。

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| 3.6 智能化协同管控 |

5G 承载网络架构的变化带来网络切片、L3 功能下沉、网状网络连接等新特征,此外,还将同时支持 4G、5G、专线等多种业务的承载,业务组织方式也将更加多样,为承载网络的管控带来诸多新需求,如图 3.8 所示。
5G 承载相关的管控需求具体如下。
1.端到端 SDN 化灵活管控
根据 5G 网络的业务特性,要实现端到端前传到回传网络的灵活承载,5G承载网管控要求能够实现 L0 ~ L3 网络的端到端管控,支持跨层的业务联动控制。此外,还需要实现这种异构网络环境下的跨厂商业务端到端控制功能,以实现业务的快速提供。
2.网络切片管控
承载网的切片要求管控系统能够对切片网络进行管理,由于网络切片一般由上层系统发起,携带客户的 SLA 需求,采用传统的人工规划设计构建 VPN的方法不但业务速度慢,而且网络资源使用效能难以达到最优。承载网管控系统应能够支持切片网络的自动化部署和计算,支持网络切片的按需定制,实现切片用户的隔离,并对切片网络进行智能运维。

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3.资源协同管控
5G 承载网管控系统应能够和上层的编排器、管控系统、业务系统进行协同交互,接收来自上层系统的需求,完成自上而下的自动化业务编排。因此,承载网管控系统应能够提供开放、标准的北向管控接口,以便实现和上层管控系统的能力交互、数据交互、告警和性能检测交互等功能。
4.统一管控
SDN 控制器系统的引入会使运营商的运维人员维护界面的频次增多,管理操作维护更复杂,运维成本增加。因此,基于云化、弹性的部署方案,将管理、控制、智能运维等功能协调统一,提供统一的维护界面,以提高运维的效率。
5.智能化运维
随着网络功能层次的增多、网络结构的复杂,以及网络切片管控等需求的引入,人工维护的复杂性越来越高,因此,要求能够提供智能化运维功能,以降低运维的复杂度。通过引入人工智能(AI,Artificial Intelligence)等智能化技术,对网络配置、流量、告警、操作等网络数据进行采集和分析,以实现告警快速定位分析和排障、流量预测分析和网络优化等智能化运维功能。

| 3.7 4G/5G 混合承载 |

考虑到 4G 和 5G 网络之间的协作关系,3GPP 目前定义了独立组网(SA,Stand Alone)( 主 要 是 option2 等 ) 和 非 独 立 组 网(NSA,Non-Stand Alone)(包括 option3/3a/3x 等)不同类型的网络架构,因此,4G 和 5G 混合承载需求被提出。
对于 SA 部署方式,5G 和 4G 形成了两张独立的网络,为了保持业务连续性,现网的 LTE 基站和 EPC 需要升级来支持跨核心网的移动性。考虑到未来新型业务支撑和扩展能力,5G NSA 方案的承载网可新建,但须在省干或城域的核心层实现 4G 和 5G 控制面核心网元之间的互通,也可结合实际需求构建 4G 和 5G混合承载网络,具体选择除了与技术方案有关之外,还与建网成本、维护成本等密切相关。
对于 NSA 部署方式,5G 和 4G 形成了混合网络,目前,国外运营商更多地计划支持该方式。整体来看,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。对于承载网络而言,若运营商选择部署这些 NSA 方案,则需要采用 4G 和 5G 混合承载的网络方案。

| 3.8 低成本高速组网 |

在 5G eMBB 等业务的强力推动下,除了在面向 5G 回传的城域汇聚和核心层引入新的 N×100/200/400 Gbit/s 等高接口速率之外,25 Gbit/s、50 Gbit/s 和100 Gbit/s 等新型高速接口将逐步在前传和城域接入层引入和应用,新型设备及全新高速接口的成本相对较高,承载网络的低成本需求逐步突显,尤其是在前传和回传接入层(中传)网络,占据规模数量的 25 Gbit/s、50 Gbit/s 和 100 Gbit/s等新型接口及设备的成本非常关键。
目前,业界已经关注到新型光接口设备及模块低成本的重要性,结合应用需求及低成本方案,已出现一些低成本的高速接口光模块样品,部分高速模块应用需求及典型速率接口特性见表 3.9。

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5G 承载网络的网络分层、客户接口和线路接口分析见表 3.10。

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