隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)的時(shí)延要求越來(lái)越低。本文以5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)低時(shí)延特性的實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)，詳細(xì)分析了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和切片對(duì)時(shí)延的影響，提出了相應(yīng)的低時(shí)延特性的實(shí)現(xiàn)方案。為降低線(xiàn)路時(shí)延，將網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)為CU-DU-AAU， CU放置位置下沉。為保證設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)低時(shí)延，采用FlexE的1.5層快速轉(zhuǎn)發(fā)。為避免帶寬搶占造成的分組丟失，減少業(yè)務(wù)擁塞，提出信道硬隔離的方案，可實(shí)現(xiàn)5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)低時(shí)延的特性。

移動(dòng)通信從2G時(shí)代到4G時(shí)代，每一次的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迭代都是先建網(wǎng)再衍生出新業(yè)務(wù)生態(tài)。而5G網(wǎng)絡(luò)是由特定業(yè)務(wù)場(chǎng)景的驅(qū)動(dòng)而誕生的，比如無(wú)人駕駛和遠(yuǎn)程醫(yī)療等均需要網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延達(dá)到一個(gè)很低的水平。5G時(shí)代的傳輸專(zhuān)線(xiàn)必須具備低時(shí)延的特性，URLLC業(yè)務(wù)端到端時(shí)延小于1ms，eMBB業(yè)務(wù)端到端時(shí)延小于10ms。目前我國(guó)的4G傳輸專(zhuān)線(xiàn)端到端理想時(shí)延是10ms左右，端到端典型時(shí)延是50~100ms之間，這意味著5G傳輸專(zhuān)線(xiàn)的端到端時(shí)延將縮短為4G的1/10，這對(duì)底層的承載網(wǎng)絡(luò)提出了前所未有的挑戰(zhàn)。于是，5G傳輸專(zhuān)線(xiàn)低時(shí)延特性的研究工作實(shí)屬重中之重。

1 5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)時(shí)延特性演進(jìn)

移動(dòng)通信系統(tǒng)由無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)、傳送承載網(wǎng)和核心網(wǎng)組成，其端到端時(shí)延也包括這3個(gè)部分。IMT-2020（5G）推進(jìn)組對(duì)URLLC和eMBB兩種業(yè)務(wù)場(chǎng)景分別定義了端到端時(shí)延為1ms和10ms。其中，低時(shí)延高可靠的URLLC業(yè)務(wù)對(duì)承載網(wǎng)時(shí)延要求為0.125ms，見(jiàn)表1。

表1 5G業(yè)務(wù)時(shí)延要求

可以看到，5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延要求最高的是URLLC場(chǎng)景下的承載網(wǎng)時(shí)延，要求極其苛刻。接下來(lái)將具體分析5G承載網(wǎng)對(duì)5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)低時(shí)延特性的影響。

1.1、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改變帶來(lái)的影響

根據(jù)5G承載網(wǎng)絡(luò)的變化，BBU/RRU重構(gòu)為CU-DU-AAU兩級(jí)架構(gòu)，CU設(shè)備處理非實(shí)時(shí)的無(wú)線(xiàn)高層協(xié)議棧功能，DU設(shè)備處理物理層功能和實(shí)時(shí)性需求。DU放置于無(wú)線(xiàn)機(jī)房，并且CU可以部署在匯聚或接入位置。CU放置位置不一樣，5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)的承載網(wǎng)時(shí)延也不一樣。根據(jù)遠(yuǎn)程醫(yī)療和無(wú)人駕駛等URLLC業(yè)務(wù)需求，CU和DU之間時(shí)延最好小于1ms。那么，CU位置越高，對(duì)時(shí)延要求越嚴(yán)格。同時(shí)，CU位置越靠下，機(jī)房資源越難滿(mǎn)足。因?yàn)镃U/DU要云化組網(wǎng)，對(duì)城域機(jī)房可用空間、供電和散熱要求更高，目前多數(shù)匯聚層以下機(jī)房資源不能滿(mǎn)足需求。另一方面，CU之間有協(xié)同的需求，CU位置越靠下，3層的功能需求就越靠下。

1.2、網(wǎng)絡(luò)切片帶來(lái)的影響

由于不同5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)有不同SLA（Service-Level Agreement，服務(wù)等級(jí)協(xié)議）需求，所以5G網(wǎng)絡(luò)要進(jìn)行端到端切片。4G時(shí)代，專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)在傳輸承載網(wǎng)中是通過(guò)軟管道隔離來(lái)提供差異化服務(wù)，采用VPN技術(shù)提供路徑、帶寬的區(qū)分和控制。但是，軟隔離在MAC層之上提供轉(zhuǎn)發(fā)平面，帶寬資源是共享的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)，業(yè)務(wù)之間會(huì)搶占帶寬，造成分組丟失并重傳，導(dǎo)致時(shí)延增大。網(wǎng)絡(luò)切片對(duì)5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)低時(shí)延特性帶來(lái)了新的影響。5G網(wǎng)絡(luò)切片需要承載網(wǎng)支持軟、硬管道隔離。

2 5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)低時(shí)延特性的實(shí)現(xiàn)

5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)主要以三大業(yè)務(wù)場(chǎng)景來(lái)分類(lèi)，其中URLLC場(chǎng)景的要求最苛刻。其傳輸端到端時(shí)延要求小于1ms，承載網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要求小于0.125ms。這無(wú)疑對(duì)傳輸承載網(wǎng)提出了前所未有的挑戰(zhàn)。5G網(wǎng)絡(luò)，承載先行。所以，對(duì)5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)承載網(wǎng)方面低時(shí)延特性的研究實(shí)現(xiàn)顯得尤其重要。

承載網(wǎng)的時(shí)延主要包含光纖傳輸時(shí)延和設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，前者占比很大，約為99%。通過(guò)光波在光纖中傳輸?shù)恼凵渎屎退俣鹊年P(guān)系式可以算出，光波在1000km長(zhǎng)的光纖中傳輸?shù)臅r(shí)延約為5ms。設(shè)備產(chǎn)生的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延一般是us級(jí)，占比較小。目前中國(guó)移動(dòng)通用傳輸設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延約為50us。由此可見(jiàn)，若要降低5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，在傳輸承載網(wǎng)方面，需要致力于降低底層傳輸線(xiàn)路的時(shí)延。

下面從影響5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)時(shí)延的因素入手進(jìn)行研究，總結(jié)出三大技術(shù)方案。其一，為保證線(xiàn)路傳輸?shù)牡蜁r(shí)延，縮短光纖傳輸距離。其二，加快設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)速度。其三，為避免帶寬搶占造成的分組丟失，減少業(yè)務(wù)擁塞，提出信道硬隔離的方案。綜合上述方案，可以實(shí)現(xiàn)5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)的低時(shí)延特性。

2.1、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整

光信號(hào)在光纖中傳送的時(shí)延和光纖長(zhǎng)度成正比。一般來(lái)說(shuō)，光信號(hào)在1000km的光纖中傳輸?shù)臅r(shí)延約為5ms。要想降低線(xiàn)路傳輸?shù)臅r(shí)延，最直接的辦法就是縮短業(yè)務(wù)流的源節(jié)點(diǎn)和宿節(jié)點(diǎn)之間的距離，從而縮短光纖傳輸距離。于是，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)通信距離的縮短，可以降低光纖傳輸時(shí)延。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整的示意圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整示意圖

通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，將5G網(wǎng)絡(luò)相關(guān)功能下沉到接入層，可以縮短光纖傳輸距離，從而降低時(shí)延。5G核心網(wǎng)用戶(hù)面功能可以下沉，流量就近轉(zhuǎn)發(fā)。5G承載網(wǎng)3層VPN也可以下沉，接入節(jié)點(diǎn)流量就近轉(zhuǎn)發(fā)。如此一來(lái)，可以大大縮短時(shí)延。

對(duì)于東西向流量而言，在4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，傳統(tǒng)的3層設(shè)備的部署位置一般在地市核心機(jī)房，基站之間的業(yè)務(wù)需要繞到地市核心機(jī)房進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)來(lái)講，互聯(lián)的復(fù)雜性對(duì)于橫向業(yè)務(wù)的需求進(jìn)一步增加，基站間協(xié)同要求更高，基站之間的業(yè)務(wù)需求量更大。5G東西向流量的暴增驅(qū)動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)功能的下沉。通過(guò)將3層VPN下沉到接入層可以實(shí)現(xiàn)東西向流量就近轉(zhuǎn)發(fā)，從而縮短光纖傳輸距離，最終降低業(yè)務(wù)時(shí)延。

對(duì)于南北向流量而言，在5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，核心網(wǎng)的控制平面和用戶(hù)平面是分離的。通過(guò)下沉部分用戶(hù)平面的功能到接入層同樣可以降低南北向流量的傳輸線(xiàn)路轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。將一些對(duì)時(shí)延要求比較高的業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)部署在MEC上，同時(shí)MEC之間進(jìn)行云化連接成池，可以就近進(jìn)行資源獲取和業(yè)務(wù)的協(xié)同交互，相比4G業(yè)務(wù)通過(guò)上層核心網(wǎng)迂回的方式，更加高效便捷，時(shí)延更短。因此通過(guò)MEC下沉可以使得業(yè)務(wù)在接入層就近轉(zhuǎn)發(fā)，明顯地縮短光纖傳輸距離，從而大幅度降低信號(hào)的傳輸時(shí)延。

通過(guò)調(diào)整5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使得MEC和3層VPN下沉，經(jīng)過(guò)掛表實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)延統(tǒng)計(jì)，東西向傳輸時(shí)延可以從目前的1ms降低到100us，南北向傳輸時(shí)延從1ms降低到50us，可以有效縮短5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)的時(shí)延。

2.2、FlexE快速1.5層轉(zhuǎn)發(fā)

5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)的時(shí)延不但受光纖長(zhǎng)度影響，還受設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)速度影響。5G網(wǎng)絡(luò)通用設(shè)備通過(guò)技術(shù)升級(jí)也可以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)發(fā)速度，降低設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。

傳統(tǒng)以太網(wǎng)是在源節(jié)點(diǎn)和宿節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層之間進(jìn)行封裝和解封裝來(lái)實(shí)現(xiàn)通信的。傳統(tǒng)以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)是發(fā)生在數(shù)據(jù)鏈路層的。靈活以太網(wǎng)技術(shù)（FlexE）可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的解耦，將轉(zhuǎn)發(fā)層從數(shù)據(jù)鏈路層下降到1.5層，如圖2所示。

圖2 基于FlexE的1.5層快速轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

利用FlexE在承載網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)隔離和網(wǎng)絡(luò)分片可以避免業(yè)務(wù)擁塞，進(jìn)而避免數(shù)據(jù)分組重傳造成的高時(shí)延。通過(guò)在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層之間的添加一個(gè)中間層，即FlexE shim層。shim層是基于時(shí)分復(fù)用來(lái)分發(fā)業(yè)務(wù)的，將多個(gè)客戶(hù)側(cè)接口的數(shù)據(jù)按照時(shí)隙方式分發(fā)調(diào)度到不同的子通道。正是由于FlexE新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了MAC層和PHY層的解耦，從而使得FlexE轉(zhuǎn)發(fā)位于1.5層，近似于1層轉(zhuǎn)發(fā)，從而縮短了設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間。

由此，基于FlexE的1.5層比特塊交換，可以免去傳統(tǒng)IP轉(zhuǎn)發(fā)的成幀、封裝成數(shù)據(jù)分組、查表和緩存等過(guò)程，提供超低的設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。經(jīng)過(guò)掛表實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)延統(tǒng)計(jì)，可將目前傳輸設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延從50us降低至1us，進(jìn)一步降低了5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)的時(shí)延，可以滿(mǎn)足5G業(yè)務(wù)URLLC場(chǎng)景對(duì)承載網(wǎng)超低時(shí)延的需求。

2.3、通過(guò)信道隔離降低時(shí)延

在4G時(shí)代，中國(guó)移動(dòng)承載網(wǎng)采用的PTN技術(shù)，業(yè)務(wù)支持統(tǒng)計(jì)復(fù)用。業(yè)務(wù)之間的隔離采用的是軟管道軟隔離。同一隧道承載的不同業(yè)務(wù)會(huì)相互影響，爭(zhēng)搶帶寬。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有流量沖突時(shí)，就會(huì)造成分組丟失重傳，從而提高了時(shí)延。5G時(shí)代，承載網(wǎng)采用SPN技術(shù)，結(jié)合FlexE技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)隔離和網(wǎng)絡(luò)分片，具有帶寬靈活可調(diào)和數(shù)據(jù)硬隔離的特點(diǎn)。以100GE管道為例，通過(guò)FlexE shim中間層可以劃分為20個(gè)5G速率的子通道，每個(gè)客戶(hù)側(cè)接口可指定使用某一個(gè)或多個(gè)子通道，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)之間的信道硬隔離，防止業(yè)務(wù)相互爭(zhēng)搶帶寬，避免分組丟失重傳。

FlexE分片不同以往，它是基于時(shí)隙調(diào)度的。對(duì)于以太網(wǎng)物理端口來(lái)說(shuō)，可以劃分為多個(gè)硬管道，每個(gè)硬管道內(nèi)又具有以太網(wǎng)彈性。這樣可以使得網(wǎng)絡(luò)既具備類(lèi)似于時(shí)分復(fù)用獨(dú)占時(shí)隙、隔離性好的特性，又具備以太網(wǎng)統(tǒng)計(jì)復(fù)用、網(wǎng)絡(luò)效率高的兩大特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)同一分片內(nèi)業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)復(fù)用。這樣一來(lái)，分片之間業(yè)務(wù)互不影響。FlexE分片相對(duì)于通過(guò)VPN實(shí)現(xiàn)的分片，隔離性更好，從技術(shù)上解決了業(yè)務(wù)相互爭(zhēng)搶帶寬的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了專(zhuān)用業(yè)務(wù)獨(dú)享專(zhuān)有的硬通道。通過(guò)時(shí)隙分片技術(shù)實(shí)現(xiàn)信道隔離，為低時(shí)延業(yè)務(wù)構(gòu)建低時(shí)延專(zhuān)用通道，避免業(yè)務(wù)擁塞，從而降低時(shí)延。

基于FlexE轉(zhuǎn)發(fā)和信道隔離技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)。經(jīng)過(guò)掛表時(shí)延進(jìn)行時(shí)延統(tǒng)計(jì)，5G網(wǎng)絡(luò)通用設(shè)備單節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延降低至1us。對(duì)于5G超低時(shí)延URLLC的應(yīng)用場(chǎng)景，應(yīng)用SPN端到端的前傳、中傳以及回傳網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案，可以實(shí)現(xiàn)5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)在信道層面的硬隔離，從而實(shí)現(xiàn)低時(shí)延的特性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從URLLC應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延低于1ms的要求入手，分析了5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)低時(shí)延特性的影響因素，包括光纖傳輸距離、設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間和業(yè)務(wù)擁塞情況。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)調(diào)整降低線(xiàn)路傳輸時(shí)延，通過(guò)FlexE的1.5層快速轉(zhuǎn)發(fā)降低設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，通過(guò)SPN信道硬隔離提供專(zhuān)用通道。綜合上述技術(shù)方案，可有效實(shí)現(xiàn)5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)超低時(shí)延的關(guān)鍵能力。未來(lái)的研究工作將是如何使得5G專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)在具備低時(shí)延特性的同時(shí)具備高可靠性。

審核編輯：符乾江