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5G承载网到底有什么不同?

2019-06-24
    阅读数:

今天这篇文章,我们来聊一聊5G承载网。



什么是承载网?顾名思义,承载网就是专门负责承载数据传输的网络。


以前我们更多介绍的是接入网和核心网。如果说核心网是人的大脑,接入网是四肢,那么承载网就是连接大脑和四肢的神经网络,负责传递信息和指令。


承载网、接入网、核心网相互协作,最终构成了移动通信网络。


虽然承载网的重要性被大家一致认可,但存在感却很弱。


在大多数人看来,承载网只是一个管道。只要它没有断,就不用去管它。


通信网络本来就是一个管道,承载网是“管道中的管道”


也有很多人认为,承载网的技术含量低,整天就是面对让人密集恐惧症发作的光纤和网线,没有什么前途可言。



其实,这都是对承载网的误解。


承载网看似简单,实际上内部结构非常复杂。承载网的整个技术体系规模,一点都不输给接入网和核心网。


尤其是5G时代下,承载网的发展更是到了“疯狂”的地步,引入了很多高大上的黑科技,让人目不暇接,不明觉厉。


接下来,就让我慢慢给大家介绍。


5G承载网,到底要咋办?



从1G到4G,承载网经历了从低带宽到高带宽、从小规模到大规模的巨大变化。


如今的承载网网络,事实上已经非常强大和完善了。承载网设备的性能,也十分强劲。


机房里插满光纤的传输设备


尽管如此,在5G面前,这些现有设备和技术方案还是只有瑟瑟发抖的份。


进入5G时代,通信网络的指标发生了大幅的变化,有的指标标准甚至提升了十几倍。想要达到要求,只靠无线空中接口部分改进是办不到的。包括承载网在内的整个端到端网络架构,都必须自我革命。


那承载网的革命目标在哪里呢?主要来说,包括以下几个方面:


  • 大带宽


带宽!带宽!带宽!


毫无疑问,带宽是5G承载网最基础和最重要的技术指标。空口的速率提升了几十倍,承载网相应也要大幅提升。尤其是在目前5G刚起步的阶段,eMBB是首先要实现的业务场景,最关注的也就是带宽。


  • 低时延、高可靠性


车联网、工业控制等垂直行业,对网络的时延和可靠性要求苛刻。


5G最重要的需求之一,就是低时延低,需要实现个位数毫秒级的端到端时延。承载网作为端到端的一部分,虽然不是时延的重点提升对象,但也要分摊一部分指标压力。


在5G很多场景下,都提出了“6个9级别(99.9999%)”的可靠性要求。因此,承载网也必须服务于这样的要求,还要有足够强大的容灾能力和故障恢复能力。


  • 高精度同步能力


5G对承载网的频率同步和时间同步能力提出了很高的要求。


同步到底是干啥用的?


简单举几个例子:5G的载波聚合、多点协同和超短帧,需要很高的时间同步精度;5G的基本业务采用时分双工(TDD)制式,需要精确的时间同步;再有就是室内定位增值服务等,也需要精确的时间同步。


  • 易于运维


5G承载网将会无比巨大,设备数量多,网络架构复杂。如果网络不能够做到灵活、智能、高效、开放,那对于运营商和运维工作人员来说就是一场噩梦。


  • 低能耗


网络既要足够强大,又要尽量省电。省电就是省钱。


  • 支持切片


切片之前我们介绍过,它是5G网络的核心能力。承载网当然也必须支持切片。


图片来自公众号“无线深海”


以上几个方面,就是5G承载网自我革命的目标。任何一个目标无法实现,就不是合格的5G承载网。


5G承载网,到底包括哪些部分?



介绍5G承载网结构之前,我们先来看看接入网的变化


4G接入网,大家都很熟悉了,是由BBU(基带处理单元)、RRU(射频拉远单元)、天馈系统共同组成的。



到了5G,接入网被重构为3个功能实体,分别是:

  • CU(Centralized Unit,集中单元)

  • DU(Distribute Unit,分布单元)

  • AAU(Active Antenna Unit,有源天线单元)


BBU+RRU+天馈 CU+DU+AAU


CU:原BBU的非实时部分将分割出来,重新定义为CU,负责处理非实时协议和服务。

DU:BBU的剩余功能重新定义为DU,负责处理物理层协议和实时服务。

AAU:BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并为AAU。


之所以要拆分得这么细,是为了更好地调配资源,服务于业务的多样性需求(例如降低时延、减少能耗),服务于“网络切片”。


接入网变成AAU、DU、CU之后,承载网也随之发生了巨变。


这个我要澄清一个误区:一直以来,很多人认为承载网只是连接接入网和核心网的,就像本文开头画的那样:


其实是不严谨的,那样画只是为了方便。准确来说,承载网也包括接入网内部连接的部分,还有核心网内部连接的部分。所以,更准确的逻辑关系画法,应该是这样:


这才能真正体现“承载”的奥义


5G接入网网元之间,也就是AAU、DU、CU之间,也是5G承载网负责连接的。不同的连接位置,有自己独特的名字,分别叫作:前传中传回传


AAU和DU之间,是前传

DU和CU之间,是中传

CU和核心网之间,是回传

这三个“传”,都属于承载网


现实生活中的5G网络,DU和CU的位置并不是严格固定的。运营商可以根据环境需要,灵活调整。


以前小枣君曾经专门介绍过D-RANC-RAN。D-RAN就是分布式无线接入网(Distributed RAN),C-RAN是集中化无线接入网(Centralized RAN)。


4G时期,所谓分布和集中,指的就是BBU的分布或集中。5G时期,指的是DU的分布或集中。这种集中还分为“小集中”和“大集中”。


5G接入网,会存在多种部署模式


再次提醒,采用C-RAN进行集中化的目的,就是为了实现统一管理调度资源,提升能效,也可以进一步实现虚拟化(接入网那篇文章有详细介绍)。


正因为部署模式的多样性,使得前传、中传、回传的位置也随之不同。


不同的接入网部署方式=不同的承载网位置


电信运营商在不同的地方有不同等级的机房。例如大城市的电信大楼机房,往往是核心机房。普通办公楼里面的基站机房,就是站点(接入)机房。小城市或区级电信楼里,也有机房,可能是汇聚机房。


是不是看起来有点晕?


我再画一张完整的承载网结构图,帮助大家理解(虽然我觉得可能会更晕)。


承载网结构图(范例)


从整体上来看,除了前传之外,承载网就是主要由城域网和骨干网共同组成的。而城域网,又分为接入层、汇聚层和核心层。



所有接入网过来的数据,最终通过逐层汇聚,到达顶层骨干网。


前传到底是用了哪些设备和技术呢?中传呢?回传呢?我们继续往下看。


前传部分


我们还是先从前传开始。


前传就是AAU到DU之间这部分的承载。它包括了很多种连接方式,例如:


  • 光纤直连

  • 无源WDM/WDM-PON

  • 有源设备(OTN/SPN/TSN)

  • 微波


我们简单介绍一下。


第一种,光纤直连方式


每个AAU与DU全部采用光纤点到点直连组网,如下图:



这就属于典型的“土豪”方式了,简单直接。但是,这种方式光纤资源占用很多,更适用于光纤资源比较丰富的区域


而且,这种方式更适合5G建设早期。随着5G建设的深入,基站、载频数量也会急剧增加,这种方式肯定是玩不起的。


第二种,无源WDM方式


将彩光模块安装到AAU和DU上,通过无源设备完成WDM功能,利用一对或者一根光纤提供多个AAU到DU的连接。


如下图:



什么是WDM?

WDM就是波分复用(Wavelength Division Multiplexing),是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(Multiplexer)汇合在一起,并耦合到光线路的同一根光纤中,以此进行数据传输的技术。


什么是彩光模块?

光复用传输链路中的光电转换器,也称为WDM波分光模块。不同中心波长的光信号在同一根光纤中传输是不会互相干扰的,所以彩光模块实现将不同波长的光信号合成一路传输,大大减少了链路成本。


和彩光(Colored)相对应的,是灰光(Grey)。灰光也叫白光或黑白光。它的波长是在某个范围内波动的,没有特定的标准波长(中心波长)。一般客户侧光模块会采用灰光模块。



采用无源WDM方式,虽然节约了光纤资源,但是也存在着运维困难,不易管理,故障定位较难等问题。


第三种,有源WDM/OTN方式


在AAU站点和DU机房中配置相应的WDM/OTN设备,多个前传信号通过WDM技术共享光纤资源。


如下图:



这种方案相比无源WDM方案,组网更加灵活(支持点对点和组环网),同时光纤资源消耗并没有增加。从长远来看,是非常不错的一种方式。


第四种,微波方式。


这种方式很简单,就是通过微波进行数据传输,非常适合位置偏远、视距空旷、光纤无法到位的情况。



四种方式的优缺点对比如下表所示:



根据目前的情况,在5G部署初期,前传承载这部分仍然以光纤直驱为主,无源WDM方案进行补充。


这里要补充给大家介绍两个和前传有关的概念,那就是CPRIeCPRI


CPRI就是Common Public Radio Interface,通用公共无线电接口。4G时代,BBU和RRU之间就是这个接口。它是一个通用的接口,有多个不同的版本,不同的版本对应不同的网络制式。


BBU和RRU之间的CPRI光纤


到了5G时代,AAU和DU之间的带宽可能会达到数百Gbps,CPRI已经无法满足要求,所以就升级到了eCPRI接口规范(enhanced CPRI,增强型CPRI),显著提升了接口带宽



说到带宽,前面我们说5G需要很大的带宽,到底有多大呢?


目前的4G LTE网络,主流子载波带宽是20MHz,单基站的峰值吞吐量大约是240Mbit/s。(是的没错,一个基站的带宽其实并没有大家想的那么大。


而5G网络,尤其是毫米波频段,空口频宽达到100-400MHz,甚至更高。在Massive MIMO(增强多天线)等空口技术的进一步加持下,单基站的带宽将是4G的几十倍。


5G基站带宽估算参考


根据测算结果,在5G建设前期,运营商单基站带宽参考值将会采用10GE或25GE的标准。(4G时大部分站点的标准只是1GE。即便如此,前传带宽浪费还比较严重。)


5G前传的带宽标准


接入环节点的带宽将由部署方式和类型决定,5G热点地区的带宽显然会比一般地区的带宽更大(节点更多,高频站更多)。


中传和回传部分


接下来我们看看中回传。


因为带宽和成本等原因,中回传肯定不能用光纤直连或无源WDM之类的了,微波也不现实。


5G中回传承载方案,主要集中在对PTN、OTN、IPRAN等现有技术框架的改造上。


从宏观上来说,5G承载网的本质,就是在4G承载网现有技术框架的基础上,通过“加装升级”的方式,引入很多黑科技,实现能力的全面强化。


以国内三大运营商的5G中回传承载网方案为例,基本上都是在现有方案上进行加强和改良,从而实现对5G的支持。


首先看实力最强的中国移动。


移动认为,SPN是最适合自己的方案,能够满足自己的所有需求。


SPN,就是Slicing Packet Network,切片分组网。它是中国移动自主创新的一种技术体系。


中国移动的4G承载网是基于PTN(Packet Transport Network,分组传送网)的。而SPN基于以太网传输架构,继承了PTN传输方案的功能特性,并在此基础上进行了增强和创新。


感觉在移动的眼里,SPN就是以太网上“升级”一个光接口,可以充分利用现在非常成熟的以太网生态链,实现比较高的性价比。


因此,移动非常看好SPN,并竭尽全力推动SPN的标准立项,还大力扶持SPN上下游产业链的发展。在它的努力下,SPN技术确实发展很快,产业链也日趋完整。


中国电信在5G承载领域主推M-OTN方案。M-OTN基于OTN,是面向移动承载优化的OTN技术(Mobile-optimized OTN)。


之所以电信会选择M-OTN,和电信拥有非常完善和强大的OTN光传送网络有很大的关系。众所周知,电信的老本行是固网宽带,在光传输网基础设施方面还是很有家底的,带宽资源也非常充足。


OTN作为以光为基础的传送网技术,具有的大带宽、低时延等特性,可以无缝衔接5G承载需求。而且,OTN经多年发展,技术稳定可靠,并有成熟的体系化标准支撑。对电信来说,可以在已经规模部署的OTN现网上实现平滑升级,既省钱又高效。


中国联通比较缺钱,利旧自家IPRAN是肯定的。


IPRAN是业界主流的移动回传业务承载技术,在国内运营商的网络上被大规模应用,在3G和4G时代发挥了卓越的作用,运营商也积累了丰富的经验。


但是现有IPRAN技术是不可能满足5G要求的,所以联通就搞起了IPRAN2.0,也就是增强IPRAN。


IPRAN2.0在端口接入能力、交换容量方面有了明显的提升。此外,在隧道技术、切片承载技术、智能维护技术方面也有很大的改进和创新。


中国联通一直都在做IPRAN 2.0规范的功能验证和性能测试,总体情况看上去也还好。


以上,就是国内三大运营商5G中回传承载网方案情况。


名言有云,“经济基础决定上层建筑”。其实这和现在的情况倒是有几分相似。


承载网作为通信网络的躯干,涉及到大量的资金投入,运营商肯定会充分考虑资源复用、建设成本以及产业成熟度等多方面因素,慎重选择最适合自己的方案。


而面对这样的情况,作为产业链上下游的企业来说,其实是很痛苦的。


大型设备商还好说,中小厂家很难同时从事多个跑道的研究。如果各大方案不能朝融合的方向发展,就被迫使得产业链企业选择“站队”。这肯定会制约产业链的扩大和共享,也会影响承载网络建设整体成本的下降。


所以,很多专家都呼吁各大运营商的方案能尽量“融合”,最好是殊途同归。这样的话,不管是对产业链,还是对运营商,都是好事。对最终用户来说,也是好事。



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