1.2 承载网技术发展历程
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,当基站完成和手机的连接之后,还要打通基站和中心机房之间的连接,这靠的就是承载网。没有它,网络的不同设备之间就无法进行数据通信,它就像人体中连接大脑和四肢的神经网络,负责传递信息和指令。如果把信息比作货物,承载网就好比一张物流网,依靠承载网实现设备间的信息交互,也就是说,人们打电话、发短信、在互联网上交流、看IP电视等,都是基于这张庞大而又复杂的承载网实现的。承载网的位置如图1-5所示。
图1-5 承载网的位置
承载网技术路线演进
1.1节介绍了移动通信技术发展历程,那么,数据是怎么实现移动传输的呢?在万物互联时代,5G网络是如何满足业务演进的呢?下面介绍承载网的整体架构和发展历程。
第一阶段:SDH是2G时代的王者,逐步向IP化演进
20世纪80年代到90年代的网络,主要是语音通话网络,使用的通信体系主要是PDH(Plesiochronous Digital Hierarchy,准同步数字系列)和SDH(Synchronous Digital Hierarchy,同步数字系列),设备与设备之间通信不是用网线或光纤,而是用中继线缆(E1线),IP还没有流行,从严格意义上来说,这时候还不能称之为承载网。PDH技术是由国际电话电报咨询委员会(CCITT,现国际电信联盟电信标准化部门,即ITU-T)于1972年提出的,1988年最终形成完整体系,主要兴盛于20世纪80年代至90年代初,至今已在光纤通信领域中使用了20多年。由于结构复杂,缺乏灵活性,PDH设备现在只应用于带宽需求小于34M的两点之间的通信。
SDH是一种将复接、线路传输及交换功能融为一体,并由统一网管系统操作的综合信息传送网络,是美国贝尔通信技术研究所提出来的同步光网络(SONET),它规范了数字信号的帧结构、复用方式、传输速率等级、接口码型等特性,克服了PDH不利于大容量传输的缺点。它可以实现网络有效管理、实时业务监控、动态网络维护等多项功能,能大大提高网络资源利用率,降低管理及维护费用,实现灵活可靠和高效的网络运行与维护。
SDH针对语音设计,通道划分的带宽是固定的,可以称之为硬管道或专用车道(Virtual Container, VC),零拥塞,具备服务质量(QoS)保证能力;支持全网时钟同步;采用环网架构,可在任意故障场景下支持50ms保护倒换(电信级可靠性);实现和运营简单,不需要复杂的协议(通过网管实现全网控制)。SDH设备出现后,由于在接口管理、运行维护和可靠性等方面克服了PDH设备的缺点,因此取代了PDH设备,成为2G时代无可替代的王者。硬管道和软管道的区别如图1-6所示。
图1-6 硬管道和软管道的区别
SDH技术最初是针对语音业务(即固定带宽业务)设计的,它的带宽太死板,不灵活,利用率低,而且对外提供的接口很少,非常不适合宽带业务和数据业务。随着SDH传输的日益普及,以及电信网上数据业务所占的比例越来越高,各种各样的接入业务都需要由SDH承载,因此逐渐发展出了MSTP(Multi-Service Transmission Platform,多业务传输平台)技术,在SDH上增加以太网接口或ATM接口,实现IP化接口,仍然是硬管道,即IP over SDH。
MSTP=SDH+以太网(二层交换)+ATM(传信令),MSTP的核心仍然是SDH,在SDH的基础上进行了改进,增加了对以太网信号的处理。MSTP通过ASON(Automatically Switched Optical Network,自动交换光网络)实现了业务传送路径的自动发现、重路由保护等,引入了动态机制,进一步提升了SDH网络的可靠性。
MSTP具有电路交换的核心,给指定用户分配的带宽固定,即使该用户无业务流量,仍然固定占用该带宽,不能和其他业务共享,不能统计复用,设备交换带宽利用效率较低,不能适应数据业务高速增长及高突发的带宽需求;MSTP提供的是VC(Virtual Channel,虚拟信道)硬管道,带宽固定分配,可满足传统语音通信业务要求,在3G初期广泛应用。硬管道如图1-7所示。
图1-7 硬管道
第二阶段:PTN和IPRAN并存
随着数据业务的迅猛发展,以及网络All IP化需求的出现,功能更为强大的支撑数据业务的新技术开始出现并得以应用,IP和多媒体业务迅速走红,各种新兴的数据业务应用对带宽的需求不断增长,同时对带宽调度的灵活性提出了越来越高的要求,传统的基于SDH的多业务传输网已难以适应数据业务的突发性和灵活性,而传统的面向连接的IP网络,由于其难以严格保证重要业务的质量和性能,因此不适用于电信级承载。因此,新一代传输技术应运而生,强调分组管理数据传输,从支持语音为主变成支持数据和多媒体为主,逐渐进入了IP承载时代。在这个技术发展过程中,主要有两种技术路线:PTN(Packet Transport Network,分组传送网)和IPRAN(IP Radio Access Network, IP化无线接入网)。
● PTN:以ATM和以太网技术为基础,IP/MPLS、以太网和传送网3种技术相结合的产物,保留了这3种技术的优势。传统的IP路由技术是不可管理、不可控制的。IP逐级转发,每经过一个路由器都要进行路由查询(可能需要多次查找),速度缓慢,这种转发机制不适合大型网络。因此,PTN技术吸取了SDH的优点,对MPLS进行了简化,去掉了不需要的东西(如复杂的握手协议等),在通道经过的每台设备处,只需要进行快速的标签交换(一次查找),从而节约了处理时间。
从传输单元上看,PTN传送的最小单元是IP报文,PTN与MSTP最关键的差异是包交换。PTN在封装层引入PWE3,将多种不同技术,如ATM、FR、PDH、MLPPP等在包交换网络中统一适配、统一承载,既能更好地承载TDM业务,又能满足IP化业务的承载。
● IPRAN:是针对无线网络传输技术IP化而设计的,是基于IP/MPLS的网络解决方案,主要由路由协议来进行整体控制。IPRAN提供完全动态和开放的解决方案,在很大程度上满足了很多客户和网络的需求。然而,由于信令和路由的引入,复杂程度相比静态配置高了许多倍;组大网时需要分层分域,导致方案复杂;故障定位需要逐个设备排查,效率低,不如PTN整体网管进行统一管控和运维简捷,且组网规模容易受到路由域限制,在网元持续增长的情况下,可能需要重新设计方案。
从整体上看,PTN和IPRAN的应用场景、运维手段和客户体验都不一样,两种技术都曾是综合业务承载的主流技术。
第三阶段:5G万物互联时代对网络提出了新的要求,SPN由此诞生
面向未来,移动互联网和物联网业务将成为移动通信发展的主要驱动力,5G将满足人们在居住、工作、休闲和交通等领域的多样化业务需求,即便在密集住宅区、办公室、体育场、露天集会、地铁、快速路、高铁和广域覆盖等具有超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性特征的场景下,也可以为用户提供超高清视频、虚拟现实、增强现实、云桌面、在线游戏等极致业务体验。与此同时,5G还将渗透到物联网及各种行业领域,与工业设施、医疗仪器、交通工具等深度融合,有效满足工业、医疗、交通等垂直行业的多样化业务需求,实现真正的“万物互联”。5G技术的应用,将带来更加丰富的沟通方式和更加真实的体验,将从多个层面提升人们的生活质量。与以往的移动通信系统相比,5G面临更加多样化的场景和极致的性能挑战。
基于未来移动互联网和物联网的主要场景和业务需求特征,ITU明确为5G定义了增强移动宽带(enhanced Mobile Broadband, eMBB)、大规模机器通信(massive Machine Type Communication, mMTC)、超高可靠性低时延通信(ultra-Reliable and Low Latency Communication, uRLLC)三大应用场景,如图1-8所示。
● eMBB:作为移动通信最基本的方式,包括连续广域和局部热点高容量覆盖,满足移动性、连续性、高速率和高密度的带宽需求。例如,随时随地高清视频直播和分享、虚拟现实、随时随地云存取、高速移动上网(高铁)、人工智能等。
● mMTC:面向环境监测、智能抄表、智能农业等以传感和数据采集为目标的应用场景,具有小数据包、低功耗、低成本、海量连接等特点,要求支持每平方千米百万连接数密度。
● uRLLC:面向车联网、工业控制、智能制造、智能交通物流及垂直行业的特殊应用需求,为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。
图1-8 5G三大应用场景
“5G商用,承载先行”已经成为业内的一句口头禅。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,都必须进行自我革新。那么,承载网面临哪些需求和挑战呢?总的来看,可以归纳为以下几方面。
● 大带宽:eMBB是5G最先实现规模商用的业务,受新型冠状病毒肺炎疫情的影响,远程办公、高清视频、VR教学等新兴业务对带宽的要求显著增大。无线侧通过增大频谱宽度、提升频谱效率、改进编码技术等手段,使峰值带宽和用户体验带宽提升了数十倍,核心网引入了云化架构实现无限扩展,承载网也需要通过引入新型高速以太网端口来提升容量。因此,承载网需要高性价比的带宽方案,确保在满足带宽需求的同时不会带来建网成本的大幅增长。当前和基站侧主要以25GE对接,接入层以50GE/100GE组环,核心汇聚主推100GE/200GE组环,随着业务的不断发展,还会向400GE组环持续演进。
● 低时延、高可靠:uRLLC是一种超高可靠性低时延业务,如自动驾驶、远程控制等,都对5G系统提出了毫秒级时延要求,以港口的龙门吊业务为例,必须在18毫秒内完成三次握手,只要连续丢掉两次就会带来灾难性后果。无线侧通过灵活的帧结构进一步降低时延,核心网通过下沉MEC(Mobile Edge Computing,移动边缘计算)解决传输距离带来的时延问题,承载网也需要通过优化设备的转发模型及队列调度模型,使单设备轻载时延降低到微秒级。同时,承载网必须能够提供灵活的连接,以满足无线侧、核心网云化之后带来的网格化、不确定的连接。
● 高精度时钟同步: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,例如,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TDD制式,需要精确的时间同步;室内定位增值服务等,也需要精确的时间同步。当前只有GPS+1588的时钟同步方案,已经不能满足5G业务需求,因此需要具备带内同步传输能力,实现高可靠、高精度、高效率的时钟和时间同步传输能力。
● 智能运维:使能千行百业,5G承载网将会无比巨大,设备数量众多,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。当前网络管理复杂,传统网络控制平面和数据平面深度耦合,在部署一个全局业务策略时,需要逐一配置每台设备,严重制约网络的演进发展。随着5G时代网络规模的扩大和新业务的引入,这种模式已经不适应网络发展的需求。因此,承载网需要基于集中管控网络架构,使能网络IT化和自动化转型,提供网络的敏捷化和开放性能力;通过云化技术实现网络优化,提高资源利用率,降低网络建设和运维成本,实现快速、灵活适应互联网应用及催生新型网络业务。
● 切片能力:5G时代,eMBB、uRLLC、mMTC等业务对网络的要求差异巨大,网络需要端到端的切片来保障业务的差异化承载。5G时代,一张网络承载千万行业,很多新行业也需要通过网络切片来进行隔离,从而减少新业务上线时对整个网络的影响,降低试错成本。对承载网而言,网络切片在转发层需要实现不同切片的流量的严格隔离,在控制层需要实现不同路由协议、VPN协议等的隔离,在管理层需要实现不同切片独立运维视图及切片的灵活建立、调整、删除。5G端到端基于资源预留的硬切片技术,在满足业务隔离的同时实现超低时延、稳定抖动,满足5G 2B业务的诉求。
● 灵活连接:4G时代,业务主要呈现基站和EPC之间的点到点南北流向;5G时代,新业务驱动核心网云化,MEC下沉降低时延,业务流向由南北流向转为东西与南北混合流向,呈现Mesh化。将三层推到边缘节点,能有效解决流量绕行的问题,实现就近转发,同时实现数据不出园区,以及灵活转发。5G承载网需要实现端到端三层调度能力,实现基站和云间互联业务灵活连接。
基于以上六大要求,原有的PTN难以适应5G业务的承载需求,SPN应运而生。承载网技术发展历程如图1-9所示。
图1-9 承载网技术发展历程