如何使得5G專線業(yè)務在具備低時延特性的同時具備高可靠性？

隨著移動通信的發(fā)展，專線業(yè)務的時延要求越來越低。本文以5G專線業(yè)務低時延特性的實現(xiàn)為目標，詳細分析了網(wǎng)絡架構(gòu)和切片對時延的影響，提出了相應的低時延特性的實現(xiàn)方案。為降低線路時延，將網(wǎng)絡重構(gòu)為CU-DU-AAU， CU放置位置下沉。為保證設備轉(zhuǎn)發(fā)低時延，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)務擁塞，提出信道硬隔離的方案，可實現(xiàn)5G專線業(yè)務低時延的特性。

移動通信從2G時代到4G時代，每一次的網(wǎng)絡發(fā)展迭代都是先建網(wǎng)再衍生出新業(yè)務生態(tài)。而5G網(wǎng)絡是由特定業(yè)務場景的驅(qū)動而誕生的，比如無人駕駛和遠程醫(yī)療等均需要網(wǎng)絡端到端時延達到一個很低的水平。5G時代的傳輸專線必須具備低時延的特性，URLLC業(yè)務端到端時延小于1ms，eMBB業(yè)務端到端時延小于10ms。目前我國的4G傳輸專線端到端理想時延是10ms左右，端到端典型時延是50~100ms之間，這意味著5G傳輸專線的端到端時延將縮短為4G的1/10，這對底層的承載網(wǎng)絡提出了前所未有的挑戰(zhàn)。于是，5G傳輸專線低時延特性的研究工作實屬重中之重。

1 5G專線業(yè)務時延特性演進

移動通信系統(tǒng)由無線接入網(wǎng)、傳送承載網(wǎng)和核心網(wǎng)組成，其端到端時延也包括這3個部分。IMT-2020（5G）推進組對URLLC和eMBB兩種業(yè)務場景分別定義了端到端時延為1ms和10ms。其中，低時延高可靠的URLLC業(yè)務對承載網(wǎng)時延要求為0.125ms。

5G業(yè)務時延要求

可以看到，5G專線業(yè)務對時延要求最高的是URLLC場景下的承載網(wǎng)時延，要求極其苛刻。接下來將具體分析5G承載網(wǎng)對5G專線業(yè)務低時延特性的影響。

1.1、網(wǎng)絡架構(gòu)改變帶來的影響

根據(jù)5G承載網(wǎng)絡的變化，BBU/RRU重構(gòu)為CU-DU-AAU兩級架構(gòu)，CU設備處理非實時的無線高層協(xié)議棧功能，DU設備處理物理層功能和實時性需求。DU放置于無線機房，并且CU可以部署在匯聚或接入位置。CU放置位置不一樣，5G專線業(yè)務的承載網(wǎng)時延也不一樣。根據(jù)遠程醫(yī)療和無人駕駛等URLLC業(yè)務需求，CU和DU之間時延最好小于1ms。那么，CU位置越高，對時延要求越嚴格。同時，CU位置越靠下，機房資源越難滿足。因為CU/DU要云化組網(wǎng)，對城域機房可用空間、供電和散熱要求更高，目前多數(shù)匯聚層以下機房資源不能滿足需求。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)絡切片帶來的影響

由于不同5G專線業(yè)務有不同SLA（Service-Level Agreement，服務等級協(xié)議）需求，所以5G網(wǎng)絡要進行端到端切片。4G時代，專線業(yè)務在傳輸承載網(wǎng)中是通過軟管道隔離來提供差異化服務，采用VPN技術提供路徑、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。當網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞時，業(yè)務之間會搶占帶寬，造成分組丟失并重傳，導致時延增大。網(wǎng)絡切片對5G專線業(yè)務低時延特性帶來了新的影響。5G網(wǎng)絡切片需要承載網(wǎng)支持軟、硬管道隔離。

2 5G專線業(yè)務低時延特性的實現(xiàn)

5G專線業(yè)務主要以三大業(yè)務場景來分類，其中URLLC場景的要求最苛刻。其傳輸端到端時延要求小于1ms，承載網(wǎng)絡時延要求小于0.125ms。這無疑對傳輸承載網(wǎng)提出了前所未有的挑戰(zhàn)。5G網(wǎng)絡，承載先行。所以，對5G專線業(yè)務承載網(wǎng)方面低時延特性的研究實現(xiàn)顯得尤其重要。

承載網(wǎng)的時延主要包含光纖傳輸時延和設備轉(zhuǎn)發(fā)時延，前者占比很大，約為99%。通過光波在光纖中傳輸?shù)恼凵渎屎退俣鹊年P系式可以算出，光波在1000km長的光纖中傳輸?shù)臅r延約為5ms。設備產(chǎn)生的轉(zhuǎn)發(fā)時延一般是us級，占比較小。目前中國移動通用傳輸設備的轉(zhuǎn)發(fā)時延約為50us。由此可見，若要降低5G專線業(yè)務的網(wǎng)絡時延，在傳輸承載網(wǎng)方面，需要致力于降低底層傳輸線路的時延。

下面從影響5G專線業(yè)務時延的因素入手進行研究，總結(jié)出三大技術方案。其一，為保證線路傳輸?shù)牡蜁r延，縮短光纖傳輸距離。其二，加快設備轉(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)務擁塞，提出信道硬隔離的方案。綜合上述方案，可以實現(xiàn)5G專線業(yè)務的低時延特性。

2.1、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)調(diào)整

光信號在光纖中傳送的時延和光纖長度成正比。一般來說，光信號在1000km的光纖中傳輸?shù)臅r延約為5ms。要想降低線路傳輸?shù)臅r延，最直接的辦法就是縮短業(yè)務流的源節(jié)點和宿節(jié)點之間的距離，從而縮短光纖傳輸距離。于是，通過網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)調(diào)整來實現(xiàn)通信距離的縮短，可以降低光纖傳輸時延。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)調(diào)整的示意圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)調(diào)整示意圖

通過5G網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的調(diào)整，將5G網(wǎng)絡相關功能下沉到接入層，可以縮短光纖傳輸距離，從而降低時延。5G核心網(wǎng)用戶面功能可以下沉，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)點流量就近轉(zhuǎn)發(fā)。如此一來，可以大大縮短時延。

對于東西向流量而言，在4G網(wǎng)絡架構(gòu)中，傳統(tǒng)的3層設備的部署位置一般在地市核心機房，基站之間的業(yè)務需要繞到地市核心機房進行轉(zhuǎn)發(fā)。對于5G網(wǎng)絡來講，互聯(lián)的復雜性對于橫向業(yè)務的需求進一步增加，基站間協(xié)同要求更高，基站之間的業(yè)務需求量更大。5G東西向流量的暴增驅(qū)動了網(wǎng)絡功能的下沉。通過將3層VPN下沉到接入層可以實現(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)務時延。

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

通過調(diào)整5G網(wǎng)絡架構(gòu)，使得MEC和3層VPN下沉，經(jīng)過掛表實驗進行時延統(tǒng)計，東西向傳輸時延可以從目前的1ms降低到100us，南北向傳輸時延從1ms降低到50us，可以有效縮短5G專線業(yè)務的時延。

2.2、FlexE快速1.5層轉(zhuǎn)發(fā)

5G專線業(yè)務的時延不但受光纖長度影響，還受設備轉(zhuǎn)發(fā)速度影響。5G網(wǎng)絡通用設備通過技術升級也可以進一步提高轉(zhuǎn)發(fā)速度，降低設備轉(zhuǎn)發(fā)時延。

傳統(tǒng)以太網(wǎng)是在源節(jié)點和宿節(jié)點的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層之間進行封裝和解封裝來實現(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（FlexE）可以實現(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)絡中實現(xiàn)業(yè)務隔離和網(wǎng)絡分片可以避免業(yè)務擁塞，進而避免數(shù)據(jù)分組重傳造成的高時延。通過在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層之間的添加一個中間層，即FlexE shim層。shim層是基于時分復用來分發(fā)業(yè)務的，將多個客戶側(cè)接口的數(shù)據(jù)按照時隙方式分發(fā)調(diào)度到不同的子通道。正是由于FlexE新技術實現(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)，從而縮短了設備轉(zhuǎn)發(fā)時間。

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、查表和緩存等過程，提供超低的設備轉(zhuǎn)發(fā)時延。經(jīng)過掛表實驗進行時延統(tǒng)計，可將目前傳輸設備轉(zhuǎn)發(fā)時延從50us降低至1us，進一步降低了5G專線業(yè)務的時延，可以滿足5G業(yè)務URLLC場景對承載網(wǎng)超低時延的需求。

2.3、通過信道隔離降低時延

在4G時代，中國移動承載網(wǎng)采用的PTN技術，業(yè)務支持統(tǒng)計復用。業(yè)務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)務會相互影響，爭搶帶寬。當網(wǎng)絡有流量沖突時，就會造成分組丟失重傳，從而提高了時延。5G時代，承載網(wǎng)采用SPN技術，結(jié)合FlexE技術可以實現(xiàn)業(yè)務隔離和網(wǎng)絡分片，具有帶寬靈活可調(diào)和數(shù)據(jù)硬隔離的特點。以100GE管道為例，通過FlexE shim中間層可以劃分為20個5G速率的子通道，每個客戶側(cè)接口可指定使用某一個或多個子通道，實現(xiàn)業(yè)務之間的信道硬隔離，防止業(yè)務相互爭搶帶寬，避免分組丟失重傳。

FlexE分片不同以往，它是基于時隙調(diào)度的。對于以太網(wǎng)物理端口來說，可以劃分為多個硬管道，每個硬管道內(nèi)又具有以太網(wǎng)彈性。這樣可以使得網(wǎng)絡既具備類似于時分復用獨占時隙、隔離性好的特性，又具備以太網(wǎng)統(tǒng)計復用、網(wǎng)絡效率高的兩大特點，實現(xiàn)同一分片內(nèi)業(yè)務統(tǒng)計復用。這樣一來，分片之間業(yè)務互不影響。FlexE分片相對于通過VPN實現(xiàn)的分片，隔離性更好，從技術上解決了業(yè)務相互爭搶帶寬的問題，實現(xiàn)了專用業(yè)務獨享專有的硬通道。通過時隙分片技術實現(xiàn)信道隔離，為低時延業(yè)務構(gòu)建低時延專用通道，避免業(yè)務擁塞，從而降低時延。

基于FlexE轉(zhuǎn)發(fā)和信道隔離技術可以實現(xiàn)超低時延轉(zhuǎn)發(fā)。經(jīng)過掛表時延進行時延統(tǒng)計，5G網(wǎng)絡通用設備單節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)時延降低至1us。對于5G超低時延URLLC的應用場景，應用SPN端到端的前傳、中傳以及回傳網(wǎng)絡組網(wǎng)方案，可以實現(xiàn)5G專線業(yè)務在信道層面的硬隔離，從而實現(xiàn)低時延的特性。

3 結(jié)束語

本文從URLLC應用場景對5G網(wǎng)絡時延低于1ms的要求入手，分析了5G專線業(yè)務低時延特性的影響因素，包括光纖傳輸距離、設備轉(zhuǎn)發(fā)時間和業(yè)務擁塞情況。通過網(wǎng)絡架構(gòu)調(diào)整降低線路傳輸時延，通過FlexE的1.5層快速轉(zhuǎn)發(fā)降低設備轉(zhuǎn)發(fā)時延，通過SPN信道硬隔離提供專用通道。綜合上述技術方案，可有效實現(xiàn)5G專線業(yè)務超低時延的關鍵能力。未來的研究工作將是如何使得5G專線業(yè)務在具備低時延特性的同時具備高可靠性。
責任編輯:pj