基于IP/MPLS多业务综合承载网IPRAN技术方向和网络方案分析
进入2019年，5g网络在全球进入商用建设的快车道。4月3日，韩国三家运营商与美国verizon宣布5g网络正式商用。2019年3月28日工信部部长苗圩在博鳌亚洲论坛上表示，将根据终端成熟情况适时发放5g牌照，国内三大运营商也开始进行5g网络的建设，并先后发布2019年的5g投资计划。
5g基站回传带宽需求大幅度提升，预计将达到lte基站的10倍以上，因此现有移动回传承载网络的容量难以满足，除此之外，5g网络的切片服务、虚拟化核心网的分布式部署架构、超低时延业务、高精度时间同步等网络和业务特点都对承载网提出了更多、更高的要求。因此自2016年开始全球运营商、设备供应商开始研究面向5g的移动回传网络技术。如今ip/mpls技术已经成为多数运营商的选择，ip/mpls技术是比较成熟的技术，但近几年来ip/mpls网络及业务承载技术也不断发展和革新，运营商在具体的技术演进和方案上各有特色。
本文基于国内运营商的网络特点和5g网络对承载网的需求，对基于ip/mpls多业务综合承载网（ipran）技术方向和网络方案进行分析，并提出一些网络方案建议。
5g网络架构及部署特点
5g组网存在两种模式，分别为独立组网（sa）和非独立组网（nsa）。nsa模式以4g基站作为锚点，主要面向embb业务，提供大带宽互联网服务。该方式采用4g和5g结合组网方式，标准比较成熟，设备也基本成熟，目前商用或正在建设的5g网络普遍采用该模式。sa模式是完全独立建设的5g网络，能够提供5g网络愿景提出的各种服务场景，但标准的成熟比nsa模式晚了半年以上，设备及终端相应也将晚半年到一年的时间才能商用（预计在2020年）。因此5g网络盛宴将从nsa模式开始，5g精彩将在sa模式下绽放。
国内运营商一直在推动sa技术，希望直接采用sa组网模式。但在国际市场竞争态势下，国内运营商很有可能先采用nsa模式建设，再逐步演进到sa模式。
3gpp提出nsa和sa组网模式的多种选项，国内运营商nsa模式组网将选择option3x架构，sa模式组网将选择option2架构。如图1所示。
图1 5g组网示意图
option3x是以4g基站作为锚点，新建5g基站控制面通过锚定的4g基站接入核心网，下行流量全部承载在5g基站上，4g基站主要解决5g基站上行覆盖和控制信令，4g/5g基站间xx接口主要为控制面流量及5g基站覆盖边缘的上行流量，总体流量占比较小。
option2独立部署5g核心网，5g基站独立于4g基站，直接接入5g核心网5gc。4g网络和5g网络间通过epc与5gc实现互通。
option3x充分利用lte的核心网，lte核心网普遍采用按省集中部署方式，基站回传业务的组织相对简单，但lte基站和5g基站间的连接需求（xx接口）不可避免，不但5g ran网络的组网复杂度较高，回传承载方案也更为复杂。
option2采用5g网络全新建设方式，回传业务组织相对比较简单，但核心网的虚拟化和分布式部署要求回传承载网络有更强的路由能力。
面向5g承载的ipran网络技术演进
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。尤其是ipran统计复用的特点，充分利用网络的带宽，比如自3g时代建成后，4g时代根据流量发展适当扩容就满足4g网络多年来的业务量10倍增长的承载需求。5g基站的业务量将比4g基站高10倍以上，比3g基站高近百倍。现有ipran网络的能力无法满足如此大跨度的业务发展。因此面对5g网络的需求，ipran网络技术需从多个角度进行革新。
ipran设备技术
ipran设备技术的变化主要包括四个方面。
设备吞吐量大幅提升。面对5g基站吞吐量10倍以上的提升，ipran网络整体容量应有相应的提升，相比现有ipran设备，ipran2.0设备的端口接入能力、交换容量等都将有大幅度的提升，单台核心汇聚设备的容量大到6.4t以上，甚至可以升级支持高达25.6t的容量。不但能够满足移动回传业务发展的需要，还可以满足专线业务甚至宽带业务承载的需求。网络接口速率也将从ge/10ge为主，演进到10ge/25ge/50ge/100ge等更高速率。ipran设备技术与wdm设备技术进一步融合，ipran设备直接提供高速彩光接口over到wdm的波道上（ip over wdm）将成为发展方向。
芯片技术发展。采用新一代的芯片技术，提升芯片容量的同时，降低芯片的单位gb功耗，芯片处理业务的性能也有大幅度的提升。在国际上交换芯片企业出现寡头垄断趋势，国内多个设备供应商自主开展网络处理器（np）芯片的研发，新一代的ipran设备将更多采用国产芯片。
将采用基于flexeth的链路绑定和管道隔离技术，简化网络容量扩展，并提供硬管道的业务隔离。
高压直流供电技术。5g核心网将采用虚拟化和云化部署方式，传统的专用核心网设备将演进为数据中心内通信云上虚拟化的网络功能，设备硬件则变成通用的服务器和交换机设备。数据中心普遍采用高压直流或高压直流+交流直供方式。ipran设备也将从-48v供电逐步转变为高压直流或高压直流+交流直供方式。
业务承载技术
（1）隧道技术。目前ipran普遍采用ldp和rsvp-te协议来建立业务隧道，这两种方式应用多年，但其协议相对比较复杂，导致业务的配置和网络维护也比较复杂。近几年面向连接的隧道技术——sr技术逐步成熟。sr对igp协议进行扩展，不再需要专门的rsvp-te和ldp协议，协议更加简化，因此更容易支持通过集中的控制面进行路径计算和部署，能够大大降低rsvp-te协议对设备控制面的性能压力。同时，也更容易实现大规模的sr隧道部署。结合sdn智能控制技术，sr技术将推动ip网络向路由智能计算和路径可控方向发展，具备类似传输网的功能和性能，提升业务的可靠性、智能恢复和保护能力。
（2）切片承载技术。网络切片是5g网络的关键特征之一。要求承载网也能够提供灵活可靠的切片承载。隧道隔离、vpn隔离和qos调度将是常用的软切片方案，针对特定的网络切片需求，可采用flexeth技术，结合智能化管控，基于硬管道为特定的业务提供硬切片承载方案。网络切片服务需要从基站到核心网端到端的协同，需要跨专业的网络编排器实现端到端切片的自动编排和端到端自动部署。目前端到端跨专业切片协同工作尚在推进中。
智能维护技术
（1）智能管控技术。5g承载网将采用更加智能、完善的网络管控技术要求，提升对网络性能、流量的自动采集和数据分析能力，实现业务的自动发放、网络智能运维，降低运营维护的复杂度。
（2）在设备上实现多重在线自动测量技术，不需要仪表即可对业务和网络进行测试，提供多层次的网络实时监控能力，提高网络的可维护性。
（3）客户接入自动识别。与业务网联合部署lldp协议，实现业务设备信息的自动识别，提升网络的业务感知能力。
面向5g承载的ipran网络技术方案
组网方案
ipran网络组网采用现有的核心汇聚+接入两大层网络架构，核心汇聚层和接入层分属不同的igp进程，如图2所示。核心汇聚层主要采用口字型结构，接入层采用环形结构。在接入层，部署cran基站bbu的综合业务接入点/bbu集中点与dran基站分别组环以提升网络效率，降低网络成本。
采用灵活的业务承载方案，同时满足lte、5g nsa和sa业务承载及其他业务综合承载的需要。在nsa组网模式下5g和4g基站的xx接口通信需求通过接入环内部或汇聚点转发。
核心网所在的通信云，通过数据中心的边界设备（border）与ipran网络的asbr相连，并通过asbr与骨干承载网相连，满足骨干范围内核心网间组网的需求；边界设备直接与城域网的cr相连并接入互联网。
图2 5g承载网组网示意图
5g基站将更多采用cran部署模式，bbu集中部署到综合业务接入点或bbu集中点。网络上回传物理站点将大幅减少，图2中，左侧综合接入环将是接入层组网的主流方式，右侧的以dran基站为主的基站接入环仅作为特殊场景下的补充。这种模式，不但节省设备数量、降低机房配套成本和opex成本，更能够在网络结构上，缩短基站到核心网间的传输距离，有效降低业务的传输时延。
网络容量规划
对大量现网ipran核心汇聚层和接入层网络流量的统计分析表明，现网ipran在4g业务已经充分发展的今天，平均单基站的回传带宽远低于lte基站的理论吞吐量。现网80%以上的接入环还是采用ge速率组网，部分采用10ge速率组网的接入层网络的带宽利用率普遍小于10%。
核心汇聚层的带宽利用率还比较低。对某运营商流量最大的3个城市ipran核心汇聚层网络带宽利用率分析结果见表。
表 典型城市ipran网络核心汇聚层带宽利用率
根据表中数据，可以得出以下结论。
（1）全网峰值带宽利用率约32%，总体带宽利用率不高，还满足一倍以上的业务增长需求。
（2）核心汇聚组网主要为10ge速率，约占90%。现网核心汇聚层设备的冗余10ge端口还能够支持网络一倍以上的扩容需求。
（3）根据更细化的汇聚链路利用率统计分析，样本城市中，50%的链路利用率低于30%，70%以上的链路无需扩容即可满足5g初期需求。
（4）从样本城市的全网链路分布分析，网络流量的热点汇聚区较为集中，top 10%的汇聚区总流量约占全网的30%，top 20%的汇聚区总流量约占全网的50%。
（5）样本城市为全国流量最大的省市，全国总体网络利用率会更低。
5g承载网的容量规划思路应从传统的基于基站理论吞吐量和模型收敛比进行规划的方式，转向基于现网流量分析和业务发展规律进行规划。
根据上述典型城市的流量分析，以及对5g用户、终端、业务、服务策略等的预测，通过对现有ipran网络的核心汇聚层热点区域网络进行适当扩容（从10ge容量变成20ge容量），可以满足5g初期3年左右的业务发展。之后可基于流量的分析进行扩容，逐步满足业务发展的需要。这种循序渐进的网络发展方式将大幅降低运营商5g网络建设的投资。
接入层网络采用10ge速率组网，将能够满足5g初期3年以上业务发展的需求。
基于上述分析以及目前25ge/50ge/100ge光模块成本远高于10ge光模块成本的状况，5g承载网初期采用10ge速率组网，后期按需升级到25ge/50ge将是最经济可行的建网策略。
网络时延
时延是5g网络比较关注的参数之一，基于上述架构的ipran网络的时延能力，如图3所示。图3中的时延是根据典型城市网络结构、站点布局、光缆长度、ipran转发时延模拟计算的最大传输时延，其中ipran转发时延按照轻载情况下的转发时延计算。
通过优化结构、减少转发节点数量、优化ipran设备本身的转发时延，承载网的时延可能比图中的数据更小。在实际网络部署阶段，通过适当的轻载策略和合理的qos调度，可保证高优先级的业务时延。
图3 承载网引入的时延
5g网络对承载网提出更高更多的需求，基于ip/mpls多业务综合承载网依然是满足5g网络需求的最佳选择。近年来不断发展的sdn智能控制技术和sr技术将支撑5g网络精彩开启。循序渐进的网络扩容和建设策略将节省运营商capex成本。
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5g基站回传带宽需求大幅度提升，预计将达到lte基站的10倍以上，因此现有移动回传承载网络的容量难以满足，除此之外，5g网络的切片服务、虚拟化核心网的分布式部署架构、超低时延业务、高精度时间同步等网络和业务特点都对承载网提出了更多、更高的要求。因此自2016年开始全球运营商、设备供应商开始研究面向5g的移动回传网络技术。如今ip/mpls技术已经成为多数运营商的选择，ip/mpls技术是比较成熟的技术，但近几年来ip/mpls网络及业务承载技术也不断发展和革新，运营商在具体的技术演进和方案上各有特色。
本文基于国内运营商的网络特点和5g网络对承载网的需求，对基于ip/mpls多业务综合承载网（ipran）技术方向和网络方案进行分析，并提出一些网络方案建议。
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5g组网存在两种模式，分别为独立组网（sa）和非独立组网（nsa）。nsa模式以4g基站作为锚点，主要面向embb业务，提供大带宽互联网服务。该方式采用4g和5g结合组网方式，标准比较成熟，设备也基本成熟，目前商用或正在建设的5g网络普遍采用该模式。sa模式是完全独立建设的5g网络，能够提供5g网络愿景提出的各种服务场景，但标准的成熟比nsa模式晚了半年以上，设备及终端相应也将晚半年到一年的时间才能商用（预计在2020年）。因此5g网络盛宴将从nsa模式开始，5g精彩将在sa模式下绽放。
国内运营商一直在推动sa技术，希望直接采用sa组网模式。但在国际市场竞争态势下，国内运营商很有可能先采用nsa模式建设，再逐步演进到sa模式。
3gpp提出nsa和sa组网模式的多种选项，国内运营商nsa模式组网将选择option3x架构，sa模式组网将选择option2架构。如图1所示。
图1 5g组网示意图
option3x是以4g基站作为锚点，新建5g基站控制面通过锚定的4g基站接入核心网，下行流量全部承载在5g基站上，4g基站主要解决5g基站上行覆盖和控制信令，4g/5g基站间xx接口主要为控制面流量及5g基站覆盖边缘的上行流量，总体流量占比较小。
option2独立部署5g核心网，5g基站独立于4g基站，直接接入5g核心网5gc。4g网络和5g网络间通过epc与5gc实现互通。
option3x充分利用lte的核心网，lte核心网普遍采用按省集中部署方式，基站回传业务的组织相对简单，但lte基站和5g基站间的连接需求（xx接口）不可避免，不但5g ran网络的组网复杂度较高，回传承载方案也更为复杂。
option2采用5g网络全新建设方式，回传业务组织相对比较简单，但核心网的虚拟化和分布式部署要求回传承载网络有更强的路由能力。
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ipran设备技术
ipran设备技术的变化主要包括四个方面。
设备吞吐量大幅提升。面对5g基站吞吐量10倍以上的提升，ipran网络整体容量应有相应的提升，相比现有ipran设备，ipran2.0设备的端口接入能力、交换容量等都将有大幅度的提升，单台核心汇聚设备的容量大到6.4t以上，甚至可以升级支持高达25.6t的容量。不但能够满足移动回传业务发展的需要，还可以满足专线业务甚至宽带业务承载的需求。网络接口速率也将从ge/10ge为主，演进到10ge/25ge/50ge/100ge等更高速率。ipran设备技术与wdm设备技术进一步融合，ipran设备直接提供高速彩光接口over到wdm的波道上（ip over wdm）将成为发展方向。
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智能维护技术
（1）智能管控技术。5g承载网将采用更加智能、完善的网络管控技术要求，提升对网络性能、流量的自动采集和数据分析能力，实现业务的自动发放、网络智能运维，降低运营维护的复杂度。
（2）在设备上实现多重在线自动测量技术，不需要仪表即可对业务和网络进行测试，提供多层次的网络实时监控能力，提高网络的可维护性。
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面向5g承载的ipran网络技术方案
组网方案
ipran网络组网采用现有的核心汇聚+接入两大层网络架构，核心汇聚层和接入层分属不同的igp进程，如图2所示。核心汇聚层主要采用口字型结构，接入层采用环形结构。在接入层，部署cran基站bbu的综合业务接入点/bbu集中点与dran基站分别组环以提升网络效率，降低网络成本。
采用灵活的业务承载方案，同时满足lte、5g nsa和sa业务承载及其他业务综合承载的需要。在nsa组网模式下5g和4g基站的xx接口通信需求通过接入环内部或汇聚点转发。
核心网所在的通信云，通过数据中心的边界设备（border）与ipran网络的asbr相连，并通过asbr与骨干承载网相连，满足骨干范围内核心网间组网的需求；边界设备直接与城域网的cr相连并接入互联网。
图2 5g承载网组网示意图
5g基站将更多采用cran部署模式，bbu集中部署到综合业务接入点或bbu集中点。网络上回传物理站点将大幅减少，图2中，左侧综合接入环将是接入层组网的主流方式，右侧的以dran基站为主的基站接入环仅作为特殊场景下的补充。这种模式，不但节省设备数量、降低机房配套成本和opex成本，更能够在网络结构上，缩短基站到核心网间的传输距离，有效降低业务的传输时延。
网络容量规划
对大量现网ipran核心汇聚层和接入层网络流量的统计分析表明，现网ipran在4g业务已经充分发展的今天，平均单基站的回传带宽远低于lte基站的理论吞吐量。现网80%以上的接入环还是采用ge速率组网，部分采用10ge速率组网的接入层网络的带宽利用率普遍小于10%。
核心汇聚层的带宽利用率还比较低。对某运营商流量最大的3个城市ipran核心汇聚层网络带宽利用率分析结果见表。
表 典型城市ipran网络核心汇聚层带宽利用率
根据表中数据，可以得出以下结论。
（1）全网峰值带宽利用率约32%，总体带宽利用率不高，还满足一倍以上的业务增长需求。
（2）核心汇聚组网主要为10ge速率，约占90%。现网核心汇聚层设备的冗余10ge端口还能够支持网络一倍以上的扩容需求。
（3）根据更细化的汇聚链路利用率统计分析，样本城市中，50%的链路利用率低于30%，70%以上的链路无需扩容即可满足5g初期需求。
（4）从样本城市的全网链路分布分析，网络流量的热点汇聚区较为集中，top 10%的汇聚区总流量约占全网的30%，top 20%的汇聚区总流量约占全网的50%。
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根据上述典型城市的流量分析，以及对5g用户、终端、业务、服务策略等的预测，通过对现有ipran网络的核心汇聚层热点区域网络进行适当扩容（从10ge容量变成20ge容量），可以满足5g初期3年左右的业务发展。之后可基于流量的分析进行扩容，逐步满足业务发展的需要。这种循序渐进的网络发展方式将大幅降低运营商5g网络建设的投资。
接入层网络采用10ge速率组网，将能够满足5g初期3年以上业务发展的需求。
基于上述分析以及目前25ge/50ge/100ge光模块成本远高于10ge光模块成本的状况，5g承载网初期采用10ge速率组网，后期按需升级到25ge/50ge将是最经济可行的建网策略。
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通过优化结构、减少转发节点数量、优化ipran设备本身的转发时延，承载网的时延可能比图中的数据更小。在实际网络部署阶段，通过适当的轻载策略和合理的qos调度，可保证高优先级的业务时延。
图3 承载网引入的时延
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“九章”和Horse Ridge对于量子计算的发展有哪些意义?
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