5G承載網的關鍵技術及其組網方案研究

馬 俊

（中國通信建設集團設計院有限公司第四分公司，河南 鄭州 450001）

0 引 言

隨著我國5G網絡建設的推進，三大運營商已經在部分大城市陸續建設熱點覆蓋網絡，5G的全面商用步伐越來越近。4G時代的特征在于人和人的相連，5G則是人和物、物和物的相連，承載網組網從網絡結構、時延和安全等方面同4G有很大的不同。國際電信聯盟無線電通信局提出3種常見5G業務場景，增強型移動寬帶（eMBB）、大規模機器類通信（mMTC）及超可靠低時延通信（uRLLC）。eMBB能夠實現廣域覆蓋，并提供高容量的熱點，能夠迎合移動互聯網的發展趨勢。uRLLC在眾多的垂直行業中有著廣泛的應用前景，如車聯網、工業控制等。mMTC的應用價值主要體現于低速物聯網領域，如智慧城市、環境監測等。3個應用場景的帶寬、內容、時延及可靠性要求等各不相同，其端到端承載網建設面臨著諸多的需求和挑戰。本文對5G承載網建設中面臨的一些關鍵技術進行介紹，給出端到端的組網方案，并對未來演進進行了探討。

1 5G承載網的主要需求及特點

5G時代，AR/VR、8K及自動駕駛等業務逐漸進入現實應用。人工智能、大數據等，將會在5G時代發揮出更大的作用和價值，但也需要更大的帶寬提供支持。OVUM認為，5G投入應用后，移動數據力量會攀升10倍左右，基站帶寬需求上限值至少應該為10 Gb/s，基礎業務時間同步精度應該達到±1.5 μs。為了實現這一目標，必須將切片技術引入到5G，為各種用戶創建虛擬網絡，從而更好地滿足其需求。無線核心網根據時延和帶寬的不同，演進成區域級、本地級及邊緣級三層結構。考慮到各種業務應用的無線核心網關是根據需求部署的，基站和網關的關系比較復雜，再加上不同網關、不同基站彼此間流量的存在，5G業務下的流向具備隨機性的特征，因此組網要求靈活，具體組網特點如下。

（1）高帶寬、低時延。0.1～1 Gb/s的用戶體驗速率；毫秒級時延；eX2必須將流量轉發給最近的單位，以確保滿足時延方面的要求，實現更高的協同增益。

（2）內容感知。網絡切片，業務隔離；DU/CU/MCE池化，提供差異化保障，資源靈活調度提升可靠性。

（3）靈活開放。實現了靈活轉發的功能，能夠對整個網絡的資源進行調度；能夠對流量路徑進行控制，使網絡負載能夠保持平衡；實現了編程功能，可有效地縮短新業務上線時間。

（4）高安全性。DU池組/MCE配置備份，支持多歸屬靈活調度；承載網絡多層次保護，靈活自愈；MESH邏輯互聯，提高網絡安全。

2 5G承載網的關鍵技術

5G揭開通信行業新時代，為承載網發展創造全新機會。與4G相比，5G網絡需要更大的帶寬、更低的時延，因此在技術方面的難度更高。為了能夠滿足5G網絡承載的需求，承載網的相關技術必然加速發展。

2.1 光傳送網技術

光傳送網技術包含范圍非常廣，如中長距傳輸、光模塊及ROADM全光網等。在短距離傳輸情況下，通常會選用強度調制以及直接檢測（IM-DD）系統。可以預見，超頻非相干技術在未來會得到廣泛應用。該技術集成了成本更為低廉的器件以及DSP算法，從而達到（2倍、4倍或更高）傳輸帶寬增長的目標。但在長距離、高速率傳輸場景下，相干技術的應用無法避免，但需降低技術應用成本。相干光通信是基于相干調制以及外差檢測技術而實現的。前者指的是提供不同的信號，從而實現具有特定頻率、相位的光載波。激光就是一種相干光。采用外差檢測技術時，將激光和信號光同時提供給光混頻器，對二者予以混頻處理，從而獲取一個新的中頻信號。該信號的參數和原信號光是直接相關的[1]。

5G承載網將會大規模引入ROADM設備來實現網絡節點之間的光層直通，提高網絡智能化水平以及大幅降低時延。ROADM支持光層以波長作為顆粒的交叉連接與業務分叉復用，其主要優勢在于功耗低、業務速率可見等。最初ROADM系統是二維形式，如今已經發展到PXC（Photonic CrossConnect System）系統，內部構造中包括了穿通層、上下路層及光通道格柵[2]。整個發展過程中，ROADM系統的靈活性程度有了很大的提高，能夠在光通道層中進行靈活地交叉調度。PXC系統應用的最核心技術是彈性柵格。經典DMDM技術應用各式各樣分合波器件，如Mux、De-mux及ROADM等，均以不變帶寬柵格定義為基礎，如50/100 GHz[3]。但在可變帶寬網絡中，為了使網絡資源利用率和數據傳輸速度達到良好平衡，系統基于各種信號的需求進行帶寬的分配。因此，必須對全部分合波器件帶寬分配展開不斷調整[4]。

2.2 FlexE靈活以太網技術

FlexE靈活以太網技術通過對以太網輕量級增強，在以太網L2（MAC）及L1（PHY）之間的中間層增加FlexE Shim層。該技術充分應用了時分復用機制，通過時隙方式將不同業務端口的數據分配給各種子通道，如圖1所示。

圖1 FlexE以太網輕量級增強示意圖

FlexE基于時隙調度實現SDH-like隔離：FlexE基于傳統以太網輕量級增強，引入FlexE Shim（時隙化技術），實現業務的隔離和捆綁，提供剛性管道，有別于VLAN、VPN等提供的協議級隔離。基于64/66bit塊構成時隙，將TDM交換與分組交換融合。SE交叉和分組交叉：基于FlexE的交換，與分組交換平面之間物理隔離，確保FlexE Channel業務安全。FlexE和DWDM的一并應用，使帶寬能夠更加自由的擴展和分割。FlexE支持通過多個接口綁定提供超過接口速率的帶寬；FlexE+DWDM不僅提供單纖大帶寬能力，同時結合DWDM波道靈活增加按需平滑擴帶寬。FlexE同時支持以N×5G帶寬進行子接口信道化，滿足網絡切片物理隔離，能夠在實現物理隔離的基礎上，使業務更加靈活的接入，實現更高的帶寬利用率。

2.3 段路由技術

段路由（SR）技術是一種源路由技術，主要包括SR-TP和SR-BE，用于優化IP-MPLS的網絡能力，從而改善網絡可擴展性，并大大降低TE、FRR等功能實現難度。

SR-TP隧道技術具有SDN集中管控、面向連接的特點。于SR-TE鄰接標簽的棧底插入一層標志業務連接的通路段標識（Path SID），達到雙向隧道目的。SR-TP實現了MPLS-TP端到端OAM保護能力，能夠在面向連接業務承載情況下使用。

SR-TE是一種使用SR作為控制信令的新型的MPLS TE隧道技術，集成了SR-TE的隧道，能夠基于首節點的MPLS標簽對報文在網絡里面的傳輸路徑進行控制，利用一條路徑的多條LSP共享該鏈路標簽。SR-BE隧道利用IGP協議自動擴散SR節點標簽生成，能夠于IGP域內生成全互聯隧道連接。在SPN網絡中，用戶能夠利用網管或控制器對節點標簽予以分配，如圖2所示。SR-BE隧道集成了和拓撲無關的無環替代鏈路保護機制（TE-LEA），在eX2等業務承載方面有著廣泛用途。

圖2 SR-TP和SR-BE隧道技術標簽棧示意圖

2.4 超低時延技術

承載網絡的時延來自兩個部分，即光纖、設備。業務端到端傳輸的時延，和光傳輸距離有關。一般光纖時延對這部分時延的貢獻超過了70%，所以要實現更高的運行效率，可行的辦法是盡量縮短傳輸距離。5G網絡中，CU和DU是分離的，5G和4G相比，最顯著的不同在于功能解耦以及提升，提出基于SBA（Service Based Architecture）的5G核心網NGC（Next Generation Core），旨在改善網絡交付的敏捷性、彈性，使網絡能夠更加可靠的運行。下移業務網關分類，從而有效縮短傳輸距離。包括uRLLC在內的容易受到時延影響的業務，會把網關降低到網絡的邊緣，有時會降低到站點，實現業務就近接入，縮短終端和網管之間距離，將路徑時延控制在更低范圍內。MEC系統是單獨布置的，可選的位置有無線接入側、移動網絡的核心網邊緣等。L3VPN到邊緣支持MEC的歸屬是前提。它的本質是在無線網絡邊緣進行布置，在近用戶端完成業務的處理，針對局部區域的本地化信息予以服務，搭建以網絡能力開放為重心的生態。

如果能夠縮短報文轉發和調度時延，設備時延也將隨之改變。例如，低時延隊列技術，創建報文VIP免擁塞調度通道，能夠將調度時延控制在更低范圍內。若將時隙提升到5G，從而使得復用流程變得更加簡單，縮短時延，降低芯片中緩存資源的占用量。針對5G前傳場景，旁路芯片內不必要的功能模塊和FIFO緩存，并對FIFO緩存的深度和資源調度進行優化。實踐中，如果需要改善時延特性，必須結合適用性、功耗、尺寸及可靠性等方面的因素進行全面地衡量。例如，對具體場景予以優化，或許會使場景受限。在芯片架構、工藝技術不斷走向成熟的過程中，承載網設備能夠利用不同手段降低時延，甚至能夠接近于理論值。

2.5 軟件定義網絡SDN技術

在5G網絡日益向前發展的過程中，在人工智能等方面需求的刺激和推動下，相關的網絡業務逐步的向云化發展，管理和運維也將更加復雜，促使5G承載網更加智能化。當前網絡和云IDC之間缺乏有效互動的機制，使得計算、存儲管理和網絡等方面的信息資源不能動態性地配置部署，尤其是相關資源在跨廣域網場景中無法按照統一規范的需求準確有效地提供。目前，現有的運營商網絡的分層、分域部署所實施的傳統電信業務主要是通過行政區域與具體的地理位置分配組織的。SDN技術將在5G承載網中發揮出巨大的作用，達到端到端的網絡規劃仿真、網絡業務發放積極網絡監測控制等目標，大幅度提升運維效率。

整個網絡架構中，數據中心將逐漸占據主導地位，從而使5G承載網能夠更好地滿足帶寬、業務支持等方面的需求。運營商需要有效利用云化的專業理念將傳統的承載網網絡重構，提升5G網絡技術的核心競爭力和全面優化服務的意識。

3 5G承載網的組網方案

5G承載網絡是5G無限接入網以及核心網正常運行的前提，其具備調度、保護及管理等方面的功能，可使網絡得到更好的連接，有效改善網絡的整體性能。完整的5G承載網絡架構如圖3所示。分析圖3可知，5G承載網絡由轉發平面、協同管控及同步網構成，實現了多樣化的網絡切片服務能力[5]。5G網絡切片和終端、無線、承載以及核心網有關，必須具備端到端協同管控功能。轉發以及管理控制平面具備的切片管控能力，能夠為各種業務的運行提供更有力的保障。

圖3 5G承載網絡總體架構

3.1 轉發平面實現分層組網架構與多業務統一承載功能

5G承載網絡中最重要的部分是轉發平面。它具備端到端分層組網架構，并能夠承載不同的業務。

對于端到端分層組網架構，5G承載組網分為城域、省內干線兩個級別，前者由接入、匯聚及核心3個部分構成。接入層一般為環形組網，其他兩層可以與之相同，或者是采用雙上聯組網，具體需要基于光纖資源情況來確定。對于差異化網絡切片服務，在承載網絡中集成各種管道隔離技術，從而輸出網絡的連接服務，使各種客戶業務能夠得到正常、高效的處理，為5G三大類業務運用、政企專線等不同業務提供不同能力。對于多業務統一承載能力，5G承載能夠直接利用新技術搭建，或者在4G承載網的基礎上予以改造[6]。它能夠承載不同的業務，如政企專線業務、移動CDN及邊緣數據中心等，能很好地延續L0～L3技術的優勢性特征，將基礎承載網絡的作用最大程度地體現。

3.2 管理控制平面需支持統一管理、協同控制及智能運維能力

管理控制平面不僅需要對SDN架構進行管理和控制，還需對業務、網絡資源予以靈活配置，能夠對網絡進行智能管理、協同等。

對于統一管理能力，基于多層多域管理信息模型，能夠對各個域多層網絡予以集中管理。對于協同控制能力，集成了應用Restful的統一北向接口，從而對不同層、不同域予以統一控制，具備了業務自動化和切片管控的功能。對于智能運維能力，能夠對業務以及網絡的動態情況予以監測，從而提供流量、故障及時延等方面的信息。

3.3 5G同步網應滿足基本業務和協同業務同步需求

同步網是5G承載網絡的重要組成部分，能夠使基本業務同步需求和同業務高精度同步需求得到有效滿足。

支撐基本業務同步需求：城域核心節點（優選和省內骨干交匯節點）安裝高精度時鐘源（PRTC/ePRTC），從而使整個網絡具備IEEE1588v2高精度時間同步傳送能力，實現端到端±1.5μs同步目的，滿足5G基本業務同步需求。實現協同業務高精度同步效果：基于這種業務場景下的局部區域下沉部署小型化增強型BITS設備，利用跳數控制達到5G協同業務百納秒量級高精度同步的效果。按需達到高精度同步組網：如果是重新建設的5G承載網絡，基于端到端300 ns量級目標完成時間同步地面組網[7]。首先，有效改善時間源頭設備精度，謹遵扁平化原則，盡量下沉時間源頭，達到端到端性能控制的效果。其次，有效改善承載設備的同步傳送能力，集成鏈路或接口技術，將誤差控制在更低范圍內。

5G承載網絡由省干和城域構成，城域接入層主要為前傳Fx接口的CPRI/eCPRI信號、中傳F1接口以及回傳的N2（信令）和N3（數據）接口提供網絡連接。城域匯聚核心層與省干層面作用是確保回傳和部分核心網元間的N4、N6、N9接口能夠和網絡相連，如圖4所示。由圖4可知，N6將UPF和數據網絡（DN）相連，需要利用IP公網訪問外部多媒體數據中心。5G無線接入網（RAN）項目剛啟動時，一般會選擇gNB宏站及CU和DU合設模式；到了規模建設環節，通常會切換到CU和DU分離模式，全面執行CU云化和CRAN大集中建設模式。

圖4 5G對承載網絡的連接需求和網絡分層關系

考慮到新型業務的出現，5G中后期，承載網絡對帶寬予以擴大，更多的業務將會推出，使時延、安全等方面面臨更大的壓力，DU/CU云化部署統一性增強，基礎承載網接入層提高到100G，熱點區域甚至提高到100GE。局時，隨著云數據中心的深入建設，網隨云動、云網協同已經全面建設完成，可以啟動部署SRv6。承載網管控層全面部署SDN，網絡控制能力和網絡智能化進一步升級。

4 結 論

5G的中心從網絡轉移到業務中，從而引發徹底的技術革命，產業鏈生態也將因此而變化。5G承載網建設中，應根據不同需求場景，發揮現有資源的價值。根據具體的需求采購和使用設備、時間同步及SR+EVPN等，從而使4G能夠平穩升級到5G，將成本控制在更低范圍內。

5G新型業務特性引入、無線接入網結構和核心網架構革新變化等為承載技術日益精進注入動力，5G承載方案不斷涌現。5G承載網絡包括了轉發面、管理控制面及同步網3個部分。轉發面的作用是前傳和中/回傳的承載，管理控制面進行統一管控，同步網支撐高精度同步需求5G應用。在未來，5G現網規模試點全面鋪開，人們還會提出更多的5G承載技術方案。隨著三大運營商目前主體采用NSA建網到未來采用SA建網的演進思路，還需要在5G R16標準凍結后，對5G承載網涉及到的技術、標準等予以全面研究，為5G規模化部署奠定扎實的基礎。