5G承載網的關鍵技術及其組網方案分析

陳 劭

引言

隨著科技發展，人們通信方式也越來越豐富，通信便捷性也越來越強。在4G通信時代，技術更多的關注點是人與人的通信互聯，而隨著5G通信時代來臨，通信更多的是將人與物、物與物之間以更便捷、更安全的方式進行互聯互通。因此，5G通信時代承載網在網絡結構、通信安全及其他諸多方面也都有了很大的變化和進步。通過對5G承載網關鍵技術的分析與探討，剖析5G承載網的組網方案，必將對我國5G通信建設有較好促進作用[1]。

1 5G承載網技術要求

通信網絡從最初的1G不斷升級5G，其承載網也顯現從小規模到大規模、從低帶寬到高帶寬的變化，其性能也越來越強大，功能也越來越完善。尤其是進入5G后，通信網絡的相關指標得到大幅提升，這些相關通信指標高標準，如果僅僅只依靠無線空中接口部分的提升已無法滿足5G通信需求，因此，必須對承載網網絡架構進行技術升級。其主要體現在以上方面:（1）帶寬。帶寬作為5G承載網最重要技術指標之一，也是最基礎通信指標。在空口速率提升數十倍的情況上，承載網帶寬也必須進行大幅度提升才能滿足要求。在當前階段，5G仍處于初始時期，eMBB（Enhanced Mobile Broadband）增強移動寬帶要實現業務場景，最需要關注也是帶寬。（2）低時延、高可靠性。在5G時代，承載網對網絡時延和可靠性提出更高要求，這也是5G通信重要需求之一。為了達到低時延，需要實現端到端時延達到個位數毫秒級，才能滿足5G通信技術要求。在5G的諸多場景中，對承載網可靠性要求也達到99.9999%，其強大的故障恢復能力和容災容錯能力，也都體現其高可靠性的特點。（3）高精度同步能力。高精度同步能力體現在承載網頻率同步和時間同步方面。其主要作用有:一方面，5G通信中多點協同、載波聚合以及超短幀等，都對通信時間同步精度提出更高要求。另一方面，在5G通信中，時分雙工（TDD）是其通信業務采用的主要制式，這必須要求精確時間同步才能完成。還有通信中諸多的增值性服務，也都要求必須有較精確時間同步才能實現。目前5G網采用的關鍵技術包括:高精度同步源頭技術、高精度同步傳輸技術、高精度同步局內分配技術、高精度同步檢測技術。（4）低能耗。5G運行設備較多，網絡強大，低能耗不僅可以降低故障率，降低運行成本，也符合低碳發展要求[2]。

2 5G承載網關鍵技術分析

承載網是5G移動通信重要組成部分，對5G發展具有重要意義。其關鍵技術分析如上:

2.1 切片分組網絡技術

作為5G承載網關鍵技術之一的切片分組網絡技術，不僅可以在過去3G、4G承載網絡分組傳輸技術基礎，進一步滿足5G承載網業務承載要求。同時，通過切片技術不斷創新和技術融合，還可能滿足5G承載SPN組網架構的相關要求。5G承載網前傳、中傳以及回傳端對端組網能力都是依靠SPN組網架構的主要功能來實現的，其在充分發揮以太網通道、切片技術和FlexE結構的作用，同時對切片技術提供支持，將L3功能上沉到匯聚層直至接入層，也較好保證連接的靈活性。通過在接入層導入50GE，也可以滿足匯聚層和核心層引入100Gb/s、200Gb/s以及400Gb/s彩光方案。切片分組網絡技術（SPN）通過實現大帶寬、低時延、網絡切片、L3層靈活連接、高精度同步和SDN管控，更好滿足5G承載需求。5G通信網絡承載的SPN組網架構，其主要由傳輸層、通道層和切片分組層組成，同時，為了規范化和統一化5G承載的SPN組網架構管理，增加具有較高準確性、同頻性的時鐘同步功能模塊，進一步提高承載網管理精度。總之，切片分組網絡技術（SPN）能夠實現大帶寬、低時延、網絡切片、L3層靈活連接、高精度同步和SDN管控，滿足5G承載需求[3]。

2.2 靈活以太網技術

靈活以太網技術是5G承載網關鍵技術之一。靈活以太網（Flexible Ethernet）從2015年起步，主要面向5G網絡中的云服務、網絡切片、AR/VR/超高清視頻等時延敏感業務需求。其對接口技術進行創新，從而保證高速大端口400GE、1TE等技術應用，有助于智能端對端鏈路的建立，滿足數據網絡對IP低時延、高QoS服務的要求。Flexible Ethernet是在OIF接口物理層標準的基礎發展起來的，由于Flexible Ethernet技術自身所具有靈活性、可調節性、優秀的數據隔離性能，使其能夠與5G承載網通信要求相匹配，因此，Flexible Ethernet被世界各地的通信運營商和服務商所應用。Flexible Ethernet技術較好的實現以太網在時隙調度基礎進行劃分，同時還有豐富的以太網彈性硬管道，也正是基于此項技術應用，使得5G通信網絡不僅具有很強的隔離性、TDM獨占時隙，同時，也具有良好的高效性、統計復用的優勢[4]。

2.3 分段路由（SR）技術

分段路由（SR）技術是依據路徑標簽進一步對路由數據所需經過的網絡路徑進行確認。其每個路由器都有一個與之相對應的節點，多數情況上，利用分段路由技術可以將固定標簽以及32位標簽分別于各個節點進行設置。如果轉發器所支持的標簽深度低于標簽棧深度時，便會導致整條LSP的鏈路標簽沒有辦法通過一個標簽棧完成攜帶。這時，就應將整條路徑分隔為若干個標簽棧攜帶，并通過一種特殊標簽將相鄰的標簽棧粘連在一起，多個標簽棧首尾相連，從而標識一條完整LSP。像PCE（路徑計算元件）這樣的外部系統，應用了SR后，可以定義路徑。一個PCE能夠創建不共享拓撲或從批量數據流中分離出來的實時UC&C流量路徑。PCE與路由協議交互獲得拓撲和其它信息，用于確定添加到數據包的標簽組。其結果是，在一個SR系統上既包含了運行在控制平面上用于收集拓撲信息的路由器，也包含了在PCE上運行的使用該拓撲信息來計算不同應用路徑的路由協議[4]。

4 5G承載網建設方案分析

4.1 5G承載網整體架構（見圖1）

圖1 承載網架構簡圖

在通常情況上，按每一個接入環建設8個站點計處，基站建設規范應為24個。經過NGMN收斂模型分析，如果收斂比按1/2計算，則接入環理論帶寬應每個接入環8個站點規模為宜，其計算公式為:基站規模=站點規模×3=24。其帶寬應為28.87Gbit/s。計算公式為:[1×峰值+（n-1）×均值]/收斂比=[1×4.84+23×2.3]/2=28.87Gbit/s，結合上述計算，接入環采用50 GE環網為宜。每個匯聚環，一般情況上應上掛4-8個接入環，結合1/2的收斂比計算，匯聚環的帶寬應為57.74或115.48Gbit/s，因此，匯聚環宜采用100 GE環網較為科學[5]。

4.2 前傳網絡

當對DU進行集中設置后，如果仍然在DU和RRU/AAU間采用光纖直驅方式建立前傳網絡，需要耗費大量光纜資源，為降低5G承載網建設成本，需要結合方面因素，科學選擇高性價比的承載方案（見表1）。

表1 前傳網絡技術優劣分析

從表1可以看出，有源OTN方式與光纖直驅、無源CWDM方式相比，其光纖資源占用較少，可維護性較強，其解決方案技術優勢明顯，但其所需的投資成本較高。因此，需結合承載網影響因素，合理選取布署方案:（1）DU上掛RRU/AAU數量較少情況上，且距離相對較近，如果光纖資源也較為充足，采用光纖直驅方案較為科學。（2）DU上掛RRU/AAU數量較多情況上，且距離相對較遠，光纖資源也不充足，則可以根據建設資金現狀，在有源OTN方案或無源CWDM方案二者中選取方案較為合理[6]。

4.3 低時延保障

低時延是5G通信的一個重要指標。對于承載網時延而言，設備轉發時延和光纖時延是其產生主要原因。為降低承載時延，應從三個方面給予重視:一是有效QoS手段。其主要通過FlexE等技術應用，達到子MAC間物理隔離的目的，從而實現良好的擁塞控制，在網絡重載情況上，優先保障高優先業務的快速轉發。二是降低設備時延。在這方面，可通過轉發技術的應用，縮短接口處理時延。采用對NP內核優化的方法，為低時延業務提供專用通道；應用多種技術手段優化設備時延。三是優化傳輸距離。一方面，為了縮短傳輸距離，可以采用核心網、MEC上沉的方法；另一方面，可以通過優化數據傳輸路徑的方法來實現。同時，可以將二者結合應用，優化傳輸距離，達到降低時延目的。

4.4 靈活切片

在5G網絡方案中，為了滿足不同業務對帶寬、時延、可靠性的要求，靈活的SDN/NFV網絡切片技術在核心網和無線網得到廣泛應用，這也要求承載網必須能夠對靈活切片技術給予支持，才能滿足網絡資源動態釋放，并實現相互隔離不同切片網絡資源的功能。因此，承載網需要通過FlexE以及SDN/NFV 2項關鍵技術應用，實現切片創建、刪除、調整等功能，才能實現與核心網和無線網切片協同目的。在這方面，為了實現通信網絡多網協同，需建立一個包含核心網、無線網、承載網的端對端邏輯網絡，承載網則需要采用轉發面與控制面分離的SDN架構。其中轉發面為實現切片間相互隔離，通常采用lexE和VPN來實現。控制面則是需要與核心網、無線網通過SDN控制器開展協同，為實現編排端到端的業務鏈，需要上層編排器的統一管理。在這些方面，因為涉及到諸多領域，其接口的統一性與標準性一定要給充分重視，在網絡設計時，也應對通信技術升級與發展預留一定拓展空間[7]。

5 結束語

隨著5G建設快速推進，其承載網技術與5G業務性能提升關系密切。5G通信網絡無線頻譜更寬，MIMO的規模也更大，其用戶體現帶寬也提高了10倍甚數十倍。而大規模的業務對承載網的時延與可靠的要求也更高。高效、開放、靈活的網絡架構技術應用，推動了承載網架構的革新，靈活的組網和調度方案應用，網絡切片、協同管控、高精度同步等功能的實現，進一步滿足5G時代豐富的通信業務需求。