5G承載網關鍵技術和組網方案探討

0 引言

4G 實現了人與人的連接，5G 將實現人與物、物與物的連接。4G 改變了通信，5G 將改變社會。承載網作為基站和核心網之間的傳送通道，肩負著承載各類業務的重大使命。為滿足5G的三大應用場景（eMBB、uRLLC、mMTC）的需求，承載網需引入多種關鍵技術，提供超大帶寬、超低時延的傳輸通道，并支持靈活調度，實現高精度時間同步。

1 5G傳輸需求及網絡演進

1.1 5G傳輸需求

5G的應用場景有以下3類。

a）增強移動帶寬（eMBB）。主要用于連續廣域覆蓋和熱點高容量場景，為用戶提供高數據傳輸速率，滿足網絡高流量密度需求。與4G 網絡相比，5G 網絡有著更寬的無線頻譜，并采用massive MIMO、高階QAM 等技術提升無線空口帶寬，傳輸速率甚至可以達到幾十Gbit/s。5G 峰值帶寬和用戶體驗帶寬將提升數10倍，也對傳輸網提出了10倍以上的帶寬需求。

b）超低時延高可靠通信（uRLLC）。5G 時代是物聯網時代。所有終端和物品均接入互聯網，從而實現萬物互聯。自動駕駛、智能交通、智慧城市、工業互聯等垂直行業的特殊應用對時延和高可靠性有著極高的指標要求，運營商需為這些用戶提供毫秒級的端到端時延和高可靠性保證。現有的傳輸網設備及組網方式必須進行優化，以降低時延，提升安全性，滿足新型業務發展需求。

c）海量機器類通信（mMTC）。智慧城市、環境監測、智能農業等以傳感和數據采集為目標的應用場景，具有數據量小、功耗低、海量連接等特點；要求網絡滿足100 萬/km2連接數密度指標要求，并保證終端超低功耗和超低成本。

基于以上場景特點，5G 對承載網提出了更高的需求，主要包含大帶寬、低時延、高精度時間同步、Mesh連接及網絡切片。針對eMBB、URLLC 和mMTC 等不同的業務對帶寬、時延、服務質量等不同的需求，分配不同的網絡資源，這就要求5G承載網提供網絡切片能力，可以將不同業務所需的網絡資源靈活動態地分配和釋放，并進一步動態優化網絡連接，降低網絡成本，提升效益。5G 承載網還需要提供相互隔離的管道來為多個客戶和各個垂直行業分別提供服務。

1.2 5G網絡架構

5G網絡架構相對于4G網絡有如下幾點變化。

a）5G 無線網架構。根據3GPP 5G RAN 切分，5G重構為AAU、DU、CU 3 層架構。原4G 網絡中的BBU重構為CU 和DU 2 個功能實體。CU 涵蓋了無線接入網高層協議棧及核心網的一部分功能，而DU 涵蓋了基帶處理的物理層及L2 部分功能。CU 和DU 網元在物理部署中可采用合一形態或分離形態，當前以合一形態部署形式為主。傳送網相應網絡部署分為前傳、中傳和回傳3 部分。前傳為AAU-DU，中傳為DUCU，回傳為CU-核心網。

b）超密組網。根據無線傳播特性，由于頻率高，5G 傳播損耗比4G 大，基站的覆蓋能力也就越弱，需要增加數倍于4G的基站才能彌補。但5G無線網絡采用空分復用等新技術，不但可提升容量，還使得覆蓋不收縮或極少量收縮。另外，對于熱點高容量區域，會采用超密集組網，對于盲點、弱覆蓋場景，還會采用small cell增強覆蓋。總之，5G的基站密度比4G大。

c）核心網云化、下移及虛擬化部署。5G 核心網控制面和用戶面分離，用戶面下沉，由原來的集中式演變成分散式，便于不同類型的業務在不同的層面終結，基于虛擬化技術將核心網物理實體分離成多個虛擬網元，分布在網絡中，進行云化部署，地理位置上靠終端更近，可以帶來更低的時延。

1.3 5GC SA和NSA組網模式

在4G 向5G 演進過程中，5G NR、5G 核心網、4G 核心網和LTE 混搭，組成了多種網絡部署演進的選項。3GPP 為不同需求的運營商指定了不同“套餐”搭配選擇。總體上分為5G 獨立組網（SA）和5G 非獨立組網（NSA）兩大類。

a）5G 獨立組網。獨立組網通過建設一個全新的5G 網絡，包括新基站、承載網和核心網，來實現5G 網絡的所有功能。

b）5G 非獨立組網。此模式下，5G 網絡不能獨立部署，必須依托運營商原有的一個網絡（如LTE 網絡）進行部署。具體而言，5G 的基站依托LTE 的基站接入網絡，對用戶的所有控制操作，包括移動性管理、漫游、切換等，都通過LTE網絡進行，而5G基站僅提供數據業務增強的通道。

1.4 5G承載網關鍵技術

a）切片分組網（SPN——Slicing Packet Network）。SPN 是中國移動面向5G 傳輸提出的創新技術體系，是以以太網內核為基礎的新一代融合傳輸網絡架構，可實現大帶寬、低時延、高效率的綜合業務承載。兼容PTN 現有協議，新增SR、FlexE 和SDN 功能。SPN 采用基于ITU-T 分層網絡模型，支持對IP、以太網、CBR 業務的綜合承載。SPN 體系架構分為3 層：切片分組層（SPL）、切片通道層（SCL）和切片傳送層（STL）。客戶業務層采用SDN L3+SR 的業務組網，滿足業務靈活調度要求。業務傳送層基于FlexE 的接口和端到端組網能力，提供網絡分片和低時延應用。傳輸媒介層接入層采用50GE/100GE 組網，核心匯聚采用高速率以太、以太+DWDM組網。

b）分段路由技術（SR）。SR 是目前承載網中非常受關注的一項技術，由CISCO 提出，是一種源路由機制，對現有MPLS 技術進行了高效簡化，同時復用MPLS已有的轉發機制，能很好地兼容目前的IP MPLS/MPLS-TP 網絡。MPLS 是通過事先分配好的標簽，為報文建立一條標簽轉發通道（LSP），在通道經過的每一臺設備處，只需要進行快速的標簽交換即可，從而節約了處理時間。SR 也是一種“不管中間節點”的路由技術，靈活性更高，開支更少，效率更高。分段路由（SR）技術通過內部網關協議（IGP）擴展收集路徑信息，頭結點根據收集的信息組成一個顯式/非顯式的路徑，路徑的建立不依賴中間節點，從而使得路徑在頭節點即創建即生效，避免了網絡中間節點路徑計算。

c）靈活以太網技術（FLexE）。FlexE 就是把多個物理端口進行“捆綁合并”，形成一個虛擬的邏輯通道，以支持更高的業務速率。FlexE技術在以太網技術的基礎上實現了業務速率和物理通道速率的解耦，物理接口速率不必再等于客戶業務速率，可以是靈活的其他速率。

靈活以太網技術是切片以太網的基礎，可對高速率接口進行精細化劃分，實現不同低速率業務在不同時隙中的傳輸，相互之間物理隔離。FlexE技術具有子管道特性和物理層交叉特性，在傳輸網絡上可以構建端到端SPN Channel 剛性管道。FlexE 用于SPN 架構中，基于原生以太內核擴展以太網切片能力，既完全兼容當前以太網絡，又避免報文經過L2/L3 存儲轉發，可提供確定性低時延、硬管道的以太網L1組網能力。

FLexE 技術在PHY 層和MAC 層之間增加了FLexE Shim 層，通過時隙交叉實現用戶業務流在FlexE Shim 層轉發，用戶報文在網絡中間節點無需解析，業務流交叉過程近乎瞬間完成，單跳設備轉發時延僅1～10 μs，從而實現極低的轉發時延。而傳統的IP/MPLS 交換，對于客戶業務報文采用逐跳轉發策略，網絡中每個節點設備都需要對數據包進行MAC 層的緩存、CRC 校驗、MPLS 層的解析和查表轉發、隊列調度，這些處理會耗費大量時間，使得單設備轉發時延高達數十μs。

2 5G承載網分層組網方案

打造面向5G的精品承載網絡，分步新建SPN網絡達成目標網絡覆蓋，逐步實現“市、縣、鄉”覆蓋。核心匯聚層適度先行，完成網絡主體架構搭建；接入層匹配5G站點接入需求建設。為保證5G端到端切片業務的實現，城域傳送網需保證端到端同廠家組網。新建SPN 網絡，由于L3 功能直接下沉到匯聚層/接入層，較現有PTN網絡減少了L2/L3層。

新建的SPN網絡初期主要用于承載5G業務，而未來目標是實現綜合業務承載。在實現綜合業務傳輸時，總體上采用匯聚接入共用、核心層分離架構。

匯聚層主要采用100GE/200GE 組網。若需擴展帶寬，可通過DWDM+FlexE Group方式進行擴展。

接入層采用10GE/50GE/100GE 組網，新建接入層設備應具備100GE 組網能力。在D-RAN 場景下可采用10GE/50GE 組網，在C-RAN 場景下采用50GE/100GE組網。

新建50GE和100GE系統均應采用FlexE板卡。

2.1 核心層組網方案

中小型城域網，業務量相對較小，核心機房數量較少，可采用一對核心對接設備連接本地5G 核心網，同時連至省干網絡，將部分流量調度到省會/大區集中的5G核心網。核心層組網拓撲部署建議如圖1所示。

圖1 中小型城域網核心層組網拓撲

大型城域網的核心機房有多個，骨干匯聚點數量和本地部署的核心網設備也比較多，若采用核心網設備直接對接骨干匯聚，則互聯鏈路數量會非常多，易導致網絡瓶頸，因此建議增設核心調度設備，調度設備實現骨干匯聚側的連接，進行端口收斂，而業務落地點專注于業務落地連接。

當骨干匯聚節點不超過10 對時，建議采用1 級核心層組網架構；當骨干匯聚節點超過10 對時，建議采用2 級核心層組網架構。核心層組網拓撲建議如圖2所示。

核心調度節點通常為網絡的中間節點，僅對業務進行透傳，一對核心調度之間的鏈路主要用于滿足業務備用路徑的需求，適當規劃1～2條鏈路即可。

核心調度點與核心落地點之間先采用200GE 鏈路連接，考慮到中遠期可能需要擴容，建議核心層設備采用N×200GE 單板時，僅用其中1 個200GE 端口，其余端口預留。

2.2 匯聚層組網方案

圖2 大型城域網核心層組網拓撲

匯聚層采用環形組網，建議每個匯聚環除骨干匯聚點外，還下掛4～6 個普通匯聚點，采用N×100GE/200GE組網。如圖3所示。

圖3 匯聚層組網拓撲

匯聚層端口連接應滿足以下要求：物理上同1 臺設備出去的同環2個方向使用不同單板，2個方向需采用不同路由光纜。邏輯上確保工作、保護路徑的接口分離。

2.3 接入層組網方案

4G 高流量基站日平均峰值為60 Mbit/s，瞬時峰值為120 Mbit/s，普通基站日平均峰值為30 Mbit/s，瞬時峰值為60 Mbit/s。5G 基站按照4G 基站10 倍測算，高流量基站峰值為1 200 Mbit/s，普通基站峰值為600 Mbit/s。D-RAN 場景，接入環按承載8 個基站測算，單環流量測算控制在6 Gbit/s（2×1 200 Mbit/s+6×600 Mbit/s），10GE接入環可以滿足5G初期大多數場景，成熟期按需部署50GE。C-RAN 場景下，BBU 集中部署，基站密度增加，業務較D-RAN 場景流量成倍增長，可考慮直接部署50GE接入環。

不同區域應根據不同的業務發展需求，部署適合的接入層。對于中小型地（市）和業務發展較慢的城區，接入層可采用10GE 環實現5G 業務承載。對于業務發展較快的城區，應采用新建接入層設備，直接部署50GE/100GE 接入環方案。D-RAN 場景下可采用50GE 環，建議5G 基站承載數量不超過10 個，在CRAN 場景下可采用100GE 環，建議5G 基站承載數量不超過20 個。當采用50GE 環時，設備應具備演進支持100GE組網的能力。

為便于控制面IGP 進行劃域部署，接入層組網應滿足以下要求。

a）接入環雙掛時，雙掛的匯聚節點應在同一個匯聚環內。如圖4 所示的接入環①/②，優先考慮掛在相鄰的匯聚節點，也允許掛在同一匯聚環內非相鄰的匯聚節點，如接入環③。

圖4 接入層組網拓撲

b）接入環不應掛在不同層次的節點下，如一端接在骨干節點，一端接在核心節點，如接入環④。

c）接入環不應接在不同匯聚環的節點下，如接入環⑤/⑥。接入環⑦/⑧/⑨也是禁止接入的。

d）對于在分域點（如骨干節點）同時也有基站接入需求的站點，為避免核心域內路由復雜，可優先考慮通過同機房一套小型接入設備接入分域點設備（如骨干節點）。

3 結束語

本文結合5G 對傳輸的需求分析，5G 網絡架構較4G 網絡的幾點變化以及5G 獨立組網與非獨立組網2種組網模式的比較，闡述了5G承載網的幾個主要關鍵技術，探討了5G 承載網分層組網方案，希望能為網絡維護人員和規劃設計人員提供參考。