5G承載網(wǎng)技術與優(yōu)化組網(wǎng)分析

于海超

（吉林吉大通信設計院股份有限公司，吉林 長春 130012）

1 5G無線網(wǎng)絡的特點

1.1 帶寬運行性能優(yōu)勢顯著

基于國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）的相關要求，5G基站最大峰值寬帶能夠達到20 Gb/s，但是在基站建設和運行中，由于基站建設類型不同，天線數(shù)量和頻譜效率等參數(shù)設置存在差異，使得實際運行峰值與理論值之間也有所差異。以64TR 100 MHz的寬帶基站為例，最高帶寬為6 Gb/s，平均寬帶通常為3 Gb/s。5G基站建設方式有低頻和高頻2種，前者是在4G基站基礎上改進而來的，具有成本低、效益高等特征，后者則是采用25GE接口的接入方式，雖然應用較為復雜，運行成本相對較高，但運行能力較強，能夠更好滿足多種場景的運行要求[1]。通常情形下，5G承載地網(wǎng)的網(wǎng)絡規(guī)劃如圖1所示。

圖1 5G承載網(wǎng)網(wǎng)絡規(guī)劃

1.2 低時延

低時延是針對現(xiàn)有移動通信方式而言，通過信息的高速率傳輸，有效壓縮信息傳輸?shù)臅r間，確保信息傳輸?shù)臅r效性。在不同5G業(yè)務類型中，低時延表現(xiàn)特征也有較大差異，如超可靠低時延通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）中的端到端時延能夠縮短至1 ms，空口時延能夠控制在0.5 ms，相對3G技術來看，各方面都有明顯提升。低時延特性能夠有效拓展5G技術應用場景，在無人駕駛、虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）體驗及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等場景中都起到提升信息傳輸效率、改善生產(chǎn)條件的作用[2]。

1.3 流量Mesh化

Mesh化是指無線網(wǎng)格網(wǎng)絡，即通過與其他網(wǎng)絡的協(xié)同通信，根據(jù)其應用需求搭建動態(tài)化拓展的網(wǎng)絡架構，能夠?qū)⑷我?個設備進行無線互聯(lián)的方式。5G組網(wǎng)中能夠根據(jù)需要對集中單元（Centralized Unit，CU）、分布單元（Distributed Unit，DU）進行靈活性部署，實現(xiàn)一對多或多對一形式搭建，增強低延時性能。Mesh化在5G承載網(wǎng)運行中具有多方面應用成效，已經(jīng)成為了布置5G承載網(wǎng)的重要方式，是未來發(fā)展應當關注的重點內(nèi)容[3]。

1.4 網(wǎng)絡切片

網(wǎng)絡切片是指在5G承載網(wǎng)架構中，以軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Network，SDN）進行網(wǎng)絡切片架構，實現(xiàn)網(wǎng)絡管理、資源、計算、轉(zhuǎn)發(fā)、控制等方面的有效隔離，確保信息業(yè)務處理安全性，滿足網(wǎng)絡運行的關鍵指標要求，確保網(wǎng)絡高質(zhì)量、穩(wěn)定運行。5G網(wǎng)絡切片能夠滿足網(wǎng)絡運行按需定制、邏輯隔離、端到端運行等方面的需求，將網(wǎng)絡鏈路、節(jié)點、端口等運行內(nèi)容的拓撲資源虛擬化。在數(shù)據(jù)平臺運行中，每個切片都能夠?qū)崿F(xiàn)端到端的有效隔離，并有效利用單獨控制器管理，提升業(yè)務運行的安全性[4,5]。

2 5G承載網(wǎng)關鍵技術

2.1 FlexE

靈活以太網(wǎng)（Flexible Ethernet，F(xiàn)lexE）是5G通道寬帶穩(wěn)定運行的前提，在傳輸中將多個100GE端口捆綁，實現(xiàn)流量的均勻分擔，提升5G承載網(wǎng)性能。FlexE技術實現(xiàn)主要有如下幾種方式：（1）在多端口捆綁中以多時隙為基礎實現(xiàn)設備通道化和設備虛擬化，實現(xiàn)承載網(wǎng)物理、管理以及控制等方面的隔離；（2）將100GE接口捆綁在一起，能夠起到支持100GE+接口運行的效果，滿足以太網(wǎng)更高性能的運行要求；（3）通過多通道引進數(shù)據(jù)的方式提升運行速率，避免出現(xiàn)流量浪費現(xiàn)象。

2.2 分段路由

分段路由（Segment Routing，SR）在網(wǎng)絡技術中具有較長的應用歷史，并隨著技術發(fā)展而不斷優(yōu)化，其運行原理是利用內(nèi)部網(wǎng)關協(xié)議（Interior Gateway Protocol，IGP）實現(xiàn)控制平面擴展，以多協(xié)議標記交換（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡構建轉(zhuǎn)發(fā)層，并將正確的Segment在轉(zhuǎn)發(fā)層轉(zhuǎn)變?yōu)闃撕炐问剑赊D(zhuǎn)發(fā)器根據(jù)標簽棧進行轉(zhuǎn)發(fā)。分段路由能夠使信息路徑不再完全依靠中間節(jié)點進行信息統(tǒng)計和收集，有效減少節(jié)點計算，通過與SDN技術的融合，優(yōu)化端到端路徑計算能力，有效提升組網(wǎng)水平。

2.3 MPLS EVPN

在原有的MPLS系統(tǒng)中，2層虛擬專用網(wǎng)（Layer 2 Virtual Private Network，L2VPN）有虛擬標簽服務（Virtual Private Wire Service，VPWS）和虛擬專用局域網(wǎng)服務（Virtual Private Lan Service，VPLS）2種運行方式。在運行中，如果設備未學習多址接入信道（Multiple Access Channel，MAC），則需要利用廣播進行信息傳輸，存在信息丟失或錯誤風險，同時在跨域互通場景中，無法實現(xiàn)有效的跨域保護。利用MPLS以太虛擬專用網(wǎng)絡（Ethernet Virtual Private Network，EVPN）技術能夠有效減少控制面的實際協(xié)議部署，在出現(xiàn)無法學習目的地址時，則可以通過地址解析協(xié)議代理方式進行處理，避免由于流量廣播帶來的環(huán)路風險。通過邊際網(wǎng)關協(xié)議進行地址學習并以邊界網(wǎng)關協(xié)議（Border Gateway Protocol，BGP）進行通信，能夠提升組網(wǎng)靈活性。經(jīng)簡化后的5G承載網(wǎng)如圖2所示。

圖2 簡化后的5G承載網(wǎng)

2.4 IPv6

互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版（Internet Protocol version 6，IPv6）是與5G技術協(xié)同發(fā)展的新一代IP協(xié)議，主要定義單薄地址、組播地址以及任播地址3種類型，能夠?qū)崿F(xiàn)無狀態(tài)地址自動配置和IPv6動態(tài)主機配置，提升網(wǎng)絡組播能力，通過對網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)加密提升信息安全性。IPv6協(xié)議與5G技術的協(xié)同應用不僅能夠有效增加IP地址資源，解決原有IPv4協(xié)議存在的地址資源不足問題，還能夠拓展網(wǎng)絡部署空間，提升技術應用成效。

2.5 設備虛擬化

網(wǎng)絡設備虛擬化是以網(wǎng)絡切片技術為支撐，推動5G承載網(wǎng)優(yōu)化的重要技術。在5G承載網(wǎng)運行中，能夠根據(jù)信息傳輸需要對資源進行靈活分配，確保每個設備都擁有獨立的運行資源，確保資源分配合理性。

3 5G承載網(wǎng)組網(wǎng)優(yōu)化路徑

3.1 網(wǎng)絡扁平化

5G網(wǎng)絡建設規(guī)模不斷擴大，應用場景更加復雜，5G網(wǎng)絡帶寬、抖動和時延效果不僅會對網(wǎng)絡運行的安全性和可靠性造成影響，同時也會影響到用戶對網(wǎng)絡的感知。在網(wǎng)絡節(jié)點過多時，將會直接降低數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，增加瞬時擁塞隱患，使得網(wǎng)絡帶寬壓力不斷增加。因此，在進行5G承載網(wǎng)的組網(wǎng)設計時，應當通過增加光通路方式構建扁平化網(wǎng)絡，以此有效避免環(huán)路故障對網(wǎng)絡整體運行性能的影響，使各個區(qū)域的網(wǎng)絡能夠單獨承擔數(shù)據(jù)傳輸需求，有效降低業(yè)務傳輸中的節(jié)點跳數(shù)，降低匯聚環(huán)路的帶寬壓力，確保組網(wǎng)系統(tǒng)能夠保持安全穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

3.2 管控融合的SDN架構

5G組網(wǎng)與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡承載方式有明顯差異，融合了分段路由和網(wǎng)絡切片等新型技術，要求頂端管理層面必須要具備路徑計算單元（Path Computation Element，PCE）。傳統(tǒng)網(wǎng)絡承載方式中，非極大值抑制（Non Maximum Suppression，NMS）系統(tǒng)和網(wǎng)元管理系統(tǒng)（Element Management System，EMS）提供統(tǒng)一的北向接口，屏蔽其他廠商相異的接口，使得網(wǎng)管架構功能受到限制。在5G組網(wǎng)模式下，以管控融合的SDN架構為基礎，基于SDN架構的Restconf端口提供統(tǒng)一的北向接口，構建新型的融合平臺，能夠使各個廠商利用簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議（Simple Network Management Protocol，SNMP）、QX、 命 令 行 界 面（Command Line Interface， CLI）等方式與組網(wǎng)形成融合。通過SDN架構模式，能夠有效降低接口限制對組網(wǎng)性能產(chǎn)生的影響，確保組網(wǎng)在各種場景下都能夠達到良好的運行狀態(tài)。

3.3 C-RAN架構優(yōu)化

云-無線電接入網(wǎng)（Cloud-Radio Access Network，C-RAN）架構是當前5G組網(wǎng)架構發(fā)展的新型模式，其運行原理是以集中化處理為基礎，在實時云計算功能支撐和協(xié)作式無線電輔助方面達到有效降低組網(wǎng)運行能耗的要求。在5G承載網(wǎng)大范圍應用中，基站建設數(shù)量的不斷增加必然會造成能耗水平的不斷提升。由于運行場景和用戶使用習慣的差異，出現(xiàn)明顯的潮汐效應使資源利率效率明顯降低。基于C-RAN架構，能夠更為全面地分析5G承載網(wǎng)建設時網(wǎng)絡運行性能的主要影響因素，對公共無線接口（Common Public Radio Interface，CPRI）進行優(yōu)化，根據(jù)網(wǎng)絡運行場景和流量變化特征實現(xiàn)光纖資源的優(yōu)化配置，有效提升5G承載網(wǎng)整體運行性價比，推動5G資源的合理利用，使得網(wǎng)絡運行朝著綠色節(jié)能的方向發(fā)展。

3.4 網(wǎng)絡保護技術優(yōu)化

5G承載網(wǎng)的組網(wǎng)設計中，網(wǎng)絡運行性能穩(wěn)定性和信息安全保護是應當關注的重點方面。當前較為常用的網(wǎng)絡保護技術主要有線性保護、雙歸保護、環(huán)網(wǎng)保護及等價路徑保護等，其應用和優(yōu)化主要從以下幾個方面入手。

在5G SPN網(wǎng)絡保護方面，主要有拓撲保護技術、控制面重路由保護技術等。拓撲保護技術能夠在網(wǎng)絡設備轉(zhuǎn)發(fā)面預置保護路徑，并將保護倒換的時間控制在50 ms以內(nèi)。控制面重路由保護技術能夠基于SDN控制器實現(xiàn)對業(yè)務轉(zhuǎn)發(fā)面的實時閉環(huán)控制，不僅能夠有效提升物理鏈路資源的有效利用，提升業(yè)務故障恢復能力，還能夠?qū)崿F(xiàn)對不同用戶算路策略的精準配置，提升網(wǎng)絡運行可靠性和擴展性。

在5G SPN網(wǎng)絡故障場景處理方面，主要是基于“L3到接入層”業(yè)務承載方案，降低故障發(fā)生概率，提升故障處理成效。“L3到接入層”業(yè)務承載方案具有如下方面優(yōu)勢：（1）新引入中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng)（Intermediate System to Intermediate System，IS-IS）協(xié)議，能夠更好地實現(xiàn)網(wǎng)絡狀態(tài)感知，優(yōu)化SR-BE隧道路徑生產(chǎn)方式；（2）將L3域下沉至邊緣接入設備，提升設備利用效率；（3）對SR隧道業(yè)務功能進行分化，分別滿足點對點連接業(yè)務需求和Mesh化連接需求；（4）實現(xiàn)對SR隧道承載業(yè)務的性能監(jiān)測。

4 結 論

5G時代承載網(wǎng)技術的大寬帶、低時延等特點能夠讓人們的工作與生活更為靈活便捷。未來發(fā)展過程中，技術人員還需對5G承載網(wǎng)技術進行不斷優(yōu)化，不斷引入其他新的網(wǎng)絡技術，以此促進信息和網(wǎng)絡技術的長足性發(fā)展。FlexE、SR技術、設備虛擬化以及網(wǎng)絡切片技術等在網(wǎng)絡發(fā)展中的廣泛應用，推動4G逐漸向5G承載網(wǎng)方向發(fā)展，一定程度上體現(xiàn)了時代的主流選擇，即不斷降低技術開發(fā)成本、降低網(wǎng)絡運營投資，在減少不必要資源浪費的基礎上提高組網(wǎng)的安全可靠性。因此，必須強化5G承載網(wǎng)的組網(wǎng)優(yōu)化研究，為5G技術的廣泛應用奠定技術基礎。