5G承載網的需求、架構和解決方案

李光　趙福川　王延松

摘要：認為5G承載面臨超大帶寬、低時延、靈活連接、網絡切片和超高精度時間同步等諸多挑戰。分析了中興通訊在5G承載技術方面的研究和創新，包括：基于FlexE的大帶寬、低時延和業務隔離技術、滿足5G泛在靈活連接的Segment Routing路由優化技術、基于網絡切片的軟件定義網絡（SDN）架構和控制技術、超高精度時間同步技術等。

關鍵詞： 5G承載；靈活以太網（FlexE）；Segment Routing；SDN；超高精度時間同步

Abstract： In this paper， challenges for 5G transport network are described， such as ultra-high bandwidth， low latency， ubiquitous connectivity， network slicing and high-precision time synchronization. ZTE's research and innovation on 5G transport technology are then analyzed， including ultra-high bandwidth， low latency and service isolation technology based on FlexE， Segment Routing optimization technology， software defined networking（SDN） architecture and control technology based on network slicing， and ultra-precision time synchronization technology.

Key words： 5G transport； flexible ethernet（FlexE）； Segment Routing； SDN； ultra-precision time synchronization

1 5G承載網絡面臨的挑戰

5G的“萬物互聯”相對于4G將帶來革命性網絡體驗和新的商業應用模式，同時也對作為基礎網絡的承載網提出了巨大挑戰。

5G采用新的空口技術，支持包括超高可靠性超低時延業務（URLLC）、增強移動寬帶（eMBB）和海量物聯網業務（mMTC）等新業務。按照預測，未來5G網絡的移動數據流量相對于4G網絡將增長500～1 000倍，典型用戶數據速率可提升10～100倍，峰值傳輸速率可達10 Gbit/s或更高，端到端時延縮短了5～10倍，網絡綜合能效提升了1 000倍[1]。

5G核心網絡的架構相對于4G也發生了較大的變化。核心網云化、轉發和控制分離，采用基于軟件定義網絡/網絡功能虛擬化（SDN/NFV）的虛擬化切片技術，可將核心網功能分布式部署為多個虛擬網元，切片化部署有利于5G的新業務開展，例如：URLLC業務的核心網切片將下沉到靠近基站的位置，從而滿足對網絡低時延的需求。

5G無線基站的密度更大，基站的協同和移動性切換問題驅動無線架構集中處理的無線接入網（C-RAN）化。在5G的C-RAN架構下[2]， RAN功能被重構為集中單元（CU）、分布單元（DU）和有源天線單元（AAU）這3個功能實體。CU和DU之間按照RAN的高層功能劃分，CU和DU的接口帶寬與回傳接近。DU和AAU之間按照RAN的底層功能劃分，目前接口還沒有標準化，趨向于采用增強通用公共無線電接口（eCPRI）接口。eCPRI接口采用分組化以太網接口，帶寬與天線數解耦，相對于傳統CPRI傳輸帶寬降低10倍以上，有助于降低成本。5G的承載網絡架構如圖1所示。

在這個架構下，CU和DU之間的承載網絡為Midhaul（中傳），DU和AAU之間的承載網絡為Fronthaul（前傳），5G承載網所面臨著的主要挑戰如下。

（1）前傳和中傳網：5G的前傳、中傳對承載網的時延要求非常高。按照目前的技術預估，前傳傳輸時延的預算不超過30 us，中傳的時延需求不超過150 us。

（2）回傳網：帶寬增加10倍以上，流量模型從匯聚為主變為全mesh。4G和5G網絡融合的雙連接、基站的站間協同、核心網云化部署的負載均衡和多歸屬備份，以及更加復雜和動態的流量，推動5G承載網絡重構，支持靈活的業務連接。

（3）超高精度時間同步：引入5G的超短幀、載波聚合和多點協作傳輸（COMP）多點協同技術，驅動時間同步精度提升一個數量級，能夠從4G的±1.5 us提升到±130 ns。

（4）網絡切片：核心網和RAN采用基于SDN/NFV的云化切片架構，不同的切片對帶寬、時延、網絡功能和可靠性的要求也不相同，這就要求5G承載網也具備提供網絡切片的能力，使不同切片的承載網絡資源能夠靈活動態地分配和釋放。為了滿足不同的業務應用場景，5G的核心網和無線接入網均采用了網絡切片的架構。

2 5G承載關鍵技術和解決

方案研究

2.1 FlexE技術及其創新

靈活以太網（FlexE）技術[3]由光互連論壇（OIF）標準所定義，FlexE增強了以太網的物理編碼子層（PCS）能力，實現了媒體接入控制（MAC）層和物理（PHY）層接口收發器的解耦，從而大大增強了以太網的組網靈活性，如圖2所示。

FlexE可以通過多個物理鏈路捆綁擴展網絡的容量，滿足5G所需要的大帶寬需求，解決了傳統以太網鏈路聚合組（LAG）在多鏈路傳輸時因為Hash導致的鏈路容量不均勻分配問題，同時FlexE可以通過Shim層的時隙配置支持多個客戶業務，實現多個客戶業務之間的物理隔離功能。但是FlexE只是一個接口技術，針對5G網絡的前傳和回傳的網絡虛擬切片和低時延傳送等一系列的需求，還需要進一步地進行功能擴展和技術創新。

FlexE 隧道技術是其中的一個重要功能擴展，FlexE 隧道技術包括FlexE交換，操作、管理、維護（OAM）以及保護倒換技術。FlexE交換是基于時間片的66 bit數據塊交換技術，工作在L1層。交換不需要隊列調度，不需要查找報文的MAC和IP地址，交換時延和時延抖動極低，不同的業務通過時間片進行隔離，相互之間完全不會產生影響。采用FlexE交換技術可以在多個網元之間建立FlexE 隧道。FlexE隧道是端到端的剛性電路信道，在FlexE隧道的中間轉發點，不需要彈出分組，從而實現了超低時延和嚴格的物理隔離特性，如圖3所示。

FlexE OAM用于檢測隧道的性能和故障，在發生故障時，可以對FlexE隧道配置1+1線性保護，實現故障時的故障快速倒換。

FlexE Tunnel技術將FlexE從接口級的技術擴展到網絡級的技術，從而很好地滿足了5G網絡前傳和回傳的網絡虛擬切片和低時延傳送需求。

2.2 源路由技術

5G的云化網絡架構如圖4所示。

5G采用基于SDN/NFV的信息通信（ICT）網絡架構，核心網和基站的云化分布式部署帶來了泛在連接的傳送需求，包括：下一代核心網（NGC）/Cloud RAN pooling、異地Multi-home、數據中心（DC）互聯容災等，也要求承載網應具備按需建立海量靈活連接的能力。傳統的承載網采用互聯網多協議標簽（IP/MPLS）或者傳送特性的多協議標簽交換（MPLS-TP），動態或者靜態地創建業務承載的隧道連接，設備需要維護的路徑信息隨著連接數線性增加，信令壓力增大，嚴重影響網絡的擴展性和運維成本。

Segment Routing（分段路由）[4]是一種源路由技術，采用該技術，轉發點不需要感知業務狀態，只維護拓撲信息，實現業務實例數與網絡的解耦，大大提升了網絡支持泛在連接的能力和擴展性。Segment Routing的原理是在源節點通過把攜帶路由信息的指令壓棧到報文頭中，中間轉發點逐跳提前并彈出相關的指令進行報文轉發，如圖5所示。

Segment Routing技術非常便于與SDN技術融合，SDN通過網絡的流量和拓撲資源的情況，集中計算出符合業務需求的最佳轉發路徑，把路由信息下發給源節點即可，不需要對轉發路徑上的其他節點進行控制或者信令交互，從而極大地提升了網絡的控制性能。Segment Routing支持嚴格約束路由和松散約束路由，在松散約束路由的場景下，轉發面需要支持內部網關協議（IGP）協議，松散約束路由可以支持拓撲無關-快速路由恢復（TI-LFA FRR）抗多點失效的局部保護。在傳送網中引入Segment Routing技術還存在著部分問題有待研究，例如：Segment Routing是與業務無關的轉發機制，針對業務的層次化的服務質量（H-QoS）應該如何部署等一些問題。

2.3 5G承載的SDN架構

5G網絡引入了切片的概念，網絡切片是一組專業的邏輯網絡的集合，該集合作為服務，支持網絡的差異化，滿足垂直行業的多元化需求。5G的網絡切片實例是一個端到端的邏輯網絡，由一組網絡功能、資源和連接關系組成。包括了無線、傳送網和核心網[5]。5G網絡切片的SDN控制架構如圖6所示。

在這個架構下，承載網的網絡切片包括了轉發面（物理網絡）、切片控制器和業務控制器3個部分，三者互為服務和客戶層的遞歸關系。

轉發面需要支持不同業務切片的隔離和部分資源共享，轉發面的虛擬化概念由來已久，雖然可以用第3層虛擬專用網絡（L3VPN）、MPLS嵌套等方式實現底層虛擬化映射，但這些技術在隔離和效率方面和實際的物理隔離還是有一定差距的。FlexE和FlexE Tunnel技術能夠提供底層接口級和網絡級硬管道支撐，無論是在效率還是在隔離方面都進一步縮小了虛擬網絡與物理網絡的差異，是后續網絡虛擬化要支持的主要轉發面技術。

切片控制器是實現網絡切片/虛擬化的一種特殊控制器，負責創建虛擬網絡（Vnet）以及Vnet生命周期的管理。Vnet與物理資源存在映射關系，Vnet網絡由虛擬節點（Vnode）和虛擬鏈路（Vlink）構成，作為Vnet Client的上層控制器只能使用切片控制器分配給自己的Vnet資源。

業務控制器在網絡切片控制器創建的Vnet拓撲上編排業務，不同的業務控制器彼此獨立，可以運行不同的控制協議，例如：一個業務控制器可運行Segment Routing的控制協議編排端到端業務，另一個業務控制器可以允許MPLS-TP的控制協議編排端到端業務。

作為5G切片網絡的一部分，承載網的控制器需要與無線、核心網的分層SDN/NFV進行協同，需要引入一個跨專業的協同器才能完成端到端切片的業務鏈編排，這方面的協同器開發需要依靠接口的標準化工作的推動，目前這方面的工作還處于起步階段。

2.4 超高精度數據同步技術

5G的載波聚合、多點協同和超短幀要求空口之間的時間同步精度偏差小于260 ns；5G的基本業務采用時分雙工（TDD）制式，要求任意兩個空口之間的相對精度偏差小于1.5 us；5G的室內定位增值服務對時間同步的精度要求更高，要求一定區域內基站空口時間同步的相對精度小于10 ns[6]。超高精度時間同步的技術架構如圖7所示。

超高精度時間源的關鍵技術包括本地源技術和異地多源比對技術。本地源技術包括單頻、多頻全球定位系統（GPS）/北斗衛星同步技術；異地多源比對技術是采用異地共視差分技術消除空間電離層等干擾因素，進一步提升時間同步精度，使得同步信號可以溯源到更高精度的參考源。

5G承載設備的超高精度時間傳遞技術涉及到設備和鏈路上的時間同步技術升級，設備內的包括超高精度的時戳、鑒相器、鎖相環技術，鏈路上的則涉及到非對稱性補償技術和消除非對稱性的單纖雙向時鐘傳送技術。

超高精度時間同步的監測技術對于運維也是非常重要的，常用的同步監測技術包括利用精密時間同步協議（PTP）技術進行同步性能監測，部署探針進行網絡同步性能監測等方法。

3 結束語

從目前的5G標準和研究情況看，5G承載不僅需要對帶寬例行升級，還需要引入新的網絡技術和架構，這已得到業界的廣泛關注和認可。中興通訊在5G承載的關鍵技術上做了大量創新性研究，推動5G承載的關鍵技術產業化和標準化，具體如下：

（1）基于FlexE的技術不僅可以滿足大帶寬的組網能力，而且為5G網絡的切片和低時延轉發提供關鍵技術支撐；

（2）Segment Routing路由優化技術是目前為止面向5G泛在連接的最佳解決方案，有利于傳送網向SDN方式遷移；

（3）5G承載的SDN架構是面向網絡切片的，采用這個架構有助于與無線、核心網切片形成端到端解決方案，更好地滿足垂直行業差異化應用的需求；

（4）5G的室內定位和站間協作需要超高精度時間同步，超高精度時間源和承載設備的技術是關鍵。

2017年，在5G外場測試的驅動下，5G承載技術的研究和設備開發進入了關鍵期，為配合5G無線和核心網的需求，將對5G承載的關鍵技術進行測試和評估。5G建設，承載先行，5G承載網的技術、標準和產業化將變得越來越重要。

參考文獻

[1] 中興通訊. 5G技術白皮書[R/OL]. （2016-04-22）[2017-07-03]. http：//www.zte.com.cn/china/solutions/access/5g/424379

[2] 黃金日，段然. “邁向5G C-RAN：需求、架構與挑戰”技術白皮書V1.0[R]. 北京： 中國移動研究院， 2016

[3] Optical Internetworking Forum. Flex Ethernet Implementation Agreement OIF-FLEXE-01.0[R]. California： OIF， 2016

[4] Internet Engineering Task Force. Segment Routing Architecture， Draft-IETF-Spring-Segment-Routing-10[R]. California： IETF ， 2016

[5] China Mobile， Deutsche Telekom AG， Volkswagen Group， et al. 5G Service-Guaranteed network slicing， White paper V1.0[R]. Barcelona： China Mobile， 2017

[6] LI H， HAN L， DUAN R， et al. Analysis of the Synchronization Requirements of 5G and Corresponding Solutions[J]. IEEE Communications Standards Magazine， 2017， 1（1）：52-58. DOI： 10.1109/MCOMSTD.2017.1600768ST