5G回傳的分組切片網絡架構和關鍵技術研究

趙福川 溫建中

摘要：研究了5G回傳網的新型切片分組網絡架構和關鍵技術。在結合分段路由、以太虛擬專用網（EVPN）技術和L3到邊緣部署方案的基礎上提出極簡IP網絡技術，還研究了切片技術、新型光模塊技術、網絡自動化在5G回傳網絡中的應用。提出將這些新技術有機融合在一起的新型自動化5G回傳網絡架構，為5G回傳網絡的技術發展和網絡建設提供重要依據。

關鍵詞： 5G承載；回傳；FlexE；分段路由；EVPN；網絡切片；軟件定義網絡（SDN）

The new slicing packet network infrastructure and key technologies for 5G backhaul network are introduced in this paper. Integrating the segment routing， Ethernet virtual private network （EVPN） technology and L3 to edge deployment scheme， the minimized IP network technology is proposed. Meanwhile， the application of slicing technology， new optical module technology and network automation in 5G backhaul network are studied. Then a new automatic 5G backhaul network architecture which organically integrates these new technologies is put forward. And this architecture provides an important basis for 5G backhaul technology development and network construction.

5G bearing； backhaul； FlexE； segment routing； EVPN； network slicing； software defined network （SDN）

1 5G回傳的承載需求和

分組切片網絡架構

4G改變生活，5G改變社會。5G的“萬物互聯”帶來的不僅有移動通信網絡的性能提升，還有一些新的商業應用模式，支持包括增強移動寬帶（eMBB）、超可靠低時延通信（uRLLC）和海量物聯網通信（mMTC）三大應用場景，5G基站回傳的帶寬相對4G提升10倍以上，時延需求比4G降低10倍以上，連接數量相比4G提升10倍以上 ，性能指標的提升推動承載網技術的發展。

5G基站回傳接入帶寬迅猛增加，使得回傳業務量達到數百吉比特每秒到數太比特每秒。5G核心網整體架構相對4G的變化主要體現在核心網云化，控制和轉發分離，核心網用戶面功能（UPF）可以分布式部署。5G核心網引入了移動邊緣計算（MEC），通過本地化分流減小時延和傳輸開銷，增強不同類型的業務體驗，UPF和MEC可以按需下沉到匯聚層或綜合業務接入點。在這個架構下回傳網絡的部署方案從集中式向分層分布式網絡演進，網絡的連接相對4G更加復雜，傾向于網狀網化。

為了降低單比特傳輸成本，需要采用低成本的新型光模塊支撐海量帶寬的傳輸，同時運營商希望在一張承載網上實現包含5G eMBB、uRLLC和mMTC業務，政企專線和固網寬帶在內的綜合業務承載，實現統一的運維。不同業務對承載網絡服務質量（QoS）要求存在較大差異，如何實現不同業務的隔離，滿足大帶寬、低時延和靈活大連接的業務需求，現有承載網的架構和技術面臨較大的挑戰。

4G的承載網是基于IP的分組傳送網絡架構，業務隔離技術采用的是虛擬專用網絡（VPN）的地址空間隔離方案，各種業務共用一張公網，并通過QoS/H-QoS提供業務連接的服務質量保證。傳統的IP網絡QoS模型則是建立在統計復用的基礎上，轉發時延與流量突發和緩存設置相關，難以提供有邊界的時延和時延抖動保證。

新一代5G切片分組承載網絡采用高效的以太網內核，通過L0—L3多層網絡技術融合，實現IP、以太網和固定比特率（CBR）業務的綜合承載，層網絡模型如圖1所示。

其中，切片分組層提供對L1/L3業務的尋址、轉發和封裝處理，在分組層通過分段路由（SR）隧道技術建立業務連接，切片通道層提供L1層的硬管道業務連接，為分組層提供低時延確定性網絡通道。切片傳輸層采用光互聯網論壇（OIF）靈活以太網（FlexE）技術和IEEE 802.3以太網技術，利用新型光模塊技術和以太網的產業鏈優勢，支撐大帶寬低成本建網，支持以太網+密集型光波復用（DWDM）技術，實現10 Tbit/s以上傳輸容量和長距離傳輸[1-2]。

5G切片的分組承載網的架構如圖2所示。

移動回傳網絡包含接入層、匯聚層和核心層3個層次。在回傳網絡接入層，基于硅光及4級脈幅調制（PAM4）技術的非相干50 GE以及100 GE新型光模塊技術引入，將有助于降低大帶寬的組網成本。在回傳網絡的匯聚和核心層，中長距離的組網需求驅動基于硅光的彩光相干100 GE、200 GE、400 GE光模塊融合DWDM技術的引入和應用，使得單纖或單端口的容量可擴展至數T級別。5G業務是逐步發展的，承載網絡線路側帶寬可根據業務需求逐步擴展，FlexE的物理鏈路捆綁擴容技術可以提供一種帶寬平滑擴容的解決方案，幫助運營商分階段進行網絡投資，降低初期投資成本[3]。

2 5G承載關鍵技術和解決

方案

2.1 極簡IP網絡技術

5G回傳網推動L3下沉到網絡邊緣，為了簡化L3下沉帶來的網絡運維復雜性和成本，需要引入極簡的IP網絡技術，如圖3所示。

SR是一種源路由技術，SR隧道的信息只存放在路徑的頭節點，路徑上的其他節點不感知業務，無需為連接維護狀態，僅在頭節點修改SR標簽棧就可以對業務路徑進行調整。采用SR技術可大大簡化轉發面的信令控制協議，實現路由控制和轉發面的解耦，結合SDN控制器可以很好地實現網絡編程能力。由控制器維護全局的拓撲和流量工程信息，根據業務請求和路由路徑策略計算形成滿足條件的業務路徑，并根據網絡狀態實時調整路徑，實現業務閉環控制[4]。

SR的傳送應用（SR-TP）是在SR隧道基礎上面向傳輸運維增強的技術。傳統的SR流量工程（SR-TE）隧道是單向的，只在源節點維護隧道路徑信息，無法實現雙向隧道關聯，提供物理同路徑的雙向端對端隧道的操作管理維護（OAM）檢測能力。SR-TP通過在隧道標簽棧內層再增加一層路徑標識標簽來實現雙向隧道關聯，在SR-TP上繼承了傳統多協議標簽交換傳送應用（MPLS-TP）OAM，可實現傳輸隧道雙向OAM的檢測能力，既有利于運維，又具備與傳統MPLS-TP網絡的兼容能力。

以太網虛擬專用網絡（EVPN）是一種能替代傳統虛擬專用局域網業務（VPLS）提供2層VPN業務的技術。EVPN克服了傳統網絡中大量的廣播/未知播/組播（BUM）報文占用帶寬資源，并在網絡拓撲變化后，媒體接入控制（MAC）/地址解析協議（ARP）收斂速度慢的問題[5]。EVPN還解決了VPLS業務可擴展性差、帶寬利用率不高、運維復雜等一系列的問題。EVPN還擴展RT5路由實現了L3VPN功能。這樣在業務層面，采用EVPN技術則可以實現L2/L3 VPN的統一控制。

SR和EVPN分別作為網絡層和業務層的全新技術，不但解決了之前網絡面臨的擴展性、靈活性和易用性的問題，其高效和統一的控制面還實現了極簡網絡的部署。同時，兩者都可兼容已有的MPLS網絡，與軟件定義網絡（SDN）實現無縫融合，是5G回傳靈活大連接的有效解決方案。

2.2 承載切片技術

5G的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。不同的切片提供不同的網絡功能和特性，切片對承載網的QoS、業務隔離和可靠性提出了更高要求。傳統的承載網共用一張公網，網絡資源的預留和路由計算能力難以滿足切片的要求[6]。

5G承載切片的網絡架構如圖4所示。

承載網網絡切片是通過業務驅動形成的對網絡拓撲資源（如：節點轉發表項、緩存、端口、子端口等）的預留和抽象，按需組織形成多個虛擬網絡vNet，每個虛擬網絡對應于特定的轉發資源和拓撲，不同虛擬網絡之間可以采用硬隔離或者軟隔離方式，取決于需求。在切片分組網絡中的硬隔離技術包括物理端口、FlexE客戶端子接口以及由分層以太網創建的硬管道，如圖5所示。

切片以太網技術（SE）將以太網組網技術從L2擴展到L1，客戶業務在源節點映射到特定的FlexE客戶端，在中間轉發節點則基于SE進行66 bit塊的交叉，在目的節點從FlexE客戶端解映射出客戶業務，這樣在L1層可以建立一條從源到宿的端對端傳輸路徑。這個切片技術在以太網上提供了具有比特透明、超低時延和確定性網絡性能，可以很好地滿足5G uRLLC和大客戶專線業務的承載要求。

軟隔離主要是利用分組網的H-QoS和時間敏感網絡（TSN）技術預留隧道所需的轉發資源。軟隔離技術的特點在于可以實現帶寬的統計復用，其中IEEE TSN中提供了MAC層低時延業務調度的優先級搶占調度機制，可以改善低時延業務的性能。

2.3 新型光模塊技術

5G承載網切片傳輸層最大的挑戰是海量的帶寬增長，而帶寬的增長勢必帶來光模塊成本的大幅增加，因此5G階段新型光模塊技術的關鍵需求是降低每比特、每千米的傳輸成本和功耗。針對傳輸技術適應市場對帶寬增長的需求，未來對新型光模塊技術的需求如下：

（1）直接提升信號波特率，提升傳輸帶寬，例如：波特率從4G時代的6 GB/10 GB，提升至25 GB甚至可以到56 GB。

（2）采用高階調制及數字信號處理技術，提升頻譜效率和傳輸性能。從傳統的不歸零碼（NRZ）走向高階調制，如短距場景下采用PAM4、離散多音頻（DMT）調制技術等，長距場景下采用正交相移鍵控（QPSK）/正交振幅調制（16QAM）相干調制技術等。

（3）提升光器件集成度，增加波長和通道數量，例如：采用N×25 G、N×50 G甚至N×100 G集成。

（4）基于硅光技術、光電集成封裝的高集成、小封裝、低功耗的低成本光器件技術。通過技術創新降低器件的功耗和成本。

5G承載網城域應用光纖傳輸距離一般在10～80 km，應用場景從接入層到匯聚/核心層。接入層組網集中在40 km以內，主要是10 km以內的短距組網應用場景；匯聚/核心層組網集中在40～80 km的中長距組網應用場景；核心網組網集中在80 km左右的長距應用場景，部分應用場景可能需要支持80 km以上，甚至達到100 km的傳輸距離。光模塊主要可以分為10 GE、25 GE、50 GE、100 GE、200 GE、400 GE等多種速率。光模塊封裝一般選擇小型外形封裝可插拔光模塊（SFP+）/SFP28/四通道的SFP（QSFP 28）/ 100 G技術外形封裝可插拔模塊（CFP）/CFP2/CFP8等封裝。

如圖6所示，5G承載網接入層以N×50 GE/N×100 GE速率為主，具體采用50 GE還是100 GE，業界還有爭論，取決于光模塊吉比特成本、產業鏈成熟度及應用場景。業界50 GE光模塊主流標準封裝類型是SFP 56，限于封裝體積較小，目前最大只能支持到10 km的傳輸距離；而采用QSFP 28封裝的50 G光模塊為非標準方案，其產業鏈暫不夠成熟，競爭不充分，成本相對較高，且短期內大幅度降成本可能性較小。而與之同封裝類型的100 G QSFP 28為標準方案，產業鏈相對成熟，吉比特成本是50 GE光模塊的一半，后續隨量的增加，成本會進一步降低。同時，業界已推出了基于硅光的100 G QSFP 28單載波光模塊，規模商用后其成本優勢非常明顯。因此，從網絡運營效率看，接入層首選為100 GE。100 GE業務廣泛應用于運營商市場，在數據中心也是主流業務。至于50 GE光模塊還有待產業鏈進一步成熟和明晰。

5G承載網匯聚層以N×100 GE、N×200 GE速率為主，100 G產業鏈相對比較成熟，傳輸距離目前可以覆蓋承載網城域應用，主要包括40 km和80 km長距組網場景。200 GE光模塊業界主流技術同時支持100 G/200 G的速率，OIF近期發布了采用數字相干技術的CFP2（DCO-CFP2）相干標準草案 《IA # OIF-CFP2-DCO-01.0 Draft》，定義了DCO-CFP2實現100 G、200 G、300 G、400 G以太網及光傳送網（OTN）應用，電口為N×25 G，兼容N×50 G PAM4，這給系統設備及網絡升級維護帶來極大的方便。

5G承載網核心層以N×200 GE、N×400 GE速率為主，400 G非相干技術標準已于2016年發布，OIF 400 G ZR DWDM相干技術草案《400 G ZR IA # OIF-400ZR 0.6-Draft》也于2018年初發布，目標400 G-DCO 80 km，加OA可達120 km。目前業界400 G光模塊光電接口有多種實現方式，對應多種封裝形式。根據具體應用場景不同，業界對400 G封裝選擇爭議較大，市場需求暫不明晰。 基于此，400 G在5G承載網初期可以選擇技術更加成熟的16×25 G Serdes方案，在未來基于50 G PAM4 Serdes芯片技術成熟后，可有更多選擇。

2.4 5G自動化回傳網絡架構

5G是開放的網絡，它面向垂直行業的各種應用，推動各行業的數字化轉型，提升產業化的效率。5G網絡通過終端、無線、承載和核心網的端對端切片提供各種業務功能和網絡特性?；貍骶W絡的自動化是業務閉環的一個重要環節，網絡自動化的架構如圖7。

回傳網絡采用管控合一云化系統支撐端到端業務快速上線，實時感知用戶體驗，預測性分析和主動優化，實現全流程的智能自動化，有效解決5G時代網絡應用給承載網帶來的諸多挑戰?；貍骶W絡自動化體現在以下幾個方面：

（1）快速建設和業務部署自動化。采用網絡規劃工具對基礎設施進行設計，實現網絡部署ZeroTouch，業務規劃工具提供端到端業務流程的設計，實現運營商業務可編程?？蛻敉ㄟ^APP訂閱業務、控制器/編排器自動開通業務，實現業務開通ZeroTouch。

（2）智能保障。基于人工智能（AI）知識的保障解決方案，包括告警、性能采集模塊、知識庫模塊、策略中心模塊、網絡監測控制模塊以及網絡自愈模塊，可以實現實時網絡狀態監測、telemetry自動測量，并可以依據知識的故障準確定位，進行業務自我修復，網絡保障處理時間由天變秒，效率得到指數級提升。

（3）流量預測。基于歷史流量數據的分析及優化算法，可實現對流量的忙時及閑時預測、未來預測。其中忙時及閑時預測，引導新建網絡合理地網絡資源分配，引導舊網絡更好地運維；未來預測則可以提前預測流量高峰，及時進行網絡調整和擴展，提高運維效率，自動、智能和準確地獲取網絡流量預測。

（4）業務自愈。針對多節點、多鏈路故障場景，系統依據故障影響業務分析，自動智能化計算恢復路徑和資源優選，進行業務恢復動作并通告業務恢復正常。針對網絡劣化場景，系統依據告警劣化與性能劣化分析，判斷網絡風險，在必要時實施故障預案，如對業務增加保護或預置路由，故障發生時基于預案自動恢復業務。

（5）端到端協作?；诮y一信息模型、可視化設計、自動化測試完成切片設計閉環，構建跨無線接入網（RAN）、核心網（CN）、骨干網（BN）的網絡切片自動化閉環保障，實現統一的端到端（E2E）切片編排管理，面向客戶的端到端切片服務。對承載網，需要匹配網絡分片需求，提供不同分片之間的嚴格隔離，并與無線、核心網統一編排實現分片管理的自動化。

3 結束語

本文介紹了面向5G回傳的切片分組網架構和關鍵技術。切片分組網是一個融合L0—L3的多層融化網絡，采用以太網作為物理層，通過新型光模塊及光電子器件技術實現低成本、海量帶寬的傳輸，并支持SR-TP源路由隧道、EVPN的極簡IP網絡，還可以通過軟硬隔離的網絡切片滿足不同類型業務的網絡服務等級協議（SLA）要求，通過開放的SDN集中管控、大數據和AI融合實現網絡的自動化，支撐滿足5G網絡的開放、敏捷和高效的新型運維體系。