5G承載網(wǎng)的關鍵技術及其組網(wǎng)方案研究

馬 俊

（中國通信建設集團設計院有限公司第四分公司，河南 鄭州 450001）

0 引 言

隨著我國5G網(wǎng)絡建設的推進，三大運營商已經(jīng)在部分大城市陸續(xù)建設熱點覆蓋網(wǎng)絡，5G的全面商用步伐越來越近。4G時代的特征在于人和人的相連，5G則是人和物、物和物的相連，承載網(wǎng)組網(wǎng)從網(wǎng)絡結構、時延和安全等方面同4G有很大的不同。國際電信聯(lián)盟無線電通信局提出3種常見5G業(yè)務場景，增強型移動寬帶（eMBB）、大規(guī)模機器類通信（mMTC）及超可靠低時延通信（uRLLC）。eMBB能夠?qū)崿F(xiàn)廣域覆蓋，并提供高容量的熱點，能夠迎合移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢。uRLLC在眾多的垂直行業(yè)中有著廣泛的應用前景，如車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等。mMTC的應用價值主要體現(xiàn)于低速物聯(lián)網(wǎng)領域，如智慧城市、環(huán)境監(jiān)測等。3個應用場景的帶寬、內(nèi)容、時延及可靠性要求等各不相同，其端到端承載網(wǎng)建設面臨著諸多的需求和挑戰(zhàn)。本文對5G承載網(wǎng)建設中面臨的一些關鍵技術進行介紹，給出端到端的組網(wǎng)方案，并對未來演進進行了探討。

1 5G承載網(wǎng)的主要需求及特點

5G時代，AR/VR、8K及自動駕駛等業(yè)務逐漸進入現(xiàn)實應用。人工智能、大數(shù)據(jù)等，將會在5G時代發(fā)揮出更大的作用和價值，但也需要更大的帶寬提供支持。OVUM認為，5G投入應用后，移動數(shù)據(jù)力量會攀升10倍左右，基站帶寬需求上限值至少應該為10 Gb/s，基礎業(yè)務時間同步精度應該達到±1.5 μs。為了實現(xiàn)這一目標，必須將切片技術引入到5G，為各種用戶創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡，從而更好地滿足其需求。無線核心網(wǎng)根據(jù)時延和帶寬的不同，演進成區(qū)域級、本地級及邊緣級三層結構。考慮到各種業(yè)務應用的無線核心網(wǎng)關是根據(jù)需求部署的，基站和網(wǎng)關的關系比較復雜，再加上不同網(wǎng)關、不同基站彼此間流量的存在，5G業(yè)務下的流向具備隨機性的特征，因此組網(wǎng)要求靈活，具體組網(wǎng)特點如下。

（1）高帶寬、低時延。0.1～1 Gb/s的用戶體驗速率；毫秒級時延；eX2必須將流量轉發(fā)給最近的單位，以確保滿足時延方面的要求，實現(xiàn)更高的協(xié)同增益。

（2）內(nèi)容感知。網(wǎng)絡切片，業(yè)務隔離；DU/CU/MCE池化，提供差異化保障，資源靈活調(diào)度提升可靠性。

（3）靈活開放。實現(xiàn)了靈活轉發(fā)的功能，能夠?qū)φ麄€網(wǎng)絡的資源進行調(diào)度；能夠?qū)α髁柯窂竭M行控制，使網(wǎng)絡負載能夠保持平衡；實現(xiàn)了編程功能，可有效地縮短新業(yè)務上線時間。

（4）高安全性。DU池組/MCE配置備份，支持多歸屬靈活調(diào)度；承載網(wǎng)絡多層次保護，靈活自愈；MESH邏輯互聯(lián)，提高網(wǎng)絡安全。

2 5G承載網(wǎng)的關鍵技術

5G揭開通信行業(yè)新時代，為承載網(wǎng)發(fā)展創(chuàng)造全新機會。與4G相比，5G網(wǎng)絡需要更大的帶寬、更低的時延，因此在技術方面的難度更高。為了能夠滿足5G網(wǎng)絡承載的需求，承載網(wǎng)的相關技術必然加速發(fā)展。

2.1 光傳送網(wǎng)技術

光傳送網(wǎng)技術包含范圍非常廣，如中長距傳輸、光模塊及ROADM全光網(wǎng)等。在短距離傳輸情況下，通常會選用強度調(diào)制以及直接檢測（IM-DD）系統(tǒng)。可以預見，超頻非相干技術在未來會得到廣泛應用。該技術集成了成本更為低廉的器件以及DSP算法，從而達到（2倍、4倍或更高）傳輸帶寬增長的目標。但在長距離、高速率傳輸場景下，相干技術的應用無法避免，但需降低技術應用成本。相干光通信是基于相干調(diào)制以及外差檢測技術而實現(xiàn)的。前者指的是提供不同的信號，從而實現(xiàn)具有特定頻率、相位的光載波。激光就是一種相干光。采用外差檢測技術時，將激光和信號光同時提供給光混頻器，對二者予以混頻處理，從而獲取一個新的中頻信號。該信號的參數(shù)和原信號光是直接相關的[1]。

5G承載網(wǎng)將會大規(guī)模引入ROADM設備來實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點之間的光層直通，提高網(wǎng)絡智能化水平以及大幅降低時延。ROADM支持光層以波長作為顆粒的交叉連接與業(yè)務分叉復用，其主要優(yōu)勢在于功耗低、業(yè)務速率可見等。最初ROADM系統(tǒng)是二維形式，如今已經(jīng)發(fā)展到PXC（Photonic CrossConnect System）系統(tǒng)，內(nèi)部構造中包括了穿通層、上下路層及光通道格柵[2]。整個發(fā)展過程中，ROADM系統(tǒng)的靈活性程度有了很大的提高，能夠在光通道層中進行靈活地交叉調(diào)度。PXC系統(tǒng)應用的最核心技術是彈性柵格。經(jīng)典DMDM技術應用各式各樣分合波器件，如Mux、De-mux及ROADM等，均以不變帶寬柵格定義為基礎，如50/100 GHz[3]。但在可變帶寬網(wǎng)絡中，為了使網(wǎng)絡資源利用率和數(shù)據(jù)傳輸速度達到良好平衡，系統(tǒng)基于各種信號的需求進行帶寬的分配。因此，必須對全部分合波器件帶寬分配展開不斷調(diào)整[4]。

2.2 FlexE靈活以太網(wǎng)技術

FlexE靈活以太網(wǎng)技術通過對以太網(wǎng)輕量級增強，在以太網(wǎng)L2（MAC）及L1（PHY）之間的中間層增加FlexE Shim層。該技術充分應用了時分復用機制，通過時隙方式將不同業(yè)務端口的數(shù)據(jù)分配給各種子通道，如圖1所示。

圖1 FlexE以太網(wǎng)輕量級增強示意圖

FlexE基于時隙調(diào)度實現(xiàn)SDH-like隔離：FlexE基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)輕量級增強，引入FlexE Shim（時隙化技術），實現(xiàn)業(yè)務的隔離和捆綁，提供剛性管道，有別于VLAN、VPN等提供的協(xié)議級隔離。基于64/66bit塊構成時隙，將TDM交換與分組交換融合。SE交叉和分組交叉：基于FlexE的交換，與分組交換平面之間物理隔離，確保FlexE Channel業(yè)務安全。FlexE和DWDM的一并應用，使帶寬能夠更加自由的擴展和分割。FlexE支持通過多個接口綁定提供超過接口速率的帶寬；FlexE+DWDM不僅提供單纖大帶寬能力，同時結合DWDM波道靈活增加按需平滑擴帶寬。FlexE同時支持以N×5G帶寬進行子接口信道化，滿足網(wǎng)絡切片物理隔離，能夠在實現(xiàn)物理隔離的基礎上，使業(yè)務更加靈活的接入，實現(xiàn)更高的帶寬利用率。

2.3 段路由技術

段路由（SR）技術是一種源路由技術，主要包括SR-TP和SR-BE，用于優(yōu)化IP-MPLS的網(wǎng)絡能力，從而改善網(wǎng)絡可擴展性，并大大降低TE、FRR等功能實現(xiàn)難度。

SR-TP隧道技術具有SDN集中管控、面向連接的特點。于SR-TE鄰接標簽的棧底插入一層標志業(yè)務連接的通路段標識（Path SID），達到雙向隧道目的。SR-TP實現(xiàn)了MPLS-TP端到端OAM保護能力，能夠在面向連接業(yè)務承載情況下使用。

SR-TE是一種使用SR作為控制信令的新型的MPLS TE隧道技術，集成了SR-TE的隧道，能夠基于首節(jié)點的MPLS標簽對報文在網(wǎng)絡里面的傳輸路徑進行控制，利用一條路徑的多條LSP共享該鏈路標簽。SR-BE隧道利用IGP協(xié)議自動擴散SR節(jié)點標簽生成，能夠于IGP域內(nèi)生成全互聯(lián)隧道連接。在SPN網(wǎng)絡中，用戶能夠利用網(wǎng)管或控制器對節(jié)點標簽予以分配，如圖2所示。SR-BE隧道集成了和拓撲無關的無環(huán)替代鏈路保護機制（TE-LEA），在eX2等業(yè)務承載方面有著廣泛用途。

圖2 SR-TP和SR-BE隧道技術標簽棧示意圖

2.4 超低時延技術

承載網(wǎng)絡的時延來自兩個部分，即光纖、設備。業(yè)務端到端傳輸?shù)臅r延，和光傳輸距離有關。一般光纖時延對這部分時延的貢獻超過了70%，所以要實現(xiàn)更高的運行效率，可行的辦法是盡量縮短傳輸距離。5G網(wǎng)絡中，CU和DU是分離的，5G和4G相比，最顯著的不同在于功能解耦以及提升，提出基于SBA（Service Based Architecture）的5G核心網(wǎng)NGC（Next Generation Core），旨在改善網(wǎng)絡交付的敏捷性、彈性，使網(wǎng)絡能夠更加可靠的運行。下移業(yè)務網(wǎng)關分類，從而有效縮短傳輸距離。包括uRLLC在內(nèi)的容易受到時延影響的業(yè)務，會把網(wǎng)關降低到網(wǎng)絡的邊緣，有時會降低到站點，實現(xiàn)業(yè)務就近接入，縮短終端和網(wǎng)管之間距離，將路徑時延控制在更低范圍內(nèi)。MEC系統(tǒng)是單獨布置的，可選的位置有無線接入側、移動網(wǎng)絡的核心網(wǎng)邊緣等。L3VPN到邊緣支持MEC的歸屬是前提。它的本質(zhì)是在無線網(wǎng)絡邊緣進行布置，在近用戶端完成業(yè)務的處理，針對局部區(qū)域的本地化信息予以服務，搭建以網(wǎng)絡能力開放為重心的生態(tài)。

如果能夠縮短報文轉發(fā)和調(diào)度時延，設備時延也將隨之改變。例如，低時延隊列技術，創(chuàng)建報文VIP免擁塞調(diào)度通道，能夠?qū)⒄{(diào)度時延控制在更低范圍內(nèi)。若將時隙提升到5G，從而使得復用流程變得更加簡單，縮短時延，降低芯片中緩存資源的占用量。針對5G前傳場景，旁路芯片內(nèi)不必要的功能模塊和FIFO緩存，并對FIFO緩存的深度和資源調(diào)度進行優(yōu)化。實踐中，如果需要改善時延特性，必須結合適用性、功耗、尺寸及可靠性等方面的因素進行全面地衡量。例如，對具體場景予以優(yōu)化，或許會使場景受限。在芯片架構、工藝技術不斷走向成熟的過程中，承載網(wǎng)設備能夠利用不同手段降低時延，甚至能夠接近于理論值。

2.5 軟件定義網(wǎng)絡SDN技術

在5G網(wǎng)絡日益向前發(fā)展的過程中，在人工智能等方面需求的刺激和推動下，相關的網(wǎng)絡業(yè)務逐步的向云化發(fā)展，管理和運維也將更加復雜，促使5G承載網(wǎng)更加智能化。當前網(wǎng)絡和云IDC之間缺乏有效互動的機制，使得計算、存儲管理和網(wǎng)絡等方面的信息資源不能動態(tài)性地配置部署，尤其是相關資源在跨廣域網(wǎng)場景中無法按照統(tǒng)一規(guī)范的需求準確有效地提供。目前，現(xiàn)有的運營商網(wǎng)絡的分層、分域部署所實施的傳統(tǒng)電信業(yè)務主要是通過行政區(qū)域與具體的地理位置分配組織的。SDN技術將在5G承載網(wǎng)中發(fā)揮出巨大的作用，達到端到端的網(wǎng)絡規(guī)劃仿真、網(wǎng)絡業(yè)務發(fā)放積極網(wǎng)絡監(jiān)測控制等目標，大幅度提升運維效率。

整個網(wǎng)絡架構中，數(shù)據(jù)中心將逐漸占據(jù)主導地位，從而使5G承載網(wǎng)能夠更好地滿足帶寬、業(yè)務支持等方面的需求。運營商需要有效利用云化的專業(yè)理念將傳統(tǒng)的承載網(wǎng)網(wǎng)絡重構，提升5G網(wǎng)絡技術的核心競爭力和全面優(yōu)化服務的意識。

3 5G承載網(wǎng)的組網(wǎng)方案

5G承載網(wǎng)絡是5G無限接入網(wǎng)以及核心網(wǎng)正常運行的前提，其具備調(diào)度、保護及管理等方面的功能，可使網(wǎng)絡得到更好的連接，有效改善網(wǎng)絡的整體性能。完整的5G承載網(wǎng)絡架構如圖3所示。分析圖3可知，5G承載網(wǎng)絡由轉發(fā)平面、協(xié)同管控及同步網(wǎng)構成，實現(xiàn)了多樣化的網(wǎng)絡切片服務能力[5]。5G網(wǎng)絡切片和終端、無線、承載以及核心網(wǎng)有關，必須具備端到端協(xié)同管控功能。轉發(fā)以及管理控制平面具備的切片管控能力，能夠為各種業(yè)務的運行提供更有力的保障。

圖3 5G承載網(wǎng)絡總體架構

3.1 轉發(fā)平面實現(xiàn)分層組網(wǎng)架構與多業(yè)務統(tǒng)一承載功能

5G承載網(wǎng)絡中最重要的部分是轉發(fā)平面。它具備端到端分層組網(wǎng)架構，并能夠承載不同的業(yè)務。

對于端到端分層組網(wǎng)架構，5G承載組網(wǎng)分為城域、省內(nèi)干線兩個級別，前者由接入、匯聚及核心3個部分構成。接入層一般為環(huán)形組網(wǎng)，其他兩層可以與之相同，或者是采用雙上聯(lián)組網(wǎng)，具體需要基于光纖資源情況來確定。對于差異化網(wǎng)絡切片服務，在承載網(wǎng)絡中集成各種管道隔離技術，從而輸出網(wǎng)絡的連接服務，使各種客戶業(yè)務能夠得到正常、高效的處理，為5G三大類業(yè)務運用、政企專線等不同業(yè)務提供不同能力。對于多業(yè)務統(tǒng)一承載能力，5G承載能夠直接利用新技術搭建，或者在4G承載網(wǎng)的基礎上予以改造[6]。它能夠承載不同的業(yè)務，如政企專線業(yè)務、移動CDN及邊緣數(shù)據(jù)中心等，能很好地延續(xù)L0～L3技術的優(yōu)勢性特征，將基礎承載網(wǎng)絡的作用最大程度地體現(xiàn)。

3.2 管理控制平面需支持統(tǒng)一管理、協(xié)同控制及智能運維能力

管理控制平面不僅需要對SDN架構進行管理和控制，還需對業(yè)務、網(wǎng)絡資源予以靈活配置，能夠?qū)W(wǎng)絡進行智能管理、協(xié)同等。

對于統(tǒng)一管理能力，基于多層多域管理信息模型，能夠?qū)Ω鱾€域多層網(wǎng)絡予以集中管理。對于協(xié)同控制能力，集成了應用Restful的統(tǒng)一北向接口，從而對不同層、不同域予以統(tǒng)一控制，具備了業(yè)務自動化和切片管控的功能。對于智能運維能力，能夠?qū)I(yè)務以及網(wǎng)絡的動態(tài)情況予以監(jiān)測，從而提供流量、故障及時延等方面的信息。

3.3 5G同步網(wǎng)應滿足基本業(yè)務和協(xié)同業(yè)務同步需求

同步網(wǎng)是5G承載網(wǎng)絡的重要組成部分，能夠使基本業(yè)務同步需求和同業(yè)務高精度同步需求得到有效滿足。

支撐基本業(yè)務同步需求：城域核心節(jié)點（優(yōu)選和省內(nèi)骨干交匯節(jié)點）安裝高精度時鐘源（PRTC/ePRTC），從而使整個網(wǎng)絡具備IEEE1588v2高精度時間同步傳送能力，實現(xiàn)端到端±1.5μs同步目的，滿足5G基本業(yè)務同步需求。實現(xiàn)協(xié)同業(yè)務高精度同步效果：基于這種業(yè)務場景下的局部區(qū)域下沉部署小型化增強型BITS設備，利用跳數(shù)控制達到5G協(xié)同業(yè)務百納秒量級高精度同步的效果。按需達到高精度同步組網(wǎng)：如果是重新建設的5G承載網(wǎng)絡，基于端到端300 ns量級目標完成時間同步地面組網(wǎng)[7]。首先，有效改善時間源頭設備精度，謹遵扁平化原則，盡量下沉時間源頭，達到端到端性能控制的效果。其次，有效改善承載設備的同步傳送能力，集成鏈路或接口技術，將誤差控制在更低范圍內(nèi)。

5G承載網(wǎng)絡由省干和城域構成，城域接入層主要為前傳Fx接口的CPRI/eCPRI信號、中傳F1接口以及回傳的N2（信令）和N3（數(shù)據(jù)）接口提供網(wǎng)絡連接。城域匯聚核心層與省干層面作用是確保回傳和部分核心網(wǎng)元間的N4、N6、N9接口能夠和網(wǎng)絡相連，如圖4所示。由圖4可知，N6將UPF和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（DN）相連，需要利用IP公網(wǎng)訪問外部多媒體數(shù)據(jù)中心。5G無線接入網(wǎng)（RAN）項目剛啟動時，一般會選擇gNB宏站及CU和DU合設模式；到了規(guī)模建設環(huán)節(jié)，通常會切換到CU和DU分離模式，全面執(zhí)行CU云化和CRAN大集中建設模式。

圖4 5G對承載網(wǎng)絡的連接需求和網(wǎng)絡分層關系

考慮到新型業(yè)務的出現(xiàn)，5G中后期，承載網(wǎng)絡對帶寬予以擴大，更多的業(yè)務將會推出，使時延、安全等方面面臨更大的壓力，DU/CU云化部署統(tǒng)一性增強，基礎承載網(wǎng)接入層提高到100G，熱點區(qū)域甚至提高到100GE。局時，隨著云數(shù)據(jù)中心的深入建設，網(wǎng)隨云動、云網(wǎng)協(xié)同已經(jīng)全面建設完成，可以啟動部署SRv6。承載網(wǎng)管控層全面部署SDN，網(wǎng)絡控制能力和網(wǎng)絡智能化進一步升級。

4 結 論

5G的中心從網(wǎng)絡轉移到業(yè)務中，從而引發(fā)徹底的技術革命，產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)也將因此而變化。5G承載網(wǎng)建設中，應根據(jù)不同需求場景，發(fā)揮現(xiàn)有資源的價值。根據(jù)具體的需求采購和使用設備、時間同步及SR+EVPN等，從而使4G能夠平穩(wěn)升級到5G，將成本控制在更低范圍內(nèi)。

5G新型業(yè)務特性引入、無線接入網(wǎng)結構和核心網(wǎng)架構革新變化等為承載技術日益精進注入動力，5G承載方案不斷涌現(xiàn)。5G承載網(wǎng)絡包括了轉發(fā)面、管理控制面及同步網(wǎng)3個部分。轉發(fā)面的作用是前傳和中/回傳的承載，管理控制面進行統(tǒng)一管控，同步網(wǎng)支撐高精度同步需求5G應用。在未來，5G現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模試點全面鋪開，人們還會提出更多的5G承載技術方案。隨著三大運營商目前主體采用NSA建網(wǎng)到未來采用SA建網(wǎng)的演進思路，還需要在5G R16標準凍結后，對5G承載網(wǎng)涉及到的技術、標準等予以全面研究，為5G規(guī)模化部署奠定扎實的基礎。