5G承載網絡架構和關鍵技術

李友柯 楊錦清

【摘?要】本文基于5G承載需求，結合移動運營商承載網絡現狀和主要特性等，歸納總結了5G承載網絡總體架構及關鍵技術，并在此基礎上深度分析了轉發面、協同管控的技術方案。

【關鍵詞】5G;承載網;FlexE;SR;SPN

5G bearer network architecture and key technologies

Li You-ke，Yang Jin-qing

（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， Ltd?Xi'an?Shanxi?710000）

【Abstract】Based on the 5G bearer requirements， combined with the current status and main characteristics of the mobile operator's bearer network， this paper summarizes the overall architecture and key technologies of the 5G bearer network， and on this basis， deeply analyzes the technical solutions of the forwarding plane and coordinated management and control.

【Key words】5G;Bearer network;FlexE;SR;SPN

1. 引言

（1）隨著3GPP 5G非獨立（NSA）和獨立（SA）組網標準的正式凍結，我國運營商同步啟動規劃和設計5G試點和預商用方案，5G邁向商用的步伐逐步加快。

（2）5G對承載網絡主要帶來三大性能需求和六類組網功能需求，也即在關鍵性能方面，“更大帶寬、超低時延和高精度同步”等性能指標需求非常突出，在組網及功能方面，呈現出“多層級承載網絡、靈活化連接調度、層次化網絡切片、智能化協同管控、4G/5G混合承載以及低成本高速組網”等六大組網需求，如何滿足和實現這些承載需求至關重要。

2. 5G承載網絡總體架構

5G承載網絡是為5G無線接入網和核心網提供網絡連接的基礎網絡，不僅為這些網絡連接提供靈活調度、組網保護和管理控制等功能，還要提供帶寬、時延、同步和可靠性等方面的性能保障。

滿足5G承載需求的5G承載網絡總體架構見圖1，主要包括轉發平面、協同管控、5G同步網三個部分，在此架構下同時支持差異化的網絡切片服務能力（5G承載網絡總體架構見圖1）。

2.1?轉發平面應具備分層組網架構和多業務統一承載能力。

轉發平面是5G承載架構的關鍵組成，其典型的功能特性包括：

（1）端到端分層組網架構：5G承載組網架構包括城域與省內干線兩個層面，其中城域內組網包括接入、匯聚和核心三層架構。接入層通常為環形組網，匯聚和核心層根據光纖資源情況，可分為環形組網與雙上聯組網兩種類型。

（2）差異化網絡切片服務：在一張承載網絡中通過網絡資源的軟、硬管道隔離技術，為不同服務質量需求的客戶業務提供所需網絡資源的連接服務和性能保障，為5G三大類業務應用、政企專線等業務提供差異化的網絡切片服務能力。

（3）多業務統一承載能力：5G承載可以基于新技術方案進行建設，也可以基于4G承載網進行升級演進。除了承載4G/5G無線業務之外，政企專線業務、家庭寬帶的OLT回傳、移動CDN以及邊緣數據中心之間互聯等，也可統一承載，兼具L0～L3技術方案優勢。

2.2?管理控制平面需支持統一管理、協同控制和智能運維能力。

5G承載的管理控制平面應具備面向SDN架構的管理控制能力，提供業務和網絡資源的靈活配置能力，并具備自動化和智能化的網絡運維能力。具體功能特性包括：

（1）統一管理能力：采用統一的多層多域管理信息模型，實現不同域的多層網絡統一管理。

（2）協同控制能力：基于Restful的統一北向接口實現多層域的協同控制，實現業務自動化和切片管控的協同能力。

（3）智能運維能力：提供業務和網絡的監測分析能力，如流量測量、時延測量、告警分析等，實現網絡智能化運維。

3. 5G承載轉發面架構與技術

（1）5G承載網絡分為省干和城域兩大部分，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（數據）接口提供網絡連接;城域的匯聚核心層和省干層面不僅要為回傳提供網絡連接，還需要為部分核心網元之間的N4、N6以及N9接口提供網絡連接，見圖2。其中N6是UPF與數據網絡（DN）之間的接口，將涉及通過IP公網訪問外部的多媒體數據中心。5G無線接入網（RAN）在建設初期主要采用gNB宏站以及CU和DU合建模式;在5G大規模建設階段，將采用CU和DU分離模式，并實施CU云化和CRAN大集中建設模式（5G對承載網絡的連接需求和網絡分層關系見圖2）。

（2）5G承載網絡涉及的無線接入網和部分核心網的參考點及其連接需求如表1（5G無線接入網的參考點和連接需求見表1，5G核心網與承載相關的部分參考點和連接需求見表2）。

（3）網絡轉發面組網架構見圖3，為5G網絡提供靈活連接的承載，以實現多層級承載網絡、靈活化連接調度、層次化網絡切片、4G/5G混合承載以及低成本高速組網等關鍵功能特性（5G承載網絡轉發面組網架構見圖3）。

（4）5G承載網絡的網絡分層、客戶接口和線路接口分析見表 3（5G承載網絡分層組網架構和接口分析見表3）。

4. 5G承載網關鍵技術

4.1?切片分組網絡（SPN）技術。

SPN是中國移動在承載3G/4G回傳的分組傳送網絡（PTN）技術基礎上，面向5G和政企專線等業務承載需求，融合創新提出的新一代切片分組網絡技術方案，面向5G承載的SPN組網架構如圖6所示。SPN具備前傳、中傳和回傳的端到端組網能力，通過FlexE接口和切片以太網（SlicingEthernet，SE）通道，支持端到端網絡硬切片，并下沉L3功能至匯聚層甚至綜合業務接入節點來滿足動態靈活連接需求;在接入層引入50GE，在核心和匯聚層根據帶寬需求引入100Gb/s、200Gb/s和400Gb/s彩光方案（面向5G承載的SPN組網架構見圖4）。

SPN網絡分層架構包括切片分組層（SPL）、切片通道層（SCL）和切片傳送層（STL）三個層面，此外還包括實現高精度時頻同步的時間/時鐘同步功能模塊、實現SPN統一管控的管理/控制功能模塊，具體見圖5（SPN網絡協議分層架構見圖5）。

4.2?靈活以太網（FlexE）技術。

（1）FlexE標準最早起源于OIF接口物理層標準，因其具有帶寬靈活可調、數據隔離、完美契合5G業務等特點，受到全球主流運營商、供應商的認可。

（2）FlexE分片是基于時隙調度將一個物理以太網端口劃分為多個以太網彈性硬管道，使得網絡既具備類似于TDM（時分復用）獨占時隙、隔離性好的特性，又具備以太網統計復用、網絡效率高的雙重特點，實現同一分片內業務統計復用，分片之間業務互不影響，相對于通過VPN實現的分片隔離性更好，為5G網絡分片提供了更多選擇（FlexE工作原理見圖6，FlexE的應用場景見圖7，FlexE交換和分組交換的比較見圖8）。

4.3?增強路由轉發技術——分段路由SR。

（1）SR使用路徑標簽機制（多協議標簽交換，或者MPLS，或是在IPv4或IPv6中的路徑包頭的標簽）來指定路由數據包必須通過的網絡路徑。和MPLS不一樣，每個路由器是一個節點，SR在每一個節點上分配固定的、32位的標簽。標簽是固定的，不是動態的，類似于在 MPLS的3層VPN，能使故障排除更加容易。標簽和拓撲信息通過三種路由協議（中間系統到中間系統;開放最短路徑優先;邊界網關協議）中的一種，延伸傳播至整個網絡中（分段路由SR的原理見圖9）。

（2）SR的技術特點：轉發節點不感知業務狀態，只維護拓撲信息;通過在源節點設置有序的指令集實現顯示的路徑轉發，是一種完全兼容現有MPLS的轉發面的源路由技術。

5. 總結和展望

基于云化架構的5G網絡對承載網的基礎網絡架構提出了新的挑戰，必須扎實做好基礎網絡資源的儲備工作，同時5G承載網應充分考慮現有網絡資源的應用，根據5G業務特點及發展趨勢，由下至上，分層實現網絡演進。推進跨域SDN發展以滿足接入層多手段承載，加快引入 SR、FlexE等新特性以適應 5G業務靈活性，高效支撐未來業務發展。此外還應加強與無線、核心網、數據網等專業間協同，共同打造最佳的5G網絡承載方案。

參考文獻

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