5G承載網的網絡架構和關鍵技術

武 飛，潘 濤

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 5G的3大業務場景需求分析

目前，國際電信聯盟無線電通信局（ITU-R）中，針對5G的3類典型業務場景定義為：支持海量用戶銜接的大規模機器通信（mMTC）業務、具備超低時延通信與超高可靠性的（uRLLC）業務以及具備更低延時、更高寬帶的增強移動寬帶（eMBB）業務[1]。現今，R15版本對eMBB業務實際需求與相關技術規范十分明確，而mMTC與uRLLC業務因為針對網絡能力的標準尤為嚴格，其特性主要體現在5G完整版標準的R16版本中實施標準化。具體地，5G的3大類典型業務場景所承載的實際需求如下所述。

1.1 eMBB業務

eMBB業務主要針對的是高速移動上網、增強現實（AR）/虛擬現實（VR）以及4K/8K等超高清視頻等大寬帶業務應用場景。這實質上是5G對4G移動寬帶場景的進一步強化，單用戶接入寬帶可以和如今的固網寬帶接入實現類似量級（如1 Gb/s），其接入的速率可以提升的速率可以提升到10倍之上。針對5G承載的需求主要體現在易運維、易部署、低功耗、低成本和大帶寬之上。

1.2 uRLLC業務

uRLLC業務適宜運用于智慧醫療、智能交通物流、智能制造、工業控制以及車聯網等針對實時化標準較為嚴格的垂直行業業務應用場景，以更好地確保用戶可以達到毫秒級端到端時延與9.99%之上的速度。目前，4G移動網絡與承載網絡在超低延時保證與業務隔離性上會出現一些問題，相應地需要引進網絡切片管控架構與超低延時等新型化技術來提高業務整體的體驗感受。

1.3 mMTC業務

該業務適宜運用于智慧農業、智能抄表與環境監測等以數據采集與傳感為目標的業務運用場景中，特征主要體現在基站間協作、海量銜接、低成本、低能耗以及小數據包之上，可以銜接從億級到千億級的跳躍式增長，相應地要求承載網同時兼具運維、易部署、能耗低、成本低、高精度時鐘同步以及多銜接通道等功能。

2 5G承載網的部署需求與原則

5G通信無論是在主體上還是在內容上均與4G有著質的變化，不僅是下一代移動通信技術，更是逐步將“信息隨心至，萬物觸手及”理念予以實現，尤其是低時延、高可靠通信URLLC（Ultra-Reliableand Low Latency）、海量機器類通信mMTC（massive Machine Type Communications）以及增強型移動寬帶eMBB（enhanced Mobile Broadband）[2]。3大業務、8大關鍵能力指標和4G進行比較分析，發現其有著很大區別。不但要求承載網具備智能化、高效化以及低成本特征，而且可以在組網靈活性、時延與承載網絡容量等情況下可以提出更嚴格的標準。

依據以上各類實際需求，目前還有一些存在不確定性的網絡部署架構。在分析部署5G承載網時，要始終遵循以下兩個理念：一是結構清晰，可以運用結構優化縮減網絡建設成本，從而提升網路靈便性，進而可以達到3大業務發展和網絡指標的目的；二是網絡智能化，網絡可以具備全網編排調度的作用，從而可以更好地優化調整相關業務，實現諸多業務的進一步發展與調整，進而更好地呼應業務路由的變化與調度。

3 5G承載網絡架構分析

前傳網絡實質上是AAU和DU間5G承載網絡的一部分。DU部署的結構和前傳拓撲有著直接聯系，其中最為典型的兩種DU部署為集中式DU部署與分布式DU部署。

針對集中式DU部署進行分析，它主要是將諸多個DU放置在相同的部位，相應地可以運用星型與環型結構銜接遠端的AAU，DU與AAU之間的距離確保在10 km之內。另外，分布式DU部署而言，其中一個DU僅僅只是銜接到周邊的AAU，是一類點到多點的拓撲結構[3]。

由于考慮到5G將分階段進行部署，那么在第一階段的非獨立組網（NSA），5G和目前的3G/4G業務間有著互通的實際需求。所以，前傳網絡可以支持運用通用公共無線電接口（CPRI）的2G/3G/4G業務以及運用下一代前傳接口（eCPRI/NGFI）的5G業務。前傳的方案主要是光層，可以選擇運用N×100 Gb/s、N×10 Gb/s波分、無源WDM以及光纖直驅等。ITU現今正在積極分析研究運用簡化后的OTN，25G/50G OTN接口主要運用于前傳網絡，并可以很好地為其提供相應的性能檢測與防護等。

針對中傳與回傳網絡，數據中心、固定網絡、專線、SA與NSA的互連都可以得到支持，其中主要涵蓋數據中心互連、固定網絡服務、企業專線（FE/GE/10GE等）以及2G/3G/4G/5G無線服務等[4]。中傳/回傳網絡的規模可以直接從數百個節點到很多巨量節點來予以轉變，大型中傳與回傳的網絡均可以支撐分組/IP功能，且可以支持網絡切片和5G網絡的協同管理控制功能等。

4 5G承載網絡的關鍵技術

4.1 基于SDN的控制面切片

SDN可以使轉發面與控制面板之間進行互相解耦，相應地可以促使物理網絡變得愈發開放，另外可以使物理網絡實現可編程，相應地可以更好地為后期網絡發展打下基礎。控制面板可以將網絡拓撲和資源統一化管理。SDN控制面可以直接將物理轉發的各項信息資源轉化為虛擬化的設備節點與虛擬化的網絡連接在一起，隨即依據這部分資源的特點與政策進行分組管理，從而打造出邏輯化和獨立化的網絡切片。

4.2 基于FlexE的轉發面切片技術

針對承載網轉發面的切片技術進行分析，主要可以分成硬切片技術與軟切片技術。其中，硬切片技術主要為一層或是零層，基礎技術為物理剛性管道技術；軟切片技術建立在統計復用的切片技術基礎上，且有很多層。具體操作過程中，硬、軟技術可以依據實際情況進行實施，同時可以依據相應的情況進行融合應用。硬切片技術可以基本保障業務隔離的安全可靠性，軟切片則可以確保業務寬帶的復用性。

F1exE可以基本實現物理層為主的切片轉發，可以直接提供剛性管道隔離，最終實現寬帶的靈活分配。運用F1exESwitch技術可以達到管理、維護與防護的目的。F1exE可以進一步發展成為等級更好的網絡級技術，也可以成為F1exE通道技術。

4.3 5G承載網交換技術SR

SPN主要運用構建在MPLS基礎上的交換技術，SR（Segment Routing）則是分段路由。但是，與MPLS的主要區別在于，SPN中每一個路由器就是一個節點，與之相應的SR在每一個節點相應分配了32位標簽[5]。分段理由技術主要應用SR-TP和SR-BE將各項業務需求銜接在一起，從而達到5G可以承載MESH流量模型，促使調度變得愈發靈活，最終實現可以和一個個拓撲網絡實現匹配。

SPN可以在不運用復雜分布式動態協議（RSVP、LDP、BGP）的形式上進行業務和網絡之間的解耦。業務的構建主要技術在邊緣節點進行，從而實現網絡的實時化動態控制。

4.4 超高精度數據同步技術

5G的超短幀、多點協同與載波聚合要求各個空口之間的時間要精準控制偏差在260 ns之內；5G的基本業務主要運用時分雙工（TDD）制式，要求其中任意兩個空口間的精度偏差在1.5 μs之內；5G的室內定位增值服務對于時間同步方面的精度標準更嚴格，要確保在相應的區域之內空口時間同步的相對精度在10 ns之內[6]。超高精度時間同步的技術架構具體見圖1。

圖1 高精度時鐘源和承載設備

目前，制定5G相關標準與其中重要技術方面的研究力度正在加大。我國IMT-2020推進組在《5G愿景與需求》白皮書中已經提出了5G的實際需求與能力指標，其中主要涵蓋數十吉比特每秒的峰值速率、500 km/h以上的移動性、每平方千米數十太比特每秒的流量密度、毫秒級的端到端時延、每平方千米一百萬的連接數密度與0.1～1.0 Gb/s的用戶體驗速率[7]。另外，在組網架構與技術層面要積極運用網絡切片、網絡功能虛擬化（NFV）/軟件定義網絡（SDN）等各項新型化技術。