马 俊

（中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司，河南 郑州 450001）

0 引 言

随着我国5G网络建设的推进，三大运营商已经在部分大城市陆续建设热点覆盖网络，5G的全面商用步伐越来越近。4G时代的特征在于人和人的相连，5G则是人和物、物和物的相连，承载网组网从网络结构、时延和安全等方面同4G有很大的不同。国际电信联盟无线电通信局提出3种常见5G业务场景，增强型移动宽带（eMBB）、大规模机器类通信（mMTC）及超可靠低时延通信（uRLLC）。eMBB能够实现广域覆盖，并提供高容量的热点，能够迎合移动互联网的发展趋势。uRLLC在众多的垂直行业中有着广泛的应用前景，如车联网、工业控制等。mMTC的应用价值主要体现于低速物联网领域，如智慧城市、环境监测等。3个应用场景的带宽、内容、时延及可靠性要求等各不相同，其端到端承载网建设面临着诸多的需求和挑战。本文对5G承载网建设中面临的一些关键技术进行介绍，给出端到端的组网方案，并对未来演进进行了探讨。

1 5G承载网的主要需求及特点

5G时代，AR/VR、8K及自动驾驶等业务逐渐进入现实应用。人工智能、大数据等，将会在5G时代发挥出更大的作用和价值，但也需要更大的带宽提供支持。OVUM认为，5G投入应用后，移动数据力量会攀升10倍左右，基站带宽需求上限值至少应该为10 Gb/s，基础业务时间同步精度应该达到±1.5 μs。为了实现这一目标，必须将切片技术引入到5G，为各种用户创建虚拟网络，从而更好地满足其需求。无线核心网根据时延和带宽的不同，演进成区域级、本地级及边缘级三层结构。考虑到各种业务应用的无线核心网关是根据需求部署的，基站和网关的关系比较复杂，再加上不同网关、不同基站彼此间流量的存在，5G业务下的流向具备随机性的特征，因此组网要求灵活，具体组网特点如下。

（1）高带宽、低时延。0.1～1 Gb/s的用户体验速率；毫秒级时延；eX2必须将流量转发给最近的单位，以确保满足时延方面的要求，实现更高的协同增益。

（2）内容感知。网络切片，业务隔离；DU/CU/MCE池化，提供差异化保障，资源灵活调度提升可靠性。

（3）灵活开放。实现了灵活转发的功能，能够对整个网络的资源进行调度；能够对流量路径进行控制，使网络负载能够保持平衡；实现了编程功能，可有效地缩短新业务上线时间。

（4）高安全性。DU池组/MCE配置备份，支持多归属灵活调度；承载网络多层次保护，灵活自愈；MESH逻辑互联，提高网络安全。

2 5G承载网的关键技术

5G揭开通信行业新时代，为承载网发展创造全新机会。与4G相比，5G网络需要更大的带宽、更低的时延，因此在技术方面的难度更高。为了能够满足5G网络承载的需求，承载网的相关技术必然加速发展。

2.1 光传送网技术

光传送网技术包含范围非常广，如中长距传输、光模块及ROADM全光网等。在短距离传输情况下，通常会选用强度调制以及直接检测（IM-DD）系统。可以预见，超频非相干技术在未来会得到广泛应用。该技术集成了成本更为低廉的器件以及DSP算法，从而达到（2倍、4倍或更高）传输带宽增长的目标。但在长距离、高速率传输场景下，相干技术的应用无法避免，但需降低技术应用成本。相干光通信是基于相干调制以及外差检测技术而实现的。前者指的是提供不同的信号，从而实现具有特定频率、相位的光载波。激光就是一种相干光。采用外差检测技术时，将激光和信号光同时提供给光混频器，对二者予以混频处理，从而获取一个新的中频信号。该信号的参数和原信号光是直接相关的[1]。

5G承载网将会大规模引入ROADM设备来实现网络节点之间的光层直通，提高网络智能化水平以及大幅降低时延。ROADM支持光层以波长作为颗粒的交叉连接与业务分叉复用，其主要优势在于功耗低、业务速率可见等。最初ROADM系统是二维形式，如今已经发展到PXC（Photonic CrossConnect System）系统，内部构造中包括了穿通层、上下路层及光通道格栅[2]。整个发展过程中，ROADM系统的灵活性程度有了很大的提高，能够在光通道层中进行灵活地交叉调度。PXC系统应用的最核心技术是弹性栅格。经典DMDM技术应用各式各样分合波器件，如Mux、De-mux及ROADM等，均以不变带宽栅格定义为基础，如50/100 GHz[3]。但在可变带宽网络中，为了使网络资源利用率和数据传输速度达到良好平衡，系统基于各种信号的需求进行带宽的分配。因此，必须对全部分合波器件带宽分配展开不断调整[4]。

2.2 FlexE灵活以太网技术

FlexE灵活以太网技术通过对以太网轻量级增强，在以太网L2（MAC）及L1（PHY）之间的中间层增加FlexE Shim层。该技术充分应用了时分复用机制，通过时隙方式将不同业务端口的数据分配给各种子通道，如图1所示。

图1 FlexE以太网轻量级增强示意图

FlexE基于时隙调度实现SDH-like隔离：FlexE基于传统以太网轻量级增强，引入FlexE Shim（时隙化技术），实现业务的隔离和捆绑，提供刚性管道，有别于VLAN、VPN等提供的协议级隔离。基于64/66bit块构成时隙，将TDM交换与分组交换融合。SE交叉和分组交叉：基于FlexE的交换，与分组交换平面之间物理隔离，确保FlexE Channel业务安全。FlexE和DWDM的一并应用，使带宽能够更加自由的扩展和分割。FlexE支持通过多个接口绑定提供超过接口速率的带宽；FlexE+DWDM不仅提供单纤大带宽能力，同时结合DWDM波道灵活增加按需平滑扩带宽。FlexE同时支持以N×5G带宽进行子接口信道化，满足网络切片物理隔离，能够在实现物理隔离的基础上，使业务更加灵活的接入，实现更高的带宽利用率。

2.3 段路由技术

段路由（SR）技术是一种源路由技术，主要包括SR-TP和SR-BE，用于优化IP-MPLS的网络能力，从而改善网络可扩展性，并大大降低TE、FRR等功能实现难度。

SR-TP隧道技术具有SDN集中管控、面向连接的特点。于SR-TE邻接标签的栈底插入一层标志业务连接的通路段标识（Path SID），达到双向隧道目的。SR-TP实现了MPLS-TP端到端OAM保护能力，能够在面向连接业务承载情况下使用。

SR-TE是一种使用SR作为控制信令的新型的MPLS TE隧道技术，集成了SR-TE的隧道，能够基于首节点的MPLS标签对报文在网络里面的传输路径进行控制，利用一条路径的多条LSP共享该链路标签。SR-BE隧道利用IGP协议自动扩散SR节点标签生成，能够于IGP域内生成全互联隧道连接。在SPN网络中，用户能够利用网管或控制器对节点标签予以分配，如图2所示。SR-BE隧道集成了和拓扑无关的无环替代链路保护机制（TE-LEA），在eX2等业务承载方面有着广泛用途。

图2 SR-TP和SR-BE隧道技术标签栈示意图

2.4 超低时延技术

承载网络的时延来自两个部分，即光纤、设备。业务端到端传输的时延，和光传输距离有关。一般光纤时延对这部分时延的贡献超过了70%，所以要实现更高的运行效率，可行的办法是尽量缩短传输距离。5G网络中，CU和DU是分离的，5G和4G相比，最显著的不同在于功能解耦以及提升，提出基于SBA（Service Based Architecture）的5G核心网NGC（Next Generation Core），旨在改善网络交付的敏捷性、弹性，使网络能够更加可靠的运行。下移业务网关分类，从而有效缩短传输距离。包括uRLLC在内的容易受到时延影响的业务，会把网关降低到网络的边缘，有时会降低到站点，实现业务就近接入，缩短终端和网管之间距离，将路径时延控制在更低范围内。MEC系统是单独布置的，可选的位置有无线接入侧、移动网络的核心网边缘等。L3VPN到边缘支持MEC的归属是前提。它的本质是在无线网络边缘进行布置，在近用户端完成业务的处理，针对局部区域的本地化信息予以服务，搭建以网络能力开放为重心的生态。

如果能够缩短报文转发和调度时延，设备时延也将随之改变。例如，低时延队列技术，创建报文VIP免拥塞调度通道，能够将调度时延控制在更低范围内。若将时隙提升到5G，从而使得复用流程变得更加简单，缩短时延，降低芯片中缓存资源的占用量。针对5G前传场景，旁路芯片内不必要的功能模块和FIFO缓存，并对FIFO缓存的深度和资源调度进行优化。实践中，如果需要改善时延特性，必须结合适用性、功耗、尺寸及可靠性等方面的因素进行全面地衡量。例如，对具体场景予以优化，或许会使场景受限。在芯片架构、工艺技术不断走向成熟的过程中，承载网设备能够利用不同手段降低时延，甚至能够接近于理论值。

2.5 软件定义网络SDN技术

在5G网络日益向前发展的过程中，在人工智能等方面需求的刺激和推动下，相关的网络业务逐步的向云化发展，管理和运维也将更加复杂，促使5G承载网更加智能化。当前网络和云IDC之间缺乏有效互动的机制，使得计算、存储管理和网络等方面的信息资源不能动态性地配置部署，尤其是相关资源在跨广域网场景中无法按照统一规范的需求准确有效地提供。目前，现有的运营商网络的分层、分域部署所实施的传统电信业务主要是通过行政区域与具体的地理位置分配组织的。SDN技术将在5G承载网中发挥出巨大的作用，达到端到端的网络规划仿真、网络业务发放积极网络监测控制等目标，大幅度提升运维效率。

整个网络架构中，数据中心将逐渐占据主导地位，从而使5G承载网能够更好地满足带宽、业务支持等方面的需求。运营商需要有效利用云化的专业理念将传统的承载网网络重构，提升5G网络技术的核心竞争力和全面优化服务的意识。

3 5G承载网的组网方案

5G承载网络是5G无限接入网以及核心网正常运行的前提，其具备调度、保护及管理等方面的功能，可使网络得到更好的连接，有效改善网络的整体性能。完整的5G承载网络架构如图3所示。分析图3可知，5G承载网络由转发平面、协同管控及同步网构成，实现了多样化的网络切片服务能力[5]。5G网络切片和终端、无线、承载以及核心网有关，必须具备端到端协同管控功能。转发以及管理控制平面具备的切片管控能力，能够为各种业务的运行提供更有力的保障。

图3 5G承载网络总体架构

3.1 转发平面实现分层组网架构与多业务统一承载功能

5G承载网络中最重要的部分是转发平面。它具备端到端分层组网架构，并能够承载不同的业务。

对于端到端分层组网架构，5G承载组网分为城域、省内干线两个级别，前者由接入、汇聚及核心3个部分构成。接入层一般为环形组网，其他两层可以与之相同，或者是采用双上联组网，具体需要基于光纤资源情况来确定。对于差异化网络切片服务，在承载网络中集成各种管道隔离技术，从而输出网络的连接服务，使各种客户业务能够得到正常、高效的处理，为5G三大类业务运用、政企专线等不同业务提供不同能力。对于多业务统一承载能力，5G承载能够直接利用新技术搭建，或者在4G承载网的基础上予以改造[6]。它能够承载不同的业务，如政企专线业务、移动CDN及边缘数据中心等，能很好地延续L0～L3技术的优势性特征，将基础承载网络的作用最大程度地体现。

3.2 管理控制平面需支持统一管理、协同控制及智能运维能力

管理控制平面不仅需要对SDN架构进行管理和控制，还需对业务、网络资源予以灵活配置，能够对网络进行智能管理、协同等。

对于统一管理能力，基于多层多域管理信息模型，能够对各个域多层网络予以集中管理。对于协同控制能力，集成了应用Restful的统一北向接口，从而对不同层、不同域予以统一控制，具备了业务自动化和切片管控的功能。对于智能运维能力，能够对业务以及网络的动态情况予以监测，从而提供流量、故障及时延等方面的信息。

3.3 5G同步网应满足基本业务和协同业务同步需求

同步网是5G承载网络的重要组成部分，能够使基本业务同步需求和同业务高精度同步需求得到有效满足。

支撑基本业务同步需求：城域核心节点（优选和省内骨干交汇节点）安装高精度时钟源（PRTC/ePRTC），从而使整个网络具备IEEE1588v2高精度时间同步传送能力，实现端到端±1.5μs同步目的，满足5G基本业务同步需求。实现协同业务高精度同步效果：基于这种业务场景下的局部区域下沉部署小型化增强型BITS设备，利用跳数控制达到5G协同业务百纳秒量级高精度同步的效果。按需达到高精度同步组网：如果是重新建设的5G承载网络，基于端到端300 ns量级目标完成时间同步地面组网[7]。首先，有效改善时间源头设备精度，谨遵扁平化原则，尽量下沉时间源头，达到端到端性能控制的效果。其次，有效改善承载设备的同步传送能力，集成链路或接口技术，将误差控制在更低范围内。

5G承载网络由省干和城域构成，城域接入层主要为前传Fx接口的CPRI/eCPRI信号、中传F1接口以及回传的N2（信令）和N3（数据）接口提供网络连接。城域汇聚核心层与省干层面作用是确保回传和部分核心网元间的N4、N6、N9接口能够和网络相连，如图4所示。由图4可知，N6将UPF和数据网络（DN）相连，需要利用IP公网访问外部多媒体数据中心。5G无线接入网（RAN）项目刚启动时，一般会选择gNB宏站及CU和DU合设模式；到了规模建设环节，通常会切换到CU和DU分离模式，全面执行CU云化和CRAN大集中建设模式。

图4 5G对承载网络的连接需求和网络分层关系

考虑到新型业务的出现，5G中后期，承载网络对带宽予以扩大，更多的业务将会推出，使时延、安全等方面面临更大的压力，DU/CU云化部署统一性增强，基础承载网接入层提高到100G，热点区域甚至提高到100GE。局时，随着云数据中心的深入建设，网随云动、云网协同已经全面建设完成，可以启动部署SRv6。承载网管控层全面部署SDN，网络控制能力和网络智能化进一步升级。

4 结 论

5G的中心从网络转移到业务中，从而引发彻底的技术革命，产业链生态也将因此而变化。5G承载网建设中，应根据不同需求场景，发挥现有资源的价值。根据具体的需求采购和使用设备、时间同步及SR+EVPN等，从而使4G能够平稳升级到5G，将成本控制在更低范围内。

5G新型业务特性引入、无线接入网结构和核心网架构革新变化等为承载技术日益精进注入动力，5G承载方案不断涌现。5G承载网络包括了转发面、管理控制面及同步网3个部分。转发面的作用是前传和中/回传的承载，管理控制面进行统一管控，同步网支撑高精度同步需求5G应用。在未来，5G现网规模试点全面铺开，人们还会提出更多的5G承载技术方案。随着三大运营商目前主体采用NSA建网到未来采用SA建网的演进思路，还需要在5G R16标准冻结后，对5G承载网涉及到的技术、标准等予以全面研究，为5G规模化部署奠定扎实的基础。