5G承载网的关键技术及其组网方案分析

陈 劭

引言

随着科技发展，人们通信方式也越来越丰富，通信便捷性也越来越强。在4G通信时代，技术更多的关注点是人与人的通信互联，而随着5G通信时代来临，通信更多的是将人与物、物与物之间以更便捷、更安全的方式进行互联互通。因此，5G通信时代承载网在网络结构、通信安全及其他诸多方面也都有了很大的变化和进步。通过对5G承载网关键技术的分析与探讨，剖析5G承载网的组网方案，必将对我国5G通信建设有较好促进作用[1]。

1 5G承载网技术要求

通信网络从最初的1G不断升级5G，其承载网也显现从小规模到大规模、从低带宽到高带宽的变化，其性能也越来越强大，功能也越来越完善。尤其是进入5G后，通信网络的相关指标得到大幅提升，这些相关通信指标高标准，如果仅仅只依靠无线空中接口部分的提升已无法满足5G通信需求，因此，必须对承载网网络架构进行技术升级。其主要体现在以上方面:（1）带宽。带宽作为5G承载网最重要技术指标之一，也是最基础通信指标。在空口速率提升数十倍的情况上，承载网带宽也必须进行大幅度提升才能满足要求。在当前阶段，5G仍处于初始时期，eMBB（Enhanced Mobile Broadband）增强移动宽带要实现业务场景，最需要关注也是带宽。（2）低时延、高可靠性。在5G时代，承载网对网络时延和可靠性提出更高要求，这也是5G通信重要需求之一。为了达到低时延，需要实现端到端时延达到个位数毫秒级，才能满足5G通信技术要求。在5G的诸多场景中，对承载网可靠性要求也达到99.9999%，其强大的故障恢复能力和容灾容错能力，也都体现其高可靠性的特点。（3）高精度同步能力。高精度同步能力体现在承载网频率同步和时间同步方面。其主要作用有:一方面，5G通信中多点协同、载波聚合以及超短帧等，都对通信时间同步精度提出更高要求。另一方面，在5G通信中，时分双工（TDD）是其通信业务采用的主要制式，这必须要求精确时间同步才能完成。还有通信中诸多的增值性服务，也都要求必须有较精确时间同步才能实现。目前5G网采用的关键技术包括:高精度同步源头技术、高精度同步传输技术、高精度同步局内分配技术、高精度同步检测技术。（4）低能耗。5G运行设备较多，网络强大，低能耗不仅可以降低故障率，降低运行成本，也符合低碳发展要求[2]。

2 5G承载网关键技术分析

承载网是5G移动通信重要组成部分，对5G发展具有重要意义。其关键技术分析如上:

2.1 切片分组网络技术

作为5G承载网关键技术之一的切片分组网络技术，不仅可以在过去3G、4G承载网络分组传输技术基础，进一步满足5G承载网业务承载要求。同时，通过切片技术不断创新和技术融合，还可能满足5G承载SPN组网架构的相关要求。5G承载网前传、中传以及回传端对端组网能力都是依靠SPN组网架构的主要功能来实现的，其在充分发挥以太网通道、切片技术和FlexE结构的作用，同时对切片技术提供支持，将L3功能上沉到汇聚层直至接入层，也较好保证连接的灵活性。通过在接入层导入50GE，也可以满足汇聚层和核心层引入100Gb/s、200Gb/s以及400Gb/s彩光方案。切片分组网络技术（SPN）通过实现大带宽、低时延、网络切片、L3层灵活连接、高精度同步和SDN管控，更好满足5G承载需求。5G通信网络承载的SPN组网架构，其主要由传输层、通道层和切片分组层组成，同时，为了规范化和统一化5G承载的SPN组网架构管理，增加具有较高准确性、同频性的时钟同步功能模块，进一步提高承载网管理精度。总之，切片分组网络技术（SPN）能够实现大带宽、低时延、网络切片、L3层灵活连接、高精度同步和SDN管控，满足5G承载需求[3]。

2.2 灵活以太网技术

灵活以太网技术是5G承载网关键技术之一。灵活以太网（Flexible Ethernet）从2015年起步，主要面向5G网络中的云服务、网络切片、AR/VR/超高清视频等时延敏感业务需求。其对接口技术进行创新，从而保证高速大端口400GE、1TE等技术应用，有助于智能端对端链路的建立，满足数据网络对IP低时延、高QoS服务的要求。Flexible Ethernet是在OIF接口物理层标准的基础发展起来的，由于Flexible Ethernet技术自身所具有灵活性、可调节性、优秀的数据隔离性能，使其能够与5G承载网通信要求相匹配，因此，Flexible Ethernet被世界各地的通信运营商和服务商所应用。Flexible Ethernet技术较好的实现以太网在时隙调度基础进行划分，同时还有丰富的以太网弹性硬管道，也正是基于此项技术应用，使得5G通信网络不仅具有很强的隔离性、TDM独占时隙，同时，也具有良好的高效性、统计复用的优势[4]。

2.3 分段路由（SR）技术

分段路由（SR）技术是依据路径标签进一步对路由数据所需经过的网络路径进行确认。其每个路由器都有一个与之相对应的节点，多数情况上，利用分段路由技术可以将固定标签以及32位标签分别于各个节点进行设置。如果转发器所支持的标签深度低于标签栈深度时，便会导致整条LSP的链路标签没有办法通过一个标签栈完成携带。这时，就应将整条路径分隔为若干个标签栈携带，并通过一种特殊标签将相邻的标签栈粘连在一起，多个标签栈首尾相连，从而标识一条完整LSP。像PCE（路径计算元件）这样的外部系统，应用了SR后，可以定义路径。一个PCE能够创建不共享拓扑或从批量数据流中分离出来的实时UC&C流量路径。PCE与路由协议交互获得拓扑和其它信息，用于确定添加到数据包的标签组。其结果是，在一个SR系统上既包含了运行在控制平面上用于收集拓扑信息的路由器，也包含了在PCE上运行的使用该拓扑信息来计算不同应用路径的路由协议[4]。

4 5G承载网建设方案分析

4.1 5G承载网整体架构（见图1）

图1 承载网架构简图

在通常情况上，按每一个接入环建设8个站点计处，基站建设规范应为24个。经过NGMN收敛模型分析，如果收敛比按1/2计算，则接入环理论带宽应每个接入环8个站点规模为宜，其计算公式为:基站规模=站点规模×3=24。其带宽应为28.87Gbit/s。计算公式为:[1×峰值+（n-1）×均值]/收敛比=[1×4.84+23×2.3]/2=28.87Gbit/s，结合上述计算，接入环采用50 GE环网为宜。每个汇聚环，一般情况上应上挂4-8个接入环，结合1/2的收敛比计算，汇聚环的带宽应为57.74或115.48Gbit/s，因此，汇聚环宜采用100 GE环网较为科学[5]。

4.2 前传网络

当对DU进行集中设置后，如果仍然在DU和RRU/AAU间采用光纤直驱方式建立前传网络，需要耗费大量光缆资源，为降低5G承载网建设成本，需要结合方面因素，科学选择高性价比的承载方案（见表1）。

表1 前传网络技术优劣分析

从表1可以看出，有源OTN方式与光纤直驱、无源CWDM方式相比，其光纤资源占用较少，可维护性较强，其解决方案技术优势明显，但其所需的投资成本较高。因此，需结合承载网影响因素，合理选取布署方案:（1）DU上挂RRU/AAU数量较少情况上，且距离相对较近，如果光纤资源也较为充足，采用光纤直驱方案较为科学。（2）DU上挂RRU/AAU数量较多情况上，且距离相对较远，光纤资源也不充足，则可以根据建设资金现状，在有源OTN方案或无源CWDM方案二者中选取方案较为合理[6]。

4.3 低时延保障

低时延是5G通信的一个重要指标。对于承载网时延而言，设备转发时延和光纤时延是其产生主要原因。为降低承载时延，应从三个方面给予重视:一是有效QoS手段。其主要通过FlexE等技术应用，达到子MAC间物理隔离的目的，从而实现良好的拥塞控制，在网络重载情况上，优先保障高优先业务的快速转发。二是降低设备时延。在这方面，可通过转发技术的应用，缩短接口处理时延。采用对NP内核优化的方法，为低时延业务提供专用通道；应用多种技术手段优化设备时延。三是优化传输距离。一方面，为了缩短传输距离，可以采用核心网、MEC上沉的方法；另一方面，可以通过优化数据传输路径的方法来实现。同时，可以将二者结合应用，优化传输距离，达到降低时延目的。

4.4 灵活切片

在5G网络方案中，为了满足不同业务对带宽、时延、可靠性的要求，灵活的SDN/NFV网络切片技术在核心网和无线网得到广泛应用，这也要求承载网必须能够对灵活切片技术给予支持，才能满足网络资源动态释放，并实现相互隔离不同切片网络资源的功能。因此，承载网需要通过FlexE以及SDN/NFV 2项关键技术应用，实现切片创建、删除、调整等功能，才能实现与核心网和无线网切片协同目的。在这方面，为了实现通信网络多网协同，需建立一个包含核心网、无线网、承载网的端对端逻辑网络，承载网则需要采用转发面与控制面分离的SDN架构。其中转发面为实现切片间相互隔离，通常采用lexE和VPN来实现。控制面则是需要与核心网、无线网通过SDN控制器开展协同，为实现编排端到端的业务链，需要上层编排器的统一管理。在这些方面，因为涉及到诸多领域，其接口的统一性与标准性一定要给充分重视，在网络设计时，也应对通信技术升级与发展预留一定拓展空间[7]。

5 结束语

随着5G建设快速推进，其承载网技术与5G业务性能提升关系密切。5G通信网络无线频谱更宽，MIMO的规模也更大，其用户体现带宽也提高了10倍甚数十倍。而大规模的业务对承载网的时延与可靠的要求也更高。高效、开放、灵活的网络架构技术应用，推动了承载网架构的革新，灵活的组网和调度方案应用，网络切片、协同管控、高精度同步等功能的实现，进一步满足5G时代丰富的通信业务需求。