5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)

李友柯 楊錦清

【摘?要】本文基于5G承載需求，結(jié)合移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商承載網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和主要特性等，歸納總結(jié)了5G承載網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上深度分析了轉(zhuǎn)發(fā)面、協(xié)同管控的技術(shù)方案。

【關(guān)鍵詞】5G;承載網(wǎng);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(dú)立（NSA）和獨(dú)立（SA）組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的正式凍結(jié)，我國(guó)運(yùn)營(yíng)商同步啟動(dòng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)5G試點(diǎn)和預(yù)商用方案，5G邁向商用的步伐逐步加快。

（2）5G對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)主要帶來(lái)三大性能需求和六類(lèi)組網(wǎng)功能需求，也即在關(guān)鍵性能方面，“更大帶寬、超低時(shí)延和高精度同步”等性能指標(biāo)需求非常突出，在組網(wǎng)及功能方面，呈現(xiàn)出“多層級(jí)承載網(wǎng)絡(luò)、靈活化連接調(diào)度、層次化網(wǎng)絡(luò)切片、智能化協(xié)同管控、4G/5G混合承載以及低成本高速組網(wǎng)”等六大組網(wǎng)需求，如何滿足和實(shí)現(xiàn)這些承載需求至關(guān)重要。

2. 5G承載網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

5G承載網(wǎng)絡(luò)是為5G無(wú)線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò)連接的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，不僅為這些網(wǎng)絡(luò)連接提供靈活調(diào)度、組網(wǎng)保護(hù)和管理控制等功能，還要提供帶寬、時(shí)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(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)見(jiàn)圖1，主要包括轉(zhuǎn)發(fā)平面、協(xié)同管控、5G同步網(wǎng)三個(gè)部分，在此架構(gòu)下同時(shí)支持差異化的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)能力（5G承載網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)見(jiàn)圖1）。

2.1?轉(zhuǎn)發(fā)平面應(yīng)具備分層組網(wǎng)架構(gòu)和多業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載能力。

轉(zhuǎn)發(fā)平面是5G承載架構(gòu)的關(guān)鍵組成，其典型的功能特性包括：

（1）端到端分層組網(wǎng)架構(gòu)：5G承載組網(wǎng)架構(gòu)包括城域與省內(nèi)干線兩個(gè)層面，其中城域內(nèi)組網(wǎng)包括接入、匯聚和核心三層架構(gòu)。接入層通常為環(huán)形組網(wǎng)，匯聚和核心層根據(jù)光纖資源情況，可分為環(huán)形組網(wǎng)與雙上聯(lián)組網(wǎng)兩種類(lèi)型。

（2）差異化網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)：在一張承載網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)網(wǎng)絡(luò)資源的軟、硬管道隔離技術(shù)，為不同服務(wù)質(zhì)量需求的客戶業(yè)務(wù)提供所需網(wǎng)絡(luò)資源的連接服務(wù)和性能保障，為5G三大類(lèi)業(yè)務(wù)應(yīng)用、政企專線等業(yè)務(wù)提供差異化的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)能力。

（3）多業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載能力：5G承載可以基于新技術(shù)方案進(jìn)行建設(shè)，也可以基于4G承載網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)演進(jìn)。除了承載4G/5G無(wú)線業(yè)務(wù)之外，政企專線業(yè)務(wù)、家庭寬帶的OLT回傳、移動(dòng)CDN以及邊緣數(shù)據(jù)中心之間互聯(lián)等，也可統(tǒng)一承載，兼具L0～L3技術(shù)方案優(yōu)勢(shì)。

2.2?管理控制平面需支持統(tǒng)一管理、協(xié)同控制和智能運(yùn)維能力。

5G承載的管理控制平面應(yīng)具備面向SDN架構(gòu)的管理控制能力，提供業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)資源的靈活配置能力，并具備自動(dòng)化和智能化的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維能力。具體功能特性包括：

（1）統(tǒng)一管理能力：采用統(tǒng)一的多層多域管理信息模型，實(shí)現(xiàn)不同域的多層網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理。

（2）協(xié)同控制能力：基于Restful的統(tǒng)一北向接口實(shí)現(xiàn)多層域的協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)自動(dòng)化和切片管控的協(xié)同能力。

（3）智能運(yùn)維能力：提供業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)分析能力，如流量測(cè)量、時(shí)延測(cè)量、告警分析等，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能化運(yùn)維。

3. 5G承載轉(zhuǎn)發(fā)面架構(gòu)與技術(shù)

（1）5G承載網(wǎng)絡(luò)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(hào)、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(luò)連接;城域的匯聚核心層和省干層面不僅要為回傳提供網(wǎng)絡(luò)連接，還需要為部分核心網(wǎng)元之間的N4、N6以及N9接口提供網(wǎng)絡(luò)連接，見(jiàn)圖2。其中N6是UPF與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（DN）之間的接口，將涉及通過(guò)IP公網(wǎng)訪問(wèn)外部的多媒體數(shù)據(jù)中心。5G無(wú)線接入網(wǎng)（RAN）在建設(shè)初期主要采用gNB宏站以及CU和DU合建模式;在5G大規(guī)模建設(shè)階段，將采用CU和DU分離模式，并實(shí)施CU云化和CRAN大集中建設(shè)模式（5G對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)的連接需求和網(wǎng)絡(luò)分層關(guān)系見(jiàn)圖2）。

（2）5G承載網(wǎng)絡(luò)涉及的無(wú)線接入網(wǎng)和部分核心網(wǎng)的參考點(diǎn)及其連接需求如表1（5G無(wú)線接入網(wǎng)的參考點(diǎn)和連接需求見(jiàn)表1，5G核心網(wǎng)與承載相關(guān)的部分參考點(diǎn)和連接需求見(jiàn)表2）。

（3）網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)面組網(wǎng)架構(gòu)見(jiàn)圖3，為5G網(wǎng)絡(luò)提供靈活連接的承載，以實(shí)現(xiàn)多層級(jí)承載網(wǎng)絡(luò)、靈活化連接調(diào)度、層次化網(wǎng)絡(luò)切片、4G/5G混合承載以及低成本高速組網(wǎng)等關(guān)鍵功能特性（5G承載網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)面組網(wǎng)架構(gòu)見(jiàn)圖3）。

（4）5G承載網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)分層、客戶接口和線路接口分析見(jiàn)表 3（5G承載網(wǎng)絡(luò)分層組網(wǎng)架構(gòu)和接口分析見(jiàn)表3）。

4. 5G承載網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1?切片分組網(wǎng)絡(luò)（SPN）技術(shù)。

SPN是中國(guó)移動(dòng)在承載3G/4G回傳的分組傳送網(wǎng)絡(luò)（PTN）技術(shù)基礎(chǔ)上，面向5G和政企專線等業(yè)務(wù)承載需求，融合創(chuàng)新提出的新一代切片分組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案，面向5G承載的SPN組網(wǎng)架構(gòu)如圖6所示。SPN具備前傳、中傳和回傳的端到端組網(wǎng)能力，通過(guò)FlexE接口和切片以太網(wǎng)（SlicingEthernet，SE）通道，支持端到端網(wǎng)絡(luò)硬切片，并下沉L3功能至匯聚層甚至綜合業(yè)務(wù)接入節(jié)點(diǎn)來(lái)滿足動(dòng)態(tài)靈活連接需求;在接入層引入50GE，在核心和匯聚層根據(jù)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(wǎng)架構(gòu)見(jiàn)圖4）。

SPN網(wǎng)絡(luò)分層架構(gòu)包括切片分組層（SPL）、切片通道層（SCL）和切片傳送層（STL）三個(gè)層面，此外還包括實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)頻同步的時(shí)間/時(shí)鐘同步功能模塊、實(shí)現(xiàn)SPN統(tǒng)一管控的管理/控制功能模塊，具體見(jiàn)圖5（SPN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層架構(gòu)見(jiàn)圖5）。

4.2?靈活以太網(wǎng)（FlexE）技術(shù)。

（1）FlexE標(biāo)準(zhǔn)最早起源于OIF接口物理層標(biāo)準(zhǔn)，因其具有帶寬靈活可調(diào)、數(shù)據(jù)隔離、完美契合5G業(yè)務(wù)等特點(diǎn)，受到全球主流運(yùn)營(yíng)商、供應(yīng)商的認(rèn)可。

（2）FlexE分片是基于時(shí)隙調(diào)度將一個(gè)物理以太網(wǎng)端口劃分為多個(gè)以太網(wǎng)彈性硬管道，使得網(wǎng)絡(luò)既具備類(lèi)似于TDM（時(shí)分復(fù)用）獨(dú)占時(shí)隙、隔離性好的特性，又具備以太網(wǎng)統(tǒng)計(jì)復(fù)用、網(wǎng)絡(luò)效率高的雙重特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)同一分片內(nèi)業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)復(fù)用，分片之間業(yè)務(wù)互不影響，相對(duì)于通過(guò)VPN實(shí)現(xiàn)的分片隔離性更好，為5G網(wǎng)絡(luò)分片提供了更多選擇（FlexE工作原理見(jiàn)圖6，F(xiàn)lexE的應(yīng)用場(chǎng)景見(jiàn)圖7，F(xiàn)lexE交換和分組交換的比較見(jiàn)圖8）。

4.3?增強(qiáng)路由轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)——分段路由SR。

（1）SR使用路徑標(biāo)簽機(jī)制（多協(xié)議標(biāo)簽交換，或者M(jìn)PLS，或是在IPv4或IPv6中的路徑包頭的標(biāo)簽）來(lái)指定路由數(shù)據(jù)包必須通過(guò)的網(wǎng)絡(luò)路徑。和MPLS不一樣，每個(gè)路由器是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，SR在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上分配固定的、32位的標(biāo)簽。標(biāo)簽是固定的，不是動(dòng)態(tài)的，類(lèi)似于在 MPLS的3層VPN，能使故障排除更加容易。標(biāo)簽和拓?fù)湫畔⑼ㄟ^(guò)三種路由協(xié)議（中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng);開(kāi)放最短路徑優(yōu)先;邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議）中的一種，延伸傳播至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中（分段路由SR的原理見(jiàn)圖9）。

（2）SR的技術(shù)特點(diǎn)：轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)不感知業(yè)務(wù)狀態(tài)，只維護(hù)拓?fù)湫畔?通過(guò)在源節(jié)點(diǎn)設(shè)置有序的指令集實(shí)現(xiàn)顯示的路徑轉(zhuǎn)發(fā)，是一種完全兼容現(xiàn)有MPLS的轉(zhuǎn)發(fā)面的源路由技術(shù)。

5. 總結(jié)和展望

基于云化架構(gòu)的5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)承載網(wǎng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出了新的挑戰(zhàn)，必須扎實(shí)做好基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源的儲(chǔ)備工作，同時(shí)5G承載網(wǎng)應(yīng)充分考慮現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源的應(yīng)用，根據(jù)5G業(yè)務(wù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)，由下至上，分層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。推進(jìn)跨域SDN發(fā)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(yīng) 5G業(yè)務(wù)靈活性，高效支撐未來(lái)業(yè)務(wù)發(fā)展。此外還應(yīng)加強(qiáng)與無(wú)線、核心網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)等專業(yè)間協(xié)同，共同打造最佳的5G網(wǎng)絡(luò)承載方案。

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