5G承载网关键技术和组网方案探讨

0 引言

4G 实现了人与人的连接，5G 将实现人与物、物与物的连接。4G 改变了通信，5G 将改变社会。承载网作为基站和核心网之间的传送通道，肩负着承载各类业务的重大使命。为满足5G的三大应用场景（eMBB、uRLLC、mMTC）的需求，承载网需引入多种关键技术，提供超大带宽、超低时延的传输通道，并支持灵活调度，实现高精度时间同步。

1 5G传输需求及网络演进

1.1 5G传输需求

5G的应用场景有以下3类。

a）增强移动带宽（eMBB）。主要用于连续广域覆盖和热点高容量场景，为用户提供高数据传输速率，满足网络高流量密度需求。与4G 网络相比，5G 网络有着更宽的无线频谱，并采用massive MIMO、高阶QAM 等技术提升无线空口带宽，传输速率甚至可以达到几十Gbit/s。5G 峰值带宽和用户体验带宽将提升数10倍，也对传输网提出了10倍以上的带宽需求。

b）超低时延高可靠通信（uRLLC）。5G 时代是物联网时代。所有终端和物品均接入互联网，从而实现万物互联。自动驾驶、智能交通、智慧城市、工业互联等垂直行业的特殊应用对时延和高可靠性有着极高的指标要求，运营商需为这些用户提供毫秒级的端到端时延和高可靠性保证。现有的传输网设备及组网方式必须进行优化，以降低时延，提升安全性，满足新型业务发展需求。

c）海量机器类通信（mMTC）。智慧城市、环境监测、智能农业等以传感和数据采集为目标的应用场景，具有数据量小、功耗低、海量连接等特点；要求网络满足100 万/km2连接数密度指标要求，并保证终端超低功耗和超低成本。

基于以上场景特点，5G 对承载网提出了更高的需求，主要包含大带宽、低时延、高精度时间同步、Mesh连接及网络切片。针对eMBB、URLLC 和mMTC 等不同的业务对带宽、时延、服务质量等不同的需求，分配不同的网络资源，这就要求5G承载网提供网络切片能力，可以将不同业务所需的网络资源灵活动态地分配和释放，并进一步动态优化网络连接，降低网络成本，提升效益。5G 承载网还需要提供相互隔离的管道来为多个客户和各个垂直行业分别提供服务。

1.2 5G网络架构

5G网络架构相对于4G网络有如下几点变化。

a）5G 无线网架构。根据3GPP 5G RAN 切分，5G重构为AAU、DU、CU 3 层架构。原4G 网络中的BBU重构为CU 和DU 2 个功能实体。CU 涵盖了无线接入网高层协议栈及核心网的一部分功能，而DU 涵盖了基带处理的物理层及L2 部分功能。CU 和DU 网元在物理部署中可采用合一形态或分离形态，当前以合一形态部署形式为主。传送网相应网络部署分为前传、中传和回传3 部分。前传为AAU-DU，中传为DUCU，回传为CU-核心网。

b）超密组网。根据无线传播特性，由于频率高，5G 传播损耗比4G 大，基站的覆盖能力也就越弱，需要增加数倍于4G的基站才能弥补。但5G无线网络采用空分复用等新技术，不但可提升容量，还使得覆盖不收缩或极少量收缩。另外，对于热点高容量区域，会采用超密集组网，对于盲点、弱覆盖场景，还会采用small cell增强覆盖。总之，5G的基站密度比4G大。

c）核心网云化、下移及虚拟化部署。5G 核心网控制面和用户面分离，用户面下沉，由原来的集中式演变成分散式，便于不同类型的业务在不同的层面终结，基于虚拟化技术将核心网物理实体分离成多个虚拟网元，分布在网络中，进行云化部署，地理位置上靠终端更近，可以带来更低的时延。

1.3 5GC SA和NSA组网模式

在4G 向5G 演进过程中，5G NR、5G 核心网、4G 核心网和LTE 混搭，组成了多种网络部署演进的选项。3GPP 为不同需求的运营商指定了不同“套餐”搭配选择。总体上分为5G 独立组网（SA）和5G 非独立组网（NSA）两大类。

a）5G 独立组网。独立组网通过建设一个全新的5G 网络，包括新基站、承载网和核心网，来实现5G 网络的所有功能。

b）5G 非独立组网。此模式下，5G 网络不能独立部署，必须依托运营商原有的一个网络（如LTE 网络）进行部署。具体而言，5G 的基站依托LTE 的基站接入网络，对用户的所有控制操作，包括移动性管理、漫游、切换等，都通过LTE网络进行，而5G基站仅提供数据业务增强的通道。

1.4 5G承载网关键技术

a）切片分组网（SPN——Slicing Packet Network）。SPN 是中国移动面向5G 传输提出的创新技术体系，是以以太网内核为基础的新一代融合传输网络架构，可实现大带宽、低时延、高效率的综合业务承载。兼容PTN 现有协议，新增SR、FlexE 和SDN 功能。SPN 采用基于ITU-T 分层网络模型，支持对IP、以太网、CBR 业务的综合承载。SPN 体系架构分为3 层：切片分组层（SPL）、切片通道层（SCL）和切片传送层（STL）。客户业务层采用SDN L3+SR 的业务组网，满足业务灵活调度要求。业务传送层基于FlexE 的接口和端到端组网能力，提供网络分片和低时延应用。传输媒介层接入层采用50GE/100GE 组网，核心汇聚采用高速率以太、以太+DWDM组网。

b）分段路由技术（SR）。SR 是目前承载网中非常受关注的一项技术，由CISCO 提出，是一种源路由机制，对现有MPLS 技术进行了高效简化，同时复用MPLS已有的转发机制，能很好地兼容目前的IP MPLS/MPLS-TP 网络。MPLS 是通过事先分配好的标签，为报文建立一条标签转发通道（LSP），在通道经过的每一台设备处，只需要进行快速的标签交换即可，从而节约了处理时间。SR 也是一种“不管中间节点”的路由技术，灵活性更高，开支更少，效率更高。分段路由（SR）技术通过内部网关协议（IGP）扩展收集路径信息，头结点根据收集的信息组成一个显式/非显式的路径，路径的建立不依赖中间节点，从而使得路径在头节点即创建即生效，避免了网络中间节点路径计算。

c）灵活以太网技术（FLexE）。FlexE 就是把多个物理端口进行“捆绑合并”，形成一个虚拟的逻辑通道，以支持更高的业务速率。FlexE技术在以太网技术的基础上实现了业务速率和物理通道速率的解耦，物理接口速率不必再等于客户业务速率，可以是灵活的其他速率。

灵活以太网技术是切片以太网的基础，可对高速率接口进行精细化划分，实现不同低速率业务在不同时隙中的传输，相互之间物理隔离。FlexE技术具有子管道特性和物理层交叉特性，在传输网络上可以构建端到端SPN Channel 刚性管道。FlexE 用于SPN 架构中，基于原生以太内核扩展以太网切片能力，既完全兼容当前以太网络，又避免报文经过L2/L3 存储转发，可提供确定性低时延、硬管道的以太网L1组网能力。

FLexE 技术在PHY 层和MAC 层之间增加了FLexE Shim 层，通过时隙交叉实现用户业务流在FlexE Shim 层转发，用户报文在网络中间节点无需解析，业务流交叉过程近乎瞬间完成，单跳设备转发时延仅1～10 μs，从而实现极低的转发时延。而传统的IP/MPLS 交换，对于客户业务报文采用逐跳转发策略，网络中每个节点设备都需要对数据包进行MAC 层的缓存、CRC 校验、MPLS 层的解析和查表转发、队列调度，这些处理会耗费大量时间，使得单设备转发时延高达数十μs。

2 5G承载网分层组网方案

打造面向5G的精品承载网络，分步新建SPN网络达成目标网络覆盖，逐步实现“市、县、乡”覆盖。核心汇聚层适度先行，完成网络主体架构搭建；接入层匹配5G站点接入需求建设。为保证5G端到端切片业务的实现，城域传送网需保证端到端同厂家组网。新建SPN 网络，由于L3 功能直接下沉到汇聚层/接入层，较现有PTN网络减少了L2/L3层。

新建的SPN网络初期主要用于承载5G业务，而未来目标是实现综合业务承载。在实现综合业务传输时，总体上采用汇聚接入共用、核心层分离架构。

汇聚层主要采用100GE/200GE 组网。若需扩展带宽，可通过DWDM+FlexE Group方式进行扩展。

接入层采用10GE/50GE/100GE 组网，新建接入层设备应具备100GE 组网能力。在D-RAN 场景下可采用10GE/50GE 组网，在C-RAN 场景下采用50GE/100GE组网。

新建50GE和100GE系统均应采用FlexE板卡。

2.1 核心层组网方案

中小型城域网，业务量相对较小，核心机房数量较少，可采用一对核心对接设备连接本地5G 核心网，同时连至省干网络，将部分流量调度到省会/大区集中的5G核心网。核心层组网拓扑部署建议如图1所示。

图1 中小型城域网核心层组网拓扑

大型城域网的核心机房有多个，骨干汇聚点数量和本地部署的核心网设备也比较多，若采用核心网设备直接对接骨干汇聚，则互联链路数量会非常多，易导致网络瓶颈，因此建议增设核心调度设备，调度设备实现骨干汇聚侧的连接，进行端口收敛，而业务落地点专注于业务落地连接。

当骨干汇聚节点不超过10 对时，建议采用1 级核心层组网架构；当骨干汇聚节点超过10 对时，建议采用2 级核心层组网架构。核心层组网拓扑建议如图2所示。

核心调度节点通常为网络的中间节点，仅对业务进行透传，一对核心调度之间的链路主要用于满足业务备用路径的需求，适当规划1～2条链路即可。

核心调度点与核心落地点之间先采用200GE 链路连接，考虑到中远期可能需要扩容，建议核心层设备采用N×200GE 单板时，仅用其中1 个200GE 端口，其余端口预留。

2.2 汇聚层组网方案

图2 大型城域网核心层组网拓扑

汇聚层采用环形组网，建议每个汇聚环除骨干汇聚点外，还下挂4～6 个普通汇聚点，采用N×100GE/200GE组网。如图3所示。

图3 汇聚层组网拓扑

汇聚层端口连接应满足以下要求：物理上同1 台设备出去的同环2个方向使用不同单板，2个方向需采用不同路由光缆。逻辑上确保工作、保护路径的接口分离。

2.3 接入层组网方案

4G 高流量基站日平均峰值为60 Mbit/s，瞬时峰值为120 Mbit/s，普通基站日平均峰值为30 Mbit/s，瞬时峰值为60 Mbit/s。5G 基站按照4G 基站10 倍测算，高流量基站峰值为1 200 Mbit/s，普通基站峰值为600 Mbit/s。D-RAN 场景，接入环按承载8 个基站测算，单环流量测算控制在6 Gbit/s（2×1 200 Mbit/s+6×600 Mbit/s），10GE接入环可以满足5G初期大多数场景，成熟期按需部署50GE。C-RAN 场景下，BBU 集中部署，基站密度增加，业务较D-RAN 场景流量成倍增长，可考虑直接部署50GE接入环。

不同区域应根据不同的业务发展需求，部署适合的接入层。对于中小型地（市）和业务发展较慢的城区，接入层可采用10GE 环实现5G 业务承载。对于业务发展较快的城区，应采用新建接入层设备，直接部署50GE/100GE 接入环方案。D-RAN 场景下可采用50GE 环，建议5G 基站承载数量不超过10 个，在CRAN 场景下可采用100GE 环，建议5G 基站承载数量不超过20 个。当采用50GE 环时，设备应具备演进支持100GE组网的能力。

为便于控制面IGP 进行划域部署，接入层组网应满足以下要求。

a）接入环双挂时，双挂的汇聚节点应在同一个汇聚环内。如图4 所示的接入环①/②，优先考虑挂在相邻的汇聚节点，也允许挂在同一汇聚环内非相邻的汇聚节点，如接入环③。

图4 接入层组网拓扑

b）接入环不应挂在不同层次的节点下，如一端接在骨干节点，一端接在核心节点，如接入环④。

c）接入环不应接在不同汇聚环的节点下，如接入环⑤/⑥。接入环⑦/⑧/⑨也是禁止接入的。

d）对于在分域点（如骨干节点）同时也有基站接入需求的站点，为避免核心域内路由复杂，可优先考虑通过同机房一套小型接入设备接入分域点设备（如骨干节点）。

3 结束语

本文结合5G 对传输的需求分析，5G 网络架构较4G 网络的几点变化以及5G 独立组网与非独立组网2种组网模式的比较，阐述了5G承载网的几个主要关键技术，探讨了5G 承载网分层组网方案，希望能为网络维护人员和规划设计人员提供参考。