5G承载网络架构和关键技术
李友柯 杨锦清
【摘?要】本文基于5G承载需求，结合移动运营商承载网络现状和主要特性等，归纳总结了5G承载网络总体架构及关键技术，并在此基础上深度分析了转发面、协同管控的技术方案。
【关键词】5G;承载网;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）随着3GPP 5G非独立（NSA）和独立（SA）组网标准的正式冻结，我国运营商同步启动规划和设计5G试点和预商用方案，5G迈向商用的步伐逐步加快。
（2）5G对承载网络主要带来三大性能需求和六类组网功能需求，也即在关键性能方面，“更大带宽、超低时延和高精度同步”等性能指标需求非常突出，在组网及功能方面，呈现出“多层级承载网络、灵活化连接调度、层次化网络切片、智能化协同管控、4G/5G混合承载以及低成本高速组网”等六大组网需求，如何满足和实现这些承载需求至关重要。
2. 5G承载网络总体架构
5G承载网络是为5G无线接入网和核心网提供网络连接的基础网络，不仅为这些网络连接提供灵活调度、组网保护和管理控制等功能，还要提供带宽、时延、同步和可靠性等方面的性能保障。
满足5G承载需求的5G承载网络总体架构见图1，主要包括转发平面、协同管控、5G同步网三个部分，在此架构下同时支持差异化的网络切片服务能力（5G承载网络总体架构见图1）。
2.1?转发平面应具备分层组网架构和多业务统一承载能力。
转发平面是5G承载架构的关键组成，其典型的功能特性包括：
（1）端到端分层组网架构：5G承载组网架构包括城域与省内干线两个层面，其中城域内组网包括接入、汇聚和核心三层架构。接入层通常为环形组网，汇聚和核心层根据光纤资源情况，可分为环形组网与双上联组网两种类型。
（2）差异化网络切片服务：在一张承载网络中通过网络资源的软、硬管道隔离技术，为不同服务质量需求的客户业务提供所需网络资源的连接服務和性能保障，为5G三大类业务应用、政企专线等业务提供差异化的网络切片服务能力。
（3）多业务统一承载能力：5G承载可以基于新技术方案进行建设，也可以基于4G承载网进行升级演进。除了承载4G/5G无线业务之外，政企专线业务、家庭宽带的OLT回传、移动CDN以及边缘数据中心之间互联等，也可统一承载，兼具L0～L3技术方案优势。
2.2?管理控制平面需支持统一管理、协同控制和智能运维能力。
5G承载的管理控制平面应具备面向SDN架构的管理控制能力，提供业务和网络资源的灵活配置能力，并具备自动化和智能化的网络运维能力。具体功能特性包括：
（1）统一管理能力：采用统一的多层多域管理信息模型，实现不同域的多层网络统一管理。
（2）协同控制能力：基于Restful的统一北向接口实现多层域的协同控制，实现业务自动化和切片管控的协同能力。
（3）智能运维能力：提供业务和网络的监测分析能力，如流量测量、时延测量、告警分析等，实现网络智能化运维。
3. 5G承载转发面架构与技术
（1）5G承载网络分为省干和城域两大部分，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;城域的汇聚核心层和省干层面不仅要为回传提供网络连接，还需要为部分核心网元之间的N4、N6以及N9接口提供网络连接，见图2。其中N6是UPF与数据网络（DN）之间的接口，将涉及通过IP公网访问外部的多媒体数据中心。5G无线接入网（RAN）在建设初期主要采用gNB宏站以及CU和DU合建模式;在5G大规模建设阶段，将采用CU和DU分离模式，并实施CU云化和CRAN大集中建设模式（5G对承载网络的连接需求和网络分层关系见图2）。
（2）5G承载网络涉及的无线接入网和部分核心网的参考点及其连接需求如表1（5G无线接入网的参考点和连接需求见表1，5G核心网与承载相关的部分参考点和连接需求见表2）。
（3）网络转发面组网架构见图3，为5G网络提供灵活连接的承载，以实现多层级承载网络、灵活化连接调度、层次化网络切片、4G/5G混合承载以及低成本高速组网等关键功能特性（5G承载网络转发面组网架构见图3）。
（4）5G承载网络的网络分层、客户接口和线路接口分析见表 3（5G承载网络分层组网架构和接口分析见表3）。
4. 5G承载网关键技术
4.1?切片分组网络（SPN）技术。
SPN是中国移动在承载3G/4G回传的分组传送网络（PTN）技术基础上，面向5G和政企专线等业务承载需求，融合创新提出的新一代切片分组网络技术方案，面向5G承载的SPN组网架构如图6所示。SPN具备前传、中传和回传的端到端组网能力，通过FlexE接口和切片以太网（SlicingEthernet，SE）通道，支持端到端网络硬切片，并下沉L3功能至汇聚层甚至综合业务接入节点来满足动态灵活连接需求;在接入层引入50GE，在核心和汇聚层根据带宽需求引入100Gb/s、200Gb/s和400Gb/s彩光方案（面向5G承载的SPN组网架构见图4）。
SPN网络分层架构包括切片分组层（SPL）、切片通道层（SCL）和切片传送层（STL）三个层面，此外还包括实现高精度时频同步的时间/时钟同步功能模块、实现SPN统一管控的管理/控制功能模块，具体见图5（SPN网络协议分层架构见图5）。
4.2?灵活以太网（FlexE）技术。
（1）FlexE标准最早起源于OIF接口物理层标准，因其具有带宽灵活可调、数据隔离、完美契合5G业务等特点，受到全球主流运营商、供应商的认可。
（2）FlexE分片是基于时隙调度将一个物理以太网端口划分为多个以太网弹性硬管道，使得网络既具备类似于TDM（时分复用）独占时隙、隔离性好的特性，又具备以太网统计复用、网络效率高的双重特点，实现同一分片内业务统计复用，分片之间业务互不影响，相对于通过VPN实现的分片隔离性更好，为5G网络分片提供了更多选择（FlexE工作原理见图6，FlexE的应用场景见图7，FlexE交换和分组交换的比较见图8）。
4.3?增强路由转发技术——分段路由SR。
（1）SR使用路径标签机制（多协议标签交换，或者MPLS，或是在IPv4或IPv6中的路径包头的标签）来指定路由数据包必须通过的网络路径。和MPLS不一样，每个路由器是一个节点，SR在每一个节点上分配固定的、32位的标签。标签是固定的，不是动态的，类似于在 MPLS的3层VPN，能使故障排除更加容易。标签和拓扑信息通過三种路由协议（中间系统到中间系统;开放最短路径优先;边界网关协议）中的一种，延伸传播至整个网络中（分段路由SR的原理见图9）。
（2）SR的技术特点：转发节点不感知业务状态，只维护拓扑信息;通过在源节点设置有序的指令集实现显示的路径转发，是一种完全兼容现有MPLS的转发面的源路由技术。
5. 总结和展望
基于云化架构的5G网络对承载网的基础网络架构提出了新的挑战，必须扎实做好基础网络资源的储备工作，同时5G承载网应充分考虑现有网络资源的应用，根据5G业务特点及发展趋势，由下至上，分层实现网络演进。推进跨域SDN发展以满足接入层多手段承载，加快引入 SR、FlexE等新特性以适应 5G业务灵活性，高效支撑未来业务发展。此外还应加强与无线、核心网、数据网等专业间协同，共同打造最佳的5G网络承载方案。
参考文献
[1]?赵伟. 5G核心网：使能运营商面向全行业的数字化转型[J]. 华为技术，2018（80）.
[2]?方琰崴. 面向云化的电信运营转型方案、关键技术和发展策略[J]. 信息通信技术，2018（2）.
[3]?IMT-2020（5G）推进组. 5G承载网络架构和技术方案方案，2018.
[4]?潘锋. 探究5G移动通信技术下传输未来发展趋势[J]. 信息与电脑（理论版），2018（6）.
[5]?田君，王坚. 浙江移动探索面向5G承载的基础资源规划方法[J].电信技术，2018（1）.
