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摘要：当前，5G承载面临超大带宽、低时延、灵活连接、网络切片和超高精度时间同步等诸多挑战，本文主要分析了主流厂商在5G承载技术方面的研究和创新，包括基于FlexE的大带宽、低时延和业务隔离技术、满足5G泛在灵活连接的SegmentRouting路由优化技术、基于网络切片的软件定义网络（SDN）架构和控制技术、超高精度时间同步技术等。
关键词：5G承载网；需求架构；关键技术
1、5G承载网络面临的需求和挑战
5G的“万物互联”相对于4G将带来革命性网络体验和新的商业应用模式，5G同时也对作为基础网络的承载网提出了巨大挑战。5G采用新的空口技术，支持包括超高可靠性超低时延业务（URLLC）、增强移动宽带（eMBB）和海量物联网业务（mMTC）等新业务。按照预测，未来5G网络的移动数据流量相对于4G网络增长500~1000倍，典型用户数据速率提升10倍到100倍，峰值传输速率可达10Gbit/s或更高，端到端时延缩短5~10倍，网络综合能效提升约1000倍。
5G核心网络的架构相对于4G也发生了较大的变化，核心网云化、转发和控制分离，采用基于软件定义网络/网络功能虚拟化（CSDN/NFV）的虚拟化切片技术，可将核心网功能分布式部署为多个虚拟网元，切片化部署有利于5G的新业务开展，例如URLLC业务的核心网切片将下沉到靠近基站的位置，从而满足对网络低时延的需求。5G无线基站的密度更大，基站的协同和移动性切换问题驱动无线架构集中处理的无线接入网（C-RAN）化在5G的C-RAN架构下，RAN功能被重构为集中单元（CUB）、分布单元（CDU）和有源天线单元（AAU）这3个功能实体，CU和DU之间按照RAN的高层功能划分，CU和DU的接口带宽与回传接近。DU和AAU之间按照RAN的底层功能划分，目前接口还没有标准化，趋向于采用增强通用公共无线电接口（eCPRI）接口。eCPRI接口采用分组化以太网接口，带宽与天线数解藕，相对于传统CPRI传输带宽降低10倍以上，有助于降低成本。在这个架构下，CU和DU之间的承载网络为Midhaul（中传），DU和AAU之间的承载网络为Fronthaul（前传）。
根据分析预测，5G承载网面临的主要挑战如下：
（1）前传和中传网：5G的前传、中传对承载网的时延要求非常高。按照目前的技术预估，前传传输时延的预算不超过30us，中传的时延需求不超过150us。
（2）回传网：带宽增加10倍以上，流量模型从汇聚为主变为全mesh。4G和5G网络融合的双连接、基站的站间协同、核心网云化部署的负载均衡和多归属备份，以及更加复杂和动态的流量，推动5G承载网络重构，支持灵活的业务连接。
（3）超高精度时间同步：引入5G的超短帧、载波聚合和多点协作传输（COMP）多点协作技术，驱动时间同步精度提升一个数量级，从4G的±1.5us提升到±130ns。
2、5G承载关键技术和解决方案研究
针对上述5G时代承载网面临的主要需求和挑战，以下系列关键技术的研究开发提供了有效的解决方案。
2.1FlexE技术及其创新
灵活以太网（FlexE）技术是光互连论坛（OIF）标准定义的灵活以太网，FlexE增强了以太网的物理编码子层（PC5）能力，实现了媒体接入控制层（MAC）和物理层（PHY）接口收发器的解藕，从而大大增强了以太网的组网灵活性，如下图所示。FlexE可以通过多个物理链路捆绑扩展网络的容量，满足5G所需要的大带宽需求，解决了传统以太网链路聚合组（LAG）在多链路传输时因为Hash导致的链路容量不均匀分配问题，同时FlexE可以通过Shim层的时隙配置支持多个Client业务，实现多个Client业务之间的物理隔离功能。但FlexE只是一个接口技术，针对5G网络的前传和回传的网络虚拟切片和低时延传送需求，还需要进一步进行功能扩展和技术创新。FlexEtunnel技术是其中的一个重要功能扩展，FlexEtunnel技术包括FlexE交换，操作、管理、维护（OAM）以及保护倒换技术。FlexE交换是基于时间片的66bit数据块交换技术，工作在L1层。交换不需要队列调度，不需要查找报文的MAC和IP地址，交换时延和时延抖动极低，不同的业务通过时间片进行隔离，相互之间完全不会产生影响。采用FlexE交换技术可以在多个网元之间建立FlexE隧道。FlexE隧道是端到端的刚性电路信道，在FlexE隧道的中间转发点，不需要弹出分组，从而实现了超低时延和严格的物理隔离特性，如下图所示。FlexEOAM用于检测隧道的性能和故障，在发生故障时，可以对FlexE隧道配置1+1线性保护，实现故障时的故障快速倒换。FlexETunnel技术将FlexE从接口级的技术扩展到网络级的技术，从而很好地满足了5G网络前传和回传的网络虚拟切片和低时延传送需求。
图：FlexE的接口技术
2.2源路由技术
5G采用SDN/NFV的信息通信（ICT）网络架构，核心网和基站的云化分布式部署带来泛在连接的传送需求，泛在连接需求来自下一代核心网（NGC）/CloudRANpooling、异地Multi-home、数据中心（DC）互联容灾等需求，需要承载网支持海量灵活的、按需连接的建立。传统的承载网采用互联网多协议标签（IP/MPLS）或者传送特性的多协议标签交换（MPL5-TP）动态或者静态地创建业务承载的隧道连接，设备需要维护的路径信息随着连接数线性增加，信令压力增大，严重影响网络的扩展性和运维成本。SegmentRouting（分段路由）一种源路由技术，采用该技术，转发点不需要感知业务状态，只维护拓扑信息，实现业务实例数与网络的解藕，大大提升了网络支持泛在连接的能力和扩展性。SegmentRouting的原理是在源节点通过把携带路由信息的指令压栈到报文头中，中间转发点逐跳提前并弹出相关的指令进行报文转发。
SegmentRouting技术非常便于与SDN技术融合，SDN通过网络的流量和拓扑资源的情况，集中计算出符合业务需求的最佳转发路径，把路由信息下发给源节点即可，不需要对转发路径巨的其他节点进行控制或者信令交互，从而极大地提升了网络的控制性能。SegmentRotating支持严格约束路由和松散约束路由，在松散约束路由的场景下，转发面需要支持内部网关协议（IGP）协议，松散约束路由可以支持TI-LFAFRR抗多点失效的局部保护。SegmentRotting在传送网的引入还存在一些问题有待研究，例如：SegmentRouting是与业务无关的转发机制，针对业务的层次化的服务质量（H-QoS）应该如何部署等问题。
2.35G承载的SDN架构
5G网络引入了切片的概念，网络切片是一组专业的逻辑网络的集合，该集合作为服务，支持网络的差异化，满足垂直行业的多元化需求。5G的网络切片实例是一个端到端的逻辑网络，由一组网络功能、资源和连接关系组成。包括了无线、传送网和核心网。
在这个架构下，承载网的网络切片包括了转发面（物理网络）、切片控制器和业务控制器3个部分，三者互为服务和客户层的递归关系。转发面需要支持不同业务切片的隔离和部分资源共享，转发面的虚拟化概念由来已久，虽然可以用第3层虚拟专用网络（L3VPN），MPL5嵌套等方式实现底层虚拟化映射，但这些技术在隔离和效率方面和实际的物理隔离还是有一定差距。FlexE和FlexETwnnel技术能够提供底层接口级和网络级硬管道支撑，无论在效率还是隔离方面都进一步缩小虚拟网络与物理网络的差异，是后续网络虚拟化要支持的主要转发面技术。切片控制器是实现网络切片/虚拟化的一种特殊控制器，负责创建虚拟网络（Vnet以及Vnet生命周期的管理，Vnet与物理资源存在映射关系，Vnet网络由虚拟节点（Vnode和虚拟链路（Vlink构成，作为VnetClient的上层控制器只能使用切片控制器分配给自己的Vnet资源。业务控制器在网络切片控制器创建的Vnet拓扑上编排业务，不同的业务控制器彼此独立，可以运行不同的控制协议，例如：一个业务控制器可运行SegmentRouting的控制协议编排端到端业务，另一个业务控制器可以允许MPLS-TP的控制协议编排端到端业务。作为5G切片网络的一部分，承载网的控制器需要与无线、核心网的分层
SDN/NFV进行协同，需要引入一个跨专业的协同器才能完成端到端切片的业务链编排，这方面的协同器开发需要推动接口的标准化工作，目前这方面的工作还在起步阶段。
3、结语
2017年在5G外场测试的驱动下，5G承载技术的研究和设备开发将进入关键期，配合5G无线和核心网的需求，对5G承载的关键技术进行测试和评估。5G建设，承载先行，5G承载网的技术、标准和产业化将为5G业务的商用提供坚实的基础。
参考文献：
[1]虞文海.5G时代承载网面对的挑战及部署方案探讨[J]信息通信，2017，（05）：181-182
[2]董超，王瀚冰，毛艾杭.面向5G的光传送网需求及挑战[J]安徽建筑，2017，（07）：41
论文作者:沈剑
论文发表刊物:《基层建设》2017年第35期
论文发表时间:2018/4/20
标签：网络论文; 切片论文; 技术论文; 业务论文; 需求论文; 控制器论文; 路由论文; 《基层建设》2017年第35期论文;