5G回傳的分組切片網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)研究

趙福川 溫建中

摘要：研究了5G回傳網(wǎng)的新型切片分組網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。在結(jié)合分段路由、以太虛擬專用網(wǎng)（EVPN）技術(shù)和L3到邊緣部署方案的基礎(chǔ)上提出極簡IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，還研究了切片技術(shù)、新型光模塊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)自動化在5G回傳網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。提出將這些新技術(shù)有機融合在一起的新型自動化5G回傳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為5G回傳網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 5G承載；回傳；FlexE；分段路由；EVPN；網(wǎng)絡(luò)切片；軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）

The new slicing packet network infrastructure and key technologies for 5G backhaul network are introduced in this paper. Integrating the segment routing， Ethernet virtual private network （EVPN） technology and L3 to edge deployment scheme， the minimized IP network technology is proposed. Meanwhile， the application of slicing technology， new optical module technology and network automation in 5G backhaul network are studied. Then a new automatic 5G backhaul network architecture which organically integrates these new technologies is put forward. And this architecture provides an important basis for 5G backhaul technology development and network construction.

5G bearing； backhaul； FlexE； segment routing； EVPN； network slicing； software defined network （SDN）

1 5G回傳的承載需求和

分組切片網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4G改變生活，5G改變社會。5G的“萬物互聯(lián)”帶來的不僅有移動通信網(wǎng)絡(luò)的性能提升，還有一些新的商業(yè)應(yīng)用模式，支持包括增強移動寬帶（eMBB）、超可靠低時延通信（uRLLC）和海量物聯(lián)網(wǎng)通信（mMTC）三大應(yīng)用場景，5G基站回傳的帶寬相對4G提升10倍以上，時延需求比4G降低10倍以上，連接數(shù)量相比4G提升10倍以上 ，性能指標(biāo)的提升推動承載網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。

5G基站回傳接入帶寬迅猛增加，使得回傳業(yè)務(wù)量達到數(shù)百吉比特每秒到數(shù)太比特每秒。5G核心網(wǎng)整體架構(gòu)相對4G的變化主要體現(xiàn)在核心網(wǎng)云化，控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離，核心網(wǎng)用戶面功能（UPF）可以分布式部署。5G核心網(wǎng)引入了移動邊緣計算（MEC），通過本地化分流減小時延和傳輸開銷，增強不同類型的業(yè)務(wù)體驗，UPF和MEC可以按需下沉到匯聚層或綜合業(yè)務(wù)接入點。在這個架構(gòu)下回傳網(wǎng)絡(luò)的部署方案從集中式向分層分布式網(wǎng)絡(luò)演進，網(wǎng)絡(luò)的連接相對4G更加復(fù)雜，傾向于網(wǎng)狀網(wǎng)化。

為了降低單比特傳輸成本，需要采用低成本的新型光模塊支撐海量帶寬的傳輸，同時運營商希望在一張承載網(wǎng)上實現(xiàn)包含5G eMBB、uRLLC和mMTC業(yè)務(wù)，政企專線和固網(wǎng)寬帶在內(nèi)的綜合業(yè)務(wù)承載，實現(xiàn)統(tǒng)一的運維。不同業(yè)務(wù)對承載網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求存在較大差異，如何實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的隔離，滿足大帶寬、低時延和靈活大連接的業(yè)務(wù)需求，現(xiàn)有承載網(wǎng)的架構(gòu)和技術(shù)面臨較大的挑戰(zhàn)。

4G的承載網(wǎng)是基于IP的分組傳送網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，業(yè)務(wù)隔離技術(shù)采用的是虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（VPN）的地址空間隔離方案，各種業(yè)務(wù)共用一張公網(wǎng)，并通過QoS/H-QoS提供業(yè)務(wù)連接的服務(wù)質(zhì)量保證。傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)QoS模型則是建立在統(tǒng)計復(fù)用的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)發(fā)時延與流量突發(fā)和緩存設(shè)置相關(guān)，難以提供有邊界的時延和時延抖動保證。

新一代5G切片分組承載網(wǎng)絡(luò)采用高效的以太網(wǎng)內(nèi)核，通過L0—L3多層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合，實現(xiàn)IP、以太網(wǎng)和固定比特率（CBR）業(yè)務(wù)的綜合承載，層網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。

其中，切片分組層提供對L1/L3業(yè)務(wù)的尋址、轉(zhuǎn)發(fā)和封裝處理，在分組層通過分段路由（SR）隧道技術(shù)建立業(yè)務(wù)連接，切片通道層提供L1層的硬管道業(yè)務(wù)連接，為分組層提供低時延確定性網(wǎng)絡(luò)通道。切片傳輸層采用光互聯(lián)網(wǎng)論壇（OIF）靈活以太網(wǎng)（FlexE）技術(shù)和IEEE 802.3以太網(wǎng)技術(shù)，利用新型光模塊技術(shù)和以太網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，支撐大帶寬低成本建網(wǎng)，支持以太網(wǎng)+密集型光波復(fù)用（DWDM）技術(shù)，實現(xiàn)10 Tbit/s以上傳輸容量和長距離傳輸[1-2]。

5G切片的分組承載網(wǎng)的架構(gòu)如圖2所示。

移動回傳網(wǎng)絡(luò)包含接入層、匯聚層和核心層3個層次。在回傳網(wǎng)絡(luò)接入層，基于硅光及4級脈幅調(diào)制（PAM4）技術(shù)的非相干50 GE以及100 GE新型光模塊技術(shù)引入，將有助于降低大帶寬的組網(wǎng)成本。在回傳網(wǎng)絡(luò)的匯聚和核心層，中長距離的組網(wǎng)需求驅(qū)動基于硅光的彩光相干100 GE、200 GE、400 GE光模塊融合DWDM技術(shù)的引入和應(yīng)用，使得單纖或單端口的容量可擴展至數(shù)T級別。5G業(yè)務(wù)是逐步發(fā)展的，承載網(wǎng)絡(luò)線路側(cè)帶寬可根據(jù)業(yè)務(wù)需求逐步擴展，F(xiàn)lexE的物理鏈路捆綁擴容技術(shù)可以提供一種帶寬平滑擴容的解決方案，幫助運營商分階段進行網(wǎng)絡(luò)投資，降低初期投資成本[3]。

2 5G承載關(guān)鍵技術(shù)和解決

方案

2.1 極簡IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

5G回傳網(wǎng)推動L3下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，為了簡化L3下沉帶來的網(wǎng)絡(luò)運維復(fù)雜性和成本，需要引入極簡的IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如圖3所示。

SR是一種源路由技術(shù)，SR隧道的信息只存放在路徑的頭節(jié)點，路徑上的其他節(jié)點不感知業(yè)務(wù)，無需為連接維護狀態(tài)，僅在頭節(jié)點修改SR標(biāo)簽棧就可以對業(yè)務(wù)路徑進行調(diào)整。采用SR技術(shù)可大大簡化轉(zhuǎn)發(fā)面的信令控制協(xié)議，實現(xiàn)路由控制和轉(zhuǎn)發(fā)面的解耦，結(jié)合SDN控制器可以很好地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編程能力。由控制器維護全局的拓撲和流量工程信息，根據(jù)業(yè)務(wù)請求和路由路徑策略計算形成滿足條件的業(yè)務(wù)路徑，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實時調(diào)整路徑，實現(xiàn)業(yè)務(wù)閉環(huán)控制[4]。

SR的傳送應(yīng)用（SR-TP）是在SR隧道基礎(chǔ)上面向傳輸運維增強的技術(shù)。傳統(tǒng)的SR流量工程（SR-TE）隧道是單向的，只在源節(jié)點維護隧道路徑信息，無法實現(xiàn)雙向隧道關(guān)聯(lián)，提供物理同路徑的雙向端對端隧道的操作管理維護（OAM）檢測能力。SR-TP通過在隧道標(biāo)簽棧內(nèi)層再增加一層路徑標(biāo)識標(biāo)簽來實現(xiàn)雙向隧道關(guān)聯(lián)，在SR-TP上繼承了傳統(tǒng)多協(xié)議標(biāo)簽交換傳送應(yīng)用（MPLS-TP）OAM，可實現(xiàn)傳輸隧道雙向OAM的檢測能力，既有利于運維，又具備與傳統(tǒng)MPLS-TP網(wǎng)絡(luò)的兼容能力。

以太網(wǎng)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（EVPN）是一種能替代傳統(tǒng)虛擬專用局域網(wǎng)業(yè)務(wù)（VPLS）提供2層VPN業(yè)務(wù)的技術(shù)。EVPN克服了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中大量的廣播/未知播/組播（BUM）報文占用帶寬資源，并在網(wǎng)絡(luò)拓撲變化后，媒體接入控制（MAC）/地址解析協(xié)議（ARP）收斂速度慢的問題[5]。EVPN還解決了VPLS業(yè)務(wù)可擴展性差、帶寬利用率不高、運維復(fù)雜等一系列的問題。EVPN還擴展RT5路由實現(xiàn)了L3VPN功能。這樣在業(yè)務(wù)層面，采用EVPN技術(shù)則可以實現(xiàn)L2/L3 VPN的統(tǒng)一控制。

SR和EVPN分別作為網(wǎng)絡(luò)層和業(yè)務(wù)層的全新技術(shù)，不但解決了之前網(wǎng)絡(luò)面臨的擴展性、靈活性和易用性的問題，其高效和統(tǒng)一的控制面還實現(xiàn)了極簡網(wǎng)絡(luò)的部署。同時，兩者都可兼容已有的MPLS網(wǎng)絡(luò)，與軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）實現(xiàn)無縫融合，是5G回傳靈活大連接的有效解決方案。

2.2 承載切片技術(shù)

5G的網(wǎng)絡(luò)引入了切片的概念。網(wǎng)絡(luò)切片是一組專業(yè)的邏輯網(wǎng)絡(luò)的集合，該集合作為服務(wù)支持網(wǎng)絡(luò)的差異化，滿足垂直行業(yè)的多元化需求。5G的網(wǎng)絡(luò)切片實例是一個端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)，由一組網(wǎng)絡(luò)功能、資源和連接關(guān)系組成。不同的切片提供不同的網(wǎng)絡(luò)功能和特性，切片對承載網(wǎng)的QoS、業(yè)務(wù)隔離和可靠性提出了更高要求。傳統(tǒng)的承載網(wǎng)共用一張公網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)資源的預(yù)留和路由計算能力難以滿足切片的要求[6]。

5G承載切片的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

承載網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片是通過業(yè)務(wù)驅(qū)動形成的對網(wǎng)絡(luò)拓撲資源（如：節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)表項、緩存、端口、子端口等）的預(yù)留和抽象，按需組織形成多個虛擬網(wǎng)絡(luò)vNet，每個虛擬網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)于特定的轉(zhuǎn)發(fā)資源和拓撲，不同虛擬網(wǎng)絡(luò)之間可以采用硬隔離或者軟隔離方式，取決于需求。在切片分組網(wǎng)絡(luò)中的硬隔離技術(shù)包括物理端口、FlexE客戶端子接口以及由分層以太網(wǎng)創(chuàng)建的硬管道，如圖5所示。

切片以太網(wǎng)技術(shù)（SE）將以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)從L2擴展到L1，客戶業(yè)務(wù)在源節(jié)點映射到特定的FlexE客戶端，在中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點則基于SE進行66 bit塊的交叉，在目的節(jié)點從FlexE客戶端解映射出客戶業(yè)務(wù)，這樣在L1層可以建立一條從源到宿的端對端傳輸路徑。這個切片技術(shù)在以太網(wǎng)上提供了具有比特透明、超低時延和確定性網(wǎng)絡(luò)性能，可以很好地滿足5G uRLLC和大客戶專線業(yè)務(wù)的承載要求。

軟隔離主要是利用分組網(wǎng)的H-QoS和時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)預(yù)留隧道所需的轉(zhuǎn)發(fā)資源。軟隔離技術(shù)的特點在于可以實現(xiàn)帶寬的統(tǒng)計復(fù)用，其中IEEE TSN中提供了MAC層低時延業(yè)務(wù)調(diào)度的優(yōu)先級搶占調(diào)度機制，可以改善低時延業(yè)務(wù)的性能。

2.3 新型光模塊技術(shù)

5G承載網(wǎng)切片傳輸層最大的挑戰(zhàn)是海量的帶寬增長，而帶寬的增長勢必帶來光模塊成本的大幅增加，因此5G階段新型光模塊技術(shù)的關(guān)鍵需求是降低每比特、每千米的傳輸成本和功耗。針對傳輸技術(shù)適應(yīng)市場對帶寬增長的需求，未來對新型光模塊技術(shù)的需求如下：

（1）直接提升信號波特率，提升傳輸帶寬，例如：波特率從4G時代的6 GB/10 GB，提升至25 GB甚至可以到56 GB。

（2）采用高階調(diào)制及數(shù)字信號處理技術(shù)，提升頻譜效率和傳輸性能。從傳統(tǒng)的不歸零碼（NRZ）走向高階調(diào)制，如短距場景下采用PAM4、離散多音頻（DMT）調(diào)制技術(shù)等，長距場景下采用正交相移鍵控（QPSK）/正交振幅調(diào)制（16QAM）相干調(diào)制技術(shù)等。

（3）提升光器件集成度，增加波長和通道數(shù)量，例如：采用N×25 G、N×50 G甚至N×100 G集成。

（4）基于硅光技術(shù)、光電集成封裝的高集成、小封裝、低功耗的低成本光器件技術(shù)。通過技術(shù)創(chuàng)新降低器件的功耗和成本。

5G承載網(wǎng)城域應(yīng)用光纖傳輸距離一般在10～80 km，應(yīng)用場景從接入層到匯聚/核心層。接入層組網(wǎng)集中在40 km以內(nèi)，主要是10 km以內(nèi)的短距組網(wǎng)應(yīng)用場景；匯聚/核心層組網(wǎng)集中在40～80 km的中長距組網(wǎng)應(yīng)用場景；核心網(wǎng)組網(wǎng)集中在80 km左右的長距應(yīng)用場景，部分應(yīng)用場景可能需要支持80 km以上，甚至達到100 km的傳輸距離。光模塊主要可以分為10 GE、25 GE、50 GE、100 GE、200 GE、400 GE等多種速率。光模塊封裝一般選擇小型外形封裝可插拔光模塊（SFP+）/SFP28/四通道的SFP（QSFP 28）/ 100 G技術(shù)外形封裝可插拔模塊（CFP）/CFP2/CFP8等封裝。

如圖6所示，5G承載網(wǎng)接入層以N×50 GE/N×100 GE速率為主，具體采用50 GE還是100 GE，業(yè)界還有爭論，取決于光模塊吉比特成本、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度及應(yīng)用場景。業(yè)界50 GE光模塊主流標(biāo)準(zhǔn)封裝類型是SFP 56，限于封裝體積較小，目前最大只能支持到10 km的傳輸距離；而采用QSFP 28封裝的50 G光模塊為非標(biāo)準(zhǔn)方案，其產(chǎn)業(yè)鏈暫不夠成熟，競爭不充分，成本相對較高，且短期內(nèi)大幅度降成本可能性較小。而與之同封裝類型的100 G QSFP 28為標(biāo)準(zhǔn)方案，產(chǎn)業(yè)鏈相對成熟，吉比特成本是50 GE光模塊的一半，后續(xù)隨量的增加，成本會進一步降低。同時，業(yè)界已推出了基于硅光的100 G QSFP 28單載波光模塊，規(guī)模商用后其成本優(yōu)勢非常明顯。因此，從網(wǎng)絡(luò)運營效率看，接入層首選為100 GE。100 GE業(yè)務(wù)廣泛應(yīng)用于運營商市場，在數(shù)據(jù)中心也是主流業(yè)務(wù)。至于50 GE光模塊還有待產(chǎn)業(yè)鏈進一步成熟和明晰。

5G承載網(wǎng)匯聚層以N×100 GE、N×200 GE速率為主，100 G產(chǎn)業(yè)鏈相對比較成熟，傳輸距離目前可以覆蓋承載網(wǎng)城域應(yīng)用，主要包括40 km和80 km長距組網(wǎng)場景。200 GE光模塊業(yè)界主流技術(shù)同時支持100 G/200 G的速率，OIF近期發(fā)布了采用數(shù)字相干技術(shù)的CFP2（DCO-CFP2）相干標(biāo)準(zhǔn)草案 《IA # OIF-CFP2-DCO-01.0 Draft》，定義了DCO-CFP2實現(xiàn)100 G、200 G、300 G、400 G以太網(wǎng)及光傳送網(wǎng)（OTN）應(yīng)用，電口為N×25 G，兼容N×50 G PAM4，這給系統(tǒng)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)升級維護帶來極大的方便。

5G承載網(wǎng)核心層以N×200 GE、N×400 GE速率為主，400 G非相干技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已于2016年發(fā)布，OIF 400 G ZR DWDM相干技術(shù)草案《400 G ZR IA # OIF-400ZR 0.6-Draft》也于2018年初發(fā)布，目標(biāo)400 G-DCO 80 km，加OA可達120 km。目前業(yè)界400 G光模塊光電接口有多種實現(xiàn)方式，對應(yīng)多種封裝形式。根據(jù)具體應(yīng)用場景不同，業(yè)界對400 G封裝選擇爭議較大，市場需求暫不明晰。 基于此，400 G在5G承載網(wǎng)初期可以選擇技術(shù)更加成熟的16×25 G Serdes方案，在未來基于50 G PAM4 Serdes芯片技術(shù)成熟后，可有更多選擇。

2.4 5G自動化回傳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G是開放的網(wǎng)絡(luò)，它面向垂直行業(yè)的各種應(yīng)用，推動各行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提升產(chǎn)業(yè)化的效率。5G網(wǎng)絡(luò)通過終端、無線、承載和核心網(wǎng)的端對端切片提供各種業(yè)務(wù)功能和網(wǎng)絡(luò)特性?；貍骶W(wǎng)絡(luò)的自動化是業(yè)務(wù)閉環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)自動化的架構(gòu)如圖7。

回傳網(wǎng)絡(luò)采用管控合一云化系統(tǒng)支撐端到端業(yè)務(wù)快速上線，實時感知用戶體驗，預(yù)測性分析和主動優(yōu)化，實現(xiàn)全流程的智能自動化，有效解決5G時代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用給承載網(wǎng)帶來的諸多挑戰(zhàn)?；貍骶W(wǎng)絡(luò)自動化體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）快速建設(shè)和業(yè)務(wù)部署自動化。采用網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工具對基礎(chǔ)設(shè)施進行設(shè)計，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部署ZeroTouch，業(yè)務(wù)規(guī)劃工具提供端到端業(yè)務(wù)流程的設(shè)計，實現(xiàn)運營商業(yè)務(wù)可編程。客戶通過APP訂閱業(yè)務(wù)、控制器/編排器自動開通業(yè)務(wù)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)開通ZeroTouch。

（2）智能保障。基于人工智能（AI）知識的保障解決方案，包括告警、性能采集模塊、知識庫模塊、策略中心模塊、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測控制模塊以及網(wǎng)絡(luò)自愈模塊，可以實現(xiàn)實時網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測、telemetry自動測量，并可以依據(jù)知識的故障準(zhǔn)確定位，進行業(yè)務(wù)自我修復(fù)，網(wǎng)絡(luò)保障處理時間由天變秒，效率得到指數(shù)級提升。

（3）流量預(yù)測?；跉v史流量數(shù)據(jù)的分析及優(yōu)化算法，可實現(xiàn)對流量的忙時及閑時預(yù)測、未來預(yù)測。其中忙時及閑時預(yù)測，引導(dǎo)新建網(wǎng)絡(luò)合理地網(wǎng)絡(luò)資源分配，引導(dǎo)舊網(wǎng)絡(luò)更好地運維；未來預(yù)測則可以提前預(yù)測流量高峰，及時進行網(wǎng)絡(luò)調(diào)整和擴展，提高運維效率，自動、智能和準(zhǔn)確地獲取網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測。

（4）業(yè)務(wù)自愈。針對多節(jié)點、多鏈路故障場景，系統(tǒng)依據(jù)故障影響業(yè)務(wù)分析，自動智能化計算恢復(fù)路徑和資源優(yōu)選，進行業(yè)務(wù)恢復(fù)動作并通告業(yè)務(wù)恢復(fù)正常。針對網(wǎng)絡(luò)劣化場景，系統(tǒng)依據(jù)告警劣化與性能劣化分析，判斷網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險，在必要時實施故障預(yù)案，如對業(yè)務(wù)增加保護或預(yù)置路由，故障發(fā)生時基于預(yù)案自動恢復(fù)業(yè)務(wù)。

（5）端到端協(xié)作?；诮y(tǒng)一信息模型、可視化設(shè)計、自動化測試完成切片設(shè)計閉環(huán)，構(gòu)建跨無線接入網(wǎng)（RAN）、核心網(wǎng)（CN）、骨干網(wǎng)（BN）的網(wǎng)絡(luò)切片自動化閉環(huán)保障，實現(xiàn)統(tǒng)一的端到端（E2E）切片編排管理，面向客戶的端到端切片服務(wù)。對承載網(wǎng)，需要匹配網(wǎng)絡(luò)分片需求，提供不同分片之間的嚴格隔離，并與無線、核心網(wǎng)統(tǒng)一編排實現(xiàn)分片管理的自動化。

3 結(jié)束語

本文介紹了面向5G回傳的切片分組網(wǎng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。切片分組網(wǎng)是一個融合L0—L3的多層融化網(wǎng)絡(luò)，采用以太網(wǎng)作為物理層，通過新型光模塊及光電子器件技術(shù)實現(xiàn)低成本、海量帶寬的傳輸，并支持SR-TP源路由隧道、EVPN的極簡IP網(wǎng)絡(luò)，還可以通過軟硬隔離的網(wǎng)絡(luò)切片滿足不同類型業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等級協(xié)議（SLA）要求，通過開放的SDN集中管控、大數(shù)據(jù)和AI融合實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動化，支撐滿足5G網(wǎng)絡(luò)的開放、敏捷和高效的新型運維體系。