摘要：大带宽、强路由、高可靠、L3到边缘、25 GE/50 GE/100 GE低成本光模块是5G承载网的基础要求。灵活以太网（FlexE）、分段路由（SR）、以太网虚拟专用网络（EVPN）、IPv6、设备虚拟化、高精度时钟是5G承载设备应具备的关键技术。认为承载网存在4个方面演进趋势：网络扁平化；管理、控制、转发隔离；传统网管向管控融合的SDN架构演进；4G/5G统一承载。
关键词： SR；Flex-E；网络切片；EVPN；光模块
Abstract： Large bandwidth， strong routing， high reliability， L3 to edge， 25 GE/50 GE/100 GE low cost optical modules are the basic requirements of 5G bearing network. Flex Ethernet （FlexE）， segment routing （SR）， Ethernet virtual private network （EVPN）， IPv6， virtualization of devices and high precision clock are the key technologies for 5G bearing equipments. Four evolution trends are proposed in this paper： flat network； isolation between management plane， control plane and forwarding plane； evolution of soft-defined network （SDN） architecture from traditional network to the management and control integrated network； 4G/5G unified bearing.
Key words： SR； FlexE； network slicing； EVPN； SDN； optical module
1 5G无线网络的特点
5G移动网提供增强型移动宽带（eMBB）、超可靠低时延通信（uRLLC）、大规模机器类通信（mMTC） 三大类业务，不同业务性能差异较大：eMBB业务面向传统移动通信，带宽大；uRLLC业务面向工业自动化等实时性控制类应用，时延低、可靠性高；mMTC面向物联网应用，连接多、流量小。
5G无线接入网（RAN）重新划分为有源天线单元（AAU）、分布单元（DU）、集中单元（CU）部分，核心网由3G/4G时代集中部署逐步向云化、分布式部署转变，不同业务核心网下沉到不同位置，满足业务低时延的要求，提升用户体验。
1.1 大带宽
基站带宽取决于无线频谱带宽、频谱效率、天线数等参数配置，64 TR 100 M带宽的基站，峰值带宽可以达到6 Gbit/s，均值带宽3 Gbit/s，按照国际电信联盟（ITU）定义：5G基站最大峰值带宽可达20 Gbit/s。实际情况下，基站速率难以达到最大峰值速率。另外，考虑成本、功率等因素，5G基站类型会多种共存，基站带宽从1～20 Gbit/s均会存在。
5G基站分为高频基站和低频基站：5G低频基站用于广覆盖，在初期，5G低频基站和4G基站会同址部署，在成熟期，5G低频基站密度与4G基站相当；5G高频基站主要用于补热，初期规模不大，但是有一些需要25 GE接口接入。
1.2 低时延
5G不同业务的时延差异化较大，第3代合作伙伴计划（3GPP）TR 38.913定义eMBB 端到端（E2E）时延是10 ms，uRLLC是1 ms，其中eMBB的空口时延4 ms，uRLLC的空口时延0.5 ms；但是，对于不同的uRLLC业务，3GPP TS 22.261 V16.0.0给出不同的时延定义，具体见表1[1]。
1.3 流量Mesh化
5G CU与DU部署灵活、可分可合，分设的CU和DU之间具有多对一、一对多的特点，存在双归和冗余要求。根据eMBB、uRLLC、mMTC3类业务分步引入，核心网从集中式部署逐步过渡到分布式部署。CU和核心网之间存在着多对多的关系，核心网之间存在流量交互的情况，5G时代业务流量Mesh化趋势较为明显，具体如图1所示。
1.4 网络切片
下一代移动通信网（NGMN）、IMT 2020、第3代合作伙伴（3GPP）均提出了5G网络基于软件定义网络（SDN）/网络功能虚拟化（NFV）的网络切片架构，网络切片可以为未来网络创新、快速部署业务提供基础。同时，W络切片服务可提供管理隔离、资源隔离、计算隔离、转发隔离、控制隔离等特色服务，不同资源的隔离灵活配置，以满足不同类型的业务安全性、可靠性、关键绩效指标（KPI）等方面差异化的要求，保障业务安全和服务质量[2]。
1.5 NSA向SA逐步演进
5G建网模式分为独立部署（SA）模式和非独立部署（NSA）模式：SA模式下，新建无线、核心5G网络，4G网络和5G网络两张网独立运行；NSA是一种逐步演进的网络技术方案，通过4G既有的资源，仅在4G网络上增强，以局部扩容的方式为5G提供服务，并随着5G业务的不断成熟逐步演进到5G。
2 5G承载网基础要求
2.1 大带宽
4G/5G同址部署，承载设备需要同时满足4G/5G基站的能力。5G基站提供10 GE/25 GE接入能力，市区基站需要具备25 GE接入能力。5G承载网带宽的相关分析具体如表2所示。
5G承载网，链式组网可以采用10 GE接口；分布式无线接入网（D-RAN）可以采用25 GE/50 GE接口；C-RAN则需要采用50 GE/100 GE接口组网。 对于5G承载网扁平化的3层架构，可以在区县汇聚机房放置多对汇聚设备形成扁平化组网，汇聚层采用100 GE上行链路，可满足5G流量需求；对于城域则采用双层汇聚的组网方式，汇聚上行链路可采用100 GE组网，核心汇聚以上初期可以采用100 GE组网，5G成熟期核心汇聚逐步引入N×100 GE/200 GE/400 GE链路。5G网路设计的模型，具体如图2所示。
5G采用大容量设备组网，这要求芯片具备更强的处理能力，以及更低的功耗：接入层设备的320 G、640 G芯片是主流需求，而核心汇聚层的200 G、400 G、1 T的高集成度芯片，则能提供高密度单板。
2.2 强路由
5G承载网需要满足3G/4G/5G基站及政企业务承载，路由涉及公网路由和基站私网路由。
根据3G/4G时代基站建设，未来3G/4G/5G基站数比预计1：2：4（5G阶段高低频基站数量比例1：1，4G、5G低频基站数量比例1：1）。一个3G基站使用2个IP地址，一个4G基站使用1个IP地址，考虑到无线组播业务的需求，一个5G基站可能会引入2个IP地址。一个大型本地网3G基站以8 000计算，则基站业务路由量为 8 000 × 2 + 8 000 × 2 + 8 000 × 4 × 2=96 000路由，即全网最大需96 000基站业务路由地址。
承载网内的路由主要以设备地址、数据通信网络（DCN）地址、互联地址为主，未来引入切片后，网络地址会增加。一个8 000台设备大型网络，整网网络地址数量为8 000 × （1个控制面地址值+1个DCN地址） × 2（假设互联地址和设备节点数等同），大约32 000，考虑网络切片的引入网络地址可能到64 000以上。
城域汇聚核心设备路由要求超过160 000，考虑政企业务的引入，以及外部网络的互联互通，汇聚设备路由容量要求具备105级别的路由。接入设备由于没有全网的路由，因此路由数目相对来说较少，104就已经足够[3-4]。
2.3 高可靠性
移动业务丢包敏感，网络故障引起丢包对于用户感知有一定的影响，快速的业务恢复是承载网基本要求。
3GPP TR 38.913定义的部分uRLLC业务，对于网络的可靠性要求由“5个9”指标提升到“6个9”，承载网络需要提供更高的可靠性。
4G阶段，传输专线通过移动承载网承载成为业界发展趋势，随着基于同步数字体系（SDH） 的多业务传送平台（MSTP）的退网，大量的业务需要迁移到移动承载网上。
任何网络故障下，承载网ms级业务快速收敛，是确保移动业务可靠性的基础。利用快速重路由（FRR）保护技术，结合转发面的故障快速检测技术可以为ms级业务恢复提供基础；对于无法形成FRR的场景，通过路由快速收敛可以实现5G承载网业务的可靠性。对于政企、uRLLC业务，通过网络切片可以实现隔离的专网服务，不同切片之间完全隔离。
2.4 全L3组网
由于5G RAN CU/DU分离，针对核心网云化，基站之间低时延需求，L3到边缘5G承载网的关键为：
5G网络CU/DU分离。随着移动边缘计算（MEC）的引入、CU云化部署、DU与CU之间业务L3转发，均提供了灵活性。
5G C-RAN组网成为普遍需求。5G阶段载波聚合（CA）/协同多点传输（CoMP）等基站协同部署显著，协同X2流量就近转发满足时延需求，如果绕行汇聚增加了转发跳数和传输光纤距离，时延变大，则难以达到协同增益。接入层采用L3层技术，基站之间就近1跳转发是协同类业务部署的必然要求。
5G基站东西向流量大，绕行浪费汇聚层的网络带宽。
NSA组网。5G基站附着在4G基站，4G基站和5G基站间存在流量需求，L3到边缘组网，流量可以就近转发，避免流量回绕。
2.5 低成本光模块
5G承d网在用户网络侧接口（UNI），采用10 GE、25 GE接口接入基站，网络侧会引入25 GE、50 GE、100 GE互联技术，城域未来则可能会向200 GE、400 GE链路演进。
5G承载网要求光模块具备：集成化、小型化、高速率、长距离、低成本、低功耗。
3 5G承载网关键技术
3.1 FlexE
FlexE可实现n×5G通道化带宽，不同子通道有独立的媒体接入控制（MAC），同一个端口上不同子通道物理隔离。通过 FlexE技术可提供灵活的以太接口带宽，能够解决传统以太网端口仅有FE、GE、10 GE、40 GE、100 GE、200 GE、400 GE的颗粒弊端，增强以太网的组网能力，满足网络切片物理隔离要求，在一条链路上实现多个物理专网。
FlexE也可以实现多个100 GE端口捆绑提供超100 GE的接口带宽，改变了传统以太网拓展链路带宽依靠Smartgroup，流量分担不均匀的问题，多端口捆绑也可以基于多个时隙实现捆绑。
FlexE通道化结合设备虚拟化可以实现承载网转发物理隔离、控制隔离、管理隔离的逻辑网络，在一张物理网络上实现多个物理隔离的逻辑网络，如图3所示。
3.2 分段路由
分段路由（SR）技术是一种源路由技术，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。
引入SDN控制器以后，可以通过控制器掌握的全局信息计算出一条E2E的路径，而不依赖跨域路由的通告，这样可以弥补传统路径创建能力不足，增强组网能力。
SR技术具有标签分发协议（LDP）的灵活性，同时解决了基于流量工程扩展的资源预留协议（RSVP-TE）路径扩展性和协议复杂性问题，可以应用于跨域路径的建立。在可靠性方面，SR避免了原有IGP算法的限制，在承载网以环网为主要的接入形态下，可以通过拓扑独立无环替换FRR（TI-LFA）保护，100%形成节点和链路的FRR保护。SR相对其他路径协议具有很多优点，具体见表3。 3.3 MPLS EVPN
传统多协议标签交换（MPLS）二层虚拟专用网（L2VPN）分为虚拟标签专线服务（VPWS）和虚拟专用局域网业务（VPLS）类型业务，VPWS引入目标LDP会话，VPLS除了部署目标LDP外，还需要学习本地用户MAC和远端PE发过来的用户的MAC地址，设备上如果没有学习到目的MAC地址，则需要广播处理，这样存在广播环路风险，对网络规划要求较高。另外，L2VPN在解决跨域互通场景方面比较复杂，通常Option A/Option B多链路对接组网，跨域保护不好解决，需要借助于Option C才能实现简化跨域组网。
MPLS三层虚拟专用网（L3VPN）采用的是路由转发方式，路由通过BGP在不同PE之间进行路由传播。传统MPLS VPN部署方式下，网络中部署多种协议。
MPLS以太网虚拟专用网络（EVPN）通过BGP扩展避免了目标LDP建立，减少了控制面协议部署。在MAC学习方面，除了本地MAC学习以外，远端的地址不需要依赖业务流进行学习，而是通过边界网关协议（BGP）学习远端的地址，像学习VPN路由转发表（VRF）路由一样学习远端PE上的用户地址，降低了转发面的要求。同时，对于没有学习到的目的地址流，支持地址解析协议（ARP）代理功能，可以禁止流量广播，避免网络环路风险。
由于借助了BGP方式，跨域组网可借助BGP互通，组网更加灵活，同时可增强L2VPN组网能力。L2VPN和L3VPN通过一套BGP协议实现协议的统一，简化了控制面和转发面。
3.4 IPv6
3G/4G阶段，无线一般采用IPv4私网地址，承载网内部也是使用IPv4私有地址作为控制面互联地址，访问Internet时，需要进行网络地址转换（NAT）的转换。5G阶段RAN和核心网会向IPv4/IPv6双栈演进，IPv6已经成为国家战略。
5G承载网引入IPv6可以是逐步演进的方式，基站采用V4/V6双栈，网络地址可以继续采用V4，以6vPE方式承接业务；未来可以在网络内部引入V6地址。
3.5 高精度时钟
5G阶段，C-RAN成为主流，随着市区微站、室分站的部署，基站全部通过全球定位系统（GPS）同步，投资大，施工困难。C-RAN组网下CoMP/CA等基站协同组网，5G阶段可能大规模引入。4G与5G时代对于时钟同步要求不同，具体如图4所示。
在5G时代，时钟同步存在差异化的需求，高频站通过传统方式基本可以满足同步精度，但是需要减少转发跳数，基站协同需要在站点进行时间的统一分发，以便能够实现超高时间同步。
在4G时代，时间源同步精度在150 ns左右，单节点同步精度在30跳1 200 ns，每跳同步精度在40 ns左右，基站同步精度要求150 ns。5G时代，时间源同步精度需要进一步提升到30 ns，单跳时延要满足10 ns，基站精度需要提升到20 ns。对于基站协同类，时间源的同步精度为10 ns，前传网同步精度在100 ns，承载的时延要求控制在5 ns以下，时延源需要下沉在C-RAN中的站点设备上或小汇聚设备上，以减少承载跳数，提升同步精度。
3.6 设备虚拟化
设备虚拟化是实现承载网网络切片的基础。设备虚拟化需要做到资源的灵活分配，每个虚拟设备有自己独立的资源。切片拥有独立的控制面、转发面、管理面，切片之间互不影响，切片可独立升级，而不影响其他非相关切片的业务，从而保障业务可靠性。
设备虚拟化对于网元可以进行CPU、内存、转发资源、管理资源的灵活调配，不同切片的资源不一样，满足灵活、动态创建切片的能力。
4 承载网演进
4.1 网络扁平化
5G以提升用户体验为中心，影响用户体验的包含时延、抖动、带宽。业务转发经过的网络节点越多则业务质量的影响越大，带宽瞬间拥塞的可能性越大，链路带宽压力越大。
环网需要汇聚多个物理区域的业务，环上的带宽要求大，网络故障影响区域大，并且环上流量存在回绕风险，易造成瞬r拥塞；而扁平化的组网通过增加光路，将不同区域的业务分开承载，降低了上行链路带宽需求，降低了转发跳数。环形组网和扁平化组网技术对比，如表4所示。
通过部署光纤或者波分将分组跳数减少，能够满足扁平化组网需求，提升网络质量。
4.2 网络切片
对于承载而言，根据无线业务及综合承载业务的需求，可以划分为两类切片：
（1）管/控/转隔离切片。在承载网内实现物理隔离的切片，以实现管理、控制、转发隔离，甚至CPU、内存等物理资源也可以实现隔离。这种方式可以应用于安全性、隔离性要求高的业务，可提供类似物理专网的服务，例如：为政企业务划分一个切片，也可为某个用户分一个切片；对于5G业务可以为工业控制类等安全性、可靠性要求高的uRLLC类业务分一个切片，为其eMBB、mMTC类业务分一个切片，也可为第三方网络租用划分一个切片。
（2）管/转隔离切片。承载网提供相应的VPN切片服务，这种切片的特点是对于时延、物理隔离要求不高，例如：同样是eMBB业务，但可对不同用户提供不同的服务。VPN切片可提供告警、性能、配置、登录安全方面的隔离。
每个切片网络有独立的管理资源，从而使得不同切片的告警、统计、网络等信息实现管理隔离。5G网络物理切片的架构模型如图5所示。
4.3 管+控融合的SDN架构
传统移动承载网是基于网管架构，通过厂家网络管理系统（NMS）/网元管理系统（EMS）提供统一北向接口，屏蔽不同厂家接口差异。
由于网络切片及SR的引入，上层管理平台需要具备智能算路的功能，即具备路径计算单元（PCE）的能力，而传统的网管网依然存在需求，提供控制器+EMS融合的产品平台，既能满足传统网络运维的要求，又能满足未来SDN场景下SR、网络切片、网络虚拟化演进要求。融合平台通过SDN架构的restconf接口提供统一开放的北向接口，南向则通过厂家融合传统设备命令行界面（CLI）/QX/简单网络管理协议（SNMP），以及SDN架构下Netconf/路径计算单元通信协议（PCEP）/ BGP链路状态（BGP-LS），实现标准以及厂家私有扩容的YANG模型，屏蔽厂家南向接口差异，快速过渡到SDN架构。管控融合SDN架构，具体如图6所示。 4.4 基于演M的4G/5G统一承载网络
5G移动网的建设，是循序渐进的过程。重新建设一张新的网络投资大，当前，运营商普遍采用了NSA的组网模式，4G基站和5G业务统一承载是业界的主流选择。
5G基站的模式存在多种：有数百兆带宽的微基站、室分站，也有带宽1～3 G的低频基站、高频基站。无线基站的带宽受制于空口技术、频谱资源、天线成本、功耗，90%以上的5G基站中单站带宽达不到10 GE以上的目标带宽，只有在未来的5G成熟期，可能会局部引入10 GE以上的高频基站。
5G业务是逐步引入的，2019年随着3GPP R16标准的推出，一些业务形态才能逐步清晰，基于承载网自身的演进需求的SR、FlexE、MPLS EVPN、设备虚拟化技术在5G初期阶段不会全网引入，因为当前的技术能够满足5G业务承载需求。基于现网的逐步演进技术路线具体如图7。
5G初期，网络建设基于4G承载网扩容以提升网络带宽，快速满足5G试点、小规模商用需求；5G发展期，扩容接入节点和城域节点、新的硬件满足5G演进关键技术要求，可以局部引入新技术；5G的成熟期，随着新的单板和网元节点能力增强，具备全网引入新技术能力。
5 结束语
5G时代，承载网需要基于现有网络不断演进，逐步引入新技术以满足5G承载要求：FlexE、SR为下一代芯片提供有竞争力解决方案；设备虚拟化结合FlexE、SDN的网络切片是实现物理隔离、管理隔离、控制隔离、转发隔离，满足不同业务差异化要求，支撑“6个9”的高可靠性网络的关键；EVPN组网能力强、组网安全性高等均是未来政企业务主流承载技术；25 GE、50 GE、100 GE光模块广泛引入，低成本的光模块是5G承载网规模建设的保证；4G承载网向5G逐步演进满足4G/5G统一承载，是降低运营商网络投资，满足无线NSA组网的主流选择。
参考文献
[1] 3GPP. Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies： 3GPP TR 38.913[S].2017
[2] IMT 2020. 5G网络技术架构白皮书[R].2016
[3] Study on Management and Orchestration of Network Slicing for Next Generation Network： 3GPP TR 28.801[S].2017
[4] Study on New Radio Access Technology&Interface：3GPP. TR 38-801[S]. 2016
