5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)方案分析（上篇）

中國(guó)信息通信研究院|李芳 徐云斌 胡昌軍 趙文玉 張海懿

5G中回傳可選技術(shù)方案包括SPN、M-OTN、IP RAN功能增強(qiáng)+光層3種，最終能否規(guī)?；茝V應(yīng)用主要取決于市場(chǎng)需求、產(chǎn)業(yè)鏈的健壯性和網(wǎng)絡(luò)綜合成本等。

近日，IMT-2020（5G）推進(jìn)組的5G承載工作組發(fā)布的《5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)方案》白皮書(shū)引起了業(yè)界各方的廣泛關(guān)注。本文對(duì)該白皮書(shū)主要內(nèi)容進(jìn)行介紹分析，包括5G承載網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)以及轉(zhuǎn)發(fā)平面、協(xié)同管控和5G同步網(wǎng)的架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)方案，并對(duì)我國(guó)5G承載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析總結(jié)。

5G承載網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

5G承載網(wǎng)絡(luò)是為5G無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)和核心網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò)連接的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，不僅為這些網(wǎng)絡(luò)連接提供靈活調(diào)度、組網(wǎng)保護(hù)和管理控制等功能，還要提供帶寬、時(shí)延、同步和可靠性等方面的性能保障。滿(mǎn)足5G承載需求的5G承載網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)如圖1所示，主要包括轉(zhuǎn)發(fā)平面、協(xié)同管控、5G同步網(wǎng)3部分，以及差異化的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)能力。

轉(zhuǎn)發(fā)平面具備分層組網(wǎng)架構(gòu)和多業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載能力；管理控制平面支持統(tǒng)一管理、協(xié)同控制和智能運(yùn)維能力；通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)平面的資源切片和管理控制系統(tǒng)的切片管控能力，可為5G三大類(lèi)業(yè)務(wù)應(yīng)用、移動(dòng)內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、前傳網(wǎng)絡(luò)、政企客戶(hù)專(zhuān)線(xiàn)以及家庭寬帶等業(yè)務(wù)提供所需服務(wù)定級(jí)協(xié)議（SLA）保障的差異化網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)能力。

5G承載轉(zhuǎn)發(fā)面架構(gòu)與技術(shù)方案

5G承載的轉(zhuǎn)發(fā)面架構(gòu)

由于5G核心網(wǎng)將以省或大區(qū)為中心部署，為了保障eMBB、uRLLC、mMTC三大類(lèi)典型業(yè)務(wù)的性能體驗(yàn)，其數(shù)據(jù)面功能網(wǎng)元（UPF）和負(fù)責(zé)邊緣計(jì)算的MEC將分層部署，因此5G承載網(wǎng)絡(luò)分為省干和城域兩大部分。城域接入層主要為前傳Fx接口、中傳F1接口以及回傳的N2（信令）和N3（數(shù)據(jù)）接口提供網(wǎng)絡(luò)連接；城域的匯聚核心層和省干層面不僅要為回傳提供網(wǎng)絡(luò)連接，還需要為部分核心網(wǎng)元之間的N4（SMF和UPF之間參考點(diǎn)）、N6（UPF和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間參考點(diǎn)）以及N9（兩個(gè)UPF之間參考點(diǎn)）接口提供網(wǎng)絡(luò)連接，如圖2所示。

為5G網(wǎng)絡(luò)提供靈活連接的承載網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)面組網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示，以實(shí)現(xiàn)多層級(jí)承載網(wǎng)絡(luò)、靈活化連接調(diào)度、層次化網(wǎng)絡(luò)切片、4G/5G混合承載以及低成本高速組網(wǎng)等關(guān)鍵功能特性。

圖1 5G承載網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

圖2 5G對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)的連接需求和網(wǎng)絡(luò)分層關(guān)系

圖3 5G承載網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)面組網(wǎng)架構(gòu)

表1 5G承載網(wǎng)絡(luò)分層組網(wǎng)架構(gòu)和接口分析

表1提供了5G承載轉(zhuǎn)發(fā)面網(wǎng)絡(luò)分層、傳輸距離、組網(wǎng)拓?fù)?、客?hù)接口和線(xiàn)路接口的相關(guān)分析。

● 城域接入層：包括10km或20km以?xún)?nèi)的前傳以及40km以?xún)?nèi)的中回傳混合組網(wǎng)，線(xiàn)路接口包括25Gbit/s、50Gbit/s或100Gbit/s；由于前傳具有低時(shí)延和高精度時(shí)間同步需求，因此主要采用基于L0和L1技術(shù)的承載方案；5G前傳的組網(wǎng)拓?fù)湟孕切蜑橹?，環(huán)網(wǎng)為輔；城域接入層的5G中回傳組網(wǎng)拓?fù)湟原h(huán)網(wǎng)為主，少量為鏈型或星型鏈路。

● 城域匯聚層：包括40km或80km以?xún)?nèi)的回傳以及邊緣數(shù)據(jù)中心到城域數(shù)據(jù)中心的光互聯(lián)，線(xiàn)路接口為100Gbit/s、200Gbit/s的灰光或WDM彩光；回傳需要為N2、N3和基站之間Xn接口提供基于IP地址的靈活連接需求，因此主要采用端到端L3VPN，或者L2VPN+L3VPN的承載方案。

● 城域核心層和干線(xiàn)：包括回傳、核心網(wǎng)元之間互連和數(shù)據(jù)中心之間的光互聯(lián)組網(wǎng)等，傳輸距離在40km到80km以?xún)?nèi)或幾百km，采用環(huán)網(wǎng)或雙上聯(lián)鏈路組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，線(xiàn)路接口為100Gbit/s、200Gbit/s乃至400Gbit/s的灰光或WDM彩光。

5G前傳技術(shù)方案分析

5G前傳中存在著DRAN、CRAN小集中和CRAN大集中等不同部署模式，CRAN大集中一般需要CU云化和DU池化集中部署來(lái)支撐實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

5G前傳有光纖直驅(qū)、無(wú)源WDM、有源WDM/OTN和切片分組網(wǎng)絡(luò)（SPN）等多種方案，表2對(duì)4種5G前傳技術(shù)方案的關(guān)鍵特性進(jìn)行了多維度的分析比較，其各具優(yōu)缺點(diǎn)。分析結(jié)論是：在光纖資源豐富的區(qū)域，建議以光纖直驅(qū)方案為主；對(duì)于光纖資源緊缺且敷設(shè)成本高的區(qū)域，可綜合考慮網(wǎng)絡(luò)成本、運(yùn)維管理等因素按需選擇合適技術(shù)方案。

5G中回傳技術(shù)方案分析

5G中回傳技術(shù)方案要滿(mǎn)足多層級(jí)承載網(wǎng)絡(luò)、靈活化連接調(diào)度、層次化網(wǎng)絡(luò)切片、4G/5G混合承載以及低成本高速組網(wǎng)等承載需求，支持L0～L3層的綜合傳送能力，通過(guò)L0的波長(zhǎng)、L1的TDM通道、L2和L3的分組隧道來(lái)提供層次化網(wǎng)絡(luò)切片資源。

圖4 5G前傳部署場(chǎng)景

表2 5G前傳典型方案比較

為更好適應(yīng)5G和專(zhuān)線(xiàn)等業(yè)務(wù)綜合承載需求，我國(guó)運(yùn)營(yíng)商正在探索實(shí)踐多種5G承載技術(shù)方案，主要包括切片分組網(wǎng)絡(luò)（SPN）、面向移動(dòng)承載優(yōu)化的OTN（M-OTN）、IP RAN增強(qiáng)+光層3種，其技術(shù)融合發(fā)展趨勢(shì)和共性技術(shù)占比越來(lái)越高，在L2和L3均需支持以太網(wǎng)、MPLS（-TP）、段路由（SR）等技術(shù)，在L0均需要低成本高速灰光接口、WDM彩光接口和光波長(zhǎng)組網(wǎng)調(diào)度等能力，差異主要體現(xiàn)在L1是基于OIF的靈活以太網(wǎng)（FlexE）技術(shù)、IEEE802.3的以太網(wǎng)物理層還是ITU-T G.709的OTN技術(shù)，L1的TDM通道是基于切片以太網(wǎng)還是基于OTN的ODUflex，其分析比較如表3所示。

下面簡(jiǎn)要介紹3種技術(shù)方案的關(guān)鍵特性。

● SPN是面向5G和專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)，兼容PTN構(gòu)建的新一代極簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括切片分組層（SPL）、切片通道層（SCL）和切片傳送層（STL），兼具分組轉(zhuǎn)發(fā)靈活性和TDM管道隔離優(yōu)勢(shì)，引入了段路由（SR）隧道和切片以太網(wǎng)通道的多業(yè)務(wù)綜合承載方案，清晰簡(jiǎn)潔，不僅兼容PTN的MPLS-TP和以太網(wǎng)技術(shù)，還支持基于FlexE和SCL的CBR業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)差異化的SLA。SPN關(guān)鍵技術(shù)包括基于FlexE的TDM通道化接口和多端口綁定技術(shù)，基于切片以太網(wǎng)的交叉、OAM和保護(hù)機(jī)制的SCL層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以及基于SDN集中管控的面向連接的SR-TP隧道技術(shù)和無(wú)連接的SR-BE技術(shù)。

● 面向移動(dòng)承載和專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)的M-OTN組網(wǎng)架構(gòu)，包括支持前傳和回傳接入的M1設(shè)備、接入?yún)R聚機(jī)房的M2設(shè)備、城域一般機(jī)樓機(jī)房的M3設(shè)備和核心機(jī)房的M4設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了前傳、回傳、DCI和專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)的綜合承載、大帶寬、低時(shí)延、靈活分片、高可靠性和開(kāi)放協(xié)同。M-OTN關(guān)鍵技術(shù)包括通過(guò)L1的ODUflex、L2和L3VPN來(lái)滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)切片需求；增強(qiáng)了L2和L3分組轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，按需選用現(xiàn)有的三層協(xié)議；在單域應(yīng)用時(shí)，采用ODU單級(jí)復(fù)用結(jié)構(gòu)降低轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，滿(mǎn)足前傳和uRLLC業(yè)務(wù)的低時(shí)延需求。

● IP RAN和光層的聯(lián)合組網(wǎng)架構(gòu)，在骨干層采用IP承載網(wǎng)+光層組網(wǎng)，在城域核心層采用IP RAN+光層組網(wǎng)，在匯聚和接入層正在開(kāi)展兩種應(yīng)用方案的研究，一是端到端IP RAN組網(wǎng)方案，二是IP RAN和PeOTN分層組網(wǎng)研究。IP RAN的具體技術(shù)方案包括基于4G承載的現(xiàn)有技術(shù)方案，以及引入SR和FlexE的功能增強(qiáng)方案，會(huì)根據(jù)產(chǎn)業(yè)成熟情況分別開(kāi)展試點(diǎn)應(yīng)用。IP RAN功能增強(qiáng)方案主要采用EVPN L3VPN替代HoVPN來(lái)承載5G業(yè)務(wù)；采用EVPN L2VPN替代VPWS/VPLS方式來(lái)承載L2專(zhuān)線(xiàn)業(yè)務(wù)；采用SR協(xié)議替代LDP/RSVP作為隧道層協(xié)議；采用FlexE技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片；采用SDN技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能運(yùn)維與管控。

表3 5G典型承載技術(shù)方案分析

5G中回傳可基于新的5G承載技術(shù)方案進(jìn)行建設(shè)，也可基于4G承載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)演進(jìn)。3種技術(shù)方案最終能否規(guī)?；茝V應(yīng)用主要取決于市場(chǎng)需求、產(chǎn)業(yè)鏈的健壯性和網(wǎng)絡(luò)綜合成本等。5G承載網(wǎng)絡(luò)可采用L2VPN+L3VPN或L3VPN到邊緣的應(yīng)用部署方案，其中L3VPN負(fù)責(zé)感知基站和核心網(wǎng)的三層IP地址?？紤]到4G/5G統(tǒng)一承載需求，因此需要5G承載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持IPv4/IPv6雙棧和6vPE轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。