5G承載方案分析

童 菲

（中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司第一分公司，保定 071000）

1 引言

隨著4K/8K高清視頻，AR/VR（虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)），工業(yè)控制，無(wú)人駕駛等技術(shù)的發(fā)展，驅(qū)動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)從早期2G的語(yǔ)音時(shí)代，3G、4G數(shù)據(jù)時(shí)代向面向5G智能時(shí)代發(fā)展，業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)呈IP化和IT化發(fā)展趨勢(shì)，技術(shù)由PDH-SDH發(fā)展至目前的IP RAN，WDM-OTN發(fā)展至目前的P-OTN。

5G網(wǎng)絡(luò)提供業(yè)務(wù)的主要特征包括大帶寬、低時(shí)延和海量連接，從而對(duì)承載網(wǎng)在帶寬、容量、時(shí)延和組網(wǎng)靈活性方面提出了新的需求。因此，如何利用一張統(tǒng)一的承載網(wǎng)來(lái)滿足5G不同業(yè)務(wù)的承載需求是5G承載網(wǎng)面臨的巨大挑戰(zhàn)。

2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變化及需求分析

2.1 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)推動(dòng)承載網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)革新

4G無(wú)線接入網(wǎng)（RAN）有基帶處理單元（BBU）、射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）兩級(jí)結(jié)構(gòu)；5G的RAN網(wǎng)絡(luò)分為集中單元（CU）、分布單元（DU）和有源天線單元（AAU）三級(jí)結(jié)構(gòu)。5G網(wǎng)絡(luò)將4G網(wǎng)絡(luò)中BBU的非實(shí)時(shí)部分分割出來(lái)，重新定義為CU，負(fù)責(zé)處理非實(shí)時(shí)協(xié)議和服務(wù)，主要包含分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（PDCP）和無(wú)線資源控制（RRC）；BBU的部分物理層處理功能和原RRU合并為AAU，主要包含底層物理層（PHY-L）和射頻（RF）；BBU的剩余功能重新定義為DU，負(fù)責(zé)處理物理層協(xié)議和實(shí)時(shí)服務(wù)，包含無(wú)線鏈路控制（RLC）、介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）和高層物理層（PHY-H）等。

圖1 5G RAN功能模塊重構(gòu)示意圖

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化推動(dòng)了承載網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化，由4G階段：核心網(wǎng)承載網(wǎng)、回傳和前傳網(wǎng)絡(luò)演變成5G階段：核心網(wǎng)承載網(wǎng)、回傳、中傳和前傳網(wǎng)絡(luò)。此外，承載網(wǎng)的業(yè)務(wù)流向也發(fā)生變化。4G回傳網(wǎng)：南北向匯聚型流量。5G回傳網(wǎng)：南北向匯聚型流量+東西向網(wǎng)狀流量（eX2流量，UPF、CU和MEC之間流量）。5G網(wǎng)絡(luò)的CU與核心網(wǎng)之間（S1接口）以及相鄰CU之間（eX2接口）都有連接需求，其中CU之間的eX2接口流量主要包括站間CA（Carrier Aggregation，載波聚合）和CoMP（Coordinated Multipoint Transmission/Reception，協(xié)作多點(diǎn)發(fā)送/接收）流量，一般認(rèn)為是S1流量的10～20%。假如采用人工配置靜態(tài)連接的方式，配置工作量會(huì)非常繁重，且靈活性差，因此回傳網(wǎng)絡(luò)需要支持IP尋址和轉(zhuǎn)發(fā)功能。

2.2 5G承載網(wǎng)的需求分析

5G承載需求取決于5G業(yè)務(wù)及5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化。其中5G業(yè)務(wù)需求直接影響承載網(wǎng)的技術(shù)指標(biāo)，如帶寬、時(shí)延和時(shí)鐘精度等；而5G無(wú)線網(wǎng)和核心網(wǎng)的架構(gòu)變化則引發(fā)了相應(yīng)的承載網(wǎng)架構(gòu)變化，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能提出要求，包括網(wǎng)絡(luò)切片、增強(qiáng)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能等。

（1）大帶寬需求。帶寬是5G承載網(wǎng)的重要指標(biāo)。5G采用高頻段、更寬頻譜以及新的空口技術(shù)，因此，5G基站帶寬需求會(huì)大幅度提升，將達(dá)到LTE的10倍以上。在5G傳送承載網(wǎng)的接入、匯聚層需要引入25G/50G速率接口，而核心層則需要引入100G及以上速率的接口。

（2）低時(shí)延。穩(wěn)定的低時(shí)延是5G承載網(wǎng)的關(guān)鍵指標(biāo)，不同的時(shí)延指標(biāo)要求，直接影響5G RAN的組網(wǎng)架構(gòu)，從而對(duì)承載網(wǎng)的架構(gòu)產(chǎn)生影響，承載網(wǎng)可以從設(shè)備時(shí)延以及組網(wǎng)架構(gòu)方面進(jìn)行優(yōu)化。

設(shè)備時(shí)延方面：可以考慮采用更大的時(shí)隙（如從5Gb/s增加到25Gb/s）、減少?gòu)?fù)用層級(jí)、減小或取消緩存等措施來(lái)降低設(shè)備時(shí)延，達(dá)到1us量級(jí)甚至更低。

在組網(wǎng)架構(gòu)方面：可以考慮樹形組網(wǎng)取代環(huán)形組網(wǎng)，降低時(shí)延。

（3）高精度時(shí)間同步要求。5G承載需要更高精度的同步，需要根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型，提供不同的時(shí)鐘精度。5G承載網(wǎng)架構(gòu)應(yīng)減少中間節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘處理，支持時(shí)鐘隨業(yè)務(wù)一跳直達(dá)，單節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘精度也要滿足ns精度要求。此外，還應(yīng)選用單纖雙向傳輸技術(shù)，有利于簡(jiǎn)化時(shí)鐘部署，減少接收和發(fā)送方向不對(duì)稱時(shí)鐘補(bǔ)償。

（4）靈活組網(wǎng)。5G是一個(gè)開放的網(wǎng)絡(luò)，面向垂直行業(yè)的應(yīng)用，多場(chǎng)景應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)的靈活性提出很高要求。5G傳送網(wǎng)必須足夠靈活，滿足同一張網(wǎng)滿足多場(chǎng)景業(yè)務(wù)的承載需求、充分滿足基站東西向流量的調(diào)度需求、有效利用網(wǎng)絡(luò)資源，足夠經(jīng)濟(jì)、能夠有效與核心網(wǎng)和無(wú)線協(xié)同，智能運(yùn)維。

（5）靈活路由。5G網(wǎng)絡(luò)的CU與核心網(wǎng)之間（S1接口）以及相鄰CU之間（eX2接口）都有連接需求，一般認(rèn)為是S1流量的10～20%。如果采用人工配置靜態(tài)連接的方式，配置工作量會(huì)非常繁重，且靈活性差，因此回傳網(wǎng)絡(luò)需要支持IP尋址和轉(zhuǎn)發(fā)功能。

（6）網(wǎng)絡(luò)切片。5G網(wǎng)絡(luò)有3大類業(yè)務(wù)：eMBB、uRLLC和mMTC。不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求差異明顯，如時(shí)延、峰值速率、QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）等要求都不一樣。為了更好地支持不同的應(yīng)用，5G將支持網(wǎng)絡(luò)切片能力，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片將擁有自己獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)資源和管控能力。另一方面，可以將物理網(wǎng)絡(luò)按不同租戶（如虛擬運(yùn)營(yíng)商）需求進(jìn)行切片，形成多個(gè)并行的虛擬網(wǎng)絡(luò)。

5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需要核心網(wǎng)到UE的端到端網(wǎng)絡(luò)切片，減少業(yè)務(wù)（切片）間相互影響。因此5G承載網(wǎng)絡(luò)也需要有相應(yīng)的技術(shù)方案，滿足不同5G網(wǎng)絡(luò)切片的差異化承載需求。

3 5G承載技術(shù)方案

5G承載有多種技術(shù)方案，目前比較典型的有三種：SPN、分組增強(qiáng)型OTN、IP RAN方案。

3.1 SPN（切片分組網(wǎng)絡(luò)）

（1）SPN：切片分組網(wǎng)絡(luò)，采用創(chuàng)新的Slicing Ethernet技術(shù)和SR-TP技術(shù)的新一代傳送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，融合光層DWDM技術(shù)的層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體制，包括切片分組層（SPL）、切片通道層（SCL）、切片傳輸層（STL）三個(gè)層次。

圖2 SPN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（2）SPL：分組轉(zhuǎn)發(fā)和路由，支持SR-TP和MPLS-TP。

（3）SCL：切片以太網(wǎng)支持66b塊交叉連接和E2E通道層OAM。

（4）STL：采用以太網(wǎng)PHY灰光接口，可選支持DWDM彩光接口。

SPN網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)的FlexE接口，擴(kuò)展SE交叉、OAM和保護(hù)機(jī)制提升低時(shí)延和面向連接特性，同時(shí)引入SR-TP和SDN增強(qiáng)動(dòng)態(tài)路由管控能力，并且用以太網(wǎng)灰光PAM4技術(shù)結(jié)合WDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)城域網(wǎng)和本地網(wǎng)傳輸成本優(yōu)化。

3.2 分組增強(qiáng)型OTN

分組增強(qiáng)型OTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用三級(jí)映射復(fù)用方式，通過(guò)幀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、FEC算法、芯片優(yōu)化來(lái)逐步實(shí)現(xiàn)更低時(shí)延和更高精度同步。通過(guò)簡(jiǎn)化OTN映射復(fù)用來(lái)優(yōu)化前傳和中傳，利用ODU fl ex+FlexO提供靈活帶寬能力基礎(chǔ)上，新增L3和SR功能滿足5G動(dòng)態(tài)連接需求。

圖3 分組增強(qiáng)型OTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

從功能上來(lái)看，核心層和匯聚層一些功能比較相似，主要在于分組變化方面ROADM使用差異；接入層采用二層統(tǒng)計(jì)復(fù)用以及相關(guān)的一些功能。

分組增強(qiáng)型OTN主要有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：

（1）融合分組處理功能，既要做以太網(wǎng)處理、IP/MPLS三層處理功能，還要包括提供分組業(yè)務(wù)的適配、QoS和OAM處理等功能，同時(shí)擴(kuò)展支持IP/MPLS等三層協(xié)議。

（2）FlexO接口技術(shù)：是一個(gè)由一組100G/200G/400G光學(xué)PHY流組成的模塊化接口。目前已經(jīng)定義的接口包括采用RS FEC的100G/200G/400G FlexO-SR和采用SC FEC的100G FlexO-LR。

FlexO接口技術(shù)未來(lái)對(duì)100GbE、200GbE、400GbE通道架構(gòu)和FEC結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分重用，也能兼容以太網(wǎng)光模塊。

3.3 IP RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

IP RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為：核心、匯聚、接入三層結(jié)構(gòu)。

圖4 IPRAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

接入層：共站址4G/5G基站統(tǒng)一接入A設(shè)備，接入層初期采用10GE環(huán)為主，成熟期按需可擴(kuò)容到25GE/50GE。

匯聚核心層：根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)量按需配置帶寬：N*10GE、50GE、100GE，未來(lái)可演進(jìn)到200G和400G。

為支撐5G網(wǎng)絡(luò)切片需求，IP RAN方案將采用復(fù)合OIF標(biāo)準(zhǔn)的FlexE接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)硬切片，采用SR隧道技術(shù)和L3VPN實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)軟切片。

IPRAN關(guān)鍵技術(shù)：SDN集中管控+L3分布式動(dòng)態(tài)連接組網(wǎng)來(lái)共同支撐整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。IPRAN網(wǎng)絡(luò)中采用SDN控制器，能夠端到端編排SR-TE隧道的路由，同時(shí)采用EVPN技術(shù)，通過(guò)擴(kuò)展BGP協(xié)議應(yīng)用于L3VPN跨域。

4 結(jié)束語(yǔ)

5G承載網(wǎng)總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及共性的業(yè)務(wù)需求逐漸清晰，形成SPN、分組增強(qiáng)型OTN、IP RAN這三種典型的承載方案。三大運(yùn)營(yíng)商需綜合考慮各自的網(wǎng)絡(luò)特性、業(yè)務(wù)需求、整體網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本等多方面因素搭建網(wǎng)絡(luò)，打造一張能滿足數(shù)據(jù)、移動(dòng)、寬帶、云專線等多種業(yè)務(wù)需求的綜合業(yè)務(wù)承載網(wǎng)。