5G承載網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)方案研究

程思遠(yuǎn) 羅成

【摘 要】介紹了5G承載的需求和網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)原則，分析比較了5G承載網(wǎng)絡(luò)的三種演進(jìn)方案，即分組增強(qiáng)型OTN方案，基于IP RAN的升級(jí)方案，切片分組網(wǎng)，最后介紹了5G承載基于SDN的遠(yuǎn)期演進(jìn)目標(biāo)。

5G承載；IP RAN；切片分組網(wǎng)

1 5G承載網(wǎng)絡(luò)的需求

5G網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)在關(guān)鍵性能指標(biāo)上存在較大差異，這就對(duì)5G承載網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時(shí)延、組網(wǎng)靈活性等各個(gè)方面都提出了新的需求。

1.1 帶寬需求

基站前傳帶寬取決于無(wú)線頻譜帶寬、頻譜效率、天線數(shù)等參數(shù)，以單個(gè)5G基站為例，在3.5 GHz按照100 MHz頻譜帶寬計(jì)算，低頻單站的峰值帶寬需求將達(dá)到5 Gb/s，均值帶寬需求在3 Gb/s。高頻站點(diǎn)可用的頻譜帶寬達(dá)800 MHz，單站的峰值帶寬需近20 Gb/s。

考慮高低頻共站的情況，5G前傳帶寬需求將達(dá)

25 Gb/s[1]。5G承載網(wǎng)端口帶寬需求與4G對(duì)照如表1所示：

1.2 低時(shí)延需求

5G承載網(wǎng)絡(luò)的回傳時(shí)延指標(biāo)也很苛刻。3GPP（TR38.913）定義eMBB端到端時(shí)延是10 ms，uRLLC端到端時(shí)延是1 ms，再根據(jù)表2所示空口、前傳與中傳的時(shí)延需求，以及核心網(wǎng)處理時(shí)延，預(yù)留給回傳網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延指標(biāo)約為100 μs～150 μs，所以承載網(wǎng)絡(luò)還需充分考慮設(shè)備多跳的傳輸時(shí)延。

1.3 組網(wǎng)靈活需求

5G網(wǎng)絡(luò)DU/CU的部署可依據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同以及機(jī)房、光纖、距離等條件的不同，而采用不同的部署方式。作為基礎(chǔ)配套的5G承載網(wǎng)絡(luò)，需具備靈活適配各種基站部署方式的能力。另外5G網(wǎng)絡(luò)的其他流量也豐富多樣，如DU之間的CoMP協(xié)同流量、相鄰CU之間eX2橫向流量、核心網(wǎng)云化互聯(lián)的流量等，需要5G承載網(wǎng)絡(luò)具備靈活的路由轉(zhuǎn)發(fā)能力。因此承載技術(shù)的靈活性將作為5G承載演進(jìn)方案的重要考慮因素[2]。

1.4 網(wǎng)絡(luò)切片需求

5G網(wǎng)絡(luò)將提供豐富多樣的應(yīng)用場(chǎng)景，而這些應(yīng)用場(chǎng)景有著不同的性能指標(biāo)要求，難以通過(guò)一張物理網(wǎng)絡(luò)來(lái)滿足，于是需要5G網(wǎng)絡(luò)支持端到端的切片管控和承載，以保障業(yè)務(wù)得到滿足需求的差異化服務(wù)?；诰W(wǎng)絡(luò)切片的架構(gòu)將是對(duì)5G承載網(wǎng)的基礎(chǔ)能力要求[3]。

2 5G承載網(wǎng)演進(jìn)原則

面對(duì)這些需求，在研究5G的承載網(wǎng)的演進(jìn)方案時(shí)，還應(yīng)考慮以下原則：

（1）優(yōu)化組網(wǎng)。通過(guò)架構(gòu)和新技術(shù)的優(yōu)化降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，提高網(wǎng)絡(luò)靈活性，同時(shí)適應(yīng)三大業(yè)務(wù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的需求。

（2）資源協(xié)同。關(guān)鍵技術(shù)和演進(jìn)方案的選擇，需要充分利用光纜網(wǎng)、機(jī)房等基礎(chǔ)設(shè)施及承載設(shè)備等現(xiàn)有資源，需基于經(jīng)濟(jì)性比較，以實(shí)現(xiàn)低成本快速演進(jìn)和部署[4]。

（3）網(wǎng)絡(luò)智能。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備全網(wǎng)智能編排調(diào)度的能力，能夠快速進(jìn)行業(yè)務(wù)的優(yōu)化調(diào)整，滿足快速響應(yīng)業(yè)務(wù)路由變化和調(diào)度的能力。

3 5G承載演進(jìn)方案

目前運(yùn)營(yíng)商主要有三種5G承載網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)方案。分別是：（1）分組增強(qiáng)型OTN方案；（2）基于IP RAN的升級(jí)方案；（3）切片分組網(wǎng)。

3.1 分組增強(qiáng)型OTN方案

分組增強(qiáng)型OTN通過(guò)改造現(xiàn)有OTN，在其面向連接的傳輸特性基礎(chǔ)上增強(qiáng)二層和三層相關(guān)功能，如統(tǒng)計(jì)復(fù)用、橫向轉(zhuǎn)發(fā)、VPN、OAM和保護(hù)功能等，滿足5G對(duì)帶寬、高效承載和靈活連接的需求。

針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)端到端切片管理的需求，OTN傳送平面需支持在波長(zhǎng)、ODU、VC這些硬管道上進(jìn)行切片，也要支持在分組的軟管道上進(jìn)行切片，并且與5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)管控協(xié)同，按需配置和調(diào)整。

但是分組增強(qiáng)型OTN技術(shù)方案信號(hào)復(fù)用映射結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，需要進(jìn)行一些簡(jiǎn)化和優(yōu)化。2018年1月在ITU-T SG15會(huì)議上，中國(guó)電信主導(dǎo)的面向移動(dòng)承載優(yōu)化的OTN——M-OTN（Mobile-Optimized OTN）是一種分組增強(qiáng)型OTN。該方案滿足5G承載現(xiàn)階段前傳等部署需求，針對(duì)C-RAN場(chǎng)景，M-OTN能支持50G和100G光模塊，在業(yè)務(wù)映射和時(shí)隙結(jié)構(gòu)方面兼容3G/4G前傳的CPRI、5G的eCPRI[5]等。具體應(yīng)用模型如圖1所示。

目前M-OTN點(diǎn)到點(diǎn)至少支持10 km，環(huán)網(wǎng)支持20 km，未來(lái)隨著PAM4等新型調(diào)制方式的成熟和應(yīng)用，在25G甚至50G的單波長(zhǎng)速率上實(shí)現(xiàn)40 km以上的長(zhǎng)距離傳輸。M-OTN采用單級(jí)復(fù)用、更靈活的時(shí)隙結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化的開(kāi)銷，還可以滿足5G中傳和回傳需求，亦可用于城域網(wǎng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的應(yīng)用和DCI業(yè)務(wù)。

3.2 基于IP RAN的升級(jí)方案

基于IP RAN的升級(jí)方案是以4G IP RAN回傳網(wǎng)架構(gòu)為基礎(chǔ)，根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展情況逐步擴(kuò)容升級(jí)，并引入SR（Segment Routing）、EVPN（Ethernet VPN）、FlexE（Flex Ethernet）[6]等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大容量、低時(shí)延、高精度時(shí)間同步的5G承載網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)網(wǎng)以IP RAN為承載的運(yùn)營(yíng)商基于經(jīng)濟(jì)性考慮都采用了該方式作為5G承載演進(jìn)方案?；贗P RAN的升級(jí)方案技術(shù)分層模型如圖2所示：

在該方案中采用EVPN技術(shù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)5G承載的控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，實(shí)現(xiàn)各承載協(xié)議向EVPN統(tǒng)一從而簡(jiǎn)化運(yùn)維[7]。首先是采用升級(jí)EVPN L2VPN的方式，替代現(xiàn)有的L2VPN專線，尤其用于替代現(xiàn)有點(diǎn)到多點(diǎn)的VPLS（Virtual Private Lan Service）專線，后續(xù)可演進(jìn)至EVPN L3VPN。

該方案應(yīng)用SR技術(shù)解決了S1和eX2的流量承載問(wèn)題。5G回傳的S1業(yè)務(wù)是確定性路徑業(yè)務(wù)，在接入設(shè)備和匯聚設(shè)備之間可部署端到端的SR-TE（Segment Routing-Traffic Engineering）隧道，滿足了S1面向連接的業(yè)務(wù)需求。eX2業(yè)務(wù)以及其他活度較高的業(yè)務(wù)存在路徑不確定性，可以部署SR-BE（Segment Routing-Best Effort）隧道，滿足了eX2無(wú)連接的業(yè)務(wù)需求。由于解決了MESH流量模型靈活調(diào)度的問(wèn)題，未來(lái)該方案可適應(yīng)任意5G承載拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。

基于IP RAN的升級(jí)方案后期可通過(guò)引入FlexE接口技術(shù)，將切片業(yè)務(wù)與FlexE通道綁定，最終適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)切片的發(fā)展需求。

3.3 切片分組網(wǎng)

切片分組網(wǎng)SPN（Slicing Packet Network）是中國(guó)移動(dòng)提出的5G新技術(shù)體系架構(gòu)[8]。SPN方案在轉(zhuǎn)發(fā)層兼容PTN網(wǎng)絡(luò)的MPLS-TP技術(shù)，因此可以支持現(xiàn)有PTN網(wǎng)絡(luò)向SPN的升級(jí)演進(jìn)。切片分組網(wǎng)的技術(shù)分層模型如圖3所示：

SPN的物理層基于WDM技術(shù)；鏈路層對(duì)以太網(wǎng)物理接口、FlexE綁定實(shí)現(xiàn)時(shí)隙化處理，提供端到端基于以太網(wǎng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)連接能力和基于L1的低時(shí)延、硬隔離切片通道；基于以太網(wǎng)MAC或MPLS隧道/SR隧道尋址轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)L2業(yè)務(wù)的調(diào)度；基于IP尋址轉(zhuǎn)發(fā)，支持L3 VPN，滿足了業(yè)務(wù)靈活調(diào)度的要求。

SPN還支持在一張物理網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行資源切片隔離的能力，硬切片為專線和uRLLC等業(yè)務(wù)提供低時(shí)延和帶寬保障，軟切片可為eMBB等分組業(yè)務(wù)提供大帶寬和差異化服務(wù)。

3.4 演進(jìn)方案分析

上述三種承載方案分別是基于運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)網(wǎng)的情況進(jìn)行演進(jìn)的，針對(duì)具體的細(xì)節(jié)，對(duì)比分析如表3所示。

4 遠(yuǎn)期演進(jìn)方向

遠(yuǎn)期的承載網(wǎng)業(yè)務(wù)模型將發(fā)生根本改變，要求承載網(wǎng)支持全網(wǎng)狀實(shí)時(shí)可變互連流量，因此需要更加智能化的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維系統(tǒng)，以降低網(wǎng)絡(luò)的CAPEX和OPEX。基于SDN技術(shù)的5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)成為各大運(yùn)營(yíng)商的遠(yuǎn)期演進(jìn)方向，針對(duì)新一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，各運(yùn)營(yíng)商相繼發(fā)布了相關(guān)白皮書(shū)。如中國(guó)電信發(fā)布的《中國(guó)電信CTNet-2025網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)白皮書(shū)》、中國(guó)移動(dòng)發(fā)布的《中國(guó)移動(dòng)NovoNet 2020愿景》以及中國(guó)聯(lián)通發(fā)布的《新一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)CUBE-Net 2.0》。基于SDN技術(shù)的5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

該架構(gòu)由5G協(xié)同編排層通過(guò)運(yùn)營(yíng)商的業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)（OSS/BSS）及相關(guān)的管理與編排器（MANO）負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)生命周期管理和切片資源間的協(xié)同管理。通過(guò)SDN多個(gè)本地域控制器（Domain Controller）對(duì)承載網(wǎng)能力進(jìn)行抽象，實(shí)現(xiàn)流量調(diào)優(yōu)，可應(yīng)對(duì)后期5G網(wǎng)絡(luò)快速變化的無(wú)線流量流向。該架構(gòu)還可突破不同廠商的技術(shù)壁壘，構(gòu)建一個(gè)對(duì)外開(kāi)放、統(tǒng)一管控的平臺(tái)，加速新技術(shù)的成熟和商用，并提供良好的創(chuàng)新空間。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從5G承載的帶寬需求、低時(shí)延需求、靈活組網(wǎng)需求與網(wǎng)絡(luò)切片需求入手，介紹了5G承載網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)原則，分析比較了5G承載網(wǎng)的三大演進(jìn)方案。隨著技術(shù)的發(fā)展、5G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步確定，以及設(shè)備、芯片、模塊等上下游產(chǎn)業(yè)鏈共同發(fā)展，5G承載方案將日漸成熟與完善，未來(lái)將驅(qū)動(dòng)5G業(yè)務(wù)大發(fā)展，真正創(chuàng)建一個(gè)全連接、高體驗(yàn)的數(shù)字新世界。

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