5G承載需求和技術方案分析（下篇）

中國信息通信研究院|李芳 胡昌軍 徐云斌 趙文玉

5G在帶來新興業(yè)務體驗、服務型網絡架構和創(chuàng)新商業(yè)模式的同時，對基礎承載網絡提出了多樣化的全新需求。現有4G LTE回傳網絡的性能指標和組網功能已無法完全滿足5G未來新業(yè)務和新架構的核心需求，因此5G承載技術和網絡架構的演進發(fā)展勢在必行。為適應5G業(yè)務和網絡架構的新變化，5G承載需滿足三大性能指標需求和六類組網功能需求。

5G承載的六類組網功能需求

5G承載除了需要滿足三大性能指標需求外，還應滿足5G網絡架構變革帶來的組網功能方面的挑戰(zhàn)：一是通過城域接入、匯聚和核心的網絡分層結構，靈活滿足5G回傳、中傳和前傳的多層級結構；二是需要支持L3功能下移至UPF和MEC所在位置，為5G提供動態(tài)靈活的網絡連接；三是提供層次化網絡切片方案以滿足5G網絡切片需求；四是通過SDN管控架構、網絡切片協(xié)同控制和開放的標準南北向接口，滿足智能化協(xié)同管控需求；五是支持4G和5G基站統(tǒng)一承載，或4G承載網和5G承載網的互聯(lián)互通，滿足4G/5G混合承載需求；六是推動高速光模塊的規(guī)模量產和開放光層互連，滿足低成本高速組網需求。

圖1 5G承載的多層級組網結構

● 多層級組網結構

5G承載的主要作用是把分布在不同地域的5G宏站以及分布式的CU、DU和AAU連接起來，并實現基站與核心網的連接，即把成千上萬的點連接成為立體網絡，由于5G核心網一般位于省干或城域核心機房，基站地域分布廣闊，因此5G承載分成省內干線、城域核心層、匯聚層和接入層的組網結構，靈活支持回傳、中傳和前傳三級架構或回傳和前傳兩級架構。由于5G核心網將采用云化方案部署在省干和城域核心的大型數據中心，MEC將部署在城域匯聚或更低的位置的邊緣型數據中心，因此，城域核心層將發(fā)展為5G回傳和數據中心互聯(lián)（DCI）融合承載的網絡。5G承載的多層級組網結構如圖1所示。

圖2 5G承載的靈活化連接需求

圖3 層次化網絡切片需求

圖4 5G承載的管控架構和功能需求

● 靈活化網絡連接

5G核心網、無線接入網的云化和功能分布式部署給承載網帶來的最大挑戰(zhàn)是業(yè)務連接的靈活調度需求。5G核心網的UPF下移以后，5G基站到核心網元的N2和N3連接的終結位置存在差異，并且存在不同層面核心網元之間的網狀東西向流量的承載需求，如圖2所示，存在UPF與UPF間的N9連接、UPF與SMF間的N4連接、不同數據中心之間的N6連接等。此外，5G相鄰基站之間的Xn連接也屬于動態(tài)的東西向流量。為了降低時延和提高帶寬效率可部署L3功能到邊緣以實現就近轉發(fā)，或通過部署L3功能到匯聚節(jié)點實現間接轉發(fā)。為滿足網狀化的動態(tài)業(yè)務連接需求，5G承載應至少將L3功能下移到UPF和MEC的位置，根據網元之間不同流向的業(yè)務需求，為5G網絡提供業(yè)務的靈活連接調度能力，提升業(yè)務質量體驗和網絡帶寬效率。

● 層次化網絡切片

5G網絡切片對承載網的訴求是在一張統(tǒng)一的物理網絡中，將業(yè)務連接和SLA相關的網絡資源組織在一起，形成一個完整、自治和獨立運維的虛擬網絡（VN），滿足特定的用戶和業(yè)務需求，構建虛擬網絡的關鍵技術包括SDN/NFV管控架構和轉發(fā)面的網絡切片技術。SDN/NFV負責實現對資源的虛擬化抽象，轉發(fā)面的網絡切片負責實現資源的隔離和分配，從而滿足差異化的虛擬網絡要求。

面向5G的綜合業(yè)務承載網需提供支持軟硬隔離的層次化網絡切片方案，滿足不同類型業(yè)務的切片需求，如圖3所示。例如，uRLLC和金融政企專線等業(yè)務要求獨享資源、低時延和高可靠性，承載網絡可提供基于L1TDM隔離的網絡硬切片；eMBB的AR/VR等高清視頻業(yè)務具有大帶寬和動態(tài)突發(fā)等特點，承載網絡可提供基于L2或L3邏輯隔離的網絡軟切片。

● 智能化協(xié)同管控

5G承載的智能化協(xié)同管控需求包括以下四大方面，如圖4所示。

（1）端到端SDN管控：5G承載的管控系統(tǒng)應支持L0到L3網絡的端到端管控，支持跨層的業(yè)務聯(lián)動控制。此外，還需實現異構網絡環(huán)境下的跨廠商業(yè)務端到端控制功能，以實現業(yè)務的快速提供。

（2）網絡切片協(xié)同管控：5G網絡切片一般由5G業(yè)務編排器和核心網發(fā)起，攜帶切片ID和客戶SLA需求，5G承載管控系統(tǒng)應支持與5G業(yè)務編排器或OSS系統(tǒng)之間的交互，通過開放標準的北向接口，完成自上而下的網絡資源編排，支持網絡切片的資源規(guī)劃、虛擬網絡拓撲呈現和性能監(jiān)測分析等功能。

（3）統(tǒng)一管理和控制：基于云化、虛擬化的部署方案，將管理、控制和智能運維等功能協(xié)調統(tǒng)一，提供統(tǒng)一的維護界面和分布式數據庫，以提高網絡管控的效率。

（4）智能化運維：5G網絡維護的難度越來越高，通過加強人工智能和大數據分析建模功能，對業(yè)務配置模板、網絡流量、告警和性能、操作等數據進行采集和分析，以實現告警快速定位分析和排障，流量預測分析和網絡優(yōu)化等智能化運維功能。

圖5 4G和5G混合承載需求

表1 5G承載的光模塊需求分析示例

● 4G/5G混合承載

考慮到4G和5G網絡之間的協(xié)作關系，3GPP R15標準定義了獨立組網(SA，主要是Option2等)和非獨立組網(NSA，包括Option 3/3a/3x等)不同部署方案，因此提出了4G和5G混合承載需求，具體需求見圖5。

對于SA方案，5G和4G形成了兩張相對獨立的網絡，為保持業(yè)務連續(xù)性和實現5G終端的雙連接特性，現網LTE基站和EPC需要升級以支持跨核心網的移動性。考慮到支持未來新型業(yè)務和擴展能力，5G NR SA方案的承載網可新建，但需在核心層實現4G和5G控制網元之間的互通，也可結合實際需求構建4G和5G混合承載網絡，如圖5所示。

對于NSA方案，5G和4G形成了混合網絡，目前國外運營商計劃支持的較多。整體來看，基于4G升級的NG-eNB難以支持5G全業(yè)務，特別是低時延類業(yè)務。為了改善部分低時延類業(yè)務體驗，可以下沉核心網的部分功能，減少基站與核心網之間的傳輸時延。對于承載網絡而言，若運營商選擇部署NSA方案，則需要采用4G和5G混合承載的網絡方案。

● 低成本高速組網

在eMBB等大帶寬業(yè)務的推動下，5G不僅需要在回傳層采用新的N′100/200/400Gbit/s等高速光接口，并且在前傳和城域接入層也需要采用25Gbit/s、50Gbit/s和100Gbit/s等新型高速光接口，新型承載設備及全新高速接口的成本相對昂貴，因此對5G承載網絡的低成本需求逐步凸顯，尤其是在前傳和回傳網絡中，占據規(guī)模數量的25Gbit/s、50Gbit/s和100Gbit/s等新型光模塊以及設備的成本非常關鍵。目前業(yè)界已關注到新型光接口設備及光模塊低成本的重要性，結合應用需求及低成本方案，已出現一些低成本的高速接口光模塊樣品，部分高速模塊應用需求及典型速率接口特性見表1。隨著城域數據中心的大規(guī)模建設和應用，在城域核心和匯聚層組建開放光層互連的低成本WDM網絡的需求也將日益迫切。

表2 不用5G承載技術方案的網絡分層協(xié)議分析

5G承載技術和產業(yè)的融合發(fā)展趨勢

近年來，我國三大電信運營商針對5G承載技術方案均開展了創(chuàng)新性研究，結合各自網絡基礎和發(fā)展規(guī)劃提出了不同的候選方案：中國移動已明確5G承載將采用基于PTN演進的切片分組網絡（SPN）技術方案；中國電信的三大研究院在并行推進IP RAN增強、M-OTN和WDM-PON等技術方案，目的是適應未來5G不同網絡應用場景的需求；中國聯(lián)通考慮在5G中傳和回傳分別采用分組增強型OTN和IP RAN增強的聯(lián)合組網方案，在5G前傳采用單纖雙向的城域接入型WDM方案。

雖然不同5G承載候選方案的關鍵技術和設備形態(tài)有明顯差異，但是從L0/L1/L2/L3網絡技術分層協(xié)議的角度進行深入分析，不同承載方案的共性技術占比越來越高，主要差異體現在L1的物理鏈路層是基于靈活以太網（FlexE）或以太網的物理層還是OTN，L1的TDM隧道轉發(fā)層是基于靈活以太網（FlexE）的切片以太網通道還是基于OTN的ODUflex通道，具體見表2。

不同5G承載技術方案在L1層的差異分別代表了是基于電信級以太網增強輕量級TDM技術的演進思路，還是基于傳統(tǒng)OTN增強分組技術并簡化OTN的演進路線，都具有典型的承載技術融合發(fā)展趨勢，最終能否發(fā)展壯大還依賴于產業(yè)鏈的健壯性和規(guī)模化效應。隨著今后5G現網規(guī)模試點開展和預商用進程加快，5G承載技術方案還將繼續(xù)加強融合創(chuàng)新，我們希望聯(lián)合三大運營商和所有設備商共同推動我國5G承載技術標準和產業(yè)化的蓬勃發(fā)展。