5G承載方案分析

童 菲

（中國通信建設集團設計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（虛擬現實/增強現實），工業控制，無人駕駛等技術的發展，驅動運營商的網絡從早期2G的語音時代，3G、4G數據時代向面向5G智能時代發展，業務驅動承載網絡技術呈IP化和IT化發展趨勢，技術由PDH-SDH發展至目前的IP RAN，WDM-OTN發展至目前的P-OTN。

5G網絡提供業務的主要特征包括大帶寬、低時延和海量連接，從而對承載網在帶寬、容量、時延和組網靈活性方面提出了新的需求。因此，如何利用一張統一的承載網來滿足5G不同業務的承載需求是5G承載網面臨的巨大挑戰。

2 5G網絡架構變化及需求分析

2.1 5G網絡架構推動承載網絡演進革新

4G無線接入網（RAN）有基帶處理單元（BBU）、射頻拉遠單元（RRU）兩級結構；5G的RAN網絡分為集中單元（CU）、分布單元（DU）和有源天線單元（AAU）三級結構。5G網絡將4G網絡中BBU的非實時部分分割出來，重新定義為CU，負責處理非實時協議和服務，主要包含分組數據匯聚協議（PDCP）和無線資源控制（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，負責處理物理層協議和實時服務，包含無線鏈路控制（RLC）、介質訪問控制（MAC）和高層物理層（PHY-H）等。

圖1 5G RAN功能模塊重構示意圖

5G網絡架構的變化推動了承載網結構的變化，由4G階段：核心網承載網、回傳和前傳網絡演變成5G階段：核心網承載網、回傳、中傳和前傳網絡。此外，承載網的業務流向也發生變化。4G回傳網：南北向匯聚型流量。5G回傳網：南北向匯聚型流量+東西向網狀流量（eX2流量，UPF、CU和MEC之間流量）。5G網絡的CU與核心網之間（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，協作多點發送/接收）流量，一般認為是S1流量的10～20%。假如采用人工配置靜態連接的方式，配置工作量會非常繁重，且靈活性差，因此回傳網絡需要支持IP尋址和轉發功能。

2.2 5G承載網的需求分析

5G承載需求取決于5G業務及5G網絡架構的變化。其中5G業務需求直接影響承載網的技術指標，如帶寬、時延和時鐘精度等；而5G無線網和核心網的架構變化則引發了相應的承載網架構變化，并對網絡功能提出要求，包括網絡切片、增強路由轉發功能等。

（1）大帶寬需求。帶寬是5G承載網的重要指標。5G采用高頻段、更寬頻譜以及新的空口技術，因此，5G基站帶寬需求會大幅度提升，將達到LTE的10倍以上。在5G傳送承載網的接入、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）低時延。穩定的低時延是5G承載網的關鍵指標，不同的時延指標要求，直接影響5G RAN的組網架構，從而對承載網的架構產生影響，承載網可以從設備時延以及組網架構方面進行優化。

設備時延方面：可以考慮采用更大的時隙（如從5Gb/s增加到25Gb/s）、減少復用層級、減小或取消緩存等措施來降低設備時延，達到1us量級甚至更低。

在組網架構方面：可以考慮樹形組網取代環形組網，降低時延。

（3）高精度時間同步要求。5G承載需要更高精度的同步，需要根據不同的業務類型，提供不同的時鐘精度。5G承載網架構應減少中間節點時鐘處理，支持時鐘隨業務一跳直達，單節點時鐘精度也要滿足ns精度要求。此外，還應選用單纖雙向傳輸技術，有利于簡化時鐘部署，減少接收和發送方向不對稱時鐘補償。

（4）靈活組網。5G是一個開放的網絡，面向垂直行業的應用，多場景應用對網絡的靈活性提出很高要求。5G傳送網必須足夠靈活，滿足同一張網滿足多場景業務的承載需求、充分滿足基站東西向流量的調度需求、有效利用網絡資源，足夠經濟、能夠有效與核心網和無線協同，智能運維。

（5）靈活路由。5G網絡的CU與核心網之間（S1接口）以及相鄰CU之間（eX2接口）都有連接需求，一般認為是S1流量的10～20%。如果采用人工配置靜態連接的方式，配置工作量會非常繁重，且靈活性差，因此回傳網絡需要支持IP尋址和轉發功能。

（6）網絡切片。5G網絡有3大類業務：eMBB、uRLLC和mMTC。不同應用場景對網絡要求差異明顯，如時延、峰值速率、QoS（Quality of Service，服務質量）等要求都不一樣。為了更好地支持不同的應用，5G將支持網絡切片能力，每個網絡切片將擁有自己獨立的網絡資源和管控能力。另一方面，可以將物理網絡按不同租戶（如虛擬運營商）需求進行切片，形成多個并行的虛擬網絡。

5G無線網絡需要核心網到UE的端到端網絡切片，減少業務（切片）間相互影響。因此5G承載網絡也需要有相應的技術方案，滿足不同5G網絡切片的差異化承載需求。

3 5G承載技術方案

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

3.1 SPN（切片分組網絡）

（1）SPN：切片分組網絡，采用創新的Slicing Ethernet技術和SR-TP技術的新一代傳送網絡系統，融合光層DWDM技術的層網絡技術體制，包括切片分組層（SPL）、切片通道層（SCL）、切片傳輸層（STL）三個層次。

圖2 SPN網絡架構

（2）SPL：分組轉發和路由，支持SR-TP和MPLS-TP。

（3）SCL：切片以太網支持66b塊交叉連接和E2E通道層OAM。

（4）STL：采用以太網PHY灰光接口，可選支持DWDM彩光接口。

SPN網絡采用標準的FlexE接口，擴展SE交叉、OAM和保護機制提升低時延和面向連接特性，同時引入SR-TP和SDN增強動態路由管控能力，并且用以太網灰光PAM4技術結合WDM技術實現城域網和本地網傳輸成本優化。

3.2 分組增強型OTN

分組增強型OTN網絡架構采用三級映射復用方式，通過幀結構簡化、FEC算法、芯片優化來逐步實現更低時延和更高精度同步。通過簡化OTN映射復用來優化前傳和中傳，利用ODU fl ex+FlexO提供靈活帶寬能力基礎上，新增L3和SR功能滿足5G動態連接需求。

圖3 分組增強型OTN網絡架構

從功能上來看，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；接入層采用二層統計復用以及相關的一些功能。

分組增強型OTN主要有兩個關鍵技術：

（1）融合分組處理功能，既要做以太網處理、IP/MPLS三層處理功能，還要包括提供分組業務的適配、QoS和OAM處理等功能，同時擴展支持IP/MPLS等三層協議。

（2）FlexO接口技術：是一個由一組100G/200G/400G光學PHY流組成的模塊化接口。目前已經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接口技術未來對100GbE、200GbE、400GbE通道架構和FEC結構進行部分重用，也能兼容以太網光模塊。

3.3 IP RAN網絡架構

IP RAN網絡架構分為：核心、匯聚、接入三層結構。

圖4 IPRAN網絡架構

接入層：共站址4G/5G基站統一接入A設備，接入層初期采用10GE環為主，成熟期按需可擴容到25GE/50GE。

匯聚核心層：根據實際業務量按需配置帶寬：N*10GE、50GE、100GE，未來可演進到200G和400G。

為支撐5G網絡切片需求，IP RAN方案將采用復合OIF標準的FlexE接口實現網絡硬切片，采用SR隧道技術和L3VPN實現網絡軟切片。

IPRAN關鍵技術：SDN集中管控+L3分布式動態連接組網來共同支撐整個網絡的發展。IPRAN網絡中采用SDN控制器，能夠端到端編排SR-TE隧道的路由，同時采用EVPN技術，通過擴展BGP協議應用于L3VPN跨域。

4 結束語

5G承載網總體網絡架構以及共性的業務需求逐漸清晰，形成SPN、分組增強型OTN、IP RAN這三種典型的承載方案。三大運營商需綜合考慮各自的網絡特性、業務需求、整體網絡建設成本等多方面因素搭建網絡，打造一張能滿足數據、移動、寬帶、云專線等多種業務需求的綜合業務承載網。