6G無線側相關新承載和新傳輸的愿景需求分析

牟 林 楊 立 李志軍 謝 峰

1 中興通訊股份有限公司 深圳 518057

2 移動網絡和移動多媒體技術國家重點實驗室 深圳 518057

1 6G之前RAN承載技術背景

對于任何一種移動通信系統，如何穩健高效地去承載和傳輸各類通信數據，是最基本的問題。無線接入網(Radio Access Network，RAN)的角色在移動系統無線網絡側承上啟下，一方面它面向信道環境動態變化的無線空口Air Interface，另外一方面它也面向移動通信網內部的其它各種網元節點，如相鄰基站、網關和核心網等。

在空口側，第三代合作伙伴項目(3rd Generation Partner Project，3GPP)標準化組織所制定的國際移動電信IMT-2000/Advanced/2020系統定義的無線承載(Radio Bearer，RB)機制和它相關的空口協議棧架構，已較成熟地廣泛適用于各種無線信道特征，例如：抗傳播衰減、無線衰落、干擾和多徑效應等。在空口，即使RAN基站上下行收發的仍然是IP數據包，但它并不存在數據網絡(Data Network，DN)中經典的路由和傳輸問題，因為無線空口接入段都是在基站的調度和強控制之下，解決的只是點對點的無線鏈路級問題。在RAN網絡內部(過去通?；谟芯€Wireline承載和傳輸方式)，任何網元節點之間(包括各種后程Backhaul，中程Midhaul，前程Fronthaul)接口的控制面和用戶面(也稱為轉發面)的技術體系和相關協議棧架構，早已都建立在全IP承載[1-2]基礎之上。它們和無線空口側相對隔離和解耦，并保持著獨立的設計和演進。在RAN網絡內部，存在著數據網絡DN中的路由和傳輸問題，因為RAN后程/中程/前程各段鏈路都建立在全IP網絡之上。

6G之前的各種無線接入網內承載(如eNB之間，gNB之間)最終都歸于使用全IP(戰勝了X.25、FR、ATM等承載技術)，主要得益于當年IP技術的精簡成熟，和背后強大的產業支撐力量。截至今日，也沒能出現哪種新承載技術能替代IP，而各種演進增強的變種，都是在IP框架內迭代進行，因此高速路由器一直都是電信承載網中的關鍵設備。

2 6G之前RAN傳輸技術背景

傳輸(Transport)是承載(Bearer)上一層的網絡功能，它負責監督和控制網絡鏈路上數據交換的性能和工作狀態等。5G NG-RAN相比4G LTE，無線接入網NG-RAN內的承載傳輸架構和相關協議棧并沒本質的變化。5G無線接入網NG和Xn接口所使用的協議棧，如圖1所示。

圖1 5G NG和Xn網絡接口的控制面和用戶面協議棧

在控制面協議方面，5G NG-RAN和4G LTE一樣，繼續使用了SCTP(Steam Control Transmission Protocol)傳輸協議[3]，它可用于5G NG接口(基站和核心網之間)，Xn接口(相鄰基站之間)，F1接口(gNB-CU和gNB-DU之間)，E1接口(gNB-CU-CP和gNB-CU-UP之間)。除了AP應用層協議的差別，上述各個RAN主要接口的控制面協議棧也基本一致。在用戶面協議方面，5G NG-RAN也和4G LTE一樣，繼續使用了UDP/GTPU(GPRS Tunnel Protocol User Plane)傳輸協議[4]，它可用于5G NG、Xn、F1等RAN主要接口上的用戶面。上述各個接口的用戶面協議棧也基本一致[5]，但和4G LTE中GTP-U有較大不同的是：5G對GTP-U協議頭進一步進行了有限擴展，以適應5G系統新業務服務流架構的特殊需求。由于5G NG-RAN所使用的控制面協議、用戶面協議，在承載傳輸方面和4G LTE使用的基本相同，因此4G傳輸網(Transport Network Layer，TNL)資源可以被5G網絡所重用，這對移動運營商的網絡資產保護非常有利。

SCTP是IETF組織定義規范的信令傳輸協議，最初應用于7號信令網系統，由于其針對信令傳輸的特殊設計，一直在后來的電信網絡中被延續使用。SCTP傳輸協議的特點是：提供多宿主連接、路徑選擇、耦連狀態告知、流控和擁塞機制，用作高可靠魯棒的信令傳輸。5G NG-RAN相比4G LTE，為了增強控制面信令傳輸的“通道帶寬”和“魯棒性”，采用了Multiple-SCTP的增強機制，即通過配置多條SCTP耦連給不同的用戶或信令傳輸目的，保證了信令傳輸的實時性和魯棒性。在SCTP協議之上，還可疊加配置DTLS(Datagram Transport Layer Security)協議[6]，以提供更好的傳輸安全性。在5G NG-RAN內，所有控制面信令連接都使用SCTP傳輸，當前SCTP連接暫時只支持“點對點應用消息傳輸”(即point-to-point transmission for delivering AP message)，因此信令交互的鏈路必須是點對點的，即只能從一個網元節點到另外一個網元節點，這難以適應未來6G RAN潛在被IT化和云化的特征。相比而言，在核心網側，為了更好地適應于IT化和云化，5GC核心網率先采用基于服務化架構(Service Based Architecture，SBA)，并使用了TCP/TLS/HTTP2的新傳輸協議棧[7]。由于TCP/TLS/HTTP2協議組合的缺點，IETF標準化組織目前正在研究QUIC(Quick UDP Internet Connection)協議，用來在未來替代TCP，作為HTTP協議的傳輸層協議。QUIC基于UDP傳輸，但同時融合包括TCP、TLS、HTTP2等協議特性，可很好地解決當今傳輸層和應用層面臨的各種新需求，并能提供更多的連接能力、更好的安全性和低延遲等優點。未來隨著QUIC協議進一步成熟，可預期HTTP將逐步被構建在QUIC傳輸之上，所以將來的6G核心網也傾向采用UDP/QUIC/HTTP3的新傳輸協議棧。

GTP-U是3GPP早期定義的用戶面傳輸協議，最初用在GPRS網絡節點間用戶面數據包User Packet的傳輸，并在后來的3G/4G/5G移動系統中一直被延續使用。GTP-U傳輸協議的特點是：在同一IP端到端連接上，構建點對點的隧道封裝傳輸協議，提供多路傳輸復用、路徑管理(GTP-U自己還有“帶內控制消息”用于隧道Path管理)等能力。GTP-U隧道傳輸協議從2.5G GPRS系統開始被運用，在傳統蜂窩非云化的電信網絡中非常經典。GTP-U協議一直由3GPP控制主導，可按需不斷地進行內容擴展，但也難以適應未來的云化網絡特征。如表1所示，GTP-U定義了基本的包頭封裝GTP-U Header格式，隨著后續各種網絡接口用戶面新功能和新需求的引入，又陸續定義了多種不同內容的GTP-U Extension Header，基本結構如表2所示。

表1 GTP-U Header的格式定義

表2 GTP-U Extension Header的格式定義

NOTE 0: (＊)This bit is a spare bit.It shall be sent as'0'.The receiver shall not evaluate this bit.

NOTE 1: 1)This field shall only be evaluated when indicated by the S flag set to 1.

NOTE 2: 2)This field shall only be evaluated when indicated by the PN flag set to 1.

NOTE 3: 3)This field shall only be evaluated when indicated by the E flag set to 1.

NOTE 4: 4)This field shall be present if and only if any one or more of the S,PN and E flags are set.

GTP-U是當年3GPP CT4組和3GPP RAN3組聯合制定的，具體地：CT4在TS29.281[4]中定義了GTP-U幀的數據包封裝格式、以及RAN3所要使用的容器Container格式，而RAN3在TS36.425、TS38.425、TS38.415等用戶面協議中規范了各個用戶面容器Container的具體內容和行為操作。GTP-U傳輸協議本身是緊密綁定在3GPP相關協議之上的，因此只能應用在3GPP電信網絡中。在5G技術早期研究中，某些移動運營商希望引入SRv6(Segment Routing IPv6)協議[8-9]，來實現用戶面業務數據包更靈活的傳輸，SRv6能在非點對點的云化鏈路環境下實現更好的傳輸性能。SRv6是一種基于標記的分段路由協議，基于增強IPv6，在IPv6數據包頭記載了路由標簽信息，也記錄了多跳傳輸路徑等。由于SRv6新協議對路由器芯片和硬件都有特殊要求，且對整個承載和傳輸網絡的改造升級影響較大，需做大量的硬軟件升級，CT4最終在5G階段摒棄了SRv6。從目前看，由于GTP-U傳輸協議在3GPP網絡中應用得很廣且很深(現網中2/3/4/5G都還在用)，除了幀包頭攜帶越來越多控制信息而導致信令Overhead之外，還沒有大的技術缺陷，因此目前還沒有哪個傳輸協議能挑戰GTP-U的霸主地位，后續它很大概率還會被繼續地豐富和擴充內容。如果未來6G RAN存在新的架構和部署需求，例如：將部分RAN節點的用戶面實體搬遷到云上，則會使用類似SRv6的用戶面傳輸協議，以適配部分RAN實體功能模塊被IT化和云化的特征。

3 面向6G RAN新承載和新傳輸潛在需求

面向未來6G RAN，新承載和新傳輸潛在需求的促因主要有兩點：一是來自6G RAN的潛在新架構，二是來自6G新業務應用。

首先，在6G RAN架構方面，未來6G無線架構可以采用和5G核心網類似的新架構，即共同朝著虛擬化(Virtualization)、云原生化(Cloud-Native)、服務化(Service Based)、去蜂窩簡化[10-12]的方向演變。在5G時代網絡不僅需支持移動超寬帶，還需同時對物聯網、低時延高可靠工業互聯網等新型業務支持，因此運營商希望能將網絡功能分解成許多個基礎功能和基礎服務，通過不同的場景業務模板，實現不同功能和服務的靈活組合和編排裝配，以應對各類不同場景業務的需求。另外隨著移動系統越來越復雜，對網絡彈性和低成本的需求也越來越高，而傳統基于專有硬件實現方式在設備成本和靈活彈性調整方面，都難以滿足新的部署需求，運營商希望能使用更廉價的通用硬件去替代專有硬件，通過分布式資源集群化的管理，提高設備和資源的利用率、部署靈活性和啟用算力，從系統層面降低網絡建造和運維成本。鑒于上述背景需求，在DICT融合發展背景下，電信網絡可借助于網絡功能虛擬化(Network Function Virtualization，NFV)、云化、服務化等技術，使用更通用類型的高性價比硬件(常規CPU、GPU、TPU等)來承載實現各種IT軟件化的業務功能和服務模塊，通過云化部署、集群運維的方式來管理各種設備功能和資源，獲得更高可擴展性、高動態靈活性，同時進一步降低網絡建造、運維和管理成本，為移動用戶帶來更佳業務體驗，為運營商帶來新的營收利潤增長契機。同理，未來6G RAN也會將虛擬化、云化、服務化的理念引入到無線架構(至少在空口高層協議功能方面)的實現中，例如：和已實現的SBA-CN所對位的SBARAN。RAN內各個基帶處理協議實體和模塊的云化實現，強化了對網絡分布式處理的需求和更高系統內傳輸性能的要求，因此各個分布式網元節點和協議實體之間的承載和傳輸能力都必須進一步增強。

SBA-RAN作為RAN云化的重要特征之一，它可將所有6G RAN的功能和服務徹底地解耦和分離，各個功能和服務模塊之間通過類似總線的形式串接起來，形成所謂服務功能鏈(Service Function Chain，SFC)[11-12]。更強大的承載傳輸能力是SFC能夠高效工作的基本保障，否則SBA-RAN相比過去“豎井式高集成”的傳統RAN基站毫無性能優勢可言。強大的承載傳輸能力可使得SFC接近過去傳統共站同板集成實現的效果。如果6G RAN未來也采用類似SBA的服務化架構，那么不同RAN控制面功能模塊或協議實體之間，也傾向采用TCP/TLS/HTTP2或UDP/QUIC/HTTP3新傳輸方式。因此未來6G RAN的新架構對新傳輸有著決定性作用。

其次，在新型業務應用方面，未來6G網絡中的全息通信、數字孿生、確定性業務和分布式算力協同等業務[13-14]是6G較有代表性的幾種新業務。全息通信不僅對傳輸速率有非常高的要求，還要保證低時延和低丟包率。根據現網測算，當前的承載網容量是不足以提供多路并行的全息通信的。確定性業務強調業務數據包被端到端投遞的嚴格準時可控，即所謂“嚴格監控，說到做到”，這必然對現網的承載傳輸也有相應的升級支持要求。算力協同業務強調分布式計算所帶來的大量中間臨時數據和智能交互類型數據，能以極低的延時和極高可靠性在不同基站節點之間被傳遞和交互，這也勢必需要更高性能品質的新承載和新傳輸去支持?？傊谖磥?G時代，當前傳統的老承載和老傳輸方式一定會受到較大的挑戰，不足以滿足6G RAN潛在新架構和新業務應用的需求。

4 面向6G RAN新承載和新傳輸技術發展

前面已經論述，未來6G RAN的新無線架構和新業務應用，對新承載和新傳輸都有著決定性的作用。在網絡端到端虛擬化、云化、服務化的趨勢背景下，TCP/TLS/HTTP2或UDP/QUIC/HTTP3新協議棧，和SRv6都可以成為未來6G RAN的新傳輸技術方式。

相比于傳輸(Transport)，它下層的承載(Bearer)其實更為關鍵。未來B5G、6G RAN對承載網絡的性能新需求，主要體現在傳輸容量帶寬、時延、抖動、分組丟失率等指標方面。4G LTE和5G各自對承載網絡的性能指標要求大致如圖2所示，因此從眼下的5G再到未來的6G，可按照該趨勢做相應比例的倍增考慮。過去分組傳輸網(Packet Transport Network，PTN)承載技術已被廣泛地應用，但由于PTN多項性能指標都不能滿足5G某些新業務需求，一方面業界正在繼續做都市傳輸網(Metro Transport Network，MTN)增強升級，進一步提高接口速率，另一方面以中移動為代表，正在積極牽頭制定更強大的切片分組網(Sliced Packet Network，SPN)新承載技術標準，以更好地適配端到端網絡切片功能[15]。它的核心特征是在SR-TP(Segmented Routing-Transport Profile)轉發機制中，建立雙向相同路由的端到端承載路徑。

圖2 傳統承載PTN和新承載SPN技術性能指標特點

承載網是底層物理管道，它是更偏硬件的網絡系統，因此承載網的容量帶寬等性能方面的提升擴展，主要依靠硬件的增設和升級，特別是未來高頻毫米波通信及其架構演進[16]，必然帶來更大量Front/Mid/Backhaul承載容量的新需求。例如：從10GE/40GE端口升級到100GE/200GE/400GE(1GE=1Gb/s)，必須增設和升級路由器和光纖等硬件方面。其次新功能的引入也需要升級硬件，例如：去支持SPN承載和SRv6傳輸等。不同版本能力的承載網物理設備節點，可長期地共存被聯合利用，例如：4G現網中十幾年前的承載設備都還在運行服務著。IP路由器轉發報文處理時延大約在us級別，但一旦擁塞，時延也可達ms級別甚至中間丟包。承載網時延的大頭部分在于物理鏈路的傳輸時延(例如：10km長光纜時延大約為50us)。當下的承載網絡端到端時延一般在<10ms級別，具體情況需根據物理鏈路距離和跳數以及業務負荷情況進行綜合評估。基于當前CCSA TC3下工作組的研討活動狀態，面向未來6G網絡，承載網新功能的需求大致如下：

1)客戶/業務體驗保障能力(確定性網絡DetNet)；

2)時延傳輸控制能力(不僅及時，還要能準時)；

3)海量連接管控能力(支持異構跨域的各種終端，全球泛在可達)；

4)網絡狀態感知能力(支持“感知流”)；

5)網絡人工智能能力(支持“智能流”)；

6)用戶可定義 (可編程，動態靈活部署)。

總體上看，只要承載網硬件資源配備得十分充足且功能升級到位，承載網其實不容易成為未來6G移動系統追求極致通信性能的技術瓶頸或障礙，它比無線空口接入段性能的提升相對更容易被實現，因此這塊可保持相對樂觀。

5 總結和展望

總體上，面向未來6G RAN潛在的新無線架構和新業務能力，新承載和新傳輸相關技術演進的趨勢還是比較清晰的，即：全力配合6G RAN朝著云化、服務化和IT化的方向演進，這些趨勢和6G核心網側特點有高度的對齊和融合；TCP/TLS/HTTP2或UDP/QUIC/HTTP3新協議棧，和SRv6都可以成為未來6G RAN的新傳輸技術方式。業界已開始充分地為B5G和6G“全息通信”“數字孿生”“算力網絡”和“云網一體”等重要新應用和部署場景[17]，做好了在承載和傳輸方面的新技術使能和資源預備，因此它們應能充分滿足未來6G RAN對承載和傳輸方面更高條件和性能的需求。隨著移動通信系統端到端IT化和云化的深入應用實踐，不斷增進6G無線接入網和6G核心網，在承載和傳輸機制方面的對齊融合和標準統一，有利于簡化未來IP&TNL網絡的部署運維提升效率，有利于增強它們的資源利用率和IP&TNL設備資產的壽命周期價值。持續增強提升各種新承載和新傳輸技術的應用成熟度，不斷地降低其物理成本，反過來也必將能積極促進6G RAN的SBA云化、服務化和IT化架構被標準化成型和6G新移動業務順利地商用落地。