5G承載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及技術(shù)分析

0 前言

隨著4G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模部署，5G的標準制定和關(guān)鍵技術(shù)研究也正在加速。我國IMT-2020推進組在《5G愿景與需求》白皮書中提出了5G的關(guān)鍵需求和能力指標，包括：0.1～1 Gbit/s 的用戶體驗速率、每平方千米一百萬的連接數(shù)密度、毫秒級的端到端時延、每平方千米數(shù)十Tbit/s的流量密度、500 km/h以上的移動性和數(shù)十Gbit/s的峰值速率，同時在組網(wǎng)架構(gòu)和技術(shù)方面還將引入網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）/軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）、網(wǎng)絡(luò)切片等新型技術(shù)。5G技術(shù)的新特性對承載網(wǎng)絡(luò)提出諸多挑戰(zhàn)性的需求，本文在總結(jié)5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變化的基礎(chǔ)上，對5G前傳、中傳和回傳網(wǎng)絡(luò)可能的技術(shù)解決方案進行了分析，并介紹了5G傳送技術(shù)標準化現(xiàn)狀和發(fā)展方向。

1 5G承載架構(gòu)的變化

相對于4G LTE接入網(wǎng)的BBU和RRU兩級構(gòu)架，5G RAN將演進為CU、DU和AAU 3級結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的承載網(wǎng)架構(gòu)可以分解為前傳、中傳和回傳網(wǎng)絡(luò)。

5G無線網(wǎng)、核心網(wǎng)均會朝著云化和數(shù)據(jù)中心化的方向演進。CU可以部署在核心層或骨干匯聚層，用戶面為了滿足低時延等業(yè)務(wù)的體驗則會逐步云化下移并實現(xiàn)靈活部署，為了實現(xiàn)4G/5G/Wi-Fi等多種無線接入的協(xié)同，基站的控制面也會云化集中，基站之間的協(xié)同流量也會逐漸增多。同時，邊緣計算使得運營商和第三方服務(wù)能夠靠近終端用戶接入點，實現(xiàn)超低時延服務(wù)，為了滿足這些時間敏感服務(wù)的低延遲要求，部分5G核心網(wǎng)的功能被放入移動邊緣計算（MEC）中。由于MEC承擔了5G核心網(wǎng)的部分功能，因此MEC與5G核心網(wǎng)之間的連接將是一個網(wǎng)狀網(wǎng)連接。5G承載網(wǎng)絡(luò)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化

在移動網(wǎng)絡(luò)向5G演進的同時，局端機房重構(gòu)也在進行。本地網(wǎng)內(nèi)傳統(tǒng)的局端機房逐步改造為屬地化的邊緣數(shù)據(jù)中心（DC）。同時，運營商綜合業(yè)務(wù)接入點的建設(shè)和完善，也實現(xiàn)了移動業(yè)務(wù)、固網(wǎng)業(yè)務(wù)、專線業(yè)務(wù)的統(tǒng)一接入和匯聚。隨著CU、MEC、OLT、CDN等網(wǎng)元的虛擬化，未來綜合業(yè)務(wù)接入點也將演進成一個小型DC。未來城域網(wǎng)的流量將會是以邊緣DC到綜合業(yè)務(wù)接入點之間的南北向流量，以及邊緣DC之間和綜合業(yè)務(wù)接入點之間的東西向流量為主。5G階段承載網(wǎng)的核心匯聚層也將會是一張面向統(tǒng)一承載的數(shù)據(jù)中心互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（見圖1）。

總的來看，相比4G時代以南北向流量為主的流量模型，5G時代無線和核心網(wǎng)的云化給承載網(wǎng)帶來任意流向的復雜連接，包含基站到基站之間、基站到不同層的核心網(wǎng)之間以及不同層核心網(wǎng)之間的流量備份和負載分擔等，要求承載網(wǎng)能夠提供靈活的3層連接、滿足流量就近轉(zhuǎn)發(fā)、節(jié)省傳輸資源以及保障最佳體驗的要求。

2 5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)方案分析

2.1 5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

5G承載網(wǎng)整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 5G承載網(wǎng)整體架構(gòu)

前傳網(wǎng)絡(luò)是AAU和DU之間5G承載網(wǎng)絡(luò)的一部分。前傳拓撲與DU部署的架構(gòu)相關(guān)，有2種典型的DU部署，一種是分布式DU部署，另一種是集中式DU部署。

對于分布式DU部署，一個DU只連接到附近的AAU，是一種點到多點的拓撲結(jié)構(gòu)。對于集中式DU部署，多個DU放置在同一個位置，可以使用星型和環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)連接遠端AAU，AAU和DU之間的距離小于10 km。

考慮到5G將分階段部署，第1階段非獨立組網(wǎng)（NSA），5G與現(xiàn)有的3G/4G業(yè)務(wù)之間存在互通的需求。因此，前傳網(wǎng)絡(luò)需要支持采用通用公共無線電接口（CPRI）的2G/3G/4G業(yè)務(wù)和采用下一代前傳接口（eCPRI/NGFI）的5G業(yè)務(wù)。前傳的方案目前看還是以光層為主，可以采用光纖直驅(qū)、無源WDM、N×10 Gbit/s、N×100 Gbit/s波分等。ITU目前也在討論采用簡化的OTN，增加25G/50G OTN接口用于前傳網(wǎng)絡(luò)，提供必要的性能監(jiān)測和保護等。

對于中傳和回傳網(wǎng)絡(luò)，NSA、SA、專線、固定網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心互連都應(yīng)得到支持，包括2G/3G/4G/5G無線服務(wù)、企業(yè)專線（FE/GE/10GE等）、固定網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和數(shù)據(jù)中心互連等。中傳/回傳網(wǎng)絡(luò)的規(guī)�？赡軓臄�(shù)百個節(jié)點到非常大量的節(jié)點，大型中傳和回傳網(wǎng)絡(luò)需要支持分組/IP功能，并且支持網(wǎng)絡(luò)切片、與5G網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同管控等。

2.2 5G承載技術(shù)方案分析

目前中傳/回傳解決方案主要有3種技術(shù)路線：基于分組增強的光傳送網(wǎng)（OTN），基于靈活以太網(wǎng)（FlexE）的切片分組網(wǎng)絡(luò)（SPN）和IP RAN增強方案。

2.2.1 OTN方案

OTN方案即是在分組增強型OTN設(shè)備的基礎(chǔ)上進一步增強L3路由轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)切片管控功能，并簡化傳統(tǒng)OTN轉(zhuǎn)發(fā)路徑和管理的復雜度，降低設(shè)備成本、降低時延、實現(xiàn)帶寬靈活配置，滿足5G承載的靈活組網(wǎng)需求。

OTN的L3路由轉(zhuǎn)發(fā)增強方面，通過在設(shè)備的支路板卡和線路板卡的NP（Network Processor）實現(xiàn)L3功能，設(shè)備的主控板卡負責維護全網(wǎng)的路由尋址，分段路由（SR）、以太網(wǎng)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（EVPN）等新型路由和轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)得到了較多的關(guān)注。針對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、ODU、VC這些硬管道上進行切片，也要支持在分組的軟管道上進行切片，并且與5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)管控協(xié)同，按需配置和調(diào)整。

針對OTN在5G前傳方面的應(yīng)用場景，業(yè)界也在討論輕量級的OTN標準。簡化OTN的方法包括了對OTN幀結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，線路側(cè)接口考慮采用n×25G/50G以引入低成本的光器件；改變檢錯和糾錯的機制，縮短緩存時間降低時延；在業(yè)務(wù)映射和時隙結(jié)構(gòu)方面考慮兼容3G/4G前傳的CPRI，5G的eCPRI和NGFI，以及Small Cell的回傳等。

2.2.2 SPN方案

SPN方案是基于IP/MPLS（-TP）/SR、切片以太網(wǎng)（Slicing Ethernet）和波分復用技術(shù)的新一代端到端分層交換網(wǎng)絡(luò)，可分為L0物理層、L1鏈路層、L2和L3的分組轉(zhuǎn)發(fā)層。物理層基于WDM技術(shù)，鏈路層網(wǎng)絡(luò)則基于FlexE技術(shù)，通過把OIF規(guī)范的FlexE增強為端到端的通道層，即擴展時隙交叉及信道化操作、管理和維護（OAM）、保護等技術(shù)，支持了基于FlexE的端到端組網(wǎng)，滿足網(wǎng)絡(luò)分片和低時延應(yīng)用。分組轉(zhuǎn)發(fā)層采用SDN控制的SR-TP（MPLS-TP和SR結(jié)合）組網(wǎng)，支持L3 VPN，滿足業(yè)務(wù)靈活調(diào)度要求。SPN方案在轉(zhuǎn)發(fā)層兼容PTN網(wǎng)絡(luò)的MPLS-TP技術(shù)，目標是支持現(xiàn)有PTN網(wǎng)絡(luò)向SPN的升級演進。在控制面采用IGP+SR機制，通過部署控制器實現(xiàn)統(tǒng)一分配所有網(wǎng)元的節(jié)點標識標簽。在雙向隧道創(chuàng)建上，SPN通過增加一層端到端業(yè)務(wù)標識標簽將2個單向路徑綁定成1個雙向隧道，以實現(xiàn)上、下行業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)的同路徑。在OAM功能實現(xiàn)上，SPN方案采用分層OAM架構(gòu)，在分組傳送子層重用MPLS-TP的OAM機制，在切片網(wǎng)絡(luò)層采用擴展的FlexE通道OAM機制。在保護功能上，SPN方案采用多種保護機制疊加，IGP域內(nèi)采用拓撲無關(guān)快速路由恢復、邊界節(jié)點故障采用端到端的路徑保護、業(yè)務(wù)終結(jié)節(jié)點采用快速重路由（VPN FRR）技術(shù)。

2.2.3 基于SR的IP RAN增強方案

基于SR的IP RAN增強方案，通過集中部署的控制器和轉(zhuǎn)發(fā)面的分布式控制協(xié)議實現(xiàn)更靈活的控制面功能。各網(wǎng)元間可配置自己的SR節(jié)點標簽和鄰接標簽，并通過BGP-LS上報給集中控制器，網(wǎng)元之間通過IGP-SR擴散路由信息。IP RAN方案在轉(zhuǎn)發(fā)面重用現(xiàn)有MPLS轉(zhuǎn)發(fā)機制，支持SR-TE隧道的建立。在OAM功能實現(xiàn)上，IP RAN方案支持基于BFD、LSP Ping和Traceroute的連通性檢測、故障定位和路徑查詢機制。在保護功能上，現(xiàn)有的IP RAN方案支持IGP域內(nèi)的拓撲無關(guān)快速路由恢復（TI-LFA）保護和基于L3 VPN業(yè)務(wù)的端到端保護方案。近期IP RAN方案也在開發(fā)支持OIF標準規(guī)范的FlexE接口，以適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)切片的發(fā)展需求。

5G承載的幾種方案分別基于不同的技術(shù)進行演進，基于OTN的技術(shù)方案在其面向連接的傳輸特性基礎(chǔ)上增強二層和三層轉(zhuǎn)發(fā)功能，轉(zhuǎn)發(fā)功能性能、OAM、保護功能以及國際國內(nèi)標準比較完善，但信號復用映射結(jié)構(gòu)相對復雜，需要一些簡化和優(yōu)化；基于分組化的SPN和IP RAN技術(shù)方案本身具備相對完善的二層和三層功能，需要增強的是面向連接的傳輸特性，在轉(zhuǎn)發(fā)面、OAM和保護等方面標準化和產(chǎn)業(yè)化推進尚待努力。

3 標準進展

目前，多個國際國內(nèi)標準化組織ITU-T、OIF、CPRI、IEEE、CCSA等在開展與5G承載相關(guān)的標準化工作。

ITU-T方面，5G承載標準化涉及SG15 3個工作組的多個課題組，研究內(nèi)容涉及5G傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、技術(shù)方案、網(wǎng)絡(luò)接口、SDN管控、網(wǎng)絡(luò)切片、時間同步等方面。在2017年6月的ITU-T SG15全會上，通過了《支持IMT-2020/5G的傳送網(wǎng)》（GSTR-TN5G）技術(shù)報告的立項申請，2018年2月的ITU-T SG15全會正式通過了該技術(shù)報告并確定后續(xù)5G技術(shù)標準的研究計劃，經(jīng)過中國代表團成員積極溝通和推動，在Q11正式通過了《OTN在5G傳送網(wǎng)的應(yīng)用》增補規(guī)范和《支持IMT-2020/5G傳送網(wǎng)特性》的新規(guī)范立項，這標志著ITU-T在5G傳送技術(shù)標準方面邁出了里程碑的一步。

OIF方面，F(xiàn)lexE正在進行2.0版本的標準制定，將支持200GE和400GE物理層接口、以及FlexE對頻率和時間的同步。同時OIF還在開展400ZR項目，目標是使用單波400G實現(xiàn)400GE業(yè)務(wù)80~120 km的傳輸距離。

IEEE陸續(xù)發(fā)布了25GE/50GE/100GE/200GE/400GE等一系列以太網(wǎng)接口標準，IEEE1914也正在開展新一代前傳接口及適配研究；CPRI正在開展新型前傳接口eCPRI標準化，并在2017年8月發(fā)布了eCPRI第1版標準。

中國通信標準化協(xié)會（CCSA）也正在積極開展5G承載的標準化工作，目前已經(jīng)立項多個項目包括分組增強型光傳送網(wǎng)（OTN）總體技術(shù)要求行業(yè)標準的修訂以及切片分組網(wǎng)絡(luò)（SPN）總體技術(shù)要求、N×25 Gbit/s和N×50 Gbit/s WDM等研究課題。

我國的產(chǎn)業(yè)界也成立組織或聯(lián)盟推動5G承載產(chǎn)業(yè)化。IMT-2020（5G）推進組專門成立5G承載工作組，中國信通院聯(lián)合三大運營商、四大設(shè)備商、多個芯片模塊商和儀表公司等多方力量進行5G承載需求和架構(gòu)研究、技術(shù)方案探討、標準化推進和網(wǎng)絡(luò)測試驗證；中國電信聯(lián)合中國聯(lián)通、中國信通院、華為、中興、烽火等單位發(fā)起成立下一代光傳送網(wǎng)論壇（NGOF），進行基于OTN增強的5G承載方案研究、面向5G的城域低成本光模塊研究和標準化推進工作。

4 結(jié)束語

5G RAN和核心網(wǎng)的新型架構(gòu)，5G對帶寬、時延、切片、同步等需求對承載網(wǎng)提出了新的要求，4G承載網(wǎng)需要向5G承載發(fā)展演進，業(yè)界也提出了OTN、SPN、IP RAN等不同的技術(shù)方案。國內(nèi)運營商對5G承載的需求和架構(gòu)理解上已趨于一致，技術(shù)方案上則是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和未來5G業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢自主選擇。

參考文獻：

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［6］ 中國移動通信. 5G C-RAN白皮書［EB/OL］.［2017-12-25］. http：//labs.chinamobile.com.

作者：湯瑞 趙俊峰 來源：《郵電設(shè)計技術(shù)》2018年第5期