5G承載架構的變化及5G傳送技術標準化現狀與發展方向分析

0? 前言

隨著4G 網絡的規模部署，5G的標準制定和關鍵技術研究也正在加速。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密度、毫秒級的端到端時延、每平方千米數十Tbit/s的流量密度、500 km/h以上的移動性和數十Gbit/s的峰值速率，同時在組網架構和技術方面還將引入網絡功能虛擬化（NFV）/軟件定義網絡（SDN）、網絡切片等新型技術。5G技術的新特性對承載網絡提出諸多挑戰性的需求，本文在總結5G承載網絡架構變化的基礎上，對5G前傳、中傳和回傳網絡可能的技術解決方案進行了分析，并介紹了5G傳送技術標準化現狀和發展方向。

1? 5G承載架構的變化

相對于4G?LTE接入網的BBU和RRU兩級構架，5G RAN將演進為CU、DU和AAU 3級結構，相應的承載網架構可以分解為前傳、中傳和回傳網絡。

5G無線網、核心網均會朝著云化和數據中心化的方向演進。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務的體驗則會逐步云化下移并實現靈活部署，為了實現4G/5G/Wi-Fi等多種無線接入的協同，基站的控制面也會云化集中，基站之間的協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能夠靠近終端用戶接入點，實現超低時延服務，為了滿足這些時間敏感服務的低延遲要求，部分5G核心網的功能被放入移動邊緣計算（MEC）中。由于MEC承擔了5G核心網的部分功能，因此MEC與5G核心網之間的連接將是一個網狀網連接。5G承載網絡的整體架構如圖1所示。

圖1 5G承載網絡架構的變化

在移動網絡向5G演進的同時，局端機房重構也在進行。本地網內傳統的局端機房逐步改造為屬地化的邊緣數據中心（DC）。同時，運營商綜合業務接入點的建設和完善，也實現了移動業務、固網業務、專線業務的統一接入和匯聚。隨著CU、MEC、OLT、CDN等網元的虛擬化，未來綜合業務接入點也將演進成一個小型DC。未來城域網的流量將會是以邊緣DC到綜合業務接入點之間的南北向流量，以及邊緣DC之間和綜合業務接入點之間的東西向流量為主。5G階段承載網的核心匯聚層也將會是一張面向統一承載的數據中心互聯網絡（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時代無線和核心網的云化給承載網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之間以及不同層核心網之間的流量備份和負載分擔等，要求承載網能夠提供靈活的3層連接、滿足流量就近轉發、節省傳輸資源以及保障最佳體驗的要求。

2? 5G承載網絡架構和技術方案分析

2.1? 5G承載網絡架構分析

5G承載網整體架構如圖2所示。

圖2 5G承載網整體架構

前傳網絡是AAU和DU之間5G承載網絡的一部分。前傳拓撲與DU部署的架構相關，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構。對于集中式DU部署，多個DU放置在同一個位置，可以使用星型和環型拓撲結構連接遠端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（NSA），5G與現有的3G/4G業務之間存在互通的需求。因此，前傳網絡需要支持采用通用公共無線電接口（CPRI）的2G/3G/4G業務和采用下一代前傳接口（eCPRI/NGFI）的5G業務。前傳的方案目前看還是以光層為主，可以采用光纖直驅、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接口用于前傳網絡，提供必要的性能監測和保護等。

對于中傳和回傳網絡，NSA、SA、專線、固定網絡和數據中心互連都應得到支持，包括2G/3G/4G/5G無線服務、企業專線（FE/GE/10GE等）、固定網絡服務和數據中心互連等。中傳/回傳網絡的規模可能從數百個節點到非常大量的節點，大型中傳和回傳網絡需要支持分組/IP功能，并且支持網絡切片、與5G網絡的協同管控等。

2.2? 5G承載技術方案分析

目前中傳/回傳解決方案主要有3種技術路線：基于分組增強的光傳送網（OTN），基于靈活以太網（FlexE）的切片分組網絡（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設備的基礎上進一步增強L3路由轉發和網絡切片管控功能，并簡化傳統OTN轉發路徑和管理的復雜度，降低設備成本、降低時延、實現帶寬靈活配置，滿足5G承載的靈活組網需求。

OTN的L3路由轉發增強方面，通過在設備的支路板卡和線路板卡的NP（Network Processor）實現L3功能，設備的主控板卡負責維護全網的路由尋址，分段路由（SR）、以太網虛擬專用網絡（EVPN）等新型路由和轉發技術得到了較多的關注。針對5G網絡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網絡實現管控協同，按需配置和調整。

針對OTN在5G前傳方面的應用場景，業界也在討論輕量級的OTN標準。簡化OTN的方法包括了對OTN幀結構進行優化，線路側接口考慮采用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；在業務映射和時隙結構方面考慮兼容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（Slicing Ethernet）和波分復用技術的新一代端到端分層交換網絡，可分為L0物理層、L1鏈路層、L2和L3的分組轉發層。物理層基于WDM技術，鏈路層網絡則基于FlexE技術，通過把OIF規范的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，支持了基于FlexE的端到端組網，滿足網絡分片和低時延應用。分組轉發層采用SDN控制的SR-TP（MPLS-TP和SR結合）組網，支持L3?VPN，滿足業務靈活調度要求。SPN方案在轉發層兼容PTN網絡的MPLS-TP技術，目標是支持現有PTN網絡向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統一分配所有網元的節點標識標簽。在雙向隧道創建上，SPN通過增加一層端到端業務標識標簽將2個單向路徑綁定成1個雙向隧道，以實現上、下行業務轉發的同路徑。在OAM功能實現上，SPN方案采用分層OAM架構，在分組傳送子層重用MPLS-TP的OAM機制，在切片網絡層采用擴展的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域內采用拓撲無關快速路由恢復、邊界節點故障采用端到端的路徑保護、業務終結節點采用快速重路由（VPN FRR）技術。

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發面的分布式控制協議實現更靈活的控制面功能。各網元間可配置自己的SR節點標簽和鄰接標簽，并通過BGP-LS上報給集中控制器，網元之間通過IGP-SR擴散路由信息。IP RAN方案在轉發面重用現有MPLS轉發機制，支持SR-TE隧道的建立。在OAM功能實現上，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，現有的IP RAN方案支持IGP域內的拓撲無關快速路由恢復（TI-LFA）保護和基于L3 VPN業務的端到端保護方案。近期IP RAN方案也在開發支持OIF標準規范的FlexE接口，以適應5G網絡切片的發展需求。

5G承載的幾種方案分別基于不同的技術進行演進，基于OTN的技術方案在其面向連接的傳輸特性基礎上增強二層和三層轉發功能，轉發功能性能、OAM、保護功能以及國際國內標準比較完善，但信號復用映射結構相對復雜，需要一些簡化和優化；基于分組化的SPN和IP RAN技術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，在轉發面、OAM和保護等方面標準化和產業化推進尚待努力。

3? 標準進展

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

ITU-T方面，5G承載標準化涉及SG15 3個工作組的多個課題組，研究內容涉及5G傳輸網絡架構、技術方案、網絡接口、SDN管控、網絡切片、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》（GSTR-TN5G）技術報告的立項申請，2018年2月的ITU-T SG15全會正式通過了該技術報告并確定后續5G技術標準的研究計劃，經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傳送網的應用》增補規范和《支持IMT-2020/5G傳送網特性》的新規范立項，這標志著ITU-T在5G傳送技術標準方面邁出了里程碑的一步。

OIF方面，FlexE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400GE業務80~120 km的傳輸距離。

IEEE陸續發布了25GE/50GE/100GE/200GE/400GE等一系列以太網接口標準，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月發布了eCPRI第1版標準。

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

我國的產業界也成立組織或聯盟推動5G承載產業化。IMT-2020（5G）推進組專門成立5G承載工作組，中國信通院聯合三大運營商、四大設備商、多個芯片模塊商和儀表公司等多方力量進行5G承載需求和架構研究、技術方案探討、標準化推進和網絡測試驗證；中國電信聯合中國聯通、中國信通院、華為、中興、烽火等單位發起成立下一代光傳送網論壇（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。