面向5G的傳送網新架構及關鍵技術

李晗

摘要：面向5G的傳送網面臨大帶寬、低時延、網絡分片、靈活連接、高精度時間同步、組網架構變化等多方面的技術挑戰。指出了分組傳送網（PTN）、基于IP的無線接入網（IPRAN）、光傳送網（OTN）等現有技術難以完全滿足5G的長遠需求，靈活以太網（FlexE）、靈活光傳送網（FlexO）、分段路由（SR）、軟件定義網絡（SDN）等新技術為5G承載提供了新的選擇，基于25 G的光管芯也逐漸成為了高速光通信的基礎。認為5G為新的傳送網技術的引入提供了重要驅動和時間窗口，并首次提出了將切片分組網（SPN）體系架構用作5G前傳、中傳和回傳的統一承載，同時還對其關鍵技術做了介紹。

關鍵詞： 5G；傳送網；SPN

Abstract： The 5G oriented transport network faces many technical challenges， such as large bandwidth， low latency， network fragmentation， flexible connection， high precision time synchronization， and network architecture change. Current transport technologies， including packet transport network （PTN）， IP radio access network （IPRAN）， and optical transport network （OTN）， are difficult to fully meet the long-term needs of 5G. New technologies including flexible Ethernet （FlexE）， flexible OTN （FlexO）， segment routing （SR）， and software defined networking （SDN） have provided new choices for 5G transport. The 25 G-based optical chip has gradually become the basis for high-speed optical communications. 5G will provide an important driving force and time window for new transport technologies. The 5G transport network is divided into three scenarios， including fronthaul， mid-haul and backhaul， which unified by slicing packet network （SPN） architecture. In addition， the key technologies of SPN are introduced.

Key words： 5G； transport network； SPN

1 現有傳送網技術無法完全

滿足5G傳送網需求

面向5G承載的傳送網面臨多方面挑戰，如：無線接入網絡（RAN）架構變化、更高的帶寬需求、更低的時延、網絡分片、更高的時間同步等。現有技術包括：分組傳送網（PTN）、基于IP的無線接入網（IPRAN）、光傳送網（OTN）等都無法完全滿足5G的需求，需要新的技術體制[1-3]。

1.1 5G RAN架構變化

在3GPP的5G標準中，5G RAN從功能角度劃分為了集中單元（CU）和分布單元（DU）兩級架構，傳送網也相應分為前傳、中傳、回傳，并且所需傳送功能及業務需求各不相同[4]。同時由于CU與DU是邏輯網元，可分開或一體化部署，所以中傳、回傳并沒有嚴格的物理界限，需統一承載。此外，隨著移動邊緣計算（MEC）的引入，網絡切片和核心網中將部署網絡功能虛擬化（NFV）。這種新模式將使傳輸網絡成為云和數據中心之間的網狀網，而不再只是提供傳輸服務。因此需要新的傳輸技術和網絡架構來適應5G時代的架構轉型。

1.2 5G移動傳送網的超大帶寬增長

一方面，隨著4K高清、增強現實（AR）、虛擬現實（VR）、物聯網等業務的快速增長，流量急劇增長，傳送網絡需要更大的帶寬；另一方面，5G基站的峰值帶寬將增長10倍以上，接口速率較4G將增長10～100倍。這些需求驅動移動傳輸網絡引入新的比特率系統。在接入層，比特率將從100 M提至1 GE，再到50 GE/100 GE；在匯聚層，將從10 GE增長到100 GE/400 GE，在密集地區，匯聚層峰值甚至可達到太比特量級。提高物理端口速率是選擇之一，更高效率的鏈路聚合也是很必要的補充技術。

1.3 5G移動傳送網中的嚴格低時延

要求

第3代合作伙伴計劃（3GPP）在超可靠低時延通信（uRLLC）場景中定義了多種服務，主要特點是低誤碼率、低延遲和確定性延遲。這些時間敏感業務可能需在移動傳送網中保持亞毫秒級時延。因此，5G傳送網時延要求越來越苛刻，較4G需降低10～100倍。盡管可挖掘出現有設備/芯片的所有潛力，但現有傳輸技術的上限還無法滿足這類業務的需求。

1.4 網絡靈活性需求

5G核心網網關（GW）下沉、MEC下沉、物聯網GW下沉；另外，5G轉變為以云為中心進行網絡構架，網絡流量流向轉為多點到多點。因此要求5G傳送網能夠提供靈活連接。

1.5 5G移動傳送網網絡切片需求

5G傳送網需要支持無線、集客、家庭寬帶上聯等業務，同時需支持增強型移動寬帶（eMBB），大規模機器類通信（mMTC）和uRLLC多種業務類型，這些業務具有不同特性，如：時延、帶寬、連接數量、可靠性等。網絡應根據不同服務的特點提供隔離、功能剪裁及網絡資源分片，且每個網絡切片可擁有獨立的網絡資源和管控能力，現有技術無法實現這些功能。endprint

1.6 5G傳送網超高精度時間同步需求

4G基站間時間同步精度要求是±1.5 us，5G如果考慮基本空口需求，超短幀情況下，時間同步精度需求預計在±390 ns；考慮基站間協作化等增強屬性不在全網要求，預計在±130 ns左右；考慮局部5G支持的新業務（如基站定位），預計在±10 ns左右。相比3G/4G，時間同步精度需求提高10倍以上，現有同步技術無法滿足。

2 SPN技術架構更適合5G傳送網應用

2.1 5G傳輸網端到端架構

5G標準提出了CU和DU的分離，使得傳送網絡分為3部分：前傳網絡（Fronthaul，即遠端射頻單元（RRU）到DU之間的網絡）、中傳網絡（Mid-haul，即DU到CU之間的網絡）、回傳網絡（Backhaul，即CU到核心網之間的網絡），如圖1所示。這3部分可以根據業務需求動態地定位到網絡中，而每個部分對時延、帶寬等都有不同的要求。CU和DU的兩級架構，從應用場景以及部署場景來看，前傳、中傳、回傳網絡在地理位置上是相互重疊的，光纖和機房資源是共享的，且面向分組的網絡是首選，這3個部分網絡的實現可采用統一的具有分片功能的傳輸技術來實現，以滿足其對帶寬、時延以及業務模型等方面的需求。針對前傳、中傳以及回傳網絡，采用相同的傳輸技術，有助于靈活地進行端到端業務的統一控制、管理與維護。

在5G部署初期基站為低頻段組網， CU和DU采用合設的方式，RRU采用分離方式；在熱點區域部署高頻站進行覆蓋， CU與DU會采用分離的方式以實現統一錨點。在5G部署后期時，會采用高頻站組網，傳統DU與RRU之間增強通用公共無線電接口（eCPRI）不能滿足流量需求，因此DU與RRU采用合設的方式，CU可采用小集中或大集中的方式。

（1）前傳網絡

前傳網絡是RRU和DU之間的網絡，是5G移動傳輸網絡的一部分。 前傳網絡符合低延遲要求，且支持eCPRI。由于每個RRU只屬于一個DU，因此采用點對點的業務模型。由于DU距離RRU較近，主要采用光纖直驅的方式，少量采用有源設備的方式。RRU和DU之間的距離在2～5 km之間。

（2）中傳網絡

中傳網絡是指DU與CU之間的網絡，也是5G移動傳輸網絡的一部分。 中傳網絡為非實時業務提供合理的低時延，并且支持統計復用。在CU集中部署時， 需要考慮負載分擔以及容災需求，因此DU與CU之間需要支持多點到多點業務模型。設備調制之后對中傳網絡會有統計復用需求，與回傳網絡的需求類似。DU和CU之間的距離大約是在10～40 km之間。

（3）回傳網絡

回傳網絡是指CU與核心網之間的網絡，是5G移動傳送網絡的一部分。密集波分復用（DWDM）技術是滿足日益增長的帶寬需求的可行性技術。在5G時代，MEC需要部署到CU這一側，因此要求回傳網絡能夠提供靈活的網絡連接，并支持統計復用，其采用的是點對多點的業務模型。CU與核心網之間的距離可能大于80 km。

2.2 5G 傳輸網優選SPN技術架構

目前，業界主要有3種面向5G承載的技術方案，分別為：L3 OTN、升級PTN/IPRAN over OTN、切片分組網（SPN）。L3 OTN方案通過改造OTN支持靈活光傳送網（FlexO）功能，實現靈活帶寬能力，并新增L3功能，包括統計復用、橫向轉發、虛擬專用網（VPN）等，滿足5G對高效和靈活連接的需求，新的OTN方案需要新芯片滿足低時延和高精度時間同步需求。升級PTN/IPRAN over OTN方案是通過兩套設備來滿足新的需求，同時為滿足大容量、低時延、高精度時間同步， PTN、IPRAN和OTN都要求新平臺，新設備，并通過硬件升級支持靈活以太網（FlexE）、分段路由（SR）、軟件定義網絡（SDN）。SPN融合以太網和時分復用（TDM）技術優勢，既保證高效承載，又保證安全性和業務質量，支持切片能力；同時引入面向傳送的分段路由技術（SR-TP）和SDN實現新型動態路由能力；并在新的光層技術實現中長距離的成本優化。3種方案都需要芯片，設備方面的革新，并非簡單升級就能支持。通過分析，方案的SPN是基于通用的以太網網絡進行TDM切片創新，通過支持面向傳送的以太網分片技術（SE-TP）實現連接，交換和監測等方面高效傳輸，并新增SR-TP支持靈活連接和SDN統一管控，能滿足端到端5G傳輸要求。SPN基于高性價比的以太網產業創新構建，通過一套設備實現傳輸，滿足多樣傳輸需求，更易于管控運維，同時兼容已有的PTN傳輸網絡，是滿足5G傳輸的優選方案。

3 SPN融合多項創新技術

形成新一代傳送網體制

針對上述5G傳輸網絡面臨的挑戰，SPN系統在帶寬、時延、靈活連接、分片、時間同步和統一管控上采用了多項創新關鍵技術，能夠滿足5G業務要求。

3.1 切片分組網架構

SPN采用創新的以太網分片技術（SE）和SR-TP技術，并融合光層DWDM技術的層網絡技術體制。SPN總體結構見圖2，層次包括：

切片分組層（SPL）：實現分組數據的路由處理。

切片通道層（SCL）：實現切片以太網通道的組網處理。

切片傳送層（STL）：實現切片的物理層編、解碼，以及DWDM光傳送處理。

3.2 切片分組網關鍵技術

3.2.1 大帶寬技術

根據5G頻譜（100 M， 64T/64R）對基站帶寬需求測算，接入環帶寬達到25 G以上，匯聚環接近80 GE，核心環帶寬超過110 G，對新型以太端口的需求越來越高。對于5G傳輸網，大部分接入環帶寬需升級到50 GE，少部分甚至需要提升到100 GE，匯聚環會出現超100 GE的需求，核心環需要N ×100 GE或者N ×200 GE，甚至N ×400 GE等更大的帶寬。因此，核心和匯聚層需引入彩光方案，接入層考慮采用高速的灰光接口技術。endprint

對匯聚核心層的傳輸通路，考慮使用彩光方案，基于25 G/50 G非相干DWDM和100 G/200 G相干DWDM的技術，可根據性價比選擇。接入層考慮灰光方案，使用50 GE的4 級脈沖幅度調制（PAM4）或者100 GE的PAM4滿足帶寬需求。對于前傳，在光纖受限時，可考慮簡化的基于波分復用（WDM）的SPN設備，實現多業務、多接口的匯聚，實現前傳、中傳和回傳的統一承載。

目前高速以太網端口基本光管芯分為單波10 G非歸零碼（NRZ）和25 G NRZ兩種。基于10 G光電器件平臺，主要有10 GE和40 GE兩種以太網接口。下一代的ETH端口將基于25 G光電器件平臺，實現25 GE端口，并通過PAM4電調制和前向糾錯（FEC）實現50 G/Lane的數據端口，由于PAM4與FEC技術均使用電層技術實現，50 GE接口單吉比特性價比優于25 GE接口。同樣在50 GE的基礎之上，使用2λ、4λ模式，實現100 GE、200 GE接口光模塊，其中200 GE的成本構成與100 GE的相當，單吉比特性價比則優于100 GE。而對于400 GE，總共使用8λ，實現400 GE光模塊。

3.2.2 低時延技術

5G的uRLLC業務和CU/DU的部署都對時延提出了新的挑戰。傳輸網絡的時延，主要由兩部分組成：設備時延和設備間的光纖傳輸時延。設備時延是指設備轉發數據時產生的時延，光纖傳輸時延是與傳輸距離相關。設備轉發時延通過使用新的SPN實現，在物理層上基于時隙進行轉發處理，能大幅降低設備處理時延，并且通過使用大速率接口組網，從現在的GE/10 GE 到 50 GE/100 GE/400 GE，增加了設備的轉發速率，降低了時延。光纖傳輸時延的降低主要通過降低光纖鏈路的長度來實現，包括了MEC或者GW部署位置下沉使得業務端到端的距離減少，并且在轉發調度層面通過SDN的全局智能管控，實現最短路徑的查找，使光纖傳輸距離降低。

3.2.3 靈活連接技術

對于5G業務來說，流量流向更趨多樣化，不僅有傳統的南北向流量，東西向流量也會更加的普遍和重要，因此需要靈活連接技術來滿足。SR是一種隧道技術，SR-TP引入了面向連接的隧道技術，提升了SR通道的管控能力，實現電信級的操作維護管理（OAM）和保護。SR隧道通過首節點的標簽棧來控制網絡中的傳輸路徑，基于SDN控制器算路，各轉發設備通過內部網關協議（IGP）收集域的SR信息，再結合IGP拓撲信息，通過邊界網關協議-域內鏈路狀態（BGP-LS）發給SDN控制器，計算出到達各轉發設備的SR轉發表項并下發至轉發設備，通過配置隧道策略，將流量封裝入SR隧道轉發。

3.2.4 網絡分片技術

5G的3種典型業務以及專線、家寬等多樣性的業務要求其提供不同類型的管道，通過硬管道分片和軟管道分片的結合，可以更好地滿足業務要求。

傳輸網絡需要支持硬隔離和軟隔離，基于SPN的SE技術，在轉發層面提供了一條基于時分鏈路的硬隔離管道，加上傳統的VPN與服務質量（QoS）結合實現的軟隔離管道，實現不同緯度的網絡轉發分片支持。網絡分片要求網絡實現業務端到端的隔離，從管理面、控制面到轉發面實現隔離，并利用協同器O將無線、核心網及傳輸聯動起來。

3.2.5 超高精度時間同步技術

5G無線空口對于時間同步提出更高要求，對于傳輸網提出了±200 ns的時間同步要求，因此這要求時間服務器和終端時延精度達到±50 ns，設備時延精度達到±5 ns。

高精度時間同步主要包括超高精度時鐘源和超高精度的時間傳送技術。

超高精度時鐘源包括：（1）衛星接收技術。通過共模共視或者雙頻段接收等降低衛星接收噪聲， 擬在近期進行測試驗證，需要升級衛星接收模塊。（2）高穩定頻率源技術。單一時鐘過渡到時鐘組，提高丟失衛星的時間保持精度，目前正在研究開發銣鐘組方案。

時間服務器跟蹤衛星，性能可從100 ns提升到30 ns。超高精度的時間傳送技術通過優化接口時間戳處理，1 588時間同步協議演進和單纖雙向改進鏈路對稱性來改進設備的傳輸時間同步精度。

3.2.6 SDN統一管控技術

SDN統一管控是5G傳輸的必選項，并將納入到整個編排管理中，實現南向、北向接口開放。

SDN可以概括為網絡集中控制、設備轉發/控制分離和網絡開放可編程。如圖3所示，SDN定義了業務協同層、網絡控制層和設備轉發層的3層架構，提升網絡可編程能力，標準的南向和北向接口實現全網資源高效調度，提供網絡創新平臺，增強網絡智能。

域控制器分別管控一個域內的設備和連接，域之間通過超級控制器來管理調度，再通過協同器實現不同領域的業務編排以及業務端到端的管控。

4 SPN可與PTN構建互聯

互通網絡實現4G/5G

融合組網

SPN和PTN都是基于以太網數據包傳輸的網絡架構，SPN基于以太網技術進行增強和完善，主要包括：以太網層引入切片以太網技術SE-TP，轉發層采用靈活的分段路由技術SR-TP，控制層采用SDN，同時引入大帶寬的以太網接口，進行更高精度的時間同步。

如圖4所示，面對5G需求，需要新建SPN平面來為5G的所有功能提供承載服務，同時為支持4G/5G業務協同，SPN需要能和PTN進行融合組網。在轉發層面，SPN和PTN通過L3層VPN互通，實現業務層面的互聯互通。在控制面升級支持SPN與軟件定義分組傳送網（SPTN）的控制器，以實現跨PTN與SPN的資源調度及協同。

5 結束語

下一代網絡的發展對于傳輸網絡提出了新的需求和挑戰，需要新的傳輸體制。SPN是面向5G的新傳輸網技術體制，其轉發面基于 SR-TP over SE over DWDM，控制面采用SDN，分別在物理層、鏈路層和轉發控制層采用創新技術，同時在光層采用低成本高速模塊，能夠滿足5G及未來傳輸網絡需要，是更適合的5G傳送網技術。

參考文獻

[1] 李正茂. 通信4.0[M]. 北京： 中信出版社， 2016

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[4] 3GPP Release 14. Study on New Radio Access Technology： Radio Access Architecture and Interfaces： TR 38.801[S]. 3GPP， 2017endprint