5G傳送標準進展

張源斌+楊劍+占治國+周嚴偉

摘要：5G傳送是支撐未來5G應用的關鍵技術之一，已成為近期技術研究和標準化領域的熱點。介紹了5G傳送相關的主要標準組織的進展及分析，包括：國際電信聯盟電信標準化部（ITU-T）SG15、電氣與電子工程師協會（IEEE）802.1、光互聯論壇（OIF）等，涉及了5G傳送需求，以及切片分組網（SPN）/靈活以太網（FlexE）、移動優化的光傳送網（M-OTN）/靈活光傳送網（FlexO）、時間敏感網絡（TSN）、超高精度時間同步等的相關技術方案。同時，還指出2018年將成為5G傳送標準化工作的關鍵窗口期。

關鍵詞： SPN；M-OTN；TSN；FlexE；超高精度時間同步

Abstract： 5G transmission is one of the key technologies supporting 5G applications in the future， and it has become a hot spot in the field of technical research and standardization. In this paper， the progress of the main standard organizations related to 5G transmission are introduced， including international telecommunication union standardization sector （ITU-T）， institute of electrical and electronics engineers （IEEE）， optical internetworking forum （OIF） and so on. 5G transport requirements， as well as transport solutions of slice packet network （SPN） /flexible Ethernet （FlexE）， mobile OTN （M-OTN） / flexible OTN （FlexO）， time sensitive network （TSN）， and ultra-high precision time synchronization are involved. It is pointed out that 2018 will be the key window period for the standardization of 5G transport.

Key words： SPN； M-OTN； TSN； FlexE； ultra-high precision time synchronization

1 5G傳送標準化需求研究

進展

5G時代，無線接入網（RAN）功能新的劃分，以及低時延、大帶寬、高可靠性、靈活管控、泛在連接、支持網絡切片等需求對傳送網提出了新的挑戰。隨著5G無線標準研究的深入，5G傳送的標準研究工作也迫在眉睫。5G傳送相關的技術和標準涉及多個標準組織，包括：國際電信聯盟電信標準化部（ITU-T）、電氣與電子工程師協會（IEEE）、光互聯論壇（OIF）等。

ITU-T SG15研究5G傳送的需求和解決方案，是5G承載標準研究的主戰場。2017年6月，在瑞士日內瓦召開的ITU-T SG15全會上，正式通過了《支持IMT-2020/5G的傳送網（Transport network support of IMT-2020/5G）》（GSTR-TN5G）技術報告的立項及5G傳送標準的研究計劃。這標志著ITU-T在5G傳送標準研究上邁出了關鍵一步，也是中國企業對于推動5G傳送標準研究所做的重大貢獻。2017年10月，ITU-T SG15 Q11&Q12聯合會議上，對于5G需求內容進行了廣泛和深入的討論，并形成了技術報告（TR）文稿的整體框架，目標是在2018年2月ITU-T SG15全會表決通過，并根據此需求文檔驅動針對5G承載解決方案的立項。中興通訊針對5G TR文稿提出多篇提案，積極參與到5G承載的標準化工作中，提出的5G承載網絡拓撲、網絡切片，RAN各實體接口以及它們之間的關系被采納為TR文稿的素材。在這次會議上，也有一些廠商提出了5G承載的解決方案，開始為2018年5G承載方案的立項做鋪墊。值得一提的是：此次會議為了獲取更多來自運營商的需求，舉行了一個研討會，來自AT&T、中國移動、中國電信、BT、KDDI、KPN 6個不同的運營商代表發表了對于5G的看法以及關于解決方案的考慮。AT&T認為無源光網絡（PON）優化后可以很好地滿足5G傳送的需求，中國移動提出了切片分組網（SPN）的解決方案，中國電信針對移動場景優化的光傳送網（OTN）方案提出了移動優化的光傳送網（M-OTN）的概念以及需要滿足的需求。

2 SPN/FlexE進展

2015年1月的OIF會議上，OIF正式啟動了靈活以太多（FlexE）的工程，其主要目的是擴展標準以太網接口的功能，針對的主要場景是數據中心互連，其通用結構如圖1所示[1]。

通過在傳送IEEE 802.3的協議棧媒體接入控制（MAC）層和物理編碼子層（PCS）之間增加一個靈活以太網（FlexE） shim層，FlexE提供了3種通用能力：

綁定。通過綁定多個標準以太網接口來支持更大速率業務的傳送，主要解決現有以太網中鏈路聚合（LAG）協議低效率的問題。

通道化。將多個任意比特速率的以太網數據流復用在一起，通過標準的以太網接口進行傳送。

子速率。提供一種簡單的方法用標準的以太網接口承載靈活速率的以太網數據流。

通道化強調FlexE Group的總帶寬可以按需分成多個通道，每個通道分配一個客戶，各個通道之間互不影響；子速率則強調可以傳送低于以太網物理層速率的業務。經過1年多的研究討論，FlexE IA1.0在2016年3月正式發布。endprint

2016年11月，在OIF Q4會議上，正式啟動了FlexE IA2.0技術研究的項目，主要研究內容包括：支持綁定200 GE以及400 GE以太網PHY的技術、FlexE的時間同步技術等。中興通訊積極參與了FlexE IA2.0的討論，在OIF會議上提交了多篇提案，涉及200 GE/400 GE FlexE方案、精確時間同步協議（PTP） over FlexE等主要研究點，促進了FlexE IA2.0標準的發展。經過3次會議的討論，針對FlexE IA2.0關鍵技術已達成一致意見，并形成了FlexE IA2.0 草案，針對200 GE/400 GE FlexE技術采用基于100 G FlexE交織的方案，針對PTP over FlexE采用利用FlexE復幀邊界打時戳，在FlexE段管理通道開銷（SMC）中攜帶PTP報文的方案，FlexE IA2.0已經進入到投票階段，預計在2018年第2季度正式發布[2]。

針對5G應用場景，中興通訊在OIF提出了多篇擴展FlexE功能的提案，會議討論認為這些需求可能需要啟動新的項目來研究和規范，這為在OIF中開展5G傳送研究打下了基礎。

在ITU-T組織中，2017年6月召開的ITU-T SG15全會上，中興通訊的提案《FlexE層網絡模型（FlexE layer network model）》在業界首次提出基于FlexE的層網絡模型架構，創新性地將當前僅限于鏈路的FlexE技術擴展為網絡技術，定義了FlexE通道層和FlexE段層，以及相應的交叉連接、保護和操作管理維護（OAM），為基于FlexE技術的5G承載標準研究奠定了基礎。FlexE層的網絡模型如圖2所示[3]。

FlexE層網絡模型的提出，將FlexE鏈路技術擴展為網絡層技術，從而滿足端到端承載需求，包括：

66 B path層。完成66B的交叉連接，客戶業務的OAM插入/提取，保護等。

66 B section層。與OIF定義的FlexE 1.0完全相同，完成速率適配，以及段層的OAM插入/提取、復用/解復用等。

2017年10月份的ITU-T SG15 Q11/Q12聯合會議，中國移動聯合中興通訊等單位首次提出了基于FlexE層網絡擴展技術的SPN概念。SPN網絡既可用于新的5G RAN業務承載，同時也兼顧現有的2G、 3G、4G業務，可涵蓋前傳、中傳、回傳等范圍。SPN的網絡分層架構如圖3所示[4]。

分片傳送層（STL）：基于IEEE定義的以太網 802.3 PHY， 擴展覆蓋至10～40 km甚至80/120 km的距離，灰光或彩光，非相干或相干接口。通過FlexE組的綁定機制，可以支持基于多個以太網物理層 / 波分復用（WDM）波長，從而滿足面向5G傳輸網絡要求的10～100倍的帶寬增長。

分片通道層（SCL）：提供端到端的以太網子網連接、OAM，和保護。低時延分組數據流或基于64/66 B的編碼流，通過以太網的交叉連接，可有效疏導業務而不必觸及每個分組的標簽/地址，無需分組緩沖隊列 ，無需轉發表查詢。此種以太網交叉連接也支持嵌套網絡切片服務。天然支持TDM業務，如呈現為64 / 66 B編碼流的公共無線電接口（CPRI）業務。

分片分組層（SPL）：提供數據包的轉發和路由，基于IP 多協議標記轉換（MPLS）/多協議標記轉換傳送子集（MPLS-TP）/802.1Q MAC等技術。此外，IETF正在開發的分段路由（SR）技術也可能成為SPL的應用技術之一。SPL能夠天然地支持分組業務，因此使得SPN成為了一個分組友好的體系結構，共享IP /以太網生態系統，并且友好地支持任何主流分組業務。

SPN這種分層架構，能夠很好滿足5G承載的各種需求：對分組業務的天然支持，具有以太網的經濟性，能夠提供大帶寬，能夠提供確定性的低時延，能夠提供靈活的管理和控制，支持多種業務接入，支持多高精度同步等。因此，SPN技術在未來有著良好的應用和市場前景。

3 M-OTN/FlexO進展

OTN技術結合了光域傳輸和電域處理的優勢，不僅可以提供端到端的剛性透明管道連接和強大的組網能力，而且可以提供長距離、大容量傳輸的能力，完善的OAM機制保證了業務傳送質量并使網絡便于維護管理。面對5G提出的大帶寬、低時延、海量連接等需求，OTN技術需要進行優化來更好地滿足5G時代的新需求。

在2016年9月的ITU-T SG15 全會上，就有廠商提出在Q11小組內啟動使用OTN承載無線信號的研究，號召大家提出提案討論這個話題。在隨后的Q11中間會議，中興通訊等多家廠商提出了關于OTN承載5G信號的需求以及考慮，為了深入探討這些需求以及解決方案，Q11啟動了為期兩個月的通信活動來號召各廠商參與討論，期間中興通訊輸出1篇提案，從應用場景、參考模型、業務類型、性能需求等方面描述了OTN承載5G所需要解決的問題。

2017年6月ITU-T SG15全會上，越來越多的廠商參與到5G傳送的研究中，在OTN方向上，多個成員提出了組織1個關于OTN承載5G信號的項目。針對越來越多關于承載5G信號的提案，由于這些提案涉及Q11、Q12、Q13等多個研究小組，會上決定在WP3內協調這些工作，由Q11與Q12牽頭，收集5G承載的需求，同時正式通過了《支持IMT-2020/5G的傳送網（Transport network support of IMT-2020/5G）》（GSTR-TN5G）技術報告的立項及5G傳送標準的研究計劃，將主要工作集中在TR報告的完善和表決。TR報告表決后，會驅動針對解決方案的立項，因此此次會議上關于解決方案的立項提議并未得到通過。盡管此次會議大部分提案是關于需求的，也有廠商提出了基于OTN的5G前傳解決方案，在現有的靈活光傳送網（FlexO）基礎上進行優化，在FlexO中增加時隙，減少映射復用層次，優化OTN的OAM功能，進一步滿足5G前傳苛刻的需求。endprint

2017年10月的ITU-T SG15 Q11&Q12聯合會議上，中國電信等成員提出了M-OTN的概念，以及基于FlexO技術的解決方案。針對前傳場景所提出的M-OTN網絡參考模型如圖4所示[5]。

在5G前傳場景下，為了降低時延，只需要1層的復用結構。業務信號首先映射進路徑中，路徑可以是靈活ODU、FlexO時隙等，然后所有的Path信號復用到通道中，通道可以是OTU、FlexO等。

M-OTN在未來會進一步擴展，不僅要滿足前傳低時延需求，也會考慮如何滿足中傳以及回傳靈活組網的需求，需要考慮在增強OTN分組處理能力的基礎上，增強路由轉發功能。

4 TSN進展

IEEE 802.1時間敏感網絡（TSN）研究時延敏感網絡的需求和解決方案。TSN起源于音頻視頻橋（AVB）項目，后續逐漸增加在工業和汽車行業的用例，在2012年改名成為TSN，并且在2015年Interworking 任務組和TSN任務組進行了合并。TSN 任務的目標是通過以太網提供確定性的業務，例如：確保業務傳輸是有邊界的低時延、低抖動、極少的丟包。TSN要解決的問題有：

全網同步困難，精度不高；

特定業務的時延無法確定范圍，時延抖動太大；

鏈路可靠性不高，無法保證高可靠性；

無法全網端到端的管理資源情況。

TSN的關鍵技術有：

幀搶占。

采用802.3br和802.1Qbu，將低優先級可以被搶占的數據分成較小的“區段”，讓傳輸中的高優先級的數據擁有比低優先級的數據更優先處理的順序。這意味著高優先級的數據不必等待所有的低優先級的數據完成傳送后才開始，從而確保更快速的傳輸路徑。

幀復制和消除。

采用802.1CB，用來保證丟幀率，確保關鍵流量的復本在網絡中能以不相交集的路徑進行傳送，對到達的兩份數據進行合并和刪除，從而實現無縫冗余。

流預留協議增強和性能改善。

采用802.1Qcc，用于配置TSN的流量等級，比原有流預留協議（SRP）提供了更多的增強功能。配置的方式有完全分布式，完全集中式，網絡集中式/用戶分布式。

時間片調度。

采用802.1Qbv，通過增加開關門的機制來增強傳統的調度方法，在原有系統調度基礎上增加了基于時隙的調度，確保時延敏感隊列有確定的調度時間，使時延敏感業務得到有保障的帶寬。

TSN的大部分標準制定接近尾聲，與5G傳送相關的是IEEE 802.1CM標準[6]，TSN也與CPRI組織保持著緊密的合作關系。

為了建立可以傳輸對于時間敏感的前傳數據流的網絡，802.1CM定義了子集（挑選了一系列特性，選項，配置，協議和橋接過程），終端站和局域網。標準采用profile A嚴格優先級和profile B幀搶占兩種機制來滿足需求，需要注意的是幀搶占會隨著端口速率的增加而降低效果。2017年8月，在CPRI組織發布增強的通用公共無線電接口（eCPRI）標準之后，IEEE 802.1CM也增加了eCPRI的需求和解決方案。IEEE 802.1 CM在2017年11月通過了工作組投票[7]，后續要進行贊助者投票，預計2018年上半年標準就要發布。

采用TSN的優點是以太網產業鏈成熟，部署簡單，成本也相對低；但是TSN是一個基于2層的局域網技術，適合于工業控制網絡這樣的局域網業務，對于解決廣域網上端到端確定性服務的需求還需要進一步改進和增強。隨著TSN標準的逐步完善和發布，后續將聚焦在工業自動化、車聯網、自動駕駛、遠程醫療等各個行業的應用，這些新興行業也將依托TSN完成深度的垂直整合。

5 超高精度時間同步進展

在ITU-T SG15 Q13，超高精度時間同步方面的工作主要是對增強型參考時間時鐘（增強型主參考時間時鐘（ePRTC），G.8272.1）、增強型參考時鐘（增強型同步以太網設備時鐘（eEEC），G.811.1）、增強型同步以太設備從時鐘（eEEC，G.8262.1）等的定時性能進行研究，包括頻率精度、噪聲產生、噪聲容限（漂移和抖動容限）、噪聲傳遞、瞬態響應和保持性能、接口要求等。

隨著先進長期演進技術（LTE-A）、基站協同多點傳輸（COMP）協作化、基站精細定位業務以及未來5G發展，對同步精度指標有了更高的要求，端到端指標提升為百納秒級；對主參考時間時鐘（PRTC）鎖定模式下的時間誤差和漂移要求更嚴苛，ePRTC在鎖定模式下的時間誤差應在30 ns（即max|TE|）內或更好；主參考時鐘（PRC）頻率精度（長于一周）從之前的10-11到現在提高到10-13。對于PRC和PRTC，為了適應更高精度的需求，ITU-T SG15 Q13在此基礎上進一步細化為不同的類型，例如A類主參考時間時鐘（PRTC-A）和B類主參考時間時鐘（PRTC-B），A類增強型主參考時鐘（ePRC-A）和B類增強型主參考時鐘（ePRC-B），A類增強型主參考時間時鐘（ePRTC-A）和B類增強型主參考時間時鐘（ePRTC-B），并且通過不同的時鐘組合來定義更高精度的時鐘。

對于增強型仿真模型，Q13也一直在進行仿真討論，包括a類增強型假設參考模型（eHRMa）、 b類增強型假設參考模型（eHRMb）、c類增強型假設參考模型（eHRMc）、d類增強型假設參考模型（eHRMd）這4種同步模型，4種同步模型主要針對不同數量的同步以太網設備時鐘（EEC）、eEEC、電信級邊界時鐘（T-BC）的組合模型，并且主要考慮的是SyncE和PTP同路徑的場景。在最近的會議中，有參會者提出：從現網應用來看，認為還需要考慮SyncE和PTP不同路徑的增強型模型場景，會上同意對SyncE和PTP不同路徑的場景進行仿真研究。endprint

在2017年10月的ITU-T SG15 Q13中間會議中，德電（DT）等公司提出新型、精度要求更高的cnPRTC（命名待定）[8]。提出的cnPRTC是ePRTC-B（即ePRC-B和PRTC-B組合）、eEEC和T-BC-C 結合的新型時鐘，也是一種新的增強型時鐘，跟ePRTC-B的區別是在于增加了eEEC和C類電信級邊界時鐘（T-BC-C），提出cnPRTC網絡應盡量獨立于全球導航衛星系統（GNSS），相關的網絡（即骨干網和和核心網）應該達到max|TE|<30 ns的網絡同步性能。

后續高精度時鐘同步方面會繼續對增強型時鐘的性能和實現方法繼續討論和定義，包括：ePRTC、ePRC等的實現方法。此外還會根據3GPP對于5G的需求，對更高性能的時鐘進行定義。

6 結束語

5G傳送的標準化工作已經在各個標準組織中全面展開。隨著5G需求越來越明確，5G傳送解決方案的標準化工作也會啟動。2018年將會是5G傳送標準化關鍵的一年。中興通訊也將在5G傳送標準化工作中發揮積極、重要的作用。

致謝

本文撰寫得古淵博士的幫助，古淵博士對全文架構內容方面提出了合理性建議，謹致謝意！

參考文獻

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[7] FARKAS J. DISPOSITION OF FIRST WORKING GROUP BALLOT COMMENTS ON IEEE Draft P802.1CM/D1.0[C] // Proceedings of 2017 IEEE802 plenary meeting. USA： IEEE， 2017：1-4

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