5G承載需求和技術方案分析（下篇）

中國信息通信研究院|李芳 胡昌軍 徐云斌 趙文玉

5G在帶來新興業務體驗、服務型網絡架構和創新商業模式的同時，對基礎承載網絡提出了多樣化的全新需求。現有4G LTE回傳網絡的性能指標和組網功能已無法完全滿足5G未來新業務和新架構的核心需求，因此5G承載技術和網絡架構的演進發展勢在必行。為適應5G業務和網絡架構的新變化，5G承載需滿足三大性能指標需求和六類組網功能需求。

5G承載的六類組網功能需求

5G承載除了需要滿足三大性能指標需求外，還應滿足5G網絡架構變革帶來的組網功能方面的挑戰：一是通過城域接入、匯聚和核心的網絡分層結構，靈活滿足5G回傳、中傳和前傳的多層級結構；二是需要支持L3功能下移至UPF和MEC所在位置，為5G提供動態靈活的網絡連接；三是提供層次化網絡切片方案以滿足5G網絡切片需求；四是通過SDN管控架構、網絡切片協同控制和開放的標準南北向接口，滿足智能化協同管控需求；五是支持4G和5G基站統一承載，或4G承載網和5G承載網的互聯互通，滿足4G/5G混合承載需求；六是推動高速光模塊的規模量產和開放光層互連，滿足低成本高速組網需求。

圖1 5G承載的多層級組網結構

● 多層級組網結構

5G承載的主要作用是把分布在不同地域的5G宏站以及分布式的CU、DU和AAU連接起來，并實現基站與核心網的連接，即把成千上萬的點連接成為立體網絡，由于5G核心網一般位于省干或城域核心機房，基站地域分布廣闊，因此5G承載分成省內干線、城域核心層、匯聚層和接入層的組網結構，靈活支持回傳、中傳和前傳三級架構或回傳和前傳兩級架構。由于5G核心網將采用云化方案部署在省干和城域核心的大型數據中心，MEC將部署在城域匯聚或更低的位置的邊緣型數據中心，因此，城域核心層將發展為5G回傳和數據中心互聯（DCI）融合承載的網絡。5G承載的多層級組網結構如圖1所示。

圖2 5G承載的靈活化連接需求

圖3 層次化網絡切片需求

圖4 5G承載的管控架構和功能需求

● 靈活化網絡連接

5G核心網、無線接入網的云化和功能分布式部署給承載網帶來的最大挑戰是業務連接的靈活調度需求。5G核心網的UPF下移以后，5G基站到核心網元的N2和N3連接的終結位置存在差異，并且存在不同層面核心網元之間的網狀東西向流量的承載需求，如圖2所示，存在UPF與UPF間的N9連接、UPF與SMF間的N4連接、不同數據中心之間的N6連接等。此外，5G相鄰基站之間的Xn連接也屬于動態的東西向流量。為了降低時延和提高帶寬效率可部署L3功能到邊緣以實現就近轉發，或通過部署L3功能到匯聚節點實現間接轉發。為滿足網狀化的動態業務連接需求，5G承載應至少將L3功能下移到UPF和MEC的位置，根據網元之間不同流向的業務需求，為5G網絡提供業務的靈活連接調度能力，提升業務質量體驗和網絡帶寬效率。

● 層次化網絡切片

5G網絡切片對承載網的訴求是在一張統一的物理網絡中，將業務連接和SLA相關的網絡資源組織在一起，形成一個完整、自治和獨立運維的虛擬網絡（VN），滿足特定的用戶和業務需求，構建虛擬網絡的關鍵技術包括SDN/NFV管控架構和轉發面的網絡切片技術。SDN/NFV負責實現對資源的虛擬化抽象，轉發面的網絡切片負責實現資源的隔離和分配，從而滿足差異化的虛擬網絡要求。

面向5G的綜合業務承載網需提供支持軟硬隔離的層次化網絡切片方案，滿足不同類型業務的切片需求，如圖3所示。例如，uRLLC和金融政企專線等業務要求獨享資源、低時延和高可靠性，承載網絡可提供基于L1TDM隔離的網絡硬切片；eMBB的AR/VR等高清視頻業務具有大帶寬和動態突發等特點，承載網絡可提供基于L2或L3邏輯隔離的網絡軟切片。

● 智能化協同管控

5G承載的智能化協同管控需求包括以下四大方面，如圖4所示。

（1）端到端SDN管控：5G承載的管控系統應支持L0到L3網絡的端到端管控，支持跨層的業務聯動控制。此外，還需實現異構網絡環境下的跨廠商業務端到端控制功能，以實現業務的快速提供。

（2）網絡切片協同管控：5G網絡切片一般由5G業務編排器和核心網發起，攜帶切片ID和客戶SLA需求，5G承載管控系統應支持與5G業務編排器或OSS系統之間的交互，通過開放標準的北向接口，完成自上而下的網絡資源編排，支持網絡切片的資源規劃、虛擬網絡拓撲呈現和性能監測分析等功能。

（3）統一管理和控制：基于云化、虛擬化的部署方案，將管理、控制和智能運維等功能協調統一，提供統一的維護界面和分布式數據庫，以提高網絡管控的效率。

（4）智能化運維：5G網絡維護的難度越來越高，通過加強人工智能和大數據分析建模功能，對業務配置模板、網絡流量、告警和性能、操作等數據進行采集和分析，以實現告警快速定位分析和排障，流量預測分析和網絡優化等智能化運維功能。

圖5 4G和5G混合承載需求

表1 5G承載的光模塊需求分析示例

● 4G/5G混合承載

考慮到4G和5G網絡之間的協作關系，3GPP R15標準定義了獨立組網(SA，主要是Option2等)和非獨立組網(NSA，包括Option 3/3a/3x等)不同部署方案，因此提出了4G和5G混合承載需求，具體需求見圖5。

對于SA方案，5G和4G形成了兩張相對獨立的網絡，為保持業務連續性和實現5G終端的雙連接特性，現網LTE基站和EPC需要升級以支持跨核心網的移動性。考慮到支持未來新型業務和擴展能力，5G NR SA方案的承載網可新建，但需在核心層實現4G和5G控制網元之間的互通，也可結合實際需求構建4G和5G混合承載網絡，如圖5所示。

對于NSA方案，5G和4G形成了混合網絡，目前國外運營商計劃支持的較多。整體來看，基于4G升級的NG-eNB難以支持5G全業務，特別是低時延類業務。為了改善部分低時延類業務體驗，可以下沉核心網的部分功能，減少基站與核心網之間的傳輸時延。對于承載網絡而言，若運營商選擇部署NSA方案，則需要采用4G和5G混合承載的網絡方案。

● 低成本高速組網

在eMBB等大帶寬業務的推動下，5G不僅需要在回傳層采用新的N′100/200/400Gbit/s等高速光接口，并且在前傳和城域接入層也需要采用25Gbit/s、50Gbit/s和100Gbit/s等新型高速光接口，新型承載設備及全新高速接口的成本相對昂貴，因此對5G承載網絡的低成本需求逐步凸顯，尤其是在前傳和回傳網絡中，占據規模數量的25Gbit/s、50Gbit/s和100Gbit/s等新型光模塊以及設備的成本非常關鍵。目前業界已關注到新型光接口設備及光模塊低成本的重要性，結合應用需求及低成本方案，已出現一些低成本的高速接口光模塊樣品，部分高速模塊應用需求及典型速率接口特性見表1。隨著城域數據中心的大規模建設和應用，在城域核心和匯聚層組建開放光層互連的低成本WDM網絡的需求也將日益迫切。

表2 不用5G承載技術方案的網絡分層協議分析

5G承載技術和產業的融合發展趨勢

近年來，我國三大電信運營商針對5G承載技術方案均開展了創新性研究，結合各自網絡基礎和發展規劃提出了不同的候選方案：中國移動已明確5G承載將采用基于PTN演進的切片分組網絡（SPN）技術方案；中國電信的三大研究院在并行推進IP RAN增強、M-OTN和WDM-PON等技術方案，目的是適應未來5G不同網絡應用場景的需求；中國聯通考慮在5G中傳和回傳分別采用分組增強型OTN和IP RAN增強的聯合組網方案，在5G前傳采用單纖雙向的城域接入型WDM方案。

雖然不同5G承載候選方案的關鍵技術和設備形態有明顯差異，但是從L0/L1/L2/L3網絡技術分層協議的角度進行深入分析，不同承載方案的共性技術占比越來越高，主要差異體現在L1的物理鏈路層是基于靈活以太網（FlexE）或以太網的物理層還是OTN，L1的TDM隧道轉發層是基于靈活以太網（FlexE）的切片以太網通道還是基于OTN的ODUflex通道，具體見表2。

不同5G承載技術方案在L1層的差異分別代表了是基于電信級以太網增強輕量級TDM技術的演進思路，還是基于傳統OTN增強分組技術并簡化OTN的演進路線，都具有典型的承載技術融合發展趨勢，最終能否發展壯大還依賴于產業鏈的健壯性和規模化效應。隨著今后5G現網規模試點開展和預商用進程加快，5G承載技術方案還將繼續加強融合創新，我們希望聯合三大運營商和所有設備商共同推動我國5G承載技術標準和產業化的蓬勃發展。