5G承載需求和技術(shù)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(yè)務(wù)體驗、服務(wù)型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和創(chuàng)新商業(yè)模式的同時，對基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)提出了多樣化的全新需求。現(xiàn)有4G LTE回傳網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)和組網(wǎng)功能已無法完全滿足5G未來新業(yè)務(wù)和新架構(gòu)的核心需求，因此5G承載技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)發(fā)展勢在必行。為適應(yīng)5G業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的新變化，5G承載需滿足三大性能指標(biāo)需求和六類組網(wǎng)功能需求。

5G承載的六類組網(wǎng)功能需求

5G承載除了需要滿足三大性能指標(biāo)需求外，還應(yīng)滿足5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變革帶來的組網(wǎng)功能方面的挑戰(zhàn)：一是通過城域接入、匯聚和核心的網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)，靈活滿足5G回傳、中傳和前傳的多層級結(jié)構(gòu)；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(tài)靈活的網(wǎng)絡(luò)連接；三是提供層次化網(wǎng)絡(luò)切片方案以滿足5G網(wǎng)絡(luò)切片需求；四是通過SDN管控架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)切片協(xié)同控制和開放的標(biāo)準(zhǔn)南北向接口，滿足智能化協(xié)同管控需求；五是支持4G和5G基站統(tǒng)一承載，或4G承載網(wǎng)和5G承載網(wǎng)的互聯(lián)互通，滿足4G/5G混合承載需求；六是推動高速光模塊的規(guī)模量產(chǎn)和開放光層互連，滿足低成本高速組網(wǎng)需求。

圖1 5G承載的多層級組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

● 多層級組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

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(xiàn)基站與核心網(wǎng)的連接，即把成千上萬的點連接成為立體網(wǎng)絡(luò)，由于5G核心網(wǎng)一般位于省干或城域核心機(jī)房，基站地域分布廣闊，因此5G承載分成省內(nèi)干線、城域核心層、匯聚層和接入層的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，靈活支持回傳、中傳和前傳三級架構(gòu)或回傳和前傳兩級架構(gòu)。由于5G核心網(wǎng)將采用云化方案部署在省干和城域核心的大型數(shù)據(jù)中心，MEC將部署在城域匯聚或更低的位置的邊緣型數(shù)據(jù)中心，因此，城域核心層將發(fā)展為5G回傳和數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（DCI）融合承載的網(wǎng)絡(luò)。5G承載的多層級組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖2 5G承載的靈活化連接需求

圖3 層次化網(wǎng)絡(luò)切片需求

圖4 5G承載的管控架構(gòu)和功能需求

● 靈活化網(wǎng)絡(luò)連接

5G核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)的云化和功能分布式部署給承載網(wǎng)帶來的最大挑戰(zhàn)是業(yè)務(wù)連接的靈活調(diào)度需求。5G核心網(wǎng)的UPF下移以后，5G基站到核心網(wǎng)元的N2和N3連接的終結(jié)位置存在差異，并且存在不同層面核心網(wǎng)元之間的網(wǎng)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(shù)據(jù)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(tài)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(xiàn)就近轉(zhuǎn)發(fā)，或通過部署L3功能到匯聚節(jié)點實現(xiàn)間接轉(zhuǎn)發(fā)。為滿足網(wǎng)狀化的動態(tài)業(yè)務(wù)連接需求，5G承載應(yīng)至少將L3功能下移到UPF和MEC的位置，根據(jù)網(wǎng)元之間不同流向的業(yè)務(wù)需求，為5G網(wǎng)絡(luò)提供業(yè)務(wù)的靈活連接調(diào)度能力，提升業(yè)務(wù)質(zhì)量體驗和網(wǎng)絡(luò)帶寬效率。

● 層次化網(wǎng)絡(luò)切片

5G網(wǎng)絡(luò)切片對承載網(wǎng)的訴求是在一張統(tǒng)一的物理網(wǎng)絡(luò)中，將業(yè)務(wù)連接和SLA相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源組織在一起，形成一個完整、自治和獨立運維的虛擬網(wǎng)絡(luò)（VN），滿足特定的用戶和業(yè)務(wù)需求，構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)包括SDN/NFV管控架構(gòu)和轉(zhuǎn)發(fā)面的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。SDN/NFV負(fù)責(zé)實現(xiàn)對資源的虛擬化抽象，轉(zhuǎn)發(fā)面的網(wǎng)絡(luò)切片負(fù)責(zé)實現(xiàn)資源的隔離和分配，從而滿足差異化的虛擬網(wǎng)絡(luò)要求。

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

● 智能化協(xié)同管控

5G承載的智能化協(xié)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(tǒng)應(yīng)支持L0到L3網(wǎng)絡(luò)的端到端管控，支持跨層的業(yè)務(wù)聯(lián)動控制。此外，還需實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的跨廠商業(yè)務(wù)端到端控制功能，以實現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速提供。

（2）網(wǎng)絡(luò)切片協(xié)同管控：5G網(wǎng)絡(luò)切片一般由5G業(yè)務(wù)編排器和核心網(wǎng)發(fā)起，攜帶切片ID和客戶SLA需求，5G承載管控系統(tǒng)應(yīng)支持與5G業(yè)務(wù)編排器或OSS系統(tǒng)之間的交互，通過開放標(biāo)準(zhǔn)的北向接口，完成自上而下的網(wǎng)絡(luò)資源編排，支持網(wǎng)絡(luò)切片的資源規(guī)劃、虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑尸F(xiàn)和性能監(jiān)測分析等功能。

（3）統(tǒng)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(xié)調(diào)統(tǒng)一，提供統(tǒng)一的維護(hù)界面和分布式數(shù)據(jù)庫，以提高網(wǎng)絡(luò)管控的效率。

（4）智能化運維：5G網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的難度越來越高，通過加強人工智能和大數(shù)據(jù)分析建模功能，對業(yè)務(wù)配置模板、網(wǎng)絡(luò)流量、告警和性能、操作等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，以實現(xiàn)告警快速定位分析和排障，流量預(yù)測分析和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)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(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)作關(guān)系，3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)定義了獨立組網(wǎng)(SA，主要是Option2等)和非獨立組網(wǎng)(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(wǎng)絡(luò)，為保持業(yè)務(wù)連續(xù)性和實現(xiàn)5G終端的雙連接特性，現(xiàn)網(wǎng)LTE基站和EPC需要升級以支持跨核心網(wǎng)的移動性。考慮到支持未來新型業(yè)務(wù)和擴(kuò)展能力，5G NR SA方案的承載網(wǎng)可新建，但需在核心層實現(xiàn)4G和5G控制網(wǎng)元之間的互通，也可結(jié)合實際需求構(gòu)建4G和5G混合承載網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。

對于NSA方案，5G和4G形成了混合網(wǎng)絡(luò)，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(yè)務(wù)，特別是低時延類業(yè)務(wù)。為了改善部分低時延類業(yè)務(wù)體驗，可以下沉核心網(wǎng)的部分功能，減少基站與核心網(wǎng)之間的傳輸時延。對于承載網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)方案。

● 低成本高速組網(wǎng)

在eMBB等大帶寬業(yè)務(wù)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(shè)備及全新高速接口的成本相對昂貴，因此對5G承載網(wǎng)絡(luò)的低成本需求逐步凸顯，尤其是在前傳和回傳網(wǎng)絡(luò)中，占據(jù)規(guī)模數(shù)量的25Gbit/s、50Gbit/s和100Gbit/s等新型光模塊以及設(shè)備的成本非常關(guān)鍵。目前業(yè)界已關(guān)注到新型光接口設(shè)備及光模塊低成本的重要性，結(jié)合應(yīng)用需求及低成本方案，已出現(xiàn)一些低成本的高速接口光模塊樣品，部分高速模塊應(yīng)用需求及典型速率接口特性見表1。隨著城域數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模建設(shè)和應(yīng)用，在城域核心和匯聚層組建開放光層互連的低成本W(wǎng)DM網(wǎng)絡(luò)的需求也將日益迫切。

表2 不用5G承載技術(shù)方案的網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)議分析

5G承載技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展趨勢

近年來，我國三大電信運營商針對5G承載技術(shù)方案均開展了創(chuàng)新性研究，結(jié)合各自網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和發(fā)展規(guī)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(jìn)的切片分組網(wǎng)絡(luò)（SPN）技術(shù)方案；中國電信的三大研究院在并行推進(jìn)IP RAN增強、M-OTN和WDM-PON等技術(shù)方案，目的是適應(yīng)未來5G不同網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景的需求；中國聯(lián)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(lián)合組網(wǎng)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(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備形態(tài)有明顯差異，但是從L0/L1/L2/L3網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分層協(xié)議的角度進(jìn)行深入分析，不同承載方案的共性技術(shù)占比越來越高，主要差異體現(xiàn)在L1的物理鏈路層是基于靈活以太網(wǎng)（FlexE）或以太網(wǎng)的物理層還是OTN，L1的TDM隧道轉(zhuǎn)發(fā)層是基于靈活以太網(wǎng)（FlexE）的切片以太網(wǎng)通道還是基于OTN的ODUflex通道，具體見表2。

不同5G承載技術(shù)方案在L1層的差異分別代表了是基于電信級以太網(wǎng)增強輕量級TDM技術(shù)的演進(jìn)思路，還是基于傳統(tǒng)OTN增強分組技術(shù)并簡化OTN的演進(jìn)路線，都具有典型的承載技術(shù)融合發(fā)展趨勢，最終能否發(fā)展壯大還依賴于產(chǎn)業(yè)鏈的健壯性和規(guī)模化效應(yīng)。隨著今后5G現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模試點開展和預(yù)商用進(jìn)程加快，5G承載技術(shù)方案還將繼續(xù)加強融合創(chuàng)新，我們希望聯(lián)合三大運營商和所有設(shè)備商共同推動我國5G承載技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)化的蓬勃發(fā)展。