5G承载网技术及其发展

俞兴明，刘东洋，许助勇

(1.苏州市职业大学 电子信息工程学院，江苏 苏州 215104;2.江苏通鼎宽带有限公司 技术部，江苏 苏州 215200）

1 5G技术简介

2019年6月6日，我国工信部对四大电信基础运营商发放了5G运营牌照，标志着我国5G网络大规模建设的开始。5G具有更大的容量、更高的数据速率、更低的时延、更多的连接和对业务类型进行切片等特性，因此5G的网络架构与4G有很大的不同。5G对4G的BBU与RRU功能进行了重新切分，将无线接入网（radio access network，RAN）划分为有源天线处理单元（active antenna unit，AAU）、分布单元（distribute unit，DU）和集中单元（centralized unit，CU）三部分。DU和CU功能按处理内容的实时性进行切分，DU设备主要处理物理层功能和实时性需要的层2功能，考虑节省RRU和DU之间eCPRI接口的传输资源，部分物理层功能上移至AAU实现；而CU设备主要包含非实时性的无线高层协议栈功能，同时也支持部分核心网功能的下层和边缘应用业务的部署[1]。AAU和DU之间的数据传递称为前传（front haul），前传距离为300 m～20 km；DU和CU之间的数据传递称为中传（middle haul），中传的最远距离不超过80 km；CU与核心网之间的数据传递称为回传（back haul），回传的距离在200 km以内。CU功能灵活，可与DU共址部署，也可集中云化部署在X86服务器上。5G的全网基本网络架构示意图如图1所示。

图1 5G全网基本网络架构示意图

5G就单站来说划分为前传、中传和回传，而对于整体的承载网络，总体上划分为接入层、汇聚层和核心层，前传和中传对应于接入层，回传对应于汇聚和核心层。5G前传在建设初期主要采用从DU（或DU＋CU）到AAU的光纤直驱方式，在光纤管道资源紧张时可采用无源WDM技术、有源WDM/OTN技术、WDM-PON技术或PAB-WDM技术等[2]。在接入层中，DU（或DU+CU）都连接到接入路由器（又称A设备），最多6个A设备组成一个接入环，接入环在一对区域汇聚设备（称为B设备）上进行流量汇聚，一对汇聚设备可汇聚3～10个接入环，各个汇聚环的流量再在城域汇聚设备ER上进行汇聚，然后通过省域CN2骨干传输网传输到省会设备PE，最后连接到4G核心网设备（EPC）和5G核心网设备（5GC）。由于5G网络的前传eCPRI信号一般采用透明传输的处理方式，不感知具体内容，因此前传对网络切片无需做特殊处理。中传和回传对所需的承载需求是基本类同的，本文主要论述5G的中传和回传的承载技术及未来的技术发展趋势。

2 5G承载网的传输技术

ITU为5G移动通信定义了增强移动带宽（eMBB）、超低时延高可靠通信（uRLLC）和大规模机器通信（mMTC）三大类应用场景。三大场景有很多垂直行业应用实例，对传输网的关键指标要求上也有很大差异。归纳起来，5G的承载网应满足超高的承载速率、极低的传输时延、高精度时间同步、支持网络切片和智能化等要求。据测算，5G接入层将采用50 G的带宽，城域汇聚层将采用100 G或更高速率的技术，核心层将采用N×100/200/400 G的带宽[3]。

为了提高网络的使用效率和运营维护的方便性，未来移动和固网等多种业务使用一张5G承载网是发展的趋势，所以要对目前使用的承载传输技术进行革新，以适应5G应用的统一承载要求。现在主要的承载技术有基于IP的无线接入网（IPRAN）、分组传送网（PTN）、分组增强型光传送网（OTN）、切片分组网（SPN）和无源光网络（PON）等。现就主要的承载技术在5G承载网的应用进行分析。

2.1 分组增强型OTN技术

光传送网（optical transport network，OTN）是由ITU-T定义的一种全新的光传送技术体制，是以波分复用为底层技术，在光层组织网络的传送网。它包括光层和电层的完整体系结构，定义了帧结构，实现了光交叉和电交叉，具有增强的监控开销等。OTN具有适应各种业务透明传输的能力，支持多种客户信号的封装传输。OTN作为以光为基础的传送网技术，具有大带宽、低时延等特性，能够满足5G承载需求。

5G业务中各类业务都是以IP数据包的形式来传送的，因此要求传统的OTN必须改造成具有适应IP数据包传送的功能。近年来，OTN通过采用FPGA、DSP处理器和专用芯片等专用硬件来实现对IP数据包快速成帧、压缩解压和映射的功能,通过增加以太网和多协议标记交换–流量监控（MPLS-TP）等分组交换和处理功能，使传统OTN演进到了分组增强型OTN，可以很好地匹配5G的IP化承载需求[4]。分组增强型OTN能有效实现DU传输连接中对空口MAC/PHY等的时延要求及其他敏感的功能，同时构建了DU与CU间的超大带宽和超低时延连接，有效地实现了PDCP处理的实时、高效和可靠，并能支持快速的信令接入。而且分组增强型OTN集成的WDM可以实现到郊县的长距传输，并可按需增加传输链路的带宽容量。为了满足5G承载网的中传和回传在各种业务下的灵活组网需求，分组增强型OTN已经具有增强路由转发功能，包括IP层的报文处理和转发、IPQoS、OSPF/ISIS、BGP和SR等协议。端到端的分组增强型OTN传输方案如图2所示。

图2 端到端的分组增强型OTN传输方案

2.2 PTN/IPRAN技术

分组传送网（packet transport network，PTN）是基于MPLS-TP实现的分组传送网，可用一个公式来进行表达：PTN=MPLS-TP=MPLS－L3复杂性＋OAM。可以说PTN就是按照原来SDH的思路，只保留了MPLS的面向连接和统计复用功能，其余的功能都尽量保持原SDH的技术[5]。IPRAN（IP radio access network）本意是无线接入网的IP化，即从基站（gNodeB）到核心网（5G NC）的前传、中传和回传的IP化。IPRAN和PTN技术十分相似，都是基于多协议标签交换（MPLS）为核心的承载技术，两者的最大区别是控制平面的实现方式不同，PTN的控制平面是通过网管实现的，而IPRAN的控制平面是在设备上实现的，设备之间通过各种路由协议和标签分发协议来实现选择路由和资源预留等功能。随着未来5G承载网向SDN的演进，PTN和IPRAN两者的技术方案基本趋同。基于IPRAN的5G整体网络架构如图3所示，网络上的各节点主要采用具有PTN/IPRAN功能的路由器。

图3 IPRAN网络整体架构

随着5G标准的落地和网络建设的展开，承载网需要满足更大的带宽、更灵活的组网、更低的时延和网络切片等要求。IPRAN的协议中L1层在短距离、大带宽时将用非相干光通信技术，在中长距离时用相干光通信技术。在L2层将传统的L2VPN改进为EVPN（ethernet VPN），后续根据技术的成熟，可采用EVPN L3 VPN代替基础承载方案来实现各承载协议向EVPN的统一，以简化运维[6]。在网络灵活性方面，未来IPRAN将采用分段路由（segment routing，SR）方案，在未来的IPRAN网络中，接入环核心和汇聚环分属不同的IGP域，域内节点间可自动生成FullMesh的SR–BE隧道，实现例如eX2接口的就近灵活连接功能。

2.3 SPN技术

5G承载网为适应eMBB、uRLLC和mMTC三大类应用场景的各种业务对峰值速率、时延和QoS等的不同要求，为了更好地支持不同的垂直行业应用，将实现支持网络切片能力。所谓切片分组网（slicing packet network，SPN）就是在同一个物理网络，按不同的业务类型进行切片，不同的业务占有不同的网络资源和具有不同的管控能力，形成多个并行的虚拟网络。SPN总体网络架构如图4所示[4]。图4中管理层定义不同切片的配置和模板；控制层负责网络拓扑管理和路由计算，起到SDN控制器的作用；转发层就是网络的物理管道，是SPN中被切片的对象。

图4 SPN承载网总体网络架构

SPN的层次从逻辑上来分又包括切片分组层（SPL）、切片通道层（SCL）和切片传送层（STL），分别对应实现分组数据的路由处理、切片以太网通道的组网处理和切片物理层的编、解码及DWDM光传送处理。SPN的上述三层架构实现了基于以太网的多层技术的融合。与此同时，SPN通过管控融合SDN平台，实现对网元物理资源（如转发、计算和存储等）进行逻辑抽象和虚拟化，从而形成虚拟资源，并能按需组织形成虚拟网络，呈现“一个物理网络，多种网络架构”的网络形态。SPN的关键是采用FlexE的信道化带宽隔离技术实现了低时延的技术，以及灵活连接的软件定义网络（SDN）技术等[7]。

表1 IPRAN、OTN和SPN的协议分层对比

2.4 ONT、SPN、PIN/IPRAN 传输技术的比较

比较上述三种5G中传和回传方案，传统的PTN/IPRAN技术成熟，能满足大带宽需求，建网短期成本低，但时延较长，长途传输还要OTN叠加完成，长期发展成本不具优势。适合于5G承载网的下一代IPRAN需要朝统一到SR和EVPN的方向改进。中国联通在总结其4G网络IPRAN承载网的基础上，与著名电信设备商携手成功验证了IPRAN2.0技术可以实现快速5G基站的开通，并可实现业务从MPLS LDP向SR和EVPN方向的演进。分组增强型OTN方案由全光网实现，时延小，产业链成熟，但成本较高。中国电信是我国最早的电信运营商，最早建有完整的光承载网络，因其在OTN有着多年发展，技术稳定可靠，并有成熟的体系化标准支撑，可以在已经规模部署的OTN现网上实现平滑升级，故中国电信决定采用面向移动的OTN承载方案（M-OTN），以最优成本快速满足5G承载网络的建设需求。M-OTN的核心技术采用的就是分组增强型OTN技术。SPN作为5G下一代综合承载网络技术，适用于多类应用场景，是5G时代实现在传输网络上承载多项服务的理想选择。中国移动在4G时代已经建成了大规模的PTN承载网络，但随着5G承载网在带宽、时延、网络切片、管控和同步等各方面提出了新的要求，其原有的PTN网络难以适应5G的业务承载需求，中国移动创新性地主推了SPN这一新一代的融合承载网络架构，一步到位地建成了满足5G功能需求的承载网。但应该指出目前SPN在标准、设备、芯片和测试仪表等方面都未完全成熟，产业链有待打造。IPRAN、OTN和SPN三者之间的协议分层对比如表1所示。

3 5G承载网的技术发展趋势

3.1 融合化网络

5G时代，固定宽带网与移动通信网融合是5G传送网发展的一个重要趋势。运营商需要一个统一部署、统一操作和统一运营的网络架构，接入层、承载层、核心层充分协同，有效利用网络资源，改变因多张网络并存而加重运营商成本负担的问题，从而实现“云、管、端”全业务的运营和控制。

3.2 灵活化网络

随着5G时代的到来，各种类型终端、业务需求和OTT合作模式将千差万别，未来网络基于用户、业务粒度的数据流量也将存在很大差异，需要计算和存储网络之间传输资源的灵活化调整和协同。灵活化网络需要通过SDN和NFV技术对网络功能模块进行快速建立，利用SPN调用不同的功能模块来实现个性化服务。SDN架构能实现网络控制与承载的分离，达到真正意义上的控制功能集中化；NFV在各级数据中心的部署，使通用硬件平台能实现未来5G网络中的各种功能和软硬件分离；SDN和NFV技术的使用让未来5G移动网络的云化成为可能，未来的5G承载网将是各级数据中心互联的云网络。

3.3 智能化网络

5G承载网开展带宽按需配置和调整（BoD）、光虚拟专网（OVPN）以及跨域层的大网环境下的业务快速部署、数据中心间互联带宽的自动调度和减少运营人力等，都要求网络实现智能化。5G承载网智能化管控具体有以下三方面的需求：一是端到端SDN化灵活管控，要求能够实现L0到L3网络的端到端管控，支持跨层的业务联动控制；二是网络切片的智能化管控，能够支持切片网络的自动化部署和计算，支持网络切片的按需定制，实现切片用户的隔离，并对切片网络进行智能运维；三是智能化运维，5G网络中SDN控制器系统引入智能化运维功能，提供统一的维护界面，以降低运维的复杂度，通过引入人工智能（AI）等智能化技术，对网络配置、流量、告警、操作等网络数据进行采集和分析，以实现告警快速定位、流量预测分析和网络优化等智能化运维功能。

4 结论

随着5G网络建设的逐步展开，用户需求的不断提升、网络技术的不断发展和业务智能化的不断演进，对承载网的要求也越来越高，需要承载网向更大带宽、更灵活的组网、更低时延、网络切片和智能化方向不断演进。5G网络将基于SDN架构实现控制和承载功能的分离，实现网络的灵活部署；基于NFV专用设备的虚拟化进而实现云架构网络；基于SPN将一张物理网络的逻辑切片分离成多张逻辑网络，实现多类不同应用场景的网络需求。可以说，未来的5G承载网是一张既灵活又高效，既稳定又智能的综合承载网络。