5G承载网络演进方案研究
程思远 罗成
【摘 要】介绍了5G承载的需求和网络演进原则，分析比较了5G承载网络的三种演进方案，即分组增强型OTN方案，基于IP RAN的升级方案，切片分组网，最后介绍了5G承载基于SDN的远期演进目标。
5G承载；IP RAN；切片分组网
1 5G承载网络的需求
5G网络和4G网络在关键性能指标上存在较大差异，这就对5G承载网络的带宽、时延、组网灵活性等各个方面都提出了新的需求。
1.1 带宽需求
基站前传带宽取决于无线频谱带宽、频谱效率、天线数等参数，以单个5G基站为例，在3.5 GHz按照100 MHz频谱带宽计算，低频单站的峰值带宽需求将达到5 Gb/s，均值带宽需求在3 Gb/s。高频站点可用的频谱带宽达800 MHz，单站的峰值带宽需近20 Gb/s。
考虑高低频共站的情况，5G前传带宽需求将达
25 Gb/s[1]。5G承载网端口带宽需求与4G对照如表1所示：
1.2 低时延需求
5G承载网络的回传时延指标也很苛刻。3GPP（TR38.913）定义eMBB端到端时延是10 ms，uRLLC端到端时延是1 ms，再根据表2所示空口、前传与中传的时延需求，以及核心网处理时延，预留给回传网络的时延指标约为100 μs～150 μs，所以承载网络还需充分考虑设备多跳的传输时延。
1.3 组网灵活需求
5G网络DU/CU的部署可依据业务应用场景的不同以及机房、光纤、距离等条件的不同，而采用不同的部署方式。作为基础配套的5G承载网络，需具备灵活适配各种基站部署方式的能力。另外5G网络的其他流量也丰富多样，如DU之间的CoMP协同流量、相邻CU之间eX2横向流量、核心网云化互联的流量等，需要5G承载网络具备灵活的路由转发能力。因此承载技术的灵活性将作为5G承载演进方案的重要考虑因素[2]。
1.4 网络切片需求
5G网络将提供丰富多样的应用场景，而这些应用场景有着不同的性能指标要求，难以通过一张物理网络来满足，于是需要5G网络支持端到端的切片管控和承载，以保障业务得到满足需求的差异化服务。基于网络切片的架构将是对5G承载网的基础能力要求[3]。
2 5G承载网演进原则
面对这些需求，在研究5G的承载网的演进方案时，还应考虑以下原则：
（1）优化组网。通过架构和新技术的优化降低网络建设成本，提高网络灵活性，同时适应三大业务的发展和网络指标的需求。
（2）资源协同。关键技术和演进方案的选择，需要充分利用光缆网、机房等基础设施及承载设备等现有资源，需基于经济性比较，以实现低成本快速演进和部署[4]。
（3）网络智能。网络应具备全网智能编排调度的能力，能够快速进行业务的优化调整，满足快速响应业务路由变化和调度的能力。
3 5G承载演进方案
目前运营商主要有三种5G承载网络的演进方案。分别是：（1）分组增强型OTN方案；（2）基于IP RAN的升级方案；（3）切片分组网。
3.1 分组增强型OTN方案
分組增强型OTN通过改造现有OTN，在其面向连接的传输特性基础上增强二层和三层相关功能，如统计复用、横向转发、VPN、OAM和保护功能等，满足5G对带宽、高效承载和灵活连接的需求。
针对5G网络端到端切片管理的需求，OTN传送平面需支持在波长、ODU、VC这些硬管道上进行切片，也要支持在分组的软管道上进行切片，并且与5G网络实现管控协同，按需配置和调整。
但是分组增强型OTN技术方案信号复用映射结构相对复杂，需要进行一些简化和优化。2018年1月在ITU-T SG15会议上，中国电信主导的面向移动承载优化的OTN——M-OTN（Mobile-Optimized OTN）是一种分组增强型OTN。该方案满足5G承载现阶段前传等部署需求，针对C-RAN场景，M-OTN能支持50G和100G光模块，在业务映射和时隙结构方面兼容3G/4G前传的CPRI、5G的eCPRI[5]等。具体应用模型如图1所示。
目前M-OTN点到点至少支持10 km，环网支持20 km，未来随着PAM4等新型调制方式的成熟和应用，在25G甚至50G的单波长速率上实现40 km以上的长距离传输。M-OTN采用单级复用、更灵活的时隙结构、简化的开销，还可以满足5G中传和回传需求，亦可用于城域网的点对点的应用和DCI业务。
3.2 基于IP RAN的升级方案
基于IP RAN的升级方案是以4G IP RAN回传网架构为基础，根据业务发展情况逐步扩容升级，并引入SR（Segment Routing）、EVPN（Ethernet VPN）、FlexE（Flex Ethernet）[6]等新技术，实现大容量、低时延、高精度时间同步的5G承载网络。
现网以IP RAN为承载的运营商基于经济性考虑都采用了该方式作为5G承载演进方案。基于IP RAN的升级方案技术分层模型如图2所示：
在该方案中采用EVPN技术目标实现5G承载的控制平面和转发平面分离，实现各承载协议向EVPN统一从而简化运维[7]。首先是采用升级EVPN L2VPN的方式，替代现有的L2VPN专线，尤其用于替代现有点到多点的VPLS（Virtual Private Lan Service）专线，后续可演进至EVPN L3VPN。
该方案应用SR技术解决了S1和eX2的流量承载问题。5G回传的S1业务是确定性路径业务，在接入设备和汇聚设备之间可部署端到端的SR-TE（Segment Routing-Traffic Engineering）隧道，满足了S1面向连接的业务需求。eX2业务以及其他活度较高的业务存在路径不确定性，可以部署SR-BE（Segment Routing-Best Effort）隧道，满足了eX2无连接的业务需求。由于解决了MESH流量模型灵活调度的问题，未来该方案可适应任意5G承载拓扑网络。
基于IP RAN的升级方案后期可通过引入FlexE接口技术，将切片业务与FlexE通道绑定，最终适应5G网络切片的发展需求。
3.3 切片分组网
切片分组网SPN（Slicing Packet Network）是中国移动提出的5G新技术体系架构[8]。SPN方案在转发层兼容PTN网络的MPLS-TP技术，因此可以支持现有PTN网络向SPN的升级演进。切片分组网的技术分层模型如图3所示：
SPN的物理层基于WDM技术；链路层对以太网物理接口、FlexE绑定实现时隙化处理，提供端到端基于以太网的虚拟网络连接能力和基于L1的低时延、硬隔离切片通道；基于以太网MAC或MPLS隧道/SR隧道寻址转发，实现了对L2业务的调度；基于IP寻址转发，支持L3 VPN，满足了业务灵活调度的要求。
SPN还支持在一张物理网络上进行资源切片隔离的能力，硬切片为专线和uRLLC等业务提供低时延和带宽保障，软切片可为eMBB等分组业务提供大带宽和差异化服务。
3.4 演进方案分析
上述三种承载方案分别是基于运营商现网的情况进行演进的，针对具体的细节，对比分析如表3所示。
4 远期演进方向
远期的承载网业务模型将发生根本改变，要求承载网支持全网状实时可变互连流量，因此需要更加智能化的网络运维系统，以降低网络的CAPEX和OPEX。基于SDN技術的5G承载网络架构成为各大运营商的远期演进方向，针对新一代网络架构，各运营商相继发布了相关白皮书。如中国电信发布的《中国电信CTNet-2025网络架构白皮书》、中国移动发布的《中国移动NovoNet 2020愿景》以及中国联通发布的《新一代网络架构CUBE-Net 2.0》。基于SDN技术的5G承载网络架构如图4所示。
该架构由5G协同编排层通过运营商的业务运营支撑系统（OSS/BSS）及相关的管理与编排器（MANO）负责业务生命周期管理和切片资源间的协同管理。通过SDN多个本地域控制器（Domain Controller）对承载网能力进行抽象，实现流量调优，可应对后期5G网络快速变化的无线流量流向。该架构还可突破不同厂商的技术壁垒，构建一个对外开放、统一管控的平台，加速新技术的成熟和商用，并提供良好的创新空间。
5 结束语
本文从5G承载的带宽需求、低时延需求、灵活组网需求与网络切片需求入手，介绍了5G承载网络的演进原则，分析比较了5G承载网的三大演进方案。随着技术的发展、5G网络标准的进一步确定，以及设备、芯片、模块等上下游产业链共同发展，5G承载方案将日渐成熟与完善，未来将驱动5G业务大发展，真正创建一个全连接、高体验的数字新世界。
参考文献：
[1] IMT-2020（5G）推进组. 5G承载需求白皮书[S]. 2018.
[2] 孙嘉琪，李玉娟，杨广铭，等. 5G承载网演进方案探讨[J]. 移动通信， 2018（1）： 1-6.
[3] 汤瑞，赵俊峰. 5G承载网络结构及技术分析[J]. 邮电设计技术， 2018（5）： 1-4.
[4] 中国电信集团有限公司. 5G时代光传送网技术白皮书[R]. 2017.
[5] eCPRI Specification V1.0. Common Public Radio Interface： eCPRI Interface Specification[S]. 2017.
[6] Flexible Ethernet Implementation Agreement： OIF-FLEXE-01.1[S]. 2017.
[7] 庞冉，王海军，彭绍勇，等. 基于IPRAN网络演进的5G回传承载方案探讨[J]. 邮电设计技术， 2018（5）.
[8] 李晗. 面向5G的传送网新架构及关键技术[J]. 中兴通讯技术， 2018（1）： 53-57.
【摘 要】介绍了5G承载的需求和网络演进原则，分析比较了5G承载网络的三种演进方案，即分组增强型OTN方案，基于IP RAN的升级方案，切片分组网，最后介绍了5G承载基于SDN的远期演进目标。
5G承载；IP RAN；切片分组网
1 5G承载网络的需求
5G网络和4G网络在关键性能指标上存在较大差异，这就对5G承载网络的带宽、时延、组网灵活性等各个方面都提出了新的需求。
1.1 带宽需求
基站前传带宽取决于无线频谱带宽、频谱效率、天线数等参数，以单个5G基站为例，在3.5 GHz按照100 MHz频谱带宽计算，低频单站的峰值带宽需求将达到5 Gb/s，均值带宽需求在3 Gb/s。高频站点可用的频谱带宽达800 MHz，单站的峰值带宽需近20 Gb/s。
考虑高低频共站的情况，5G前传带宽需求将达
25 Gb/s[1]。5G承载网端口带宽需求与4G对照如表1所示：
1.2 低时延需求
5G承载网络的回传时延指标也很苛刻。3GPP（TR38.913）定义eMBB端到端时延是10 ms，uRLLC端到端时延是1 ms，再根据表2所示空口、前传与中传的时延需求，以及核心网处理时延，预留给回传网络的时延指标约为100 μs～150 μs，所以承载网络还需充分考虑设备多跳的传输时延。
1.3 组网灵活需求
5G网络DU/CU的部署可依据业务应用场景的不同以及机房、光纤、距离等条件的不同，而采用不同的部署方式。作为基础配套的5G承载网络，需具备灵活适配各种基站部署方式的能力。另外5G网络的其他流量也丰富多样，如DU之间的CoMP协同流量、相邻CU之间eX2横向流量、核心网云化互联的流量等，需要5G承载网络具备灵活的路由转发能力。因此承载技术的灵活性将作为5G承载演进方案的重要考虑因素[2]。
1.4 网络切片需求
5G网络将提供丰富多样的应用场景，而这些应用场景有着不同的性能指标要求，难以通过一张物理网络来满足，于是需要5G网络支持端到端的切片管控和承载，以保障业务得到满足需求的差异化服务。基于网络切片的架构将是对5G承载网的基础能力要求[3]。
2 5G承载网演进原则
面对这些需求，在研究5G的承载网的演进方案时，还应考虑以下原则：
（1）优化组网。通过架构和新技术的优化降低网络建设成本，提高网络灵活性，同时适应三大业务的发展和网络指标的需求。
（2）资源协同。关键技术和演进方案的选择，需要充分利用光缆网、机房等基础设施及承载设备等现有资源，需基于经济性比较，以实现低成本快速演进和部署[4]。
（3）网络智能。网络应具备全网智能编排调度的能力，能够快速进行业务的优化调整，满足快速响应业务路由变化和调度的能力。
3 5G承载演进方案
目前运营商主要有三种5G承载网络的演进方案。分别是：（1）分组增强型OTN方案；（2）基于IP RAN的升级方案；（3）切片分组网。
3.1 分组增强型OTN方案
分組增强型OTN通过改造现有OTN，在其面向连接的传输特性基础上增强二层和三层相关功能，如统计复用、横向转发、VPN、OAM和保护功能等，满足5G对带宽、高效承载和灵活连接的需求。
针对5G网络端到端切片管理的需求，OTN传送平面需支持在波长、ODU、VC这些硬管道上进行切片，也要支持在分组的软管道上进行切片，并且与5G网络实现管控协同，按需配置和调整。
但是分组增强型OTN技术方案信号复用映射结构相对复杂，需要进行一些简化和优化。2018年1月在ITU-T SG15会议上，中国电信主导的面向移动承载优化的OTN——M-OTN（Mobile-Optimized OTN）是一种分组增强型OTN。该方案满足5G承载现阶段前传等部署需求，针对C-RAN场景，M-OTN能支持50G和100G光模块，在业务映射和时隙结构方面兼容3G/4G前传的CPRI、5G的eCPRI[5]等。具体应用模型如图1所示。
目前M-OTN点到点至少支持10 km，环网支持20 km，未来随着PAM4等新型调制方式的成熟和应用，在25G甚至50G的单波长速率上实现40 km以上的长距离传输。M-OTN采用单级复用、更灵活的时隙结构、简化的开销，还可以满足5G中传和回传需求，亦可用于城域网的点对点的应用和DCI业务。
3.2 基于IP RAN的升级方案
基于IP RAN的升级方案是以4G IP RAN回传网架构为基础，根据业务发展情况逐步扩容升级，并引入SR（Segment Routing）、EVPN（Ethernet VPN）、FlexE（Flex Ethernet）[6]等新技术，实现大容量、低时延、高精度时间同步的5G承载网络。
现网以IP RAN为承载的运营商基于经济性考虑都采用了该方式作为5G承载演进方案。基于IP RAN的升级方案技术分层模型如图2所示：
在该方案中采用EVPN技术目标实现5G承载的控制平面和转发平面分离，实现各承载协议向EVPN统一从而简化运维[7]。首先是采用升级EVPN L2VPN的方式，替代现有的L2VPN专线，尤其用于替代现有点到多点的VPLS（Virtual Private Lan Service）专线，后续可演进至EVPN L3VPN。
该方案应用SR技术解决了S1和eX2的流量承载问题。5G回传的S1业务是确定性路径业务，在接入设备和汇聚设备之间可部署端到端的SR-TE（Segment Routing-Traffic Engineering）隧道，满足了S1面向连接的业务需求。eX2业务以及其他活度较高的业务存在路径不确定性，可以部署SR-BE（Segment Routing-Best Effort）隧道，满足了eX2无连接的业务需求。由于解决了MESH流量模型灵活调度的问题，未来该方案可适应任意5G承载拓扑网络。
基于IP RAN的升级方案后期可通过引入FlexE接口技术，将切片业务与FlexE通道绑定，最终适应5G网络切片的发展需求。
3.3 切片分组网
切片分组网SPN（Slicing Packet Network）是中国移动提出的5G新技术体系架构[8]。SPN方案在转发层兼容PTN网络的MPLS-TP技术，因此可以支持现有PTN网络向SPN的升级演进。切片分组网的技术分层模型如图3所示：
SPN的物理层基于WDM技术；链路层对以太网物理接口、FlexE绑定实现时隙化处理，提供端到端基于以太网的虚拟网络连接能力和基于L1的低时延、硬隔离切片通道；基于以太网MAC或MPLS隧道/SR隧道寻址转发，实现了对L2业务的调度；基于IP寻址转发，支持L3 VPN，满足了业务灵活调度的要求。
SPN还支持在一张物理网络上进行资源切片隔离的能力，硬切片为专线和uRLLC等业务提供低时延和带宽保障，软切片可为eMBB等分组业务提供大带宽和差异化服务。
3.4 演进方案分析
上述三种承载方案分别是基于运营商现网的情况进行演进的，针对具体的细节，对比分析如表3所示。
4 远期演进方向
远期的承载网业务模型将发生根本改变，要求承载网支持全网状实时可变互连流量，因此需要更加智能化的网络运维系统，以降低网络的CAPEX和OPEX。基于SDN技術的5G承载网络架构成为各大运营商的远期演进方向，针对新一代网络架构，各运营商相继发布了相关白皮书。如中国电信发布的《中国电信CTNet-2025网络架构白皮书》、中国移动发布的《中国移动NovoNet 2020愿景》以及中国联通发布的《新一代网络架构CUBE-Net 2.0》。基于SDN技术的5G承载网络架构如图4所示。
该架构由5G协同编排层通过运营商的业务运营支撑系统（OSS/BSS）及相关的管理与编排器（MANO）负责业务生命周期管理和切片资源间的协同管理。通过SDN多个本地域控制器（Domain Controller）对承载网能力进行抽象，实现流量调优，可应对后期5G网络快速变化的无线流量流向。该架构还可突破不同厂商的技术壁垒，构建一个对外开放、统一管控的平台，加速新技术的成熟和商用，并提供良好的创新空间。
5 结束语
本文从5G承载的带宽需求、低时延需求、灵活组网需求与网络切片需求入手，介绍了5G承载网络的演进原则，分析比较了5G承载网的三大演进方案。随着技术的发展、5G网络标准的进一步确定，以及设备、芯片、模块等上下游产业链共同发展，5G承载方案将日渐成熟与完善，未来将驱动5G业务大发展，真正创建一个全连接、高体验的数字新世界。
参考文献：
[1] IMT-2020（5G）推进组. 5G承载需求白皮书[S]. 2018.
[2] 孙嘉琪，李玉娟，杨广铭，等. 5G承载网演进方案探讨[J]. 移动通信， 2018（1）： 1-6.
[3] 汤瑞，赵俊峰. 5G承载网络结构及技术分析[J]. 邮电设计技术， 2018（5）： 1-4.
[4] 中国电信集团有限公司. 5G时代光传送网技术白皮书[R]. 2017.
[5] eCPRI Specification V1.0. Common Public Radio Interface： eCPRI Interface Specification[S]. 2017.
[6] Flexible Ethernet Implementation Agreement： OIF-FLEXE-01.1[S]. 2017.
[7] 庞冉，王海军，彭绍勇，等. 基于IPRAN网络演进的5G回传承载方案探讨[J]. 邮电设计技术， 2018（5）.
[8] 李晗. 面向5G的传送网新架构及关键技术[J]. 中兴通讯技术， 2018（1）： 53-57.
