5G承载方案分析

童 菲

（中国通信建设集团设计院有限公司第一分公司，保定 071000）

1 引言

随着4K/8K高清视频，AR/VR（虚拟现实/增强现实），工业控制，无人驾驶等技术的发展，驱动运营商的网络从早期2G的语音时代，3G、4G数据时代向面向5G智能时代发展，业务驱动承载网络技术呈IP化和IT化发展趋势，技术由PDH-SDH发展至目前的IP RAN，WDM-OTN发展至目前的P-OTN。

5G网络提供业务的主要特征包括大带宽、低时延和海量连接，从而对承载网在带宽、容量、时延和组网灵活性方面提出了新的需求。因此，如何利用一张统一的承载网来满足5G不同业务的承载需求是5G承载网面临的巨大挑战。

2 5G网络架构变化及需求分析

2.1 5G网络架构推动承载网络演进革新

4G无线接入网（RAN）有基带处理单元（BBU）、射频拉远单元（RRU）两级结构；5G的RAN网络分为集中单元（CU）、分布单元（DU）和有源天线单元（AAU）三级结构。5G网络将4G网络中BBU的非实时部分分割出来，重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务，主要包含分组数据汇聚协议（PDCP）和无线资源控制（RRC）；BBU的部分物理层处理功能和原RRU合并为AAU，主要包含底层物理层（PHY-L）和射频（RF）；BBU的剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务，包含无线链路控制（RLC）、介质访问控制（MAC）和高层物理层（PHY-H）等。

图1 5G RAN功能模块重构示意图

5G网络架构的变化推动了承载网结构的变化，由4G阶段：核心网承载网、回传和前传网络演变成5G阶段：核心网承载网、回传、中传和前传网络。此外，承载网的业务流向也发生变化。4G回传网：南北向汇聚型流量。5G回传网：南北向汇聚型流量+东西向网状流量（eX2流量，UPF、CU和MEC之间流量）。5G网络的CU与核心网之间（S1接口）以及相邻CU之间（eX2接口）都有连接需求，其中CU之间的eX2接口流量主要包括站间CA（Carrier Aggregation，载波聚合）和CoMP（Coordinated Multipoint Transmission/Reception，协作多点发送/接收）流量，一般认为是S1流量的10～20%。假如采用人工配置静态连接的方式，配置工作量会非常繁重，且灵活性差，因此回传网络需要支持IP寻址和转发功能。

2.2 5G承载网的需求分析

5G承载需求取决于5G业务及5G网络架构的变化。其中5G业务需求直接影响承载网的技术指标，如带宽、时延和时钟精度等；而5G无线网和核心网的架构变化则引发了相应的承载网架构变化，并对网络功能提出要求，包括网络切片、增强路由转发功能等。

（1）大带宽需求。带宽是5G承载网的重要指标。5G采用高频段、更宽频谱以及新的空口技术，因此，5G基站带宽需求会大幅度提升，将达到LTE的10倍以上。在5G传送承载网的接入、汇聚层需要引入25G/50G速率接口，而核心层则需要引入100G及以上速率的接口。

（2）低时延。稳定的低时延是5G承载网的关键指标，不同的时延指标要求，直接影响5G RAN的组网架构，从而对承载网的架构产生影响，承载网可以从设备时延以及组网架构方面进行优化。

设备时延方面：可以考虑采用更大的时隙（如从5Gb/s增加到25Gb/s）、减少复用层级、减小或取消缓存等措施来降低设备时延，达到1us量级甚至更低。

在组网架构方面：可以考虑树形组网取代环形组网，降低时延。

（3）高精度时间同步要求。5G承载需要更高精度的同步，需要根据不同的业务类型，提供不同的时钟精度。5G承载网架构应减少中间节点时钟处理，支持时钟随业务一跳直达，单节点时钟精度也要满足ns精度要求。此外，还应选用单纤双向传输技术，有利于简化时钟部署，减少接收和发送方向不对称时钟补偿。

（4）灵活组网。5G是一个开放的网络，面向垂直行业的应用，多场景应用对网络的灵活性提出很高要求。5G传送网必须足够灵活，满足同一张网满足多场景业务的承载需求、充分满足基站东西向流量的调度需求、有效利用网络资源，足够经济、能够有效与核心网和无线协同，智能运维。

（5）灵活路由。5G网络的CU与核心网之间（S1接口）以及相邻CU之间（eX2接口）都有连接需求，一般认为是S1流量的10～20%。如果采用人工配置静态连接的方式，配置工作量会非常繁重，且灵活性差，因此回传网络需要支持IP寻址和转发功能。

（6）网络切片。5G网络有3大类业务：eMBB、uRLLC和mMTC。不同应用场景对网络要求差异明显，如时延、峰值速率、QoS（Quality of Service，服务质量）等要求都不一样。为了更好地支持不同的应用，5G将支持网络切片能力，每个网络切片将拥有自己独立的网络资源和管控能力。另一方面，可以将物理网络按不同租户（如虚拟运营商）需求进行切片，形成多个并行的虚拟网络。

5G无线网络需要核心网到UE的端到端网络切片，减少业务（切片）间相互影响。因此5G承载网络也需要有相应的技术方案，满足不同5G网络切片的差异化承载需求。

3 5G承载技术方案

5G承载有多种技术方案，目前比较典型的有三种：SPN、分组增强型OTN、IP RAN方案。

3.1 SPN（切片分组网络）

（1）SPN：切片分组网络，采用创新的Slicing Ethernet技术和SR-TP技术的新一代传送网络系统，融合光层DWDM技术的层网络技术体制，包括切片分组层（SPL）、切片通道层（SCL）、切片传输层（STL）三个层次。

图2 SPN网络架构

（2）SPL：分组转发和路由，支持SR-TP和MPLS-TP。

（3）SCL：切片以太网支持66b块交叉连接和E2E通道层OAM。

（4）STL：采用以太网PHY灰光接口，可选支持DWDM彩光接口。

SPN网络采用标准的FlexE接口，扩展SE交叉、OAM和保护机制提升低时延和面向连接特性，同时引入SR-TP和SDN增强动态路由管控能力，并且用以太网灰光PAM4技术结合WDM技术实现城域网和本地网传输成本优化。

3.2 分组增强型OTN

分组增强型OTN网络架构采用三级映射复用方式，通过帧结构简化、FEC算法、芯片优化来逐步实现更低时延和更高精度同步。通过简化OTN映射复用来优化前传和中传，利用ODU fl ex+FlexO提供灵活带宽能力基础上，新增L3和SR功能满足5G动态连接需求。

图3 分组增强型OTN网络架构

从功能上来看，核心层和汇聚层一些功能比较相似，主要在于分组变化方面ROADM使用差异；接入层采用二层统计复用以及相关的一些功能。

分组增强型OTN主要有两个关键技术：

（1）融合分组处理功能，既要做以太网处理、IP/MPLS三层处理功能，还要包括提供分组业务的适配、QoS和OAM处理等功能，同时扩展支持IP/MPLS等三层协议。

（2）FlexO接口技术：是一个由一组100G/200G/400G光学PHY流组成的模块化接口。目前已经定义的接口包括采用RS FEC的100G/200G/400G FlexO-SR和采用SC FEC的100G FlexO-LR。

FlexO接口技术未来对100GbE、200GbE、400GbE通道架构和FEC结构进行部分重用，也能兼容以太网光模块。

3.3 IP RAN网络架构

IP RAN网络架构分为：核心、汇聚、接入三层结构。

图4 IPRAN网络架构

接入层：共站址4G/5G基站统一接入A设备，接入层初期采用10GE环为主，成熟期按需可扩容到25GE/50GE。

汇聚核心层：根据实际业务量按需配置带宽：N*10GE、50GE、100GE，未来可演进到200G和400G。

为支撑5G网络切片需求，IP RAN方案将采用复合OIF标准的FlexE接口实现网络硬切片，采用SR隧道技术和L3VPN实现网络软切片。

IPRAN关键技术：SDN集中管控+L3分布式动态连接组网来共同支撑整个网络的发展。IPRAN网络中采用SDN控制器，能够端到端编排SR-TE隧道的路由，同时采用EVPN技术，通过扩展BGP协议应用于L3VPN跨域。

4 结束语

5G承载网总体网络架构以及共性的业务需求逐渐清晰，形成SPN、分组增强型OTN、IP RAN这三种典型的承载方案。三大运营商需综合考虑各自的网络特性、业务需求、整体网络建设成本等多方面因素搭建网络，打造一张能满足数据、移动、宽带、云专线等多种业务需求的综合业务承载网。