5G承载网需求与技术实现

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关于5G，我们谈的比较多的是接入网和核心网，而较少涉及承载网。然而，作为移动通信网的三大子网之一，5G时代的承载网同样需要向前演进。5G的eMBB（增强型移动宽带）、mMTC(大规模机器类通信)、uRLLC（超可靠低时延通信）三大类应用，不仅推动着接入网和核心网技术的发展，也驱使着承载网技术推陈出新。
5G承载网需求分析
5G网络对承载网的需求主要体现在大带宽、低时延、高精度时间同步、网络切片等方面。
1、带宽需求
5G网络的带宽需求主要来自于eMBB业务。eMBB的相关标准已经在3GPP R15中确定，是5G初期的主要业务类型，包括超高清视频、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、高速移动上网等，其体验带宽从4G的10Mbps量级提升到1Gbps量级。这些业务不仅对5G基站提出了超大吞吐量要求，也要求承载网能够提供超大带宽。
（1）单基站带宽需求
根据IMT-2020(5G)推进组的测算，典型的5G低频单基站的峰值带宽将达到5Gbps量级，高频单基站的峰值带宽将达到15Gbps量级。考虑到低频和高频基站共同部署，或高频基站单独部署的情况，单基站将需要2×10GE或25GE的承载带宽。
表1 5G基站带宽估算

表格引自IMT-2020(5G)推进组《5G承载需求白皮书》
（2）前传带宽需求
5G接入网被重构为CU（集中单元）、DU（分布单元）和AAU（有源天线单元）。如果CU、DU合设，则承载网具有前传和回传两级结构；如果CU、DU分设，则承载网具有前传、中传和回传三级结构。上面我们讨论的基站带宽需求是属于空口的范畴，而承载网的带宽需求则包括前传、中传和回传三方面的需求。

图1 5G承载网的两级和三级结构
前传指的是DU和AAU之间的传输链路，采用eCPRI（enhanced CPRI）接口规范。eCPRI支持灵活的功能分解，有多种切割方式。不同的切割方式将导致前传接口的带宽有很大变化，此外基站的参数配置和部署方式也会影响到前传带宽。一般情况下，前传带宽需求在几十Gbps左右，可采用25Gbps或N×25Gbps接口。
（3）中传带宽需求
中传指的是CU和DU之间的传输网络。如果采用DRAN（分布式接入）部署方式，则不存在中传；如果采用CRAN（集中式接入）部署方式，并且假定每个CU携带10-20个5G低频基站，那么依据表1，中传带宽需求在23-43Gbps之间（1个基站取峰值带宽，其余取均值）。
（4）回传带宽需求
回传指的是CU与核心网之间的传输网络。回传网一般分为接入层、汇聚层和核心层，其带宽需求与基站类型、密度及部署方式等多种因素相关。一般情况下，如果采取DRAN方式，则接入环带宽可达25/50Gbps，汇聚层和核心层带宽可达N×100/200/400Gbps；如果采取CRAN方式，则接入环带宽可达50Gbps，汇聚层和核心层带宽可达N×100/200/400Gbps。

图2 回传网结构
2、时延需求
根据3GPP TR38.913，eMBB业务要求用户面和控制面的时延分别低于4ms和10ms；uRLLC业务要求用户面和控制面的时延分别低于0.5ms和10ms。这一时延指标是接入网、承载网和核心网来共同承担的。相对于4G端到端时延小于10ms的要求，5G的时延要求无疑提出了更高的挑战。
3、时间同步需求
5G的时间同步需求主要来自于基本业务的需求、协同业务的需求和新业务的需求三个方面。
基本业务的需求：5G采用TDD的双工方式，为了避免上下时隙间的干扰，要求时间同步精度优于3μs。
协同业务的需求：5G的协同业务包括MIMO、多点协同、载波聚合等技术。不同的技术对时间同步的精度要求有所差异，一般在百纳秒至3μs之间。
新业务的需求：部分5G新业务对时间同步精度提出了更高的要求，如车联网和工业互联网等业务。由于基站之间的时间同步精度会影响到这些业务所需要的定位精度，所以其对时间同步精度的要求与其定位精度要求有关，如3米的定位精度要求的基站间同步精度优于10ns。
4、网络切片需求
5G的网络切片功能是要形成若干端到端的逻辑子网，因此，网络切片不仅要求核心网和接入网提供支持，同样也涉及到承载网。
对于中传和回传网络，需要在带宽、时延和组网灵活性方面，为网络切片提供相应的解决方案。
对于前传网络，由于eCPRI接口采用透明传输的方式，不感知具体的传输内容，所以无需针对网络切片进行特殊的处理。
5G承载网的技术实现方案
基于5G承载网的需求特点，业界提出了多种技术实现方案。
1、前传网方案
对于前传网大体上有三种技术方案：光纤直连、无源WDM和有源OTN/WDM。具体如下：
（1）光纤直连
即每个AAU都使用光纤直连到DU。如下图。

图3 前传网方案-光纤直连
这种方案实现简单，但是会消耗大量的光纤资源，适合在光纤资源丰富的地区采用。
（2）无源WDM
所谓WDM（Wavelength Division Multiplexing）,即波分复用技术，它可以将多个不同波长的光信号在同一根光纤中传输，这样就大大地节约了光纤资源。在前传网络中采用无源WDM方案，可以利用一根光纤将多个基站的AAU连接至DU。比如使用40波AAWG，可以用一根光纤将6个基站的AAU(每个基站3个AAU，6个基站共18个AAU，上下行共需38个波道)连接至DU。

图4 前传网方案-无源WDM
无源WDM方案虽然节约了光纤，但是存在故障定位难、不易维护管理等问题。
（3）有源OTN/WDM
OTN（Optical Transport Network），即光传送网，是在传统的WDM技术的基础上发展而来。通过智能光交换功能，大大提升了波分设备的可维护性和组网的灵活性。OTN可以提供巨大的传送容量、完全透明的端到端波长/子波长连接以及电信级的保护。当然，有源OTN/WDM方案的成本比无源WDM相对较高。

图5 前传网方案-有源OTN/WDM
2、中传/回传网方案
中传和回传网在带宽、组网灵活性和网络切片等方面的需求基本一致，一般考虑采取统一的承载方案。
目前，国内的运营商中国移动、中国电信和中国联通都提出了各自的5G中、回传网技术方案，分别为SPN（切片分组网络）、M-OTN（面向移动承载优化的OTN）和IP RAN增强。

图6 5G承载网通用分层结构
（1）SPN
SPN是中国移动在其4G承载网PTN（分组传送网）技术的基础上发展而来的。针对5G需求，SPN引入了SE（切片以太网）交换、SR-TP/SR-BE以及DWDM功能。SPN的协议分层如下图。

图7 SPN的协议分层结构
SPN通过FlexE（灵活以太网）接口和切片以太网通道支持端到端的网络切片。FlexE可以把多个物理端口捆绑，形成一个虚拟的高速逻辑通道。这样，用户的速率不再受限于物理接口的速率。切片以太网通道可以提供切片业务的硬隔离通道，降低时延。
SR（Segment Routing，分段路由）是由思科提出来的一种分组转发机制。传统的IP网络中，IP数据包每经过一个路由器都要进行路由查询，时延较大。SR使用路径标签机制来指定路由数据包必须通过的网络路径。数据包必须通过在标签路径中的每个节点，但也有可能会通过其他中间节点。这种松散源路由机制减少了路由数据包到其希望到达的目的地所需的标签数量，网络将沿着标签列表中节点之间的最短路径转发数据包。
SR-TP是隧道扩展技术，用于面向连接的点到点业务承载，提供基于连接的端到端监控运维能力。SR-BE用于面向无连接的、Mesh业务承载，提供任意拓扑业务连接并简化隧道规划和部署。
SPN具备前传、中传和回传的端到端组网能力。
（2）M-OTN
中国电信在5G承载网方面主推M-OTN方案。OTN技术经多年发展，非常稳定可靠，有成熟的标准化体系支撑，并且中国电信已经建成比较完善的OTN网络，可在此基础上平滑升级，以较少的投入来快速满足5G承载网的需求。
在ITU第15研究组（ITU-T SG15）2017-2020年研究其第二次全会上，中国电信主导的M-OTN实现了两个相关的标准立项。
在数据转发层，M-OTN在分组增强型OTN的基础上，增强了L3路由转发功能，并简化了传统OTN的映射复用结构、开销和管理控制的复杂度，从而降低成本、缩短时延。M-OTN支持ODUflex+FlexO,以灵活调整带宽。
在管理控制层，M-OTN引入了基于SDN的网络架构，提供L1硬切片和L2/L3软切片。在业务层面，各种L2VPN、L3VPN统一到BGP协议，通过EVPN实现业务控制面的统一和简化。
为了支持5G网络端到端的切片管理需求，M-OTN传送平面支持在波长、ODU、VC这些硬管道上进行切片，也支持在以太网和MPLS-TP分组的软管道上进行切片。
（3）IP RAN增强
中国联通在5G承载网方面主推IP RAN增强技术。
IP RAN是针对IP化基站传输承载的解决方案，在3G和4G时代已经在移动网络中广泛应用。其技术特点是在城域汇聚/核心层采用IP/MPLS技术，接入层主要采用二层增强以太技术，或采用二层增强以太与三层IP/MPLS相结合的技术方案。
当然，既有的IP RAN技术不能满足5G承载网的需求，因此，中国联通正在致力于开发IP RAN增强技术，即IP RAN2.0。IP RAN2.0在隧道层引入了SR-TE和SR-BE，简化协议和增强扩展性，采用FlexE进行端口级物理隔离业务承载协议从MPLS LDP向SR/EVPN演进，并增强了SDN集中路径计算和网络调优能力。
2019年3月，中国联通与相关厂商合作完成了IP RAN2.0第二阶段现网测试。
小结
在带宽方面，5G承载网的前传、中传和回传网接入层的带宽需求均在几十Gbps的量级，回传网的汇聚层和核心层的带宽需求可达数百Gbps的量级；在时延方面， uRLLC业务的需求最为严格，其用户面和控制面的时延要求分别低于0.5ms和10ms；时间同步方面最严格的需求来自于车联网和工业互联网等新业务，其时间同步精度的需求最高可达纳秒的量级；中传和回传网需求提供网络切片能力，而前传网不需要。
前传网的技术实现方案主要有光纤直连、无源WDM和有源OTN/WDM三种选择，可根据具体的网络情况和需求灵活选用。关于中传和回传的技术实现方案，业界并没有形成唯一的规范，不同的网络运营商根据自身的情况有不同的选择。SPN、M-OTN和IP RAN增强分别是国内三大运营商各自的主推技术方案。

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