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1 引言
5G已渐行渐近.2017 年12 月1 日,3GPP 宣布正式完成并冻结5G 第一版标准R15 的非独立组网（NSA）新空口标准；2018 年6 月14 日,正式冻结R15 的独立组网（SA）新空口标准.据IHS Markit 公司的最新调研报告表明,占全球移动用户43%的17 家最大移动通信运营商都在紧锣密鼓地开展5G技术测试和网络试验,将陆续在2018 年年底到2021 年商用5G.5G在带来新兴业务体验、服务型网络架构和创新商业模式的同时,对基础承载网络也提出了多样化的新需求,推动着5G承载技术和网络架构的演进发展.
2 5G三大业务场景需求分析
国际电信联盟无线电通信局（ITU-R）定义了5G三类典型业务场景：具有更高带宽、更低时延的增强移动宽带（eMBB）业务,具有超高可靠和超低时延通信（uRLLC）业务和支持海量用户连接的大规模机器通信（mMTC）业务.目前R15 版本对eMBB业务需求和技术规范相对明确,由于uRLLC和mMTC业务对网络能力要求较高,其主要特性将在5G完整版标准R16 版本中进行标准化.
5G三大类典型业务场景的承载需求如下：
（1）eMBB 业务：主要面向4K/8K等超高清视频、虚拟现实（VR）/增强现实（AR）、高速移动上网等大带宽业务应用场景,是5G对4G移动宽带场景的增强,单用户接入带宽可与目前的固网宽带接入达到类似量级（如1Gbit/s）,接入速率增长10 倍以上.对5G承载的主要需求是大带宽、低成本、低功耗、易部署和易运维.
（2）uRLLC 业务：主要面向车联网、工业控制、智能制造、智能交通物流、智慧医疗等实时性要求较强的垂直行业业务应用场景,为用户提供毫秒级端到端时延和99.99%以上的可靠性保证.当前4G移动网络和承载网络在超低时延保障和业务隔离性上均存在不足,需引入网络切片管控架构和超低时延等新技术来提升业务体验.
（3）mMTC业务：主要面向环境监测、智能抄表、智慧农业等以传感和数据采集等为目标的业务应用场景,具有小数据包、低功耗、低成本、海量连接、更多基站间协作等特点,连接数将从亿级向千亿级跳跃式增长,要求承载网具备多连接通道、高精度时钟同步、低成本、低功耗、易部署及运维等支持能力.
3 5G无线接入网络承载需求
3.1 5G RAN架构和部署模式
相对于4G 无线接入网（RAN）的基带处理模块（BBU）、射频拉远单元（RRU）两级结构,5G 新空口（NR）支持gNB宏站和分布式基站两种形态,分布式基站包括集中单元（CU）、分布单元（DU）和有源天线单元（AAU）三部分.5GRAN存在多种分级结构：当CU和DU合设时,5GRAN与4GRAN结构类似,即分为前传（即AAU和DU之间连接）和回传（即CU和核心网之间连接）两级结构；当CU和DU分设时,5G承载将包括前传、中传（及DU 和CU 之间连接）和回传结构.5GRAN的部署模式又分为DRAN（分布式无线接入网）和CRAN（集中式无线接入网）两大类,其中CRAN 的部署模式又与CU 云化和DU池化部署模式相关,具体见图1.
3.2 5G RAN带宽需求
更大带宽是5G 承载需求的第一个关键性能指标.根据下一代移动通信网络联盟（NGMN）的基站带宽评估计算方法,结合5G基站典型的无线配置参数,单基站峰值和均值带宽需求见表1,可见5G单基站的回传接口将以10GE和25GE为主.根据典型组网模式估算,5G中回传在城域接入层支持N×50 或100Gbit/s,在城域汇聚核心层乃至干线层支持N×100、200 或400Gbit/s.
5G前传带宽需求与CU和DU的物理层功能分割位置、基站参数配置（天线端口、层数、调制阶数等）以及部署方式等密切相关.按照3GPP 和CPRI 等标准组织的最新研究进展,CU和DU在物理层的分割存在多种方案,典型包括射频模拟到数字转换后分割（选项8,CPRI 接口）、物理层的低层和高层之间分割（选项7）、物理层高层到MAC 层分割（选项6）等,其中选项7 又可细分为7-1 和7-2 等,图2 是其中一种分割方案的示意.
为估算前传所需带宽,假设基站前传相关的参数配置如下：
（1）考虑下行带宽大于上行,仅估算下行带宽.
（2）工作频段为3.4~3.5GHz,100MHz频宽.
（3）MIMO 参数为32T32R,映射数据流为下行8 条流.
（4）I/Q 量化比特为2 × 16,调制格式为下行256QAM.
参考3GPP 的TR38.801 和TR38.816,不同分割方案的前传带宽估算结果见表2,目前主流无线厂家都在研发和测试选项7-2的eCPRI接口.
因此,5G 前传主要是25GE 的eCPRI 接口或100Gbit/s 的CPRI 接口,前传的传输带宽需求将是N×25Gbit/s 或100Gbit/s 等,取决于技术成熟度和光模块成本等多种因素.
3.3 5G RAN超低时延需求
超低时延是5G承载需求的第二个关键性能指标,3GPP 在TR38.913 中对RAN 的eMBB 和uRLLC 用户面和控制面时延指标进行了规范,要求eMBB用户面时延小于4ms,控制面时延小于10ms；uRLLC 业务的用户面时延小于0.5ms,控制面时延小于10ms,具体如表3所示.
根据CPRI 和eCPRI 的规范,前传的时延性能指标为100μs 量级,由于光纤传输时延约为5μs/km,前传10～20km光纤的传输时延就达到50～100μs,因此要在前传引入两端传输设备时,应尽可能降低节点的转发时延.目前实验室测试前传设备透明传送单个10Gbit/s CPRI 信号或25GEeCPRI 信号的节点转发时延可达到1μs 量级,在支持多路CPRI/eCPRI 信号电层复用和前向纠错（FEC）情况下时延值将会增大,建议指标值应小于10μs.因此,为支撑5G 超低时延需求,无线网、承载网和核心网需要协同分配时延性能指标.
3.4 高精度时间同步需求
高精度时间同步是5G承载的第三个关键性能指标需求.5G的同步需求主要体现在基本业务、协同业务和基站定位等新业务的频率和时间同步需求指标3个方面,具体见表4.
总体来看,在一般情况下,5G基站间的时间同步需求指标仍为3μs,与4G TDD 相同,少量应用场景可能需要百纳秒量级的超高精度时间同步,另外,基于基站定位的自动驾驶等新业务需要ns 级别更高的时间同步需求.
4 5G核心网承载需求
4.1 5G核心网架构和部署模式
受业务发展驱动,5G核心网将发展为满足全业务接入场景的服务型网络架构,具有业务虚拟隔离（网络切片）、转发与控制分离、功能分布式部署、基础设施云化等核心特征.5G引入SDN/NFV 有利于推动5G网络云化和数据中心化,包括核心网云化、无线接入网云化和控制系统云化三部分,5G核心网的目标架构如图3 所示.
5G核心网将逐步实现云化部署,首先在大区或省干核心机房建设大型数据中心,逐步在城域汇聚机房或综合业务接入机房建设边缘数据中心,并引入面向垂直行业等新兴业务应用的移动边缘计算（MEC）.因此,5G 承载还需要考虑数据中心之间的光互联需求.
4.2 5G核心网灵活连接需求
5G核心网给承载带来的最大挑战是业务连接的灵活调度需求.为提升不同类型业务体验,5G核心网的用户面功能（UPF）网元将分层部署,因此5G基站回传到核心网的N2 和N3 连接的终结位置存在多样性,与不同业务的UPF 部署位置密切相关.此外,承载网络还要为不同层面的核心网元之间网状连接提供承载,如图4 所示,存在UPF与UPF间的N9 连接、UPF与F间的N4 连接、数据中心之间的N6 连接等.为了降低时延和提高带宽效率,需要L3 功能到边缘以实现就近转发,或通过部署L3 功能到汇聚节点实现间接转发.为满足5G网状化的动态连接需求,5G 承载需要将IP 路由转发和L3VPN 功能下移到UPF和MEC所在位置,为5G网络提供业务的灵活连接调度能力,提升业务质量体验和网络带宽效率.
4.3 5G网络切片及其协同管控需求
5G网络切片对承载的诉求是在一张统一的物理网络中,将业务连接和SLA相关的网络资源组织在一起,形成一个完整、自治和独立运维的虚拟网络（VN）,满足特定用户和业务需求.构建虚拟网络的关键技术包括转发面的网络切片和SDN/NFV协同管控.
（1）转发面的网络切片：负责实现资源的隔离和分配,从而满足差异化的虚拟网络要求.面向5G的综合业务承载网络需提供支持软、硬隔离的层次化网络切片方案,满足不同类型业务的SLA 需求.譬如,uRLLC和金融政企专线等业务要求独享资源、低时延和高可靠性,承载网络可提供基于L1TDM隔离的网络硬切片；eMBB的AR/VR 等高清视频业务具有大带宽和动态突发等特点,承载网络可提供基于L2 或L3 逻辑隔离的网络软切片.
（2）SDN/NFV 协同管控：负责实现对网络切片资源的虚拟化抽象和协同编排管控.5G网络切片一般由5G业务编排器和核心网发起,携带切片ID 和客户SLA 需求,5G承载管控系统应支持与5G业务编排器或OSS系统之间的交互,通过开放标准的北向接口,完成自上而下的网络资源编排,支持网络切片的资源规划、虚拟网络拓扑呈现和性能监测分析等功能.
5 5G承载总体需求
综合5G 业务、RAN 和核心网的承载需求,同时考虑新型高速光接口及设备的影响,5G 承载整体需求可归纳为如图5 所示三大性能和六大组网功能,具体如下：
（1）百G 级更大带宽：5G 前传支持N×25 或100Gbit/s,5G 中回传在城域接入层支持N×50 或100Gbit/s,在城域汇聚核心层乃至干线层支持N × 100、200 或400Gbit/s.
（2）百μs 级超低时延：前传时延应小于100μs,回传时延应小于4～10ms.
（3）百μs 级高精度时间同步：全网基站提供&plun;1.5μs的时间同步,对于站间协同业务支持65～260ns 的高精度时间同步.
（4）多级承载网络：通过城域接入、汇聚、核心和干线的网络分层结构,满足5G前传、中传、回传和核心网数据中心互连的多层级结构.
（5）灵活化连接调度：至少将IP 路由转发和L3VPN功能下移至5G核心网元UPF和MEC 所在位置,为5G 提供动态灵活的网络连接.
（6）层次化网络切片：提供软隔离和硬隔离等层次化网络切片方案来满足5G网络切片需求.
（7）智能化协同管控：通过SDN 管控架构、网络切片协同控制和开放的标准南北向接口,满足5G承载网与5G核心网、无线接入网的协同管控需求.
（8）4G和5G混合承载：支持4G和5G基站统一承载,支持4G和5G承载网的互联互通.
（9）低成本高速组网：联合推动5G基站和承载网络所需高速光模块及设备的技术成熟和规模量产,向未来开放光层互连发展,实现低成本高速光层组网.6 结束语
相对于4G网络,5G承载呈现出明显的差异化需求,相应承载技术也需要同步革新.近年来,我国三大电信运营商结合各自网络基础和发展规划提出了不同的5G承载方案：中国移动已明确5G承载将采用基于PTN 演进的切片分组网络（SPN）技术方案；中国电信的三大研究院在并行推进IP RAN 增强、M-OTN 和WDM-PON等技术方案,以适应未来5G不同网络应用场景的需求；中国联通正在研究5G中传和回传分别采用分组增强型OTN和IPRAN增强的联合组网方案,在5G前传采用城域接入型WDM方案.
虽然不同5G承载候选方案在关键技术和设备形态上有明显差异,但从L0/L1/L2/L3 网络分层协议的角度分析,各方案在L0/L2/L3 层具有较多共性技术,主要差异体现在L1 物理链路是基于灵活以太网（FlexE）还是OTN,TDM硬隔离是基于切片以太网（SE）通道还是基于OTN的ODUflex 通道.L1 层的差异表明是基于电信级以太网增强轻量级TDM技术的演进思路,还是基于传统OTN增强分组技术并简化OTN的演进路线,都具有典型的承载技术融合发展趋势,最终能否发展壮大还依赖于产业链的健壮性和规模化效应.随着今后5G现网规模试点开展和预商用进程加快,5G承载技术方案还将继续加强融合创新,希望业界共同推动我国5G承载技术标准和产业化的蓬勃发展.
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参考文献：
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