5G承载网络架构和技术方案分析（上篇）

中国信息通信研究院|李芳 徐云斌 胡昌军 赵文玉 张海懿

5G中回传可选技术方案包括SPN、M-OTN、IP RAN功能增强+光层3种，最终能否规模化推广应用主要取决于市场需求、产业链的健壮性和网络综合成本等。

近日，IMT-2020（5G）推进组的5G承载工作组发布的《5G承载网络架构和技术方案》白皮书引起了业界各方的广泛关注。本文对该白皮书主要内容进行介绍分析，包括5G承载网络总体架构以及转发平面、协同管控和5G同步网的架构及其关键技术方案，并对我国5G承载网络发展趋势进行分析总结。

5G承载网络总体架构

5G承载网络是为5G无线接入网和核心网提供网络连接的基础网络，不仅为这些网络连接提供灵活调度、组网保护和管理控制等功能，还要提供带宽、时延、同步和可靠性等方面的性能保障。满足5G承载需求的5G承载网络总体架构如图1所示，主要包括转发平面、协同管控、5G同步网3部分，以及差异化的网络切片服务能力。

转发平面具备分层组网架构和多业务统一承载能力；管理控制平面支持统一管理、协同控制和智能运维能力；通过转发平面的资源切片和管理控制系统的切片管控能力，可为5G三大类业务应用、移动内容分发网络（CDN）网络互联、前传网络、政企客户专线以及家庭宽带等业务提供所需服务定级协议（SLA）保障的差异化网络切片服务能力。

5G承载转发面架构与技术方案

5G承载的转发面架构

由于5G核心网将以省或大区为中心部署，为了保障eMBB、uRLLC、mMTC三大类典型业务的性能体验，其数据面功能网元（UPF）和负责边缘计算的MEC将分层部署，因此5G承载网络分为省干和城域两大部分。城域接入层主要为前传Fx接口、中传F1接口以及回传的N2（信令）和N3（数据）接口提供网络连接；城域的汇聚核心层和省干层面不仅要为回传提供网络连接，还需要为部分核心网元之间的N4（SMF和UPF之间参考点）、N6（UPF和数据网络之间参考点）以及N9（两个UPF之间参考点）接口提供网络连接，如图2所示。

为5G网络提供灵活连接的承载网络转发面组网架构如图3所示，以实现多层级承载网络、灵活化连接调度、层次化网络切片、4G/5G混合承载以及低成本高速组网等关键功能特性。

图1 5G承载网络总体架构

图2 5G对承载网络的连接需求和网络分层关系

图3 5G承载网络的转发面组网架构

表1 5G承载网络分层组网架构和接口分析

表1提供了5G承载转发面网络分层、传输距离、组网拓扑、客户接口和线路接口的相关分析。

● 城域接入层：包括10km或20km以内的前传以及40km以内的中回传混合组网，线路接口包括25Gbit/s、50Gbit/s或100Gbit/s；由于前传具有低时延和高精度时间同步需求，因此主要采用基于L0和L1技术的承载方案；5G前传的组网拓扑以星型为主，环网为辅；城域接入层的5G中回传组网拓扑以环网为主，少量为链型或星型链路。

● 城域汇聚层：包括40km或80km以内的回传以及边缘数据中心到城域数据中心的光互联，线路接口为100Gbit/s、200Gbit/s的灰光或WDM彩光；回传需要为N2、N3和基站之间Xn接口提供基于IP地址的灵活连接需求，因此主要采用端到端L3VPN，或者L2VPN+L3VPN的承载方案。

● 城域核心层和干线：包括回传、核心网元之间互连和数据中心之间的光互联组网等，传输距离在40km到80km以内或几百km，采用环网或双上联链路组网结构，线路接口为100Gbit/s、200Gbit/s乃至400Gbit/s的灰光或WDM彩光。

5G前传技术方案分析

5G前传中存在着DRAN、CRAN小集中和CRAN大集中等不同部署模式，CRAN大集中一般需要CU云化和DU池化集中部署来支撑实现，如图4所示。

5G前传有光纤直驱、无源WDM、有源WDM/OTN和切片分组网络（SPN）等多种方案，表2对4种5G前传技术方案的关键特性进行了多维度的分析比较，其各具优缺点。分析结论是：在光纤资源丰富的区域，建议以光纤直驱方案为主；对于光纤资源紧缺且敷设成本高的区域，可综合考虑网络成本、运维管理等因素按需选择合适技术方案。

5G中回传技术方案分析

5G中回传技术方案要满足多层级承载网络、灵活化连接调度、层次化网络切片、4G/5G混合承载以及低成本高速组网等承载需求，支持L0～L3层的综合传送能力，通过L0的波长、L1的TDM通道、L2和L3的分组隧道来提供层次化网络切片资源。

图4 5G前传部署场景

表2 5G前传典型方案比较

为更好适应5G和专线等业务综合承载需求，我国运营商正在探索实践多种5G承载技术方案，主要包括切片分组网络（SPN）、面向移动承载优化的OTN（M-OTN）、IP RAN增强+光层3种，其技术融合发展趋势和共性技术占比越来越高，在L2和L3均需支持以太网、MPLS（-TP）、段路由（SR）等技术，在L0均需要低成本高速灰光接口、WDM彩光接口和光波长组网调度等能力，差异主要体现在L1是基于OIF的灵活以太网（FlexE）技术、IEEE802.3的以太网物理层还是ITU-T G.709的OTN技术，L1的TDM通道是基于切片以太网还是基于OTN的ODUflex，其分析比较如表3所示。

下面简要介绍3种技术方案的关键特性。

● SPN是面向5G和专线业务，兼容PTN构建的新一代极简网络架构，包括切片分组层（SPL）、切片通道层（SCL）和切片传送层（STL），兼具分组转发灵活性和TDM管道隔离优势，引入了段路由（SR）隧道和切片以太网通道的多业务综合承载方案，清晰简洁，不仅兼容PTN的MPLS-TP和以太网技术，还支持基于FlexE和SCL的CBR业务，实现差异化的SLA。SPN关键技术包括基于FlexE的TDM通道化接口和多端口绑定技术，基于切片以太网的交叉、OAM和保护机制的SCL层网络技术，以及基于SDN集中管控的面向连接的SR-TP隧道技术和无连接的SR-BE技术。

● 面向移动承载和专线业务的M-OTN组网架构，包括支持前传和回传接入的M1设备、接入汇聚机房的M2设备、城域一般机楼机房的M3设备和核心机房的M4设备，实现了前传、回传、DCI和专线业务的综合承载、大带宽、低时延、灵活分片、高可靠性和开放协同。M-OTN关键技术包括通过L1的ODUflex、L2和L3VPN来满足网络切片需求；增强了L2和L3分组转发技术，按需选用现有的三层协议；在单域应用时，采用ODU单级复用结构降低转发时延，满足前传和uRLLC业务的低时延需求。

● IP RAN和光层的联合组网架构，在骨干层采用IP承载网+光层组网，在城域核心层采用IP RAN+光层组网，在汇聚和接入层正在开展两种应用方案的研究，一是端到端IP RAN组网方案，二是IP RAN和PeOTN分层组网研究。IP RAN的具体技术方案包括基于4G承载的现有技术方案，以及引入SR和FlexE的功能增强方案，会根据产业成熟情况分别开展试点应用。IP RAN功能增强方案主要采用EVPN L3VPN替代HoVPN来承载5G业务；采用EVPN L2VPN替代VPWS/VPLS方式来承载L2专线业务；采用SR协议替代LDP/RSVP作为隧道层协议；采用FlexE技术实现网络切片；采用SDN技术实现网络的智能运维与管控。

表3 5G典型承载技术方案分析

5G中回传可基于新的5G承载技术方案进行建设，也可基于4G承载网络进行升级演进。3种技术方案最终能否规模化推广应用主要取决于市场需求、产业链的健壮性和网络综合成本等。5G承载网络可采用L2VPN+L3VPN或L3VPN到边缘的应用部署方案，其中L3VPN负责感知基站和核心网的三层IP地址。考虑到4G/5G统一承载需求，因此需要5G承载网络设备支持IPv4/IPv6双栈和6vPE转发技术。