5G 网络传输解决方案*

2020-04-25张维东

通信技术 2020年4期

张维东

（中国电信股份有限公司重庆网络监控维护中心，重庆400042）

0 引言

按照网络强国战略的部署，从2019 年开始各大主流运营商快速进行了5G移动通信网络的部署，在城市热点区域安装了大量的5G 基站。如何保障这些5G 基站快速部署到位，组成一张5G 通信网络以端到端地提供高质量的业务，传输网是一个重要环节。此文从5G 传输网重要性着手，分析了5G传输网重构的必然性和5G 传输新技术，总结了5G传输网解决方案原则，提出了5G 传输网部署方案，对保障5G 网络安全运行和提供高质量的业务将起到重要作用。

1 5G 传输网络的重要性

5G 基站点多面广。随着移动通信技术的发展，低频的使用接近饱和，5G 移动通信的载波频率变得越来越高，意味着蜂窝系统的覆盖半径越来越小，因为频率越高，电磁波的衰减越大。5G 基站布局密度比4G 大，基站间距从4G 时代千米级压缩到百米级，5G 基站平均覆盖半径100 ～300 m，大概数量为25 个/km2，5G 基站数量相对于4G 基站数量要增加许多倍。如何将这些大量高密度部署5G 基站组成一张端到端的网络，建设一张高质量的传输网将是一个重要课题，它需要大量的光缆资源、大量的传输设备将各个5G 基站连接起来组成一张移动通信网络。常言道“要想富，先修路”，没有交通就没有发展。作为5G 通信网想要快速发展，满足日益增长的用户需求，就必须建设好传输这张通信交通网。5G 商用，传输先行。5G 传输是5G 无线网和核心网的纽带，是5G 网络建设必不可少部份。

2 5G 传输网络重构的必然性

5G 新的组网架构变化与5G 业务要求变化推动了5G 传输网络的重构。

2.1 5G 组网架构变化

（1）5G 无线接入网架构变化[1]。相比4G 网络5G 网络的RAN 无线接入网架构发生了较大变化，其BBU 裂化为CU、DU 两部份，5G 基站重构为CU、DU、AAU 三级架构，其中CU 和DU 可以分开部署，也可以合一部署，这根据场景和需求确定。当CU 和DU 可以分开部署，需要在CU 和DU之间部署“中传”承载网，这样5G 承载网就从4G网络的前传和回传两部份变成了前传、中传、回传三部份。

“前传”为AAU 和DU 之间，传递无线侧网元设备AAU 和DU 间的数据。前传网络实现5G 的C-RAN 场景信号的透明传送，与4G 相比，接口速率和接口类型不同。前传接口也将由10Gbps CPRI升级为25Gbps eCPRI 或自定义CPRI 接口等。

“中传”为DU 和CU 之间，传递5G 无线侧网元设备DU 和CU 间的数据。中传网络面向5G 引入了新的承载网络层次，在网络实际部署时城域网接入层可同时承载中传和前传业务，随着CU 和DU云化部署发展，中传网络也需要支持面向云化应用的灵活承载。

“回传”为CU 和核心网之间，传递5G 无线侧网元设备CU 和核心网网元间的数据。回传网络实现CU 和核心网、CU 和CU 之间等相关流量承载，由接入、汇聚和核心三层构成。由于核心网演变为5G 核心网和多接入边缘计算MEC 等，同时5G 核心网云化部署在省干和城域核心的大型数据中心DC，MEC 将部署在城域汇聚或更低位置的边缘数据中心。因此，城域核心汇聚网络将演进为面向5G 回传和数据中心DC 互联统一的承载网络。

（2）5G 核心网架构变化。5G 核心网进行云化，其UPF（User Plane Function，用户面功能）按需下沉。受业务发展驱动，5G 核心网发展成满足全业务接入和服务全业务场景的云化网络架构，引入SDN 和NFV 技术，通过网络切片功能实现不同业务虚拟隔离。

总之，5G 网络组网架构的变化对传输网络提出了新的变化，它使网元设备之间的联接变为云之间的互联组网，如图1 所示。

图1 5G 传输网络组网架构示意图

2.2 5G 业务要求变化

ITU 为5G 定义了eMBB（增强移动宽带）、mMTC（海量大连接）、uRLLC（低时延高可靠）三大应用场景，这三大业务场景对承载网有不同的需求。eMBB：主要承载的业务类型包括超高清视频UHD、虚拟现实VR、增强现实AR、沉浸式游戏娱乐等，这些业务对承载网的需求是大带宽、大吞吐率、高移动性。mMTC：主要承载的业务类型包括智慧家庭、智慧城市、智慧农业等，它对承载网的需求是大连接、低移动性、低速率、低功耗。uRLLC：主要承载的业务类型包括自动驾驶、远程医疗、远程工业控制等，它对承载网的需求是高可靠性、低时延。

相比4G 网络，5G 三大业务对网络的要求也发生了巨大的变化，具体业务要求为带宽单站接入高达10 Gbps，时延为最低达1ms，时间同步小于±1.5 us，L3 到边缘灵活连接，部署智能SDN 提升业务开通及时维护效率。这些差异化的业务要求，对5G 传输网络提出了新的挑战，它只能通过传输网络切片技术来满足不同业务的隔离，不同业务带宽、时延、连接的需求，如#1 号网络切片承载8K高清视频eMBB 大带宽业务，#2 号网络切片承载自动驾驶uRLLC 低时延业务，#3 号网络切片承载IOT 物联网mMTC 超密连接业务。承载网切片功能要保证不同切片对带宽、时延、可靠性的需求，要保证切片的灵活创建、修改、删除，要保证切片的完全隔离，同时切片的调整不会影响其他切片。网络切片将一外物理网络切割成多个虚拟的端到端的网络，每一个都可获得独立网络资源，各切片之间可相互绝缘，因此当某一个切片是产生错误或故障时，并不影响其它切片。通过网络切片功能做到了端到端的按需定制业务并能保证隔离性。

总之，5G 三大业务场景eMBB、mMTC、uRLLC带来了组网架构的变化和业务要求的变化，这也必然导致5G 传输网络的重构[2]。

3 5G 传输网新技术

总体来讲在5G 三大应用场景的驱动下，对传输网进行重构改造时需要考虑五方面的变化要求，它们分别是：提供超大带宽、提供超低时延、提供超精度时间，支持灵活调度、支持网络切片。为满足这些新要求，在5G 传输网中必须引入一些新技术手段来解决三大应用场景的差异化业务需求。

FlexE（Flexible Ethernet）灵活以太网技术：它是基于高速以太网接口，将以太网MAC 层和PHY实体层解耦而实现，可支撑5G 网络实现超大带宽、超低时延、网络切片等功能。FlexE 技术可解决物理链路带宽不足和报文转发时延高的问题，实现带宽扩展和超低时延传输。基于FlexE 可实现承载网端到端的硬切片，可满足三大应用场景业务的差异化承载需求。

FlexO（Flexible Optical Transport Network）灵活光传输网技术：通过绑定多个标准速率的物理接口（如N×100G）来支持更高容量的ODUflex和OTUCn，OTUCn 提供互通的系统接口，实现超100G OTN 高速率信号的传输。

M-OTN（Mobile-optimized OTN）面向移动承载优化的OTN 技术：它是以OTN 技术为内核的一种创新技术，主要特征包括25 G 和50G 线路接口技术、单级复用、灵活设置时隙颗粒度。M-OTN的目标是提供低成本、低时延、低功耗的综合业务承载方案，主要应用在5G 传输网的前传和回传中。

SR（Segment Routing）分段路由技术：SR 是一种源路由转发技术，即只需在网络的入节点指定数据包要途经的部分或全部节点和链路信息，其它途经节点只需转发，不需维护连接状态。SR 可实现在流量连接场景下，降低网络连接的复杂度，使得业务路径的维护更容易，提高业务路由转发效率，支撑5G 网络实现海量连接的灵活调度。

IPv6 技术：IPv6 地址比特数是IPv4 的4 倍（从32 bit 位扩展到128 bit 位），128 位地址可包含43亿×43 亿×43 亿×43 亿个地址节点，足以满足5G 网络所需的地址空间，巨大的IP 地址空间是部署IPv6 网络的最大优势。

高精度时间技术：采用时间和时钟双网合一、时隙下沉至前传网等技术实现高精度的时间时钟同步功能。满足5G 超高精度时间传递要求，需要从时间源和承载网两个方面提升时间同步的精度。在时间源方面，可采用卫星共视法，其比对精度可达10ns。从承载设备的角度，实现高精度时间同步需要对承载设备进行带内和带外改进，带内方式：将时间戳下沉到接近物理层而不是MAC 层，以提升时间戳的精准度；带外方式：基于光模块实现时间信号和业务信号的分离。

Network slice instance 网络切片技术：它是一个具有特定网络特性的逻辑网络，它是由网络功能模块以及配置给这些网络功能模块的资源组成。网络切片技术可以将一个硬件基础设施中切分出多个虚拟的端到端网络，每个网络切片在设备、接入网、传输网及核心网方面实现逻辑隔离，以适配各种类型服务并满足用户不同业务的差异化需求。传输网网络切片是对网络的拓朴资源，如链路、节点、端口，以及网元内部资源，如转发、计算、存储等资源，进行虚拟化形成虚拟资源，并按需组织形成切片网络。传输网络切片是基于SDN 的网络虚拟化新技术，其整个体系架构有三层：最底层是网络基础设施即数据转发面，中间层是具有网络核心控制权的虚拟化控制器，最上层是负责业务配置管理的应用程序和控制器[3]。

4 5G 传输网解决方案原则

（1）5G 传输网应遵循固移融合、综合承载的原则和方向，与光纤宽带网络的建设统筹考虑，将光缆网作为固网和移动网业务的统一物理承载网络，在机房等基础设施及承载设备等方面尽量实现资源共享，以实现低成本快速部署。

（2）传输网络应当满足5G 网络的高速率、低时延、高可靠、高精度同步等性能需求，灵活性强，支持网络切片[4]。

（3）在光纤资源充足或CU/DU 分布式部署的场景，5G 前传方案以光纤直连为主，应采用单纤双向（BiDi）技术；当光纤资源不足且CU/DU 集中部署时，可采用基于WDM 技术的承载方案，具体包括无源WDM、有源WDM/M-OTN、WDM PON 等。

（4）对于5G 中传/回传，初期业务量不太大，可以采用比较成熟的IPRAN，后续根据业务发展情况，在业务量大而集中的区域可以采用OTN 方案，PON 技术在部分场景可作为补充。初期基于已商用设备满足5G 部署需求，逐步引入SR、FlexE/FlexO接口、M-OTN 等新功能，回传接入层按需引入更高速率（如25G/50G）接口；中远期适应5G 规模部署需求，建成高速率、超低时延、支持网络切片、基于SDN 智能管控的回传网络。

（5）5G 基站接入光缆资源，按照每基站需求6 芯光纤配置，部分厂家设备会采用单AAU 使用两对光模块，光缆需求会成倍增加。考虑到今后网络演进需要和建设成本问题，建议光缆建设时一次性布放24 芯光缆到5G 基站。AAU 至BBU 间采用裸光纤直连的方式，可为环型或星型，一个AAU至BBU 采用普通光模块需要两芯光纤，采用单纤双向技术则只需要一芯光纤。光缆网要根据用户密度和业务需求统筹规划和建设，应成为固网和移动网的业务的统一物理承载网络，目前接入网光缆在FTTx 网络建设后以环（接入主干）+树形（配纤+引入）拓扑结构为主，可在此基础上充分利用现有光缆资源和光缆路由，服务于5G 前传/回传网络，实现固移融合。

5 5G 传输网部署方案

根据5G 网络整体部署进度、网络演进情况和投资建设成本等综合因素考虑，采取5G 传输网分阶段进行部署的方案[5]。

（1）5G 初期阶段：现网传输设备能力提升，为5G 规模部署做准备。此阶段总体目标是配套5G基站新建接入设备10GE 组环，具备100GE 平台能力，保障后期带宽扩展能力；新采购100GE 单板建议采用FlexE 单板，保护投资。具体来讲，接入层：新建接入环或老旧设备替换，用户侧10GE 接口接入基站，网络侧采用10GE 上行，中后期按需扩容到50GE/100GE。汇聚层：不支持5G 演进老旧设备替换，支持演进设备扩容新单板，初期10GE，中后期逐步部署100GE 互联，支持SR/FlexE ，根据业务需求引入部署。核心层：不支持5G 演进老旧设备替换，支持演进设备扩容新单板N×10GE 或100GE 互联，中后期采用N×100GE 或更高速率接口支持SR/FlexE，根据业务需求引入部署。

（2）5G 中后期阶段：传输设备引入新单板及新特性，支撑5G 规模部署。此阶段总体目标是接入层按需扩容50GE/100GE，核心汇聚按需引入N×100GE、FlexE 捆绑/400GE；按业务需求逐步引入控制平面，部署FlexE、SR、网络切片等5G 新功能，满足行业用户需求。具体来讲，接入层：新建接入环采用5G 新型A 类设备建议100GE 组环，现网接入环按需50GE/100GE 扩容，建议采用L3到边缘部署端到端SR。核心汇聚：引入5G 新单板支持SR/FlexE 等5G 新特性，扩容节点采用100GE扁平化口字型组网按需引入N×100GE FlexE捆绑。业务部署：逐步引入SR-TE、FlexE，5G 核心网虚拟化、控制面省集中和用户面UPF 分布式下沉。