6G无线侧相关新承载和新传输的愿景需求分析

牟 林 杨 立 李志军 谢 峰

1 中兴通讯股份有限公司 深圳 518057

2 移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室 深圳 518057

1 6G之前RAN承载技术背景

对于任何一种移动通信系统，如何稳健高效地去承载和传输各类通信数据，是最基本的问题。无线接入网(Radio Access Network，RAN)的角色在移动系统无线网络侧承上启下，一方面它面向信道环境动态变化的无线空口Air Interface，另外一方面它也面向移动通信网内部的其它各种网元节点，如相邻基站、网关和核心网等。

在空口侧，第三代合作伙伴项目(3rd Generation Partner Project，3GPP)标准化组织所制定的国际移动电信IMT-2000/Advanced/2020系统定义的无线承载(Radio Bearer，RB)机制和它相关的空口协议栈架构，已较成熟地广泛适用于各种无线信道特征，例如：抗传播衰减、无线衰落、干扰和多径效应等。在空口，即使RAN基站上下行收发的仍然是IP数据包，但它并不存在数据网络(Data Network，DN)中经典的路由和传输问题，因为无线空口接入段都是在基站的调度和强控制之下，解决的只是点对点的无线链路级问题。在RAN网络内部(过去通常基于有线Wireline承载和传输方式)，任何网元节点之间(包括各种后程Backhaul，中程Midhaul，前程Fronthaul)接口的控制面和用户面(也称为转发面)的技术体系和相关协议栈架构，早已都建立在全IP承载[1-2]基础之上。它们和无线空口侧相对隔离和解耦，并保持着独立的设计和演进。在RAN网络内部，存在着数据网络DN中的路由和传输问题，因为RAN后程/中程/前程各段链路都建立在全IP网络之上。

6G之前的各种无线接入网内承载(如eNB之间，gNB之间)最终都归于使用全IP(战胜了X.25、FR、ATM等承载技术)，主要得益于当年IP技术的精简成熟，和背后强大的产业支撑力量。截至今日，也没能出现哪种新承载技术能替代IP，而各种演进增强的变种，都是在IP框架内迭代进行，因此高速路由器一直都是电信承载网中的关键设备。

2 6G之前RAN传输技术背景

传输(Transport)是承载(Bearer)上一层的网络功能，它负责监督和控制网络链路上数据交换的性能和工作状态等。5G NG-RAN相比4G LTE，无线接入网NG-RAN内的承载传输架构和相关协议栈并没本质的变化。5G无线接入网NG和Xn接口所使用的协议栈，如图1所示。

图1 5G NG和Xn网络接口的控制面和用户面协议栈

在控制面协议方面，5G NG-RAN和4G LTE一样，继续使用了SCTP(Steam Control Transmission Protocol)传输协议[3]，它可用于5G NG接口(基站和核心网之间)，Xn接口(相邻基站之间)，F1接口(gNB-CU和gNB-DU之间)，E1接口(gNB-CU-CP和gNB-CU-UP之间)。除了AP应用层协议的差别，上述各个RAN主要接口的控制面协议栈也基本一致。在用户面协议方面，5G NG-RAN也和4G LTE一样，继续使用了UDP/GTPU(GPRS Tunnel Protocol User Plane)传输协议[4]，它可用于5G NG、Xn、F1等RAN主要接口上的用户面。上述各个接口的用户面协议栈也基本一致[5]，但和4G LTE中GTP-U有较大不同的是：5G对GTP-U协议头进一步进行了有限扩展，以适应5G系统新业务服务流架构的特殊需求。由于5G NG-RAN所使用的控制面协议、用户面协议，在承载传输方面和4G LTE使用的基本相同，因此4G传输网(Transport Network Layer，TNL)资源可以被5G网络所重用，这对移动运营商的网络资产保护非常有利。

SCTP是IETF组织定义规范的信令传输协议，最初应用于7号信令网系统，由于其针对信令传输的特殊设计，一直在后来的电信网络中被延续使用。SCTP传输协议的特点是：提供多宿主连接、路径选择、耦连状态告知、流控和拥塞机制，用作高可靠鲁棒的信令传输。5G NG-RAN相比4G LTE，为了增强控制面信令传输的“通道带宽”和“鲁棒性”，采用了Multiple-SCTP的增强机制，即通过配置多条SCTP耦连给不同的用户或信令传输目的，保证了信令传输的实时性和鲁棒性。在SCTP协议之上，还可叠加配置DTLS(Datagram Transport Layer Security)协议[6]，以提供更好的传输安全性。在5G NG-RAN内，所有控制面信令连接都使用SCTP传输，当前SCTP连接暂时只支持“点对点应用消息传输”(即point-to-point transmission for delivering AP message)，因此信令交互的链路必须是点对点的，即只能从一个网元节点到另外一个网元节点，这难以适应未来6G RAN潜在被IT化和云化的特征。相比而言，在核心网侧，为了更好地适应于IT化和云化，5GC核心网率先采用基于服务化架构(Service Based Architecture，SBA)，并使用了TCP/TLS/HTTP2的新传输协议栈[7]。由于TCP/TLS/HTTP2协议组合的缺点，IETF标准化组织目前正在研究QUIC(Quick UDP Internet Connection)协议，用来在未来替代TCP，作为HTTP协议的传输层协议。QUIC基于UDP传输，但同时融合包括TCP、TLS、HTTP2等协议特性，可很好地解决当今传输层和应用层面临的各种新需求，并能提供更多的连接能力、更好的安全性和低延迟等优点。未来随着QUIC协议进一步成熟，可预期HTTP将逐步被构建在QUIC传输之上，所以将来的6G核心网也倾向采用UDP/QUIC/HTTP3的新传输协议栈。

GTP-U是3GPP早期定义的用户面传输协议，最初用在GPRS网络节点间用户面数据包User Packet的传输，并在后来的3G/4G/5G移动系统中一直被延续使用。GTP-U传输协议的特点是：在同一IP端到端连接上，构建点对点的隧道封装传输协议，提供多路传输复用、路径管理(GTP-U自己还有“带内控制消息”用于隧道Path管理)等能力。GTP-U隧道传输协议从2.5G GPRS系统开始被运用，在传统蜂窝非云化的电信网络中非常经典。GTP-U协议一直由3GPP控制主导，可按需不断地进行内容扩展，但也难以适应未来的云化网络特征。如表1所示，GTP-U定义了基本的包头封装GTP-U Header格式，随着后续各种网络接口用户面新功能和新需求的引入，又陆续定义了多种不同内容的GTP-U Extension Header，基本结构如表2所示。

表1 GTP-U Header的格式定义

表2 GTP-U Extension Header的格式定义

NOTE 0: (＊)This bit is a spare bit.It shall be sent as'0'.The receiver shall not evaluate this bit.

NOTE 1: 1)This field shall only be evaluated when indicated by the S flag set to 1.

NOTE 2: 2)This field shall only be evaluated when indicated by the PN flag set to 1.

NOTE 3: 3)This field shall only be evaluated when indicated by the E flag set to 1.

NOTE 4: 4)This field shall be present if and only if any one or more of the S,PN and E flags are set.

GTP-U是当年3GPP CT4组和3GPP RAN3组联合制定的，具体地：CT4在TS29.281[4]中定义了GTP-U帧的数据包封装格式、以及RAN3所要使用的容器Container格式，而RAN3在TS36.425、TS38.425、TS38.415等用户面协议中规范了各个用户面容器Container的具体内容和行为操作。GTP-U传输协议本身是紧密绑定在3GPP相关协议之上的，因此只能应用在3GPP电信网络中。在5G技术早期研究中，某些移动运营商希望引入SRv6(Segment Routing IPv6)协议[8-9]，来实现用户面业务数据包更灵活的传输，SRv6能在非点对点的云化链路环境下实现更好的传输性能。SRv6是一种基于标记的分段路由协议，基于增强IPv6，在IPv6数据包头记载了路由标签信息，也记录了多跳传输路径等。由于SRv6新协议对路由器芯片和硬件都有特殊要求，且对整个承载和传输网络的改造升级影响较大，需做大量的硬软件升级，CT4最终在5G阶段摒弃了SRv6。从目前看，由于GTP-U传输协议在3GPP网络中应用得很广且很深(现网中2/3/4/5G都还在用)，除了帧包头携带越来越多控制信息而导致信令Overhead之外，还没有大的技术缺陷，因此目前还没有哪个传输协议能挑战GTP-U的霸主地位，后续它很大概率还会被继续地丰富和扩充内容。如果未来6G RAN存在新的架构和部署需求，例如：将部分RAN节点的用户面实体搬迁到云上，则会使用类似SRv6的用户面传输协议，以适配部分RAN实体功能模块被IT化和云化的特征。

3 面向6G RAN新承载和新传输潜在需求

面向未来6G RAN，新承载和新传输潜在需求的促因主要有两点：一是来自6G RAN的潜在新架构，二是来自6G新业务应用。

首先，在6G RAN架构方面，未来6G无线架构可以采用和5G核心网类似的新架构，即共同朝着虚拟化(Virtualization)、云原生化(Cloud-Native)、服务化(Service Based)、去蜂窝简化[10-12]的方向演变。在5G时代网络不仅需支持移动超宽带，还需同时对物联网、低时延高可靠工业互联网等新型业务支持，因此运营商希望能将网络功能分解成许多个基础功能和基础服务，通过不同的场景业务模板，实现不同功能和服务的灵活组合和编排装配，以应对各类不同场景业务的需求。另外随着移动系统越来越复杂，对网络弹性和低成本的需求也越来越高，而传统基于专有硬件实现方式在设备成本和灵活弹性调整方面，都难以满足新的部署需求，运营商希望能使用更廉价的通用硬件去替代专有硬件，通过分布式资源集群化的管理，提高设备和资源的利用率、部署灵活性和启用算力，从系统层面降低网络建造和运维成本。鉴于上述背景需求，在DICT融合发展背景下，电信网络可借助于网络功能虚拟化(Network Function Virtualization，NFV)、云化、服务化等技术，使用更通用类型的高性价比硬件(常规CPU、GPU、TPU等)来承载实现各种IT软件化的业务功能和服务模块，通过云化部署、集群运维的方式来管理各种设备功能和资源，获得更高可扩展性、高动态灵活性，同时进一步降低网络建造、运维和管理成本，为移动用户带来更佳业务体验，为运营商带来新的营收利润增长契机。同理，未来6G RAN也会将虚拟化、云化、服务化的理念引入到无线架构(至少在空口高层协议功能方面)的实现中，例如：和已实现的SBA-CN所对位的SBARAN。RAN内各个基带处理协议实体和模块的云化实现，强化了对网络分布式处理的需求和更高系统内传输性能的要求，因此各个分布式网元节点和协议实体之间的承载和传输能力都必须进一步增强。

SBA-RAN作为RAN云化的重要特征之一，它可将所有6G RAN的功能和服务彻底地解耦和分离，各个功能和服务模块之间通过类似总线的形式串接起来，形成所谓服务功能链(Service Function Chain，SFC)[11-12]。更强大的承载传输能力是SFC能够高效工作的基本保障，否则SBA-RAN相比过去“竖井式高集成”的传统RAN基站毫无性能优势可言。强大的承载传输能力可使得SFC接近过去传统共站同板集成实现的效果。如果6G RAN未来也采用类似SBA的服务化架构，那么不同RAN控制面功能模块或协议实体之间，也倾向采用TCP/TLS/HTTP2或UDP/QUIC/HTTP3新传输方式。因此未来6G RAN的新架构对新传输有着决定性作用。

其次，在新型业务应用方面，未来6G网络中的全息通信、数字孪生、确定性业务和分布式算力协同等业务[13-14]是6G较有代表性的几种新业务。全息通信不仅对传输速率有非常高的要求，还要保证低时延和低丢包率。根据现网测算，当前的承载网容量是不足以提供多路并行的全息通信的。确定性业务强调业务数据包被端到端投递的严格准时可控，即所谓“严格监控，说到做到”，这必然对现网的承载传输也有相应的升级支持要求。算力协同业务强调分布式计算所带来的大量中间临时数据和智能交互类型数据，能以极低的延时和极高可靠性在不同基站节点之间被传递和交互，这也势必需要更高性能品质的新承载和新传输去支持。总之在未来6G时代，当前传统的老承载和老传输方式一定会受到较大的挑战，不足以满足6G RAN潜在新架构和新业务应用的需求。

4 面向6G RAN新承载和新传输技术发展

前面已经论述，未来6G RAN的新无线架构和新业务应用，对新承载和新传输都有着决定性的作用。在网络端到端虚拟化、云化、服务化的趋势背景下，TCP/TLS/HTTP2或UDP/QUIC/HTTP3新协议栈，和SRv6都可以成为未来6G RAN的新传输技术方式。

相比于传输(Transport)，它下层的承载(Bearer)其实更为关键。未来B5G、6G RAN对承载网络的性能新需求，主要体现在传输容量带宽、时延、抖动、分组丢失率等指标方面。4G LTE和5G各自对承载网络的性能指标要求大致如图2所示，因此从眼下的5G再到未来的6G，可按照该趋势做相应比例的倍增考虑。过去分组传输网(Packet Transport Network，PTN)承载技术已被广泛地应用，但由于PTN多项性能指标都不能满足5G某些新业务需求，一方面业界正在继续做都市传输网(Metro Transport Network，MTN)增强升级，进一步提高接口速率，另一方面以中移动为代表，正在积极牵头制定更强大的切片分组网(Sliced Packet Network，SPN)新承载技术标准，以更好地适配端到端网络切片功能[15]。它的核心特征是在SR-TP(Segmented Routing-Transport Profile)转发机制中，建立双向相同路由的端到端承载路径。

图2 传统承载PTN和新承载SPN技术性能指标特点

承载网是底层物理管道，它是更偏硬件的网络系统，因此承载网的容量带宽等性能方面的提升扩展，主要依靠硬件的增设和升级，特别是未来高频毫米波通信及其架构演进[16]，必然带来更大量Front/Mid/Backhaul承载容量的新需求。例如：从10GE/40GE端口升级到100GE/200GE/400GE(1GE=1Gb/s)，必须增设和升级路由器和光纤等硬件方面。其次新功能的引入也需要升级硬件，例如：去支持SPN承载和SRv6传输等。不同版本能力的承载网物理设备节点，可长期地共存被联合利用，例如：4G现网中十几年前的承载设备都还在运行服务着。IP路由器转发报文处理时延大约在us级别，但一旦拥塞，时延也可达ms级别甚至中间丢包。承载网时延的大头部分在于物理链路的传输时延(例如：10km长光缆时延大约为50us)。当下的承载网络端到端时延一般在<10ms级别，具体情况需根据物理链路距离和跳数以及业务负荷情况进行综合评估。基于当前CCSA TC3下工作组的研讨活动状态，面向未来6G网络，承载网新功能的需求大致如下：

1)客户/业务体验保障能力(确定性网络DetNet)；

2)时延传输控制能力(不仅及时，还要能准时)；

3)海量连接管控能力(支持异构跨域的各种终端，全球泛在可达)；

4)网络状态感知能力(支持“感知流”)；

5)网络人工智能能力(支持“智能流”)；

6)用户可定义 (可编程，动态灵活部署)。

总体上看，只要承载网硬件资源配备得十分充足且功能升级到位，承载网其实不容易成为未来6G移动系统追求极致通信性能的技术瓶颈或障碍，它比无线空口接入段性能的提升相对更容易被实现，因此这块可保持相对乐观。

5 总结和展望

总体上，面向未来6G RAN潜在的新无线架构和新业务能力，新承载和新传输相关技术演进的趋势还是比较清晰的，即：全力配合6G RAN朝着云化、服务化和IT化的方向演进，这些趋势和6G核心网侧特点有高度的对齐和融合；TCP/TLS/HTTP2或UDP/QUIC/HTTP3新协议栈，和SRv6都可以成为未来6G RAN的新传输技术方式。业界已开始充分地为B5G和6G“全息通信”“数字孪生”“算力网络”和“云网一体”等重要新应用和部署场景[17]，做好了在承载和传输方面的新技术使能和资源预备，因此它们应能充分满足未来6G RAN对承载和传输方面更高条件和性能的需求。随着移动通信系统端到端IT化和云化的深入应用实践，不断增进6G无线接入网和6G核心网，在承载和传输机制方面的对齐融合和标准统一，有利于简化未来IP&TNL网络的部署运维提升效率，有利于增强它们的资源利用率和IP&TNL设备资产的寿命周期价值。持续增强提升各种新承载和新传输技术的应用成熟度，不断地降低其物理成本，反过来也必将能积极促进6G RAN的SBA云化、服务化和IT化架构被标准化成型和6G新移动业务顺利地商用落地。