5G 时代传输承载技术发展趋势研讨

［周芳梅 白少宇］

1 引言

5G 已成为当前和未来一段时间内通信领域关注的热点技术之一，它在移动互联网、物联网等多种场景具有巨大的应用潜力，呈现出超大容量、超高性能、多元融合等特性，而且随着人工智能等新兴科技的引入，近年来在技术整体研发和标准建设等方面的发展进程表现出不断加快的态势。5G 网络的灵活智能和高效开放，必将推动社会各行各业取得飞速发展，但 5G 网络对传输承载网络也提出了更高的要求，我们只有对承载传送网络的架构、关键技术以及功能进行大幅度的变革和创新，才能满足5G 网络的高效运行需求，继而也才能推动面向5G 承载的传输网络迎来新一轮的发展契机。本文正是基于这一出发点，对面向5G 的承载传输网的关键技术进行了分析，并就传输组网方案进行了探讨，希望对业内同仁起到一定的参考和借鉴。

2 5G 承载网面临的挑战和需求

2.1 承载网的挑战

2.1.1 核心网架构演进

4G 时代，核心网大都采用省会城市集中部署的方式，面对三大业务场景多样化的业务需求，5G 核心网将实现云化演进、转发和控制分离等，根据业务需求进行集中部署或部分下沉，实现更加灵活的网络架构，以应对网关下移、协同就近转发、流量本地终结等。

2.1.2 基站架构演进

5G 无线基站的密度更大，基站的协同和移动性切换问题驱动无线架构RAN 对4G 的BBU 与RRU 功能重新切分为：有源天线处理单元（AAU）、分布单元（DU）和集中单元（CU）3 个部分 BBU 的部分物理层处理功能与原RRU 合并为AAU，BBU 非实时部分分割出来，重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务，BBU 剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务。

4G 时代前传接口基于CPRI 协议，5G 时代在大带宽、多流、MassiveMIMO 等技术发展的驱动下，传统前传CPRI 接口对传输带宽要求太高，根据计算，5GCPRI流量在低频100M/64T64R 配置下将达到400G，CPRI 联盟为此对前传接口重新定义eCPRI 标准，以降低带宽要求，eCPRI 接口（5GAAU 与DU/CU 间接口）预计最大采用25G 接口，支持以太封装、分组承载和统计复用。

以上架构的演进给5G 承载网带来了以下变化和挑战。

①核心网云化带来流量流向的多元化：4G 时代，业务流量只有S1 X22 种类型，且S1 流向固定，5G 时代还将出现DC 间流量，S1 流量根据核心网部署位置的不同，存在多流向，承载网需要具备业务灵活连接能力。

②5GRAN 的部署方式：由于CU DU 功能的分离，带来多种组网方式，包括传统的DRAN 部署方式、BBU集中的CRAN 部署方式及CU 云化部署的CloudRAN。为应对未来无线架构的变化，要求承载网具备承载大容量、不同时延业务互通的能力。

2.2 5G 承载网需求

2.2.1 承载大带宽

5G 时代承载网设备数量大，MESH 拓扑结构场景多，带宽、接口消耗大，要求承载设备具备大容量、大带宽、接口数量多的特点。因此5G 系统的承载网必须具有大带宽、大容量的能力。

2.2.2 低时延需求

3GPP 在uRLLC 场景中定义了多种服务，主要面向工业控制、车联网、远程医疗等垂直行业。特点是低误码率、确定性低延迟、这些时间敏感业务需保持端到端毫秒级甚至亚毫秒级时延、100%可靠性。因此要求承载网提供极低的传输和处理时延等能力。

2.2.3 网络切片需求

5G 承载网需要支持eMBB、mMTC 以及uRLLC 等多形态业务类型，这些业务对时延、带宽、连接数、可靠性等诉求各不相同，对统一的承载网要求必须支持网络切片来提供差异化传输，满足这些垂直行业的多元化需求。3GPP 对网络分片的关键要求：网络分片严格隔离，操作互不影响；网络分片弹性可扩展，且不影响业务；允许第三方创建、管理、配置自己的分片

2.2.4 高精度时间同步需求

5G 同步需求主要体现在3 个方面：基本业务时间同步需求、协同业务时间同步需求和新业务同步需求。4G 基站间时间同步精度要求是±1.5 μs，3GPP 当前已经初步确认5G 基本业务对时间同步的需求同4G 一样。5G 协同业务以及新业务同步需求的标准未定，预计在2019～2020 年发布，主要也在RRU 之间实现。

2.2.5 网络灵活性需求

mMTC 主要应对垂直行业的以传感和数据采集为目标的应用场景，如物联网等。要求能支撑全网资源灵活调度、流量的灵活路径调整、网络可编程和新增业务的快速部署。因此5G 核心网云化、网络切片等需求导致5G 承载网络对连接灵活性的要求更高，为了应对网状化的动态业务连接需求，5G 承载应至少将L3 功能下移到UPF 和MEC 的位置，根据网元之间不同流向的业务需求，为5G 网络提供业务连接的灵活调度和组网路由功能，提升业务质量体验和网络带宽效率、

2.2.6 智能化管控需求

5G 系统以软件定义网络（SDN）作为基础技术，实现控制面和转发面分离，使整个网络更加智能、高效和开放。作为端到端网络的一部分，承载网也必须具备SDN功能，提供面向多样化、差异化业务的网络配置接口，实现业务场景按需适配的网络架构，满足业务差异化需求，同时引进简化路由转发技术（SR）和控制技术（EVPN）可以实现网络的灵活部署，提升业务运维效率。

3 5G 的承载传送网关键技术

3.1 G.metro 低成本城域接入技术

面向5G 的需求，融合超宽带（G.metro）技术正逐渐走向成熟和应用，该技术对包括室内和室外在内的各种复杂环境都可以提供良好的支持，而且其调光模块可以实现波长可调，对商业级、工业级等各种工作环境都可以很好地满足。该技术自身已经相对成熟，而且已经取得了一定的应用成效，但该技术在实际应用中也存在一定的问题，最大的难题来源于高昂的技术使用成本，这显然对大规模的部署应用造成了限制。

为了解决这一问题，很多技术对系统设备的结构进行了简化，同时还引入了一些新的材料和技术方案等，这些都为该技术的推广奠定了良好的基础。

3.2 超低时延全光组网技术

就像4G 相较于3G 在低时延方面有了一个明显提升一样，5G 业务对低时延的要求更加严苛，要求承载传输网必须满足超低时延的要求。在这种情况下，全光组网就成为了必须要使用的一项关键技术。在推进5G 的试验组网过程中，前传段可以借鉴融合超宽带构建全光接入网，中传段则可以构建全光传送网。在此基础上，可以利用波分复用对端口进行汇聚，并使用ROADM 进行光层调度，通过削减掉中间不必要的光/电转换来降低时延。此外，为了提升传输的质量和效率，一般还需要采用SDN 技术对分组和光融合进行统一管控，实现对最优转发路径的高效统一计算，进而促使传输的效率和精度提升到更高的水准。

3.3 高精度同步传送技术

目前业界已经对5G 系统给出了一些比较明确的指标，只有满足这些指标要求，才能实现真正意义上的5G 运行组网。

比如时间精度指标的正式标准就会在年内发布。除此之外，业界对另外一些5G 系统的业务指标也出台了一些预测，比如5G 传输网在超短帧至少应达到数百纳秒的量级。为了满足这一需求，现实中主要采用的技术包括以下3 种：①最大限度地提升单设备的静态误差性能，将边界时钟设备的静态误差提升到10～15 ns 的水准；②在5G 承载传输中运用G.Metro 技术，实现对链路经过跳数的降低和时间传输精度的提升；③对时间同步设备进行结构简化和小型化，并将其安装在基站附近，这样做的好处是能够降低链路通过节点的跳数，进而实现对同步精度的提高。

3.4 端到端智能管控

5G 相较于4G 业务，它对传输网的容量、速率和调度灵活性等提出了更高的要求，同时鉴于传输承载网各个环节之间可能普遍存在着异构网络的协同学期，因此对整个希望网络的管理也提出了新的挑战。在这种情况下，5G承载传输网必须引入SDN 技术，对端到端进行智能管控。在实际工作中，采用SDN 技术对系统进行全面管控时应具备如下功能：①全局管控，智能调度。系统可以对路径进行智能化计算，通过对全局的统一运算分析和调度优化，就能明显改善带宽的利用率。②跨网协调，统一管控。基于SDN 的管控运维系统应能支持跨域协同，将原本不同网络间的人工协作转变成机器之间的自动交互，提升质效。

3.5 Flex E 与网络切片

对于网络切片的应用，无论是何种性质的网络以及管控机制，本质上都需要在分片网络之间做到一定程度的隔离。

Flex E 是实现网络切片的主流技术方案之一，能够提供低时延、实时业务的IP 承载网络

4 5G 传输承载网的组网方案

根据RAN 组网结构，可以将5G 传输承载网分为三部分：前传（RRU-DU）、中传（DU-CU）、回传（CU-核心网CN）。根据传输承载需求，重点对前传和回传进行探讨。

4.1 前传（RRU-DU）

前传，网络结构为星状连接，组网有多种技术选择。第一，光纤直驱技术。光纤直驱即光纤直连，应用在点到点的接入，无须传输设备，解决了电信号无法长距离传输的问题。这种模式需要采用较多的光纤，在光纤资源丰富的地区可以快速部署，在光纤资源紧张的地区需要通过其他手段。第二，WDM 技术。WDM 技术是在光纤上进行信道复用的技术，具有传输容量大、传输不同类型信号，不需要敷设更多的光纤就可以实现网络扩容等优点。第三，OTN 技术。OTN 是以波分复用技术为基础，在光层组织网络的传送网，是下一代的骨干传送网。可以解决传统WDM 网络无波长/子波长业务调度能力差、组网能力弱、保护能力弱等问题。目前该技术在传输承载方案应用中也面临着成本高和设备复杂性高的问题，低延时是否能够满足前传需求也没有得到验证。第四，WDM -PON 技术。

WDM -PON是基于波分复用方式的无源光网络技术，该技术具有时延小、安全性好、提供丰富带宽等优点，可以很好地满足5G 基站对前传的带宽需求。缺点是商用技术不是很成熟，光器件成本高，缺少网络保护。

通过对以上几种技术的分析，可以发现它们各有优缺点，在实际应用中，可以根据实际因素选择不同的承载方案。

4.2 回传（CU-核心网CN）

在5G 回传组网方面，灵活以太网（Flex Ethernet）近几年发展非常迅速，已被各大标准组织广泛接纳。FlexE的通用结构如图1 所示。

图1 Flex E 的通用结构图

FlexE 通过对以太网轻量级增强，将FlexE shim 层插入到L2（MAC）/L1（PHY）之间，利用时分复用分发机制，将若干个Client 接口的数据按照时隙方式调度，并分发至多个不同的子通道。随着新技术的不断发展，网络带宽升级也面临着严峻的考验，FlexE 可以实现大端口的捆绑功能，可以不用进行大量的业务调整，节约投资成本。同时FlexE 也可以实现同一分片内业务统计复用，各个分片之间互不影响，相对于通过VPN 实现的分片隔离性会更好一些，为5G 网络分片提供更好的选择。

5 5G 网络核心架构及承载方案

5G 网络架构处理中，电信运营商需要根据用户需求对工作频段进行拓宽处理，传统100 MHz～3 GHz 已经无法满足当下时代需求。受技术水平限制，对应过高频率的数据无法实现良好的长距离、高质量传输，衰减作用较为显著，需要引起业内学者的关注。为此，大数据环境下5G 在天线技术上会有所突破，其中包括大量的MIMO（多输入多输出）技术和新型传输波形技术的使用，其目的是并行发送无线电信号的同时还使得能量集中在一个特定方向。国内各行业发展迅速，均离不开大数据网络体系建设的辅助。如借助先进的设备、高速处理速度实现工作内容的大容量存储、高效处理的目的。整体互联技术的重要性不断提升，5G 技术的发展需要充分满足国内网络技术的需求，加强信息化建设的合理性、高效性是必然趋势。另一方面，5G 关键技术分析中需要注重下述几点。①超密集异构网络。5G 网络是一种利用宏站与低功率小型化基站（Micro-BS，Pico-BS，Femto-BS）进行覆盖的融WiFi，4G，LTE，UMTS 等多种无线接入技术混合的异构网络。将Macro 作为网络的基石，icocell，Femtocell 和Relay 等低功率基站则用来消除只有Macrocell 时的覆盖盲区，能有效分担宏蜂窝的负担，提供低时延、高可靠的用户体验。超密集异构网络可以使功率效率，频谱效率得到大幅提升，但是也不可避免的引入了一些问题。②大规模MIMO 技术，借助天线阵列等进行处理，保证相同时段的资源合理分配，实现良好的频谱效率控制、传输性能提升明显。多天线技术可以限制波束控制在小范围空间内，避免干扰效应导致的发射功率偏低，整体自由空控制管理水平良好，增加了信道反应的精准性，整体空间占用少、处理效果明显提升。

5.1 扁平化IP 网络

5G 网络的基站具有小型化、功能强大的特点，其可安装在任一场景及与四周环境完美融合，同时用户可在任一时刻、任一地点接入网络及一直在线。但目前，EPC 网络的分层结构选取固定网元P-GW，则既无法灵活拓展，又无法与未来流量的超速增长适应。据此，扁平化IP 架构引入5G 通信网络中是一种必然的趋势。扁平化IP 架构借助网络功能虚拟化、逻辑GW、分布式软件架构及移动核心信息传递等功能技术使垂直网络架构向分布式水平网络架构演进。据此，扁平化IP 架构是按名称来识别终端及按M-ICT 的业务特性来实现扁平化改造。扁平化IP 架构如图2 所示。

图2 扁平化IP 架构图

随着扁平化IP 架构的实现，运营商无论在价格或性能上都获得了更大的竞争力，比如：扁平化IP 架构可删减数据通道内网元的数量，以使运营商的OPEX、CAPEX下降；可实现数据信息的低耗传输；可无限缩短系统的延时，使其对无线链路的延时进行完整识别；可改善、维护核心网与无线网，且在网络规划时，表现出极佳的灵活性与拓展性。

5.2 纳米核心网

纳米技术指的是将纳米科学运用在操作控制上，将精度控制在0.1～100 nm 的范围之内。纳米技术将成为通信行业迅速转向下一代的里程碑技术。在5G 通信中，移动终端将被植入纳米技术的芯片，称之为“纳米终端”，将具有前所未有的前所未有的感应、计算和通信等能力。

目前，网络中存在诸多问题，例如：现有的网络架构导致新业务的需求日益增多，但是却不易部署（包括IMS平台及第三方业务）；宽带业务和移动数据业务日趋成熟，但无论是固网运营商还是移动运营商，却都面临着“比特管道”、高CAPEX 和OPEX 的压力；同时，大量多媒体内容呈爆炸式增长，但其带来的移动核心网瓶颈和传输时延，却造成大量无效的内容分发等。

而5G 网络将是一个基于云计算的异构网络。由于在引入无线新技术的同时必须满足对现存制式的接入控制，因此，需要建立一种新的控制机制来协调各种制式之间、频段之间以及小区之间的无线资源，以显著提升用户在各种场景下的数据接入能力。通过将无线资源的管理和调度功能云化，按需进行资源划分和管理，同时，通过云端将无线接入和移动节点虚拟化，利用智能的内容传送网络SDN（如DASH、LBS），将大大降低网络的建设和管理成本，最终实现5G 及现有无线网络的统一运营。

如前文所述，在5G 网络中，扁平化的IP 结构将扮演着至关重要的角色。全IP 网络的构建思想最早由3GPP 在R4 版本中提出，并在后续版本中得到更为直观地阐述。全IP 网极大地满足了无线通信业务发展的需求，使用户可以随时随地地通过无线网络获数据应用，为运营商提供一个持续的革新方案和优化方案，使其在产品的性能和价格上更具有竞争力。

纳米核心网是全IP 网络、云计算及纳米技术的融合。纳米核心网架构如图3 所示。

图3 纳米核心网架构图

5.3 多路径管理与同一鉴权

针对图3 所示的5G 纳米核心网络架构，具有下列特点：①聚合接入方式集成了5G、LTE、W-CDMA、WI-FI及蓝牙等接入技术，旨在统一解决方案及使动态响应时间缩短，从而改善用户体验；②虚拟应用模式实现了数据层与控制层分离；③层次结构使分布式网络架构得以实现，从而实现对无线资源的高效管理及GW-GW 的无缝切换；④GW 与BS 的业务缓存与内容共享减少了时延。目前，无线接入技术通常拥有独立的ID 及授权方式，外加GW边缘存在认证及私密会话业务，则任一无线接入的资源都需独立管理，且其间无法互通。但在5G 网络中，功能块的优化设计及接入技术的融合可使安全密钥分发、鉴权及接入控制等实现统一。另外，在5G 网络中，运用了GW级多路径管理机制，其运用多技术载波聚合、半静态多无线资源、独立的数据路径及会话管理等方式，以使不同的无线接入技术实现动态调度、无损切换，同时实现用户层与控制层分隔。

6 结语

随着5G 时代的来临，移动网络通信商用站点会越来越多，超高流量密度与超高连接数的局面随之出现。

所以，移动运营商要想适应时代步伐，为用户提供智能化与安全化的服务，就要推动传输朝着网络层次扁平化与设备IP 化方向发展，不断革新技术，优化网络结构，做好5G 时代来临的准备，进一步推动我国网络通信的发展。