5G网络对传送网提出了大带宽、低时延、高可靠性、高精度时间同步、灵活组网、网络 切片和智能协同管控的新需求，同时面临无线接入网和核心网组网架构的演变，给传送网带来了 新的挑战。
通过对5G的3大应用场景需求分析，结合5G无线接入网、核心网组网的架构，给出 了无线接入网前传、中传以及回传的解决方案，探讨了 5G高效承载的传送网关键技术。通过5G传送网组网方案和关键技术的研究、探讨，对运营商企业5G传送网的建设提供参考建议。第五代移动通信技术(5 Generation, 5G)是目 前国家重点关注的技术突破领域。2019年6月，工信部已向运营商颁发了5G商用牌照，5G大规模工 程建设在即。第五代移动通信网络能够提供增强型移动宽带、高可靠低时延通信和大规模机器通信3 种应用场景的业务，对应的主要业务特征为大带宽、低时延和海量连接，对5G传送网在带宽、时延、可靠性、高精度时间同步、灵活组网、网络切片和 智能协同管控方面提出了新需求。
传送网是为无线接入网和核心网提供网络连接的基础设施网络。本文将通过对5G的3大应用场景传送需求的分析、5G无线接入网和核心网网络架构变化的分析，探讨实现高效承载5G业务的传送网解决方案和关键技术。
1.1 5G新3大应用场景需求
应用场景1：增强型移动宽带（eMBB ）业务主 要包括GB/s移动通信、云办公、云游戏、AR以及 VR等大带宽高速率的应用场景，用户体验速率达 到1 Gb/s,峰值速率达到20 Gb/s,对承载网络提出了 10倍以上的带宽需求。应用场景2：高可靠低时延通信（uRLLC ）业务主要包括工业互联网、工业自动化以及自动驾驶等高可靠和超低时延的应用场景，对传送网络提出了99.999 9%的可靠性、时延0.5 ms的要求。应用场景3：大规模机器通信（mMTC）业务主要包括可穿戴、共享单车以及智慧城市等物联网应用场景，要求提供多连接的承载通道，需要满足高精度时间同步需求。4G无线接入网分为BBU和RRU两部分，而 5G的无线接入网将重构为AAU、CU和DU三级结 构，如图1所示。其中，CU和DU根据场景和需求, 可以分开部署，也可以一起部署。当CU和DU分开部署时,需要在CU和DU之间部署“中传”传送网, 相应传送网分成3部分：前传，位于AAU至DU之 间；中传，位于DU至CU之间；回传，位于CU和 5G核心网之间。因此，5G传送网需要满足无线接入网前传、中传和回传3部分的传送需求。为满足低时延通信业务的时效性要求，5G核心网应更接近终端用户，故5G核心网下沉及云化 将成为一种新的主流核心网网络部署方式。5G核心网部署位置从原来省网下移至城域网, 并且重构成NEW CORE和MEC两部分。如图1所示。NEW CORE部署在城域网核心的大型数据中心机房，MEC部署在城域网汇聚的中小型数据中心机房。两者间的云化互联需要传送网提供灵活的Mesh化组网。
2.1 5G前传网络解决方案
裸纤（光纤直连）方案，也就是DU与每个 AAU设备间直接用光纤点对点直连组网。按照5G 建网初期，单站按照3个AAU计算，需要6芯。但是, 建网后期，随着基站密度增加和多频点组网方案的 落地实施，采用此方案会消耗大量光缆纤芯资源。 此方案虽然具有无需引入传输设备、实现简单、时延低等优点，但只适合于光纤资源丰富的地区。无源波分方案是将彩光模块安装在AAU和DU 设备上，利用1芯或者2芯光纤实现多个AAU到DU之间的传输。与裸纤方案相比，无源波分可节省光纤资源。因每个AAU使用不同波长，因此波 长规划复杂，同时缺少运行管理和维护机制，故障定位困难。该方案在AAU设备上插入无源的光模块，在 DU侧设置集中光源，并向每个AAU侧的无源光模块输送直流光信号（不带调制）。无源光模块接受到来自集中光源的连续光波并调制成光信号后，返回DU节点实现信号上行。光源集中的无源DWDM方案在兼备传统无源 波分方案节约纤芯资源、成本低的基础上，还能实现基于0TN的运行管理、维护机制和故障定位，但目前支持25 Gb/s速率的光模块有待成熟。5G无线接入网中AAU站点分布密集，DU与AAU之间呈现树型和星型组网架构，与目前固网宽 带业务承载的无源光纤网络组网架构高度一致。原有P0N网络已经几乎覆盖到所有的居民楼宇和商用楼宇，因此可对原有的P0N网络设备升级，复用原有P0N网络的光纤资源，节省大量光纤建设的投资，有效利用现网资源快速完成5G前传网络建设。现网P0N网络带宽需要升级为10G,并在光 线路终端设备上内置时钟模块，采用1588V2时间 同步，满足前传网络100 jxs的时延指标。有源波分/OTN方案是分在AAU和DU机房安装小型有源波分/OTN设备，AAU和DU设备通过 灰光接口与波分/OTN设备对接。多路前传的信号使用波分复用方案共用纤芯，实现纤芯节约。本方案支持多样化的组网，如点对点、链型、星型和环型组网。本方案优势：设备具备汇聚能力，能满足大量AAU的汇聚组网需求；有完善的运行管理和维护能力；能提供保护和自动倒换机制，实现电层和光层保护；在满足无线接入网回传的同时, 还能同时兼容其他固网业务的承载。5G中传网和回传网在关键技术要求上基本一 致，本文中将进行统一探讨。中国移动、中国电信 和中国联通分别提出了切片分组网络、面向移动承 载优化的OTN和IP RAN+分组增强型OTN方案。切片分组网络是在PTN基础上发展而来的，继承了 PTN传输方案的功能特性，并进行了增强和创新，可满足5G传送需求。切片分组网络分为切片传输层（STL）、切片通道层（SCL）和切片分组 层（SPL）3个层面，还包括时间/时钟同步功能模 块和管理/控制功能模块咒切片传输层为切片分组网络提供接口，主要使用灵活以太网（FlexE）技术，实现了业务分离承载和网络分片。通过网络MAC层和物理媒介层的 解耦，实现了业务的灵活调度。它的基本原理是在 原有网络的MAC层和物理媒介层增加FlexEShim 层。FlexEShim层采用时分复用方式，客户的数据按时隙的方式进行调度，可以发送到不同的子信道 ±o每个客户的信号可以使用其中一个或者多个子信道，实现业务隔离。通过FlexEShim层实现了物理通道速率与业务速率的解耦。业务速率和物 理通道速率解耦后，客户业务速度可以是多样的，物理通道的速率也是多种速率，相互独立。这样大带宽的客户业务可以用标准的25GE/100GE速率接口，通过端口聚合和时隙交叉技术实现业务带宽 25G — 50G 一 100G 一 200G — 400G 一 xT 的逐步 演进，解决了高速物理通道性价比低的问题，轻松 实现了 5G大带宽的承载需求。切片通道层实现切片以太网通道的组网处理，支持低时延转发、网络切片硬隔离等。切片以太网（SE）技术是实现业务隔离和网络分片的端到端组网技术，在灵活以太网技术基础上，将切片以太网从端口级别向组网级别技术扩展，支持多种不同切片方式。通过虚拟化切片技术，实现对网络物理资源进行逻辑抽象和虚拟化，形成虚拟资源，并按需 组织成虚拟网络，实现一个物理网络、多种组网架 构，为用户提供灵活、开放的网络平台。切片分组层则通过SR-TP和SR-BE实现分组 数据的路由处理，支持灵活连接，满足L2/L3VPN 和CBR业务要求。SR-TP和SR-BE是隧道扩展技术。SR-TP隧道用于面向连接的、点到点业务承载，提 供基于连接的端到端监控运维能力；SR-BE隧道用于面向无连接的、Mesh业务承载，提供任意拓扑 业务连接并简化隧道规划和部署。2.2.2面向移动承载优化的OTN （ M-OTN ）技术方案M-OTN技术是在OTN基础上发展起来的，根据5G新传送需求进行改良，重点是加入OTN控制 器和引进SDN网络结构，把原来的静态路由方式改进成集中动态路由分配方式。它支持L1层硬切 片和L2/L3层软切片两种切片承载方式。M-OTN技术采用ODUflex+FlexO提供灵活带宽，根据承载硬件系统的逻辑管道容量与业务容量大小的匹配度分为2种情况：（1）逻辑管道＞业 务颗粒度，则单个逻辑管道传送多业务颗粒度， 通过ODUflex技术动态无损调整带宽，降低每比 特传输成本，提升承载效率；（2）逻辑管道V业 务颗粒度，贝U通过FlexO技术实现端口聚合，实现 Nx 100G/200G/400G 大带宽接口。M-OTN在L3层上兼容标准协议，采用业务接口向ODU-flex单级复用结构，通过将业务数据转化为多个ODU0的数据包，再根据需要采用FlexO 映射至数个波道中，实现业务之间的硬切片和传送通道聚合叫M-OTN通过釆用单极复用减少复用层级，简化ODU的映射复用路径，从而减少时延。2.2.3 IP RAN方案、IPRAN+分组增强型OTN方案IP RAN分为基础承载方案和功能增强方案。基础承载方案使用HoVPN方案承载5G业务。功能增强方案引入SP、FlexE以及SDN等技术；使用 EVPN L3VPN方式代替HoVPN方案，承载5G业务；使用EVPN L2VPN方式代替VPWS/VPLS方案，承载L2专线业务；使用SR协议代替LDP/RSVP作为隧道层协议；使用FlexE技术实现切片的功能；使 用SDN技术实现网络的运维和管控智能化。如图2所示囹，IPRAN+分组增强型OTN组网 方案中，核心汇聚层与IP RAN方案一样，差异在 汇聚接入层引入分组增强型OTN设备，在汇聚层 分组增强型0TN设备与IP RAN设备进行对接。图2 IPRAN+分组增强型0TN方案
3.1大带宽技术
根据5G业务预测，热点区域接入环带宽达到 50 Gb/s,汇聚环带宽达到100〜280 Gb/s,核心层 带宽达到Nx 100/200/400 Gb/s量级。考虑到5G带 宽需求的量级提升，接入层引入高速灰光接口方案, 汇聚、核心层引入彩光接口方案。目前，新的以太网基础速率，50 GE光模块产 业已经成熟，且50GE端口通过4级脉冲幅度调整 技术（PAM4）,仅需1对25 GE光收发器就可以将25GE提升到50 GE,大大节省了硬件成本，每吉比特性价比优越。在50 GE的基础上，使用宓、做、42模式分别实现了 100 GE、200 GE、400 GE 接口速率。此外，还可以通过FlexO, FlexE等技术实现速率提升。工业互联网、工业自动化、自动驾驶等应用场景，对网络时延提出了新要求。传送网络时延包括 业务在光缆中的传输时延和设备转发时延。目前，现网单台设备时延20〜50 |jls,而每公里光缆时延为5 pis,光缆传输时延在传送网络时延中占比超过2/3。光信号在光缆中传输速度是固定的，降低光缆传输时延的办法主要是缩短业务在光缆中的传输距离。第一，核心网用户面下沉至城域网核心机房、MEC节点下沉至城域网汇聚机房等，大大缩短业务传输距离，降低时延；第二，针对5G网络东西向 流量大幅增加的特点，L3功能设备由原来的核心 汇聚层下沉至边缘接入层，以减少东西向业务流量因流量绕行带来路径增加产生的时延。此外，结合 SDN技术，在转发调度层实现智能管控，查找最短传输路径。第一，提高接 口速率，如由原来的10G提高到25G、50G；第四，按照时隙方式 调度转发处理，降低时延。通过提升设备性能，单台设备处理时延可降至10 ills以下。与4G流量相比，5G业务流量呈现出多样化的 趋势，南北向流量和东西向流量并重。L3层下沉成 为了一种刚性需求。因此，建议L3层下沉到普通 汇聚层面，然后再下沉至接入层面。L3层部署到普 通汇聚层面的优点是L3域的规模可控、运维难度 较低，适合现网的平滑过渡。而L3层部署到接入层面，可以快速建立灵活可靠连接，通过接入环内 基站间流量就近转发，减少流量绕行到汇聚层面带 来的带宽消耗和时延开销，从而提高带宽效率。网络切片技术在5G应用的多场景、差异化等需求中应运而生。承载网络切片技术是在同一张物理网络中划分多个虚拟网络。不同网络切片之间在管理、控制以及转发面上逻辑隔离，解决了传统承载网络业务间共用物理网络资源，相互间竞争使用 网络资源的突出问题。每个切片网络可以按需对应独立的控制面和管理面独立运营和管理。传统承载网可分为物理网络层、业务层和客户 层。业务直接部署在物理网络层上。承载网络切片 是对网络拓扑资源进行虚拟化，按需组织多个虚拟网络。即在物理网络层和业务层中间新增虚拟网络层，实现物理网络层与业务层的解耦。业务部署在虚拟网络层上，虚拟网络与物理网络有相似性，业务如同部署在物理网络上一样。虚拟化的切片网络在拓扑结构和资源方面，可针对不同的应用场景按 需重构。各切片网络因逻辑上隔离，都有各自的时延、带宽等指标，都有各自的网络拓扑结构、资源, 可满足承载需求的多样性。承载网的转发面切片技术可以分成硬切片和软切片。硬切片是一种物理刚性管道技术，如建立在 L1层和光层上面的灵活以太网通道、波分复用和 ODUflex+Flex0等技术。软切片是一种基于统计复 用的柔性管道技术，如建立在L2层或以上的多协 议标签交换(MPLS-TP )、分段路由(SR )等技术。根据业务需求，如eMBB场景具有大带宽、时延不 敏感、突发性等特性的业务，可以选用软切片实现 业务的带宽复用，以节省网络资源，降低网络成本；而uRLLC场景、政企专线、金融专线等对于安全性、 时延等有高要求的业务，可以选用硬切片方式。5G网络时间同步包括基本业务、协同业务和新 业务时间同步。基本业务时间同步需求与4G TDD 基本一致，为3 ijls。4G现网同步网络基本已经满足需求。协同业务以及新业务同步精度达到百纳米级别，如车联网等应用场景。由于导航定位精度和 时间同步精度差有关，目前我国地基北斗技术2m 的定位精度对应的时间同步误差约为lOns。为满足高精度的协同业务和新应用场景业务， 5G网络需要重新设计同步网网络架构。第一，同步源上，在原来天基卫星授时系统的基础上，增加高精度地基授时系统作为基准源。在增加备份源的 同时，因地基授时系统基于光纤网络，相对于卫星 授时系统其精度更高（经过上千公里光纤传递授时 精度小于10ns）,更稳定，不会受外界环境的影响。第二，网络部署上，把更高精度的BITS服务器下 沉到汇聚边缘层进行部署，减少跳数，缩短传输距 离，以满足高精度的同步业务。第三，使用能减少时间误差的接口、链路技术，如使用单纤双向技术, 使用高精度PTP以太网接口技术进行传送。5G承载网络的管控平面引进SDN技术，完成 网络端到端的管控，完成业务和网络资源的灵活、 动态分配及业务的快速发放，实现自动化、智能化 的网络运维能力。管控一体化：SDN技术的引入会增加维护的工作量，需要采用统一的多层多域管理信息系统，实 现多层多域网络的统一管理。协同管控能力：基于标准统一的北向接口实现与上层编排器、管控系统实现能力、数据交换、告警和性能检测交换。支持层跨层跨域业务协同管控。智能化运维能力：通过对网络配置、告警、流量等数据的采集，实现故障快速分析定位与排除、流量预测、网络优化等智能运维能力。本文研究的IP RAN、M-OTN、SPN方案以及 6大关键技术，都是目前运营商大规模筹建5G传 送网的主流方案和关键技术。通过对以上技术方案 的探讨研究能进一步明确未来5G传送网络建设的方向。陈锦成（ 1987—）,男，学士, 工程师，主要研究方向为通信传送网、 承载网、业务网。
选自《通信技术》2019年第十期
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