5G承載網技術和網絡發展趨勢

  作者:韓柳燕 中國移動研究院 技術經理; 李晗 中國移動研究院 基礎網絡技術研究所所長

  隨著5G商用部署，面向5G的新一代承載網絡成為運營商城域網絡的重要組成部分。這張網絡需要在技術上采用更加先進的承載方案，滿足5G時代個人用戶和垂直行業用戶當前及未來的高速發展。此外，它還需要支持邊緣算力網絡等核心應用，對于車聯網、人工智能等新興應用提供基礎保障。

  同時，隨著網絡建設和應用的進一步深入，5G承載網技術和網絡結構仍在持續演進和發展。中國移動在“讓創新更加貼近需求，讓技術更好服務客戶”的理念指引下，推動技術不斷迭代升級，確保5G承載網絡的技術先進性，推動其向綜合承載網絡的演進，以提供更為優化和智能的連接承載。

  5G承載和SPN網絡發展歷程

  5G三大業務場景對5G回傳承載在帶寬、時延、同步、IPv6和切片等方面提出剛性需求。首先，5G時期帶寬需求總體增長10~100倍；5G基站接口帶寬由4G時期的GE變為10/25GE，5G回傳承載網接入/匯聚/核心層帶寬由GE/10GE/100GE變為50GE/N×100GE/N×200GE。其次，時延要求提高，由4G時期的20ms變為URLLC業務最小1ms，單設備時延由50~100μs變為10μs量級。時間同步精度需求也在不斷提升，單設備同步精度需求由±30ns變為±5ns。IPv6方面，LTE基站采用IPv4，5G基站采用IPv6，傳輸網由原來基于IPv4變為需要支持IPv4/IPv6雙棧。此外，5G不再是單一和剛性的網絡架構，而是能適應多種應用場景，并滿足各種垂直行業多樣化需求的網絡，同時5G核心網絡進一步云化，引入移動NFV和網絡切片等新型技術。這些都給5G承載技術帶來了變革的機會點。

  2017年，中國移動針對5G傳輸需求，提出切片分組網SPN（Slicing Packet Network）架構及理念，并持續推進。SPN切片通道層SCL（Slicing Channel Layer）技術2018年10月在ITU-T立項MTN（Metro Transport Network）接口標準，并從2019年起全面立項，標志著MTN作為全新的傳送網技術成為新一代國際標準體系。SPN實現了TDM和分組的有機融合，支持L0到L3能力，契合5G無損、高效的承載需求，具備大帶寬、低時延、網絡切片、靈活連接、高精度同步和統一管控等技術優勢。在組網架構方面，SPN支持端到端承載，通過不同的切片特性，實現不同業務的定制化承載。在節點架構方面，轉發面融合了L0—L3技術，支持軟、硬隔離管道；管控面采用SDN，實現管控合一的集中智能調度，支持切片和業務隧道的自動規劃和部署。在性能方面，SPN為分組網帶來確定性低時延特征。此外，SPN端到端靈活帶寬、硬隔離及豐富的切片能力也可為高等級政企業務承載提供差異化優勢。

  目前中國移動已經規模商用SPN設備，全國所有地市及以上城市部署共計20萬端以上。

  5G承載網絡發展趨勢

  隨著5G部署的全面深入，5G回傳網絡的建設也初具規模。5G承載網絡相比4G網絡，從建設之初就是一個高起點高能力的網絡。一是核心匯聚接入層的帶寬普遍大幅提升，達到百G以上的接口和幾十T的設備交換容量；二是轉發層面和管控層面的網絡組網能力也達到一定規模，支持萬節點以上的組網規模，以及大量的硬切片和軟切片管道的連接。大帶寬、高能力的5G承載網絡，也在逐步向著一張綜合承載網絡的趨勢發展。一方面可以提升這張高能力網絡的利用率和價值，另一方面，從業務和客戶需求來看，無線基站、垂直行業、政企專線、家庭寬帶和云網接入等各種業務也在不斷下沉到邊緣并融合，承載網絡的融合也符合業務網絡融合的趨勢。

  以SPN網絡為例，其本身既支持硬切片又支持軟切片，面向各種應用場景，SPN提供五大類切片，實現對無線基站、政企專線、云網接入等業務場景的綜合承載，一網多業，全面提升SPN網絡的利用率，助力千行百業產業升級（如圖1所示）。

圖1  SPN網絡架構發展

  從網絡能力角度，承載網絡的發展趨勢總體可以概括為切片粒度更精細、業務連接更豐富、設備組網更靈活、網絡運維更智能、在線運營更低碳。

  - 切片粒度更精細：不同業務的帶寬需求不一樣，目前對于專線、行業用戶控制信令等高要求業務，帶寬需求普遍比較小，因此，要求網絡切片能夠靈活匹配各類業務帶寬需求，實現帶寬精細化；同時，需要滿足各類客戶的隔離要求，達到隔離精細化；高質保證99.999%可靠性，確保管理精細化。

  - 業務連接更豐富：業務連接不僅有一層TDM連接需求，也有二三層以太網和IP連接需求，業務接口不僅包括以太網接口，也包括TDM接口；整張網絡切片感知、邊緣計算、邊緣覆蓋和接入能力需要提升，以更加貼近與匹配垂直行業和政企專線業務的接入和承載需求。

  - 設備組網更靈活：傳送網絡在向開放化和標準化的方向不斷發展。未來承載網將通過標準化轉發能力和南向接口，規范化接口模型和組網方式，全面提升NNI（Network to Network Interface）融合互通的能力，實現邊緣網絡異廠家靈活組網。

  - 網絡運維更智能：InBand OAM端到端隨流實時監測功能，實現基于逐基站/專線的精確實時性能監測和跨域業務性能監測；面向客戶呈現當前專線業務質量和流量信息，幫助客戶快速了解當前網絡運行狀態；基于對歷史數據的搜集與分析和管控系統等，實現網絡規劃與仿真、業務快速創建、運維自動化等能力。

  - 在線運營更低碳：通過芯片、光模塊的技術升級和優化，以及自動休眠等技術實現SPN網元級低碳運營；通過功耗可視化和智能分析與調度技術，實現網絡級低碳運營。

  SPN技術和組網演進

  為了打造“高效、融合、智能、低碳”的新一代綜合業務承載網，SPN在技術上圍繞小顆粒技術FGU（Fine Granularity Unit）向2.0時代邁進，以滿足5G+垂直行業和政企專線等場景中的小帶寬、高隔離、高安全和確定性低時延等承載需求，提供一種精細化和硬隔離、高可靠的小顆粒承載管道。

  FGU兼容現有SPN和10GE標準以太網接口，采用與位于IEEE 802.3 PCS層的SPN通道層相同的64/66B編碼格式。FGU幀結構的設計，將開銷和包含多個時隙的凈荷編碼后封裝到固定長度的S塊+D塊+T塊序列，為確保小顆粒業務獨享時隙資源，嚴格硬隔離，同時保證低時延、低抖動、高效承載；FGU采用TDM機制循環發送FGU幀，每幀時隙數量及位置均嚴格固定，因此每時隙具有固定的發送周期，實現對SPN通道層5Gbps顆粒的時隙劃分與復用。SPN網絡基于FGU的交叉連接，提供端到端切片通道L1層組網（如圖2所示）。

圖2  支持FGU的SPN技術架構

  此外，FGU OAM與SPN/MTN通道OAM機制一致，為每條小顆粒通道提供獨立和完善的端到端OAM監測能力。為提供更優的切片應用體驗，FGU通過開銷信令支持端到端帶寬與時隙無損調整功能，調整帶寬時不會丟失數據報文，資源分配更加靈活。

  在組網方面，SPN 1.0向以FGU為核心的2.0演進中，將采用前向兼容的平滑網絡演進方式，一方面將最大化重用已有的SPN 1.0的成果和優勢，保護現有投資；另一方面將提升和鞏固SPN在硬切片方面的能力，更好滿足5G垂直行業、政企客戶和云網業務的承載需求。近兩年，FGU的標準、技術和產業快速推進并成熟，同時驗證了SPN現網支持通過在線升級的方式進行演進。

  SPN 2.0網絡演進過程中，管控技術的演進和成熟也是重要方面。當轉發層具備各項能力之后，如何能夠在應用中靈活發揮這些優勢，需要管控和編排層面的支持，以實現在一張大網中及時配置成千上萬條切片通道，根據客戶的不同需求，定制化地提供不同的端到端軟硬切片通道，支持靈活地創建、更新、刪除、查詢切片通道的能力。更智能的管控和編排技術的發展，將持續保障網絡能力到用戶需求的轉化。

  隨著5G網絡建設推進，以及多樣化示范性業務的逐步開展，表明SPN能為各種行業用戶提供個性化的承載能力，且滿足MEC下沉之后的互聯和承載需求，有力支撐了5G業務的發展。未來，5G承載網絡向綜合承載網絡演進，SPN提出了2.0的演進思路，尤其通過小顆粒技術提供更為靈活精細的切片連接，將支持更為廣泛的應用。

  致謝

  本文得到中國移動通信集團公司網絡事業部吳超，以及中國移動通信研究院葉雯、王敏學、張德朝的指導與幫助，謹致謝意！