5G承载网技术和网络发展趋势

  作者:韩柳燕 中国移动研究院 技术经理; 李晗 中国移动研究院 基础网络技术研究所所长

  随着5G商用部署，面向5G的新一代承载网络成为运营商城域网络的重要组成部分。这张网络需要在技术上采用更加先进的承载方案，满足5G时代个人用户和垂直行业用户当前及未来的高速发展。此外，它还需要支持边缘算力网络等核心应用，对于车联网、人工智能等新兴应用提供基础保障。

  同时，随着网络建设和应用的进一步深入，5G承载网技术和网络结构仍在持续演进和发展。中国移动在“让创新更加贴近需求，让技术更好服务客户”的理念指引下，推动技术不断迭代升级，确保5G承载网络的技术先进性，推动其向综合承载网络的演进，以提供更为优化和智能的连接承载。

  5G承载和SPN网络发展历程

  5G三大业务场景对5G回传承载在带宽、时延、同步、IPv6和切片等方面提出刚性需求。首先，5G时期带宽需求总体增长10~100倍；5G基站接口带宽由4G时期的GE变为10/25GE，5G回传承载网接入/汇聚/核心层带宽由GE/10GE/100GE变为50GE/N×100GE/N×200GE。其次，时延要求提高，由4G时期的20ms变为URLLC业务最小1ms，单设备时延由50~100μs变为10μs量级。时间同步精度需求也在不断提升，单设备同步精度需求由±30ns变为±5ns。IPv6方面，LTE基站采用IPv4，5G基站采用IPv6，传输网由原来基于IPv4变为需要支持IPv4/IPv6双栈。此外，5G不再是单一和刚性的网络架构，而是能适应多种应用场景，并满足各种垂直行业多样化需求的网络，同时5G核心网络进一步云化，引入移动NFV和网络切片等新型技术。这些都给5G承载技术带来了变革的机会点。

  2017年，中国移动针对5G传输需求，提出切片分组网SPN（Slicing Packet Network）架构及理念，并持续推进。SPN切片通道层SCL（Slicing Channel Layer）技术2018年10月在ITU-T立项MTN（Metro Transport Network）接口标准，并从2019年起全面立项，标志着MTN作为全新的传送网技术成为新一代国际标准体系。SPN实现了TDM和分组的有机融合，支持L0到L3能力，契合5G无损、高效的承载需求，具备大带宽、低时延、网络切片、灵活连接、高精度同步和统一管控等技术优势。在组网架构方面，SPN支持端到端承载，通过不同的切片特性，实现不同业务的定制化承载。在节点架构方面，转发面融合了L0—L3技术，支持软、硬隔离管道；管控面采用SDN，实现管控合一的集中智能调度，支持切片和业务隧道的自动规划和部署。在性能方面，SPN为分组网带来确定性低时延特征。此外，SPN端到端灵活带宽、硬隔离及丰富的切片能力也可为高等级政企业务承载提供差异化优势。

  目前中国移动已经规模商用SPN设备，全国所有地市及以上城市部署共计20万端以上。

  5G承载网络发展趋势

  随着5G部署的全面深入，5G回传网络的建设也初具规模。5G承载网络相比4G网络，从建设之初就是一个高起点高能力的网络。一是核心汇聚接入层的带宽普遍大幅提升，达到百G以上的接口和几十T的设备交换容量；二是转发层面和管控层面的网络组网能力也达到一定规模，支持万节点以上的组网规模，以及大量的硬切片和软切片管道的连接。大带宽、高能力的5G承载网络，也在逐步向着一张综合承载网络的趋势发展。一方面可以提升这张高能力网络的利用率和价值，另一方面，从业务和客户需求来看，无线基站、垂直行业、政企专线、家庭宽带和云网接入等各种业务也在不断下沉到边缘并融合，承载网络的融合也符合业务网络融合的趋势。

  以SPN网络为例，其本身既支持硬切片又支持软切片，面向各种应用场景，SPN提供五大类切片，实现对无线基站、政企专线、云网接入等业务场景的综合承载，一网多业，全面提升SPN网络的利用率，助力千行百业产业升级（如图1所示）。

图1  SPN网络架构发展

  从网络能力角度，承载网络的发展趋势总体可以概括为切片粒度更精细、业务连接更丰富、设备组网更灵活、网络运维更智能、在线运营更低碳。

  - 切片粒度更精细：不同业务的带宽需求不一样，目前对于专线、行业用户控制信令等高要求业务，带宽需求普遍比较小，因此，要求网络切片能够灵活匹配各类业务带宽需求，实现带宽精细化；同时，需要满足各类客户的隔离要求，达到隔离精细化；高质保证99.999%可靠性，确保管理精细化。

  - 业务连接更丰富：业务连接不仅有一层TDM连接需求，也有二三层以太网和IP连接需求，业务接口不仅包括以太网接口，也包括TDM接口；整张网络切片感知、边缘计算、边缘覆盖和接入能力需要提升，以更加贴近与匹配垂直行业和政企专线业务的接入和承载需求。

  - 设备组网更灵活：传送网络在向开放化和标准化的方向不断发展。未来承载网将通过标准化转发能力和南向接口，规范化接口模型和组网方式，全面提升NNI（Network to Network Interface）融合互通的能力，实现边缘网络异厂家灵活组网。

  - 网络运维更智能：InBand OAM端到端随流实时监测功能，实现基于逐基站/专线的精确实时性能监测和跨域业务性能监测；面向客户呈现当前专线业务质量和流量信息，帮助客户快速了解当前网络运行状态；基于对历史数据的搜集与分析和管控系统等，实现网络规划与仿真、业务快速创建、运维自动化等能力。

  - 在线运营更低碳：通过芯片、光模块的技术升级和优化，以及自动休眠等技术实现SPN网元级低碳运营；通过功耗可视化和智能分析与调度技术，实现网络级低碳运营。

  SPN技术和组网演进

  为了打造“高效、融合、智能、低碳”的新一代综合业务承载网，SPN在技术上围绕小颗粒技术FGU（Fine Granularity Unit）向2.0时代迈进，以满足5G+垂直行业和政企专线等场景中的小带宽、高隔离、高安全和确定性低时延等承载需求，提供一种精细化和硬隔离、高可靠的小颗粒承载管道。

  FGU兼容现有SPN和10GE标准以太网接口，采用与位于IEEE 802.3 PCS层的SPN通道层相同的64/66B编码格式。FGU帧结构的设计，将开销和包含多个时隙的净荷编码后封装到固定长度的S块+D块+T块序列，为确保小颗粒业务独享时隙资源，严格硬隔离，同时保证低时延、低抖动、高效承载；FGU采用TDM机制循环发送FGU帧，每帧时隙数量及位置均严格固定，因此每时隙具有固定的发送周期，实现对SPN通道层5Gbps颗粒的时隙划分与复用。SPN网络基于FGU的交叉连接，提供端到端切片通道L1层组网（如图2所示）。

图2  支持FGU的SPN技术架构

  此外，FGU OAM与SPN/MTN通道OAM机制一致，为每条小颗粒通道提供独立和完善的端到端OAM监测能力。为提供更优的切片应用体验，FGU通过开销信令支持端到端带宽与时隙无损调整功能，调整带宽时不会丢失数据报文，资源分配更加灵活。

  在组网方面，SPN 1.0向以FGU为核心的2.0演进中，将采用前向兼容的平滑网络演进方式，一方面将最大化重用已有的SPN 1.0的成果和优势，保护现有投资；另一方面将提升和巩固SPN在硬切片方面的能力，更好满足5G垂直行业、政企客户和云网业务的承载需求。近两年，FGU的标准、技术和产业快速推进并成熟，同时验证了SPN现网支持通过在线升级的方式进行演进。

  SPN 2.0网络演进过程中，管控技术的演进和成熟也是重要方面。当转发层具备各项能力之后，如何能够在应用中灵活发挥这些优势，需要管控和编排层面的支持，以实现在一张大网中及时配置成千上万条切片通道，根据客户的不同需求，定制化地提供不同的端到端软硬切片通道，支持灵活地创建、更新、删除、查询切片通道的能力。更智能的管控和编排技术的发展，将持续保障网络能力到用户需求的转化。

  随着5G网络建设推进，以及多样化示范性业务的逐步开展，表明SPN能为各种行业用户提供个性化的承载能力，且满足MEC下沉之后的互联和承载需求，有力支撑了5G业务的发展。未来，5G承载网络向综合承载网络演进，SPN提出了2.0的演进思路，尤其通过小颗粒技术提供更为灵活精细的切片连接，将支持更为广泛的应用。

  致谢

  本文得到中国移动通信集团公司网络事业部吴超，以及中国移动通信研究院叶雯、王敏学、张德朝的指导与帮助，谨致谢意！