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摘 要：5G技术发展对目前的传送网带来了革命性的冲击与挑战，传送网将面临不可避免的转型与升级换代。本文分析了5G技术对传送网新的承载需求，并介绍了中国移动面向5G的承载方案、SPN关键技术以及最新进展。
关键词：5G 传送网 承载方案 SPN
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）03（b）-0016-02
“5G商用，承载先行”早已成为业界共识。在业界普遍认为5G传输只需在4G的基础上进行升级扩容即可时，中国移动在2017年6月召开的ITU-T SG15上首次提出5G传输需求和新技术体系架构，并于2018年2月发布切片分组网SPN（Slicing Packet Network）技术白皮书。本文分析5G技术对传送网新的承载需求，介绍中国移动面向5G的承载方案，以及SPN的关键技术与进展。
1 5G网络架构变化
ITU定义了5G的三类典型应用场景，包括eMBB（移动宽带增强）、uRLLC（超高可靠、超低时延通信）、mMTC（大规模物联网），其中eMBB与人的体验有关，mMTC和uRLLC则是为满足物物互联需求。不同应用场景引发5G网络架构发生显著变化。
（1）5G分离的RAN构架。5G RAN将演进为CU、DU和AAU三级结构。承载网分成3个部分。前传、中传和回传。
（2）5G核心网云化和下沉。2017年6月，3GPP正式确认5G核心网采用中国移动牵头提出的基于服务的SBA（Service-based Architecture）网络架构，从而使得5G网络真正面向云化设计，并将引入MEC（移動边缘计算）。
2 5G传送网需求分析
（1）大带宽需求。针对5G传输的带宽估算，回传中核心层与汇聚层线路侧带宽范围在100～600G之间，中传带宽接近回传，前传eCPRI带宽在25G以内。接入层设备客户接口带宽10GE/25GE，网络接口带宽大于25G。
（2）低时延需求。3GPP关于5G时延的相关技术指标如表1所示。
（3）灵活组网需求。首先5G需站间协同、快速切换、支持多连接、引入Xn接口，东西向流量占比增大。其次云化部署需支持负载均衡，多归属备份，流向更复杂。
（4）网络切片需求。5G不同应用场景在时延、峰值速率、QoS等方面对网络要求差异明显，因此5G将支持网络切片能力，每个网络切片将拥有自己独立的网络资源和管控能力。
（5）高精度时间同步需求。5G的载波聚合、多点协同和超短帧要求空口之间的时间同步精度偏差小于260ns。5G的基本业务采用时分双工（TDD）制式，要求任意两个空口之间的相对精度偏差小于1.5μs。5G的室内定位增值服务对时间同步的精度要求更高，要求一定区域内基站空口时间同步的相对精度小于10ns。
表1 5G时延技术指标
指标类型 时延指标 来源
移动终端-CU（eMBB） 4ms 3GPP TR38.913
移动终端-CU（uRLLC） 0.5ms 3GPP TR38.913
eV2X（enhanced Vehicle to Everthing） 3～10ms 3GPP TR38.913
前传时延（AAU-DU） 100μs eCPRI
表2 5G前传场景与相应的承载方案
组网场景 小集中 P2P大集中 环网大集中
适用方案 有源/无源
CWDM/DWDM 有源/无源
DWDM 有源DWDM
3 中国移动面向5G的传送网承载方案
5G前传、中传、回传并重。5G中传指DU到CU，回传指CU到核心网，中传和回传可采用相同的传输技术。如上所述，5G中传和回传在带宽、时延、分片、管控、同步等方面均提出了新的要求，现有传输网络无法满足承载需求。为此中国移动提出了新的传输网技术体制：切片分组网SPN。SPN转发面基于“Segment Routing transport profile” over“Slicing Ethernet”over“DWDM”，控制面采用SDN，并分别在物理层、链路层和转发控制层采用创新技术。
5G前传指AAU到DU，以光层传输技术为主。分为3种不同场景：小集中、P2P大集中、环网大集中，可选择的承载方案如表2所示。
4 SPN关键技术与进展
4.1 FlexE和FlexE Tunnel技术
FlexE（灵活以太网）是一个接口技术，通过多个物理链路捆绑扩展网络的容量，满足5G所需要的大带宽需求，同时FlexE可以通过Shim层的时隙配置支持多个Client业务，实现多个Client业务之间的物理隔离功能。
FlexE Tunnel是一项重要功能扩展，包括FlexE交换、操作、管理维护（OAM）以及保护倒换技术。FlexE交换是基于时间片的66bit数据块交换技术，工作在L1层。交换不需要队列调度，不需要查找报文的MAC和IP地址；交换时延和抖动极低。不同的业务通过时间片进行隔离，相互之间完全不会产生影响。采用FlexE交换技术可以在多个网元之间建立FlexE隧道。FlexE隧道是端到端的刚性电路信道，在FlexE隧道的中间转发点，不需要弹出分组，从而实现了超低时延和严格的物理隔离特性。
4.2 SR-TP技术
分段路由SR-TP（Segment Routing transport profile）是源路由技术在SPN中面向连接的扩展，其原理是在源节点把携带路由信息的指令压栈到报文头中，中间转发点逐跳弹出相关的指令进行报文转发。转发点不需要感知业务状态，只维护拓扑信息，从而实现业务实例数与网络的解耦，提升网络支持泛在连接的能力和扩展性。Segment Routing技术非常便于与SDN技术融合。SDN通过网络的流量和拓扑资源情况，集中计算出符合业务需求的最佳转发路径，把路由信息下发给源节点即可，不需要对转发路径上的其他节点进行控制或者信令交互，从而极大地提升了网络的控制性能。 4.3 SDN技术
软件定义网络SDN是一种新型的网络体系结构，通过将网络控制与网络转发解耦合构建开放可编程的网络体系结构。在SPN技术中，SDN与SR-TP结合，满足5G新型业务的差异化需求。传送网业务控制器可在Vnet拓扑上编排业务，不同的业务控制器彼此独立，运行不同的控制协议。例如：一个业务控制器可运行Segment Routing的控制协议编排端到端业务；另一个业务控制器可以允许MPLS-TP的控制协议编排端到端业务。
4.4 50G PAM4调制方案
光模块速率提升有两种方式：一种是通道数增加；另一种是提高单通道的速率。目前单波长PAM-4调制方案已被IEEE采用。PAM4信号有4个电平值，可以在相同通道物理带宽情况下传输相对于NRZ信号两倍的信息量。50G PAM4使光层从单波10G增加到25G，成本增加不高，并最大化带宽和端口密度，且具备更低的单位成本。
4.5 超高精度时间同步技术
超高精度时间源的关键技术包括本地源技术和异地多源比对技术。本地源技术包括单频、多频全球定位系统（GPS）/北斗卫星同步技术。异地多源比对技术是采用异地共视差分技术消除空间电离层等干扰因素，使得同步信号可以测源到更高精度的参考源。5G承载设备的超高精度时间传递技术涉及到设备和链路上的时间同步技术升级，设备内的包括超高精度的时戳、鉴相器、锁相环技术，链路上的涉及到非对称性补偿技术和消除非对称性的单纤双向时钟传送技术。
5 结语
5G对传送网带来革命性的冲击和挑战，主要体现在大带宽、超低时延、高精度同步、网络切片等各个方面。中国移动应对以上需求，自主創新提出的SPN技术承载方案，是5G承载网标准发展的里程碑。SPN基于高效以太网内核，提供低成本大带宽承载管道，并通过多层网络技术的高效融合，实现灵活软硬管道分片，并采用SDN进行集中管控。2017年，各大设备厂商均公布通过中国移动SPN单机与联合测试，相信在不久的将来，大规模SPN商用部署指日可待。
参考文献
[1] 中兴通讯.5G技术白皮书[EB/OL].（2016-04-22）[2017-07-03].http：//www.zte.com.cn/cn/solutions/wireless/5g/201406/t20140603_424379.html.
[2] 黄金日，段然.“迈向5G C-RAN：需求、架构和挑战”技术白皮书V1.0[Z].北京：中国移动研究院，2016.
[3] 方伟津.应对5G技术发展的传送网演进策略[J].电信技术，2017，8（7）：46-47.
关键词：5G 传送网 承载方案 SPN
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）03（b）-0016-02
“5G商用，承载先行”早已成为业界共识。在业界普遍认为5G传输只需在4G的基础上进行升级扩容即可时，中国移动在2017年6月召开的ITU-T SG15上首次提出5G传输需求和新技术体系架构，并于2018年2月发布切片分组网SPN（Slicing Packet Network）技术白皮书。本文分析5G技术对传送网新的承载需求，介绍中国移动面向5G的承载方案，以及SPN的关键技术与进展。
1 5G网络架构变化
ITU定义了5G的三类典型应用场景，包括eMBB（移动宽带增强）、uRLLC（超高可靠、超低时延通信）、mMTC（大规模物联网），其中eMBB与人的体验有关，mMTC和uRLLC则是为满足物物互联需求。不同应用场景引发5G网络架构发生显著变化。
（1）5G分离的RAN构架。5G RAN将演进为CU、DU和AAU三级结构。承载网分成3个部分。前传、中传和回传。
（2）5G核心网云化和下沉。2017年6月，3GPP正式确认5G核心网采用中国移动牵头提出的基于服务的SBA（Service-based Architecture）网络架构，从而使得5G网络真正面向云化设计，并将引入MEC（移動边缘计算）。
2 5G传送网需求分析
（1）大带宽需求。针对5G传输的带宽估算，回传中核心层与汇聚层线路侧带宽范围在100～600G之间，中传带宽接近回传，前传eCPRI带宽在25G以内。接入层设备客户接口带宽10GE/25GE，网络接口带宽大于25G。
（2）低时延需求。3GPP关于5G时延的相关技术指标如表1所示。
（3）灵活组网需求。首先5G需站间协同、快速切换、支持多连接、引入Xn接口，东西向流量占比增大。其次云化部署需支持负载均衡，多归属备份，流向更复杂。
（4）网络切片需求。5G不同应用场景在时延、峰值速率、QoS等方面对网络要求差异明显，因此5G将支持网络切片能力，每个网络切片将拥有自己独立的网络资源和管控能力。
（5）高精度时间同步需求。5G的载波聚合、多点协同和超短帧要求空口之间的时间同步精度偏差小于260ns。5G的基本业务采用时分双工（TDD）制式，要求任意两个空口之间的相对精度偏差小于1.5μs。5G的室内定位增值服务对时间同步的精度要求更高，要求一定区域内基站空口时间同步的相对精度小于10ns。
表1 5G时延技术指标
指标类型 时延指标 来源
移动终端-CU（eMBB） 4ms 3GPP TR38.913
移动终端-CU（uRLLC） 0.5ms 3GPP TR38.913
eV2X（enhanced Vehicle to Everthing） 3～10ms 3GPP TR38.913
前传时延（AAU-DU） 100μs eCPRI
表2 5G前传场景与相应的承载方案
组网场景 小集中 P2P大集中 环网大集中
适用方案 有源/无源
CWDM/DWDM 有源/无源
DWDM 有源DWDM
3 中国移动面向5G的传送网承载方案
5G前传、中传、回传并重。5G中传指DU到CU，回传指CU到核心网，中传和回传可采用相同的传输技术。如上所述，5G中传和回传在带宽、时延、分片、管控、同步等方面均提出了新的要求，现有传输网络无法满足承载需求。为此中国移动提出了新的传输网技术体制：切片分组网SPN。SPN转发面基于“Segment Routing transport profile” over“Slicing Ethernet”over“DWDM”，控制面采用SDN，并分别在物理层、链路层和转发控制层采用创新技术。
5G前传指AAU到DU，以光层传输技术为主。分为3种不同场景：小集中、P2P大集中、环网大集中，可选择的承载方案如表2所示。
4 SPN关键技术与进展
4.1 FlexE和FlexE Tunnel技术
FlexE（灵活以太网）是一个接口技术，通过多个物理链路捆绑扩展网络的容量，满足5G所需要的大带宽需求，同时FlexE可以通过Shim层的时隙配置支持多个Client业务，实现多个Client业务之间的物理隔离功能。
FlexE Tunnel是一项重要功能扩展，包括FlexE交换、操作、管理维护（OAM）以及保护倒换技术。FlexE交换是基于时间片的66bit数据块交换技术，工作在L1层。交换不需要队列调度，不需要查找报文的MAC和IP地址；交换时延和抖动极低。不同的业务通过时间片进行隔离，相互之间完全不会产生影响。采用FlexE交换技术可以在多个网元之间建立FlexE隧道。FlexE隧道是端到端的刚性电路信道，在FlexE隧道的中间转发点，不需要弹出分组，从而实现了超低时延和严格的物理隔离特性。
4.2 SR-TP技术
分段路由SR-TP（Segment Routing transport profile）是源路由技术在SPN中面向连接的扩展，其原理是在源节点把携带路由信息的指令压栈到报文头中，中间转发点逐跳弹出相关的指令进行报文转发。转发点不需要感知业务状态，只维护拓扑信息，从而实现业务实例数与网络的解耦，提升网络支持泛在连接的能力和扩展性。Segment Routing技术非常便于与SDN技术融合。SDN通过网络的流量和拓扑资源情况，集中计算出符合业务需求的最佳转发路径，把路由信息下发给源节点即可，不需要对转发路径上的其他节点进行控制或者信令交互，从而极大地提升了网络的控制性能。 4.3 SDN技术
软件定义网络SDN是一种新型的网络体系结构，通过将网络控制与网络转发解耦合构建开放可编程的网络体系结构。在SPN技术中，SDN与SR-TP结合，满足5G新型业务的差异化需求。传送网业务控制器可在Vnet拓扑上编排业务，不同的业务控制器彼此独立，运行不同的控制协议。例如：一个业务控制器可运行Segment Routing的控制协议编排端到端业务；另一个业务控制器可以允许MPLS-TP的控制协议编排端到端业务。
4.4 50G PAM4调制方案
光模块速率提升有两种方式：一种是通道数增加；另一种是提高单通道的速率。目前单波长PAM-4调制方案已被IEEE采用。PAM4信号有4个电平值，可以在相同通道物理带宽情况下传输相对于NRZ信号两倍的信息量。50G PAM4使光层从单波10G增加到25G，成本增加不高，并最大化带宽和端口密度，且具备更低的单位成本。
4.5 超高精度时间同步技术
超高精度时间源的关键技术包括本地源技术和异地多源比对技术。本地源技术包括单频、多频全球定位系统（GPS）/北斗卫星同步技术。异地多源比对技术是采用异地共视差分技术消除空间电离层等干扰因素，使得同步信号可以测源到更高精度的参考源。5G承载设备的超高精度时间传递技术涉及到设备和链路上的时间同步技术升级，设备内的包括超高精度的时戳、鉴相器、锁相环技术，链路上的涉及到非对称性补偿技术和消除非对称性的单纤双向时钟传送技术。
5 结语
5G对传送网带来革命性的冲击和挑战，主要体现在大带宽、超低时延、高精度同步、网络切片等各个方面。中国移动应对以上需求，自主創新提出的SPN技术承载方案，是5G承载网标准发展的里程碑。SPN基于高效以太网内核，提供低成本大带宽承载管道，并通过多层网络技术的高效融合，实现灵活软硬管道分片，并采用SDN进行集中管控。2017年，各大设备厂商均公布通过中国移动SPN单机与联合测试，相信在不久的将来，大规模SPN商用部署指日可待。
参考文献
[1] 中兴通讯.5G技术白皮书[EB/OL].（2016-04-22）[2017-07-03].http：//www.zte.com.cn/cn/solutions/wireless/5g/201406/t20140603_424379.html.
[2] 黄金日，段然.“迈向5G C-RAN：需求、架构和挑战”技术白皮书V1.0[Z].北京：中国移动研究院，2016.
[3] 方伟津.应对5G技术发展的传送网演进策略[J].电信技术，2017，8（7）：46-47.