我国运营商的5G承载网络规模组网方案还面临着挑战
5g商用，承载先行。5g承载网络是为5g无线接入网和核心网提供大带宽、低时延和高可靠网络连接的基础网络。2019年，我国三大运营商的5g网络都已进入规模试商用前的关键阶段，不仅在重点地市启动5g基站大规模建设和展示各类新兴业务应用，并且紧锣密鼓地开展5g前传和回传设备以及ip承载相关设备的进网集采测试，重点验证规模组网方案和跨域互通方案。
本文首先分析总结了我国运营商的5g承载网络技术方案，然后结合5g核心网的数据中心化发展趋势探讨了5g承载网络的规模组网方案，最后结合国内外标准化和产业化进展，提出需要从技术、标准和产业3个方面鼎力支撑5g规模试商用的到来。
我国5g承载网络技术方案已基本明确
2017-2018年，为更好适应5g和专线业务综合承载需求，我国三大运营商纷纷开展了不同网络技术方案的创新研究、标准化推进、实验室评估和现网规模试点验证工作。5g回传网络技术方案有基于ptn演进的切片分组网络（spn）、ipran增强、分组增强型otn等不同技术路线，5g前传网络可有光纤直连、无源wdm、有源wdm或otn、接入spn、wdm pon等多种方案选择。
进入2019年，我国5g网络逐步进入试商用前的规模建设阶段，运营商综合分析技术、产业和成本现状，关于前传和回传网络技术方案的总体选择和发展趋势已基本明朗。
5g前传网络技术
5g无线接入网的部署模式有d-ran和c-ran两种场景。d-ran场景相对简单，aau和du一般分别部署在塔上和塔下；c-ran场景可分为小集中和大集中两种模式，在5g建设初期，通常采用小集中模式。c-ran场景的aau拉远距离一般在10km以内，通常不超过20km。前传网是为基站的无线射频单元（4g增强的rru、5g的aau）和基带处理单元（4g的bbu、5g的du和cu）之间提供光纤传输的网络，主要实现cpri和ecpri信号传输。前传网的关键要求是支持低时延（小于100us）、高精度时间同步（±130ns或±260ns）和低成本组网。近期4g和5g的前传信号主要是25ge的ecpri，以3个载频的s111站型为例，每个基站需要传输3对25ge信号的收发，4g和5g基站共址则有6对25ge接口，共占用12根接入光纤。
5g前传技术方案的选择主要考虑光纤资源、建网综合成本和网络可维护性等因素。在接入光纤资源丰富的地区，5g前传主要采用光纤直连；在光纤资源不足的地区，可采用低成本的无源wdm节省光纤；对于光纤资源紧缺且对网络运维能力有要求的地区，可适当采用有源wdm/otn来建设c-ran的前传网络，要求bbu侧设备具有同时接入3~10个aau的容量，aau侧的室外前传设备适合挂在铁塔或灯杆上，支持上电后免配置自动开通，为节省光纤消耗和提升时间同步精度，应配置支持工业级温度的25gbit/s和100gbit/s单纤双向光模块，基于l0或l1传输系统实现确定性低时延。
5g回传网络技术
5g回传网是为广泛分布的5g基站（g-nodeb、bbu或cu）和核心网元之间提供多点到点的双向连接和带宽汇聚的传送网络，在地域上覆盖城域、省内干线乃至大区范围，核心需求是低时延（如embb在信令面小于10ms，数据面小于4ms）、中长距离（城域40km或80km、省内干线或大区120~450km）、大带宽（单路100gbit/s、200gbit/s或400gbit/s）、高精度时间同步（±260ns）和低成本高效组网。
5g回传网络技术需满足5个核心特征：一是支持灵活扩展、高速率、高可靠和大规模组网的l3vpn技术；二是支持网络切片所需的逻辑隔离能力，对隔离性和安全性要求较强的业务场景或集团客户，应支持硬隔离转发能力；三是面向urllc业务，支持确定性低时延和低抖动性能；四是支持高精度频率和时间同步传输；五是支持网络切片全生命周期管理和开放北向接口的管控系统。
综合以上分析，我国三大运营商都已明确近期的5g回传网络技术路线选择：中国移动的5g新建传输网络将采用切片分组传送（spn）技术，对于现网具备ptn扩容或升级条件的地市，将采用ptn扩容或升级spn技术方案；中国电信和中国联通在城域主要采用现网ipran扩容或新建ipran增强sr和evpn技术方案，在省内干线主要采用ip承载网over wdm/otn的联合组网方案。三大运营商在网络开放能力方面都面临着加强网络切片服务能力，开发智能化业务编排系统和管控系统的重要挑战。
差异化的网络切片服务和管控能力是关键
5g承载网络应具备多业务综合承载能力，除了承载4g/5g无线基站业务，还可承载集客专线、家庭宽带olt回传业务等，充分发挥综合承载效能。因此，在一张承载网络上，通过转发平面提供的网络资源软、硬管道隔离技术，结合上层智能化业务编排系统和管控一体化系统，实现对网络切片的全生命周期服务能力，包括响应切片请求、进行资源编排、创建虚拟网络、开展性能监测等流程，可为5g三大类业务场景、移动数据中心互联、集团客户专线、垂直行业专网以及家庭宽带等业务提供所需sla保障的差异化网络切片服务能力。
此外，5g承载网络的管控系统还应支持基于restful的开放北向接口，支持基于netconf+yang的南向接口，支持通过bgp-ls实现网络拓扑资源的收集和刷新，支持通过pcep实现路径集中计算和自动下发能力，支持几万端承载设备的集中管控能力。
5g承载网络规模组网方案面临的主要挑战
根据近期许多省市发布的加快推进5g产业发展实施意见，某些发达省市将在2020年底前建成2万~3万个基站，实现城区5g信号的全覆盖。可预估在2019-2022三年期间，我国发达省市将建设上百万个5g基站，与全国400百万个lte基站配合，实现全覆盖的高速移动互联网络。因此，大规模组网方案成为5g承载网络近期面临的主要挑战。
5g回传网应支持l3vpn到边缘的大规模组网
中国电信和中国联通的4g回传网主要采用城域接入层l2vpn+汇聚核心层动态l3vpn的ipran组网方案，中国移动的4g回传网主要采用城域接入汇聚层l2vpn+核心层静态l3vpn的ptn组网方案。由于基于mec边缘云将下沉到汇聚节点或综合业务接入节点，因此回传网的l3vpn功能也将下沉到边缘，一个省的5g回传网络将面临着几百个汇聚节点和上万个综合业务接入节点的l3vpn组网规模挑战。
由于传统基于mpls的l3vpn网络存在着n平方的扩展性问题，基于源路由的段路由（sr）技术可较好的解决l3vn的网络扩展性问题，简化了中间节点的标签分发和转发操作，并且有利于实现sdn集中管控。基于sr的l3vpn应采用分域方式控制单igp域内网元数量，例如核心汇聚层为一个igp域，每个接入环为一个igp域，端到端部署igp协议，igp分域点设置在重要汇聚节点或普通汇聚节点，如图1所示。全网需要协同开展vlan和ip地址规划工作，5g基站支持ipv4和ipv6双栈能力。在l3vpn业务实现城域和干线对接时，为了提升网络安全可靠性，通常采用口字型互通方案，在互通链路上配置ip frr和基于rfc7130 bfd的lag组成员。
图1 l3vpn的分层分域组网方案示意图
5g承载网络应实现多级数据中心的高速互连
5g核心网的虚拟化和云化，带来数据中心（dc）的大规模建设需求。我国运营商都在规划固定和移动业务融合发展的新一代分布式数据中心网络，通常分为大区或省干dc、城域核心dc和边缘dc 3层，如图2所示。
5g核心网的部署方案与不同业务应用场景密切相关。为了便于漫游和计费，信令面主要采用大区集中或省集中部署方式，用户面可根据业务需求采用按需集中或分布式部署方式。例如，对于embb业务，核心网的信令面部署在大区或省中心，用户面的upf和cdn可分布式部署在省dc或城域dc；对于mmtc物联网业务，受区域经济发展影响，其upf可以可部署在大区或省dc；对于低时延高可靠的urllc业务，upf和mec可以下沉到汇聚节点或边缘数据中心。
数据中心向承载网络提出了巨大的承载带宽需求，随着网络云化趋势和边缘dc数量的逐步增加，数据中心的高速互联需求也将急剧增长。大区和省核心dc之间的互连主要采用ip承载网和wdm/otn联合组网技术，城域dc之间互连可以采用低成本wdm/otn、ip/mpls或分组切片网络技术等。边缘dc的发展与车联网等新兴业务商用模式发展密切相关，城域核心dc之间、核心dc和边缘dc之间的互连由城域传送网还是ip城域网承载的问题，已成为5g承载网络规模组网需要重点研究的问题之一。
图2 5g核心网数据中心化后的移动承载网组网场景
5g规模建设需要大量接入光纤资源支撑
据无线专业测算，为达到相同信号覆盖效果，5g基站数量至少是4g基站的1.5倍，因此5g无线接入网络建设将采用超密集组网方式，包括宏站、数字化室分及小微基站，因此对接入层光纤资源的消耗将是巨大的。需要结合各地市光纤资源现状和5g基站建设规模，来评估分析光纤光缆等基础资源是否能长期支撑5g网络规模建设需求，以及如何充分利用fttx光纤资源来同时支撑运营商5g网络和智慧城市的建设。
5g承载网络的标准化和产业化均进入关键阶段
5g承载网络技术和规模组网方案具有典型的多技术融合发展趋势，支撑5g大规模试商用还依赖技术标准成熟、产业链健壮性和5g业务商业模式发展等要素。2019-2020年是5g标准化、产业化和应用规模化的关键阶段，业界各方需加强合作，协同推动5g承载网络规模组网方案和网络切片服务及管控能力研究，共同促进产业有序发展，鼎力支撑5g规模试商用的发展。
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本文首先分析总结了我国运营商的5g承载网络技术方案，然后结合5g核心网的数据中心化发展趋势探讨了5g承载网络的规模组网方案，最后结合国内外标准化和产业化进展，提出需要从技术、标准和产业3个方面鼎力支撑5g规模试商用的到来。
我国5g承载网络技术方案已基本明确
2017-2018年，为更好适应5g和专线业务综合承载需求，我国三大运营商纷纷开展了不同网络技术方案的创新研究、标准化推进、实验室评估和现网规模试点验证工作。5g回传网络技术方案有基于ptn演进的切片分组网络（spn）、ipran增强、分组增强型otn等不同技术路线，5g前传网络可有光纤直连、无源wdm、有源wdm或otn、接入spn、wdm pon等多种方案选择。
进入2019年，我国5g网络逐步进入试商用前的规模建设阶段，运营商综合分析技术、产业和成本现状，关于前传和回传网络技术方案的总体选择和发展趋势已基本明朗。
5g前传网络技术
5g无线接入网的部署模式有d-ran和c-ran两种场景。d-ran场景相对简单，aau和du一般分别部署在塔上和塔下；c-ran场景可分为小集中和大集中两种模式，在5g建设初期，通常采用小集中模式。c-ran场景的aau拉远距离一般在10km以内，通常不超过20km。前传网是为基站的无线射频单元（4g增强的rru、5g的aau）和基带处理单元（4g的bbu、5g的du和cu）之间提供光纤传输的网络，主要实现cpri和ecpri信号传输。前传网的关键要求是支持低时延（小于100us）、高精度时间同步（±130ns或±260ns）和低成本组网。近期4g和5g的前传信号主要是25ge的ecpri，以3个载频的s111站型为例，每个基站需要传输3对25ge信号的收发，4g和5g基站共址则有6对25ge接口，共占用12根接入光纤。
5g前传技术方案的选择主要考虑光纤资源、建网综合成本和网络可维护性等因素。在接入光纤资源丰富的地区，5g前传主要采用光纤直连；在光纤资源不足的地区，可采用低成本的无源wdm节省光纤；对于光纤资源紧缺且对网络运维能力有要求的地区，可适当采用有源wdm/otn来建设c-ran的前传网络，要求bbu侧设备具有同时接入3~10个aau的容量，aau侧的室外前传设备适合挂在铁塔或灯杆上，支持上电后免配置自动开通，为节省光纤消耗和提升时间同步精度，应配置支持工业级温度的25gbit/s和100gbit/s单纤双向光模块，基于l0或l1传输系统实现确定性低时延。
5g回传网络技术
5g回传网是为广泛分布的5g基站（g-nodeb、bbu或cu）和核心网元之间提供多点到点的双向连接和带宽汇聚的传送网络，在地域上覆盖城域、省内干线乃至大区范围，核心需求是低时延（如embb在信令面小于10ms，数据面小于4ms）、中长距离（城域40km或80km、省内干线或大区120~450km）、大带宽（单路100gbit/s、200gbit/s或400gbit/s）、高精度时间同步（±260ns）和低成本高效组网。
5g回传网络技术需满足5个核心特征：一是支持灵活扩展、高速率、高可靠和大规模组网的l3vpn技术；二是支持网络切片所需的逻辑隔离能力，对隔离性和安全性要求较强的业务场景或集团客户，应支持硬隔离转发能力；三是面向urllc业务，支持确定性低时延和低抖动性能；四是支持高精度频率和时间同步传输；五是支持网络切片全生命周期管理和开放北向接口的管控系统。
综合以上分析，我国三大运营商都已明确近期的5g回传网络技术路线选择：中国移动的5g新建传输网络将采用切片分组传送（spn）技术，对于现网具备ptn扩容或升级条件的地市，将采用ptn扩容或升级spn技术方案；中国电信和中国联通在城域主要采用现网ipran扩容或新建ipran增强sr和evpn技术方案，在省内干线主要采用ip承载网over wdm/otn的联合组网方案。三大运营商在网络开放能力方面都面临着加强网络切片服务能力，开发智能化业务编排系统和管控系统的重要挑战。
差异化的网络切片服务和管控能力是关键
5g承载网络应具备多业务综合承载能力，除了承载4g/5g无线基站业务，还可承载集客专线、家庭宽带olt回传业务等，充分发挥综合承载效能。因此，在一张承载网络上，通过转发平面提供的网络资源软、硬管道隔离技术，结合上层智能化业务编排系统和管控一体化系统，实现对网络切片的全生命周期服务能力，包括响应切片请求、进行资源编排、创建虚拟网络、开展性能监测等流程，可为5g三大类业务场景、移动数据中心互联、集团客户专线、垂直行业专网以及家庭宽带等业务提供所需sla保障的差异化网络切片服务能力。
此外，5g承载网络的管控系统还应支持基于restful的开放北向接口，支持基于netconf+yang的南向接口，支持通过bgp-ls实现网络拓扑资源的收集和刷新，支持通过pcep实现路径集中计算和自动下发能力，支持几万端承载设备的集中管控能力。
5g承载网络规模组网方案面临的主要挑战
根据近期许多省市发布的加快推进5g产业发展实施意见，某些发达省市将在2020年底前建成2万~3万个基站，实现城区5g信号的全覆盖。可预估在2019-2022三年期间，我国发达省市将建设上百万个5g基站，与全国400百万个lte基站配合，实现全覆盖的高速移动互联网络。因此，大规模组网方案成为5g承载网络近期面临的主要挑战。
5g回传网应支持l3vpn到边缘的大规模组网
中国电信和中国联通的4g回传网主要采用城域接入层l2vpn+汇聚核心层动态l3vpn的ipran组网方案，中国移动的4g回传网主要采用城域接入汇聚层l2vpn+核心层静态l3vpn的ptn组网方案。由于基于mec边缘云将下沉到汇聚节点或综合业务接入节点，因此回传网的l3vpn功能也将下沉到边缘，一个省的5g回传网络将面临着几百个汇聚节点和上万个综合业务接入节点的l3vpn组网规模挑战。
由于传统基于mpls的l3vpn网络存在着n平方的扩展性问题，基于源路由的段路由（sr）技术可较好的解决l3vn的网络扩展性问题，简化了中间节点的标签分发和转发操作，并且有利于实现sdn集中管控。基于sr的l3vpn应采用分域方式控制单igp域内网元数量，例如核心汇聚层为一个igp域，每个接入环为一个igp域，端到端部署igp协议，igp分域点设置在重要汇聚节点或普通汇聚节点，如图1所示。全网需要协同开展vlan和ip地址规划工作，5g基站支持ipv4和ipv6双栈能力。在l3vpn业务实现城域和干线对接时，为了提升网络安全可靠性，通常采用口字型互通方案，在互通链路上配置ip frr和基于rfc7130 bfd的lag组成员。
图1 l3vpn的分层分域组网方案示意图
5g承载网络应实现多级数据中心的高速互连
5g核心网的虚拟化和云化，带来数据中心（dc）的大规模建设需求。我国运营商都在规划固定和移动业务融合发展的新一代分布式数据中心网络，通常分为大区或省干dc、城域核心dc和边缘dc 3层，如图2所示。
5g核心网的部署方案与不同业务应用场景密切相关。为了便于漫游和计费，信令面主要采用大区集中或省集中部署方式，用户面可根据业务需求采用按需集中或分布式部署方式。例如，对于embb业务，核心网的信令面部署在大区或省中心，用户面的upf和cdn可分布式部署在省dc或城域dc；对于mmtc物联网业务，受区域经济发展影响，其upf可以可部署在大区或省dc；对于低时延高可靠的urllc业务，upf和mec可以下沉到汇聚节点或边缘数据中心。
数据中心向承载网络提出了巨大的承载带宽需求，随着网络云化趋势和边缘dc数量的逐步增加，数据中心的高速互联需求也将急剧增长。大区和省核心dc之间的互连主要采用ip承载网和wdm/otn联合组网技术，城域dc之间互连可以采用低成本wdm/otn、ip/mpls或分组切片网络技术等。边缘dc的发展与车联网等新兴业务商用模式发展密切相关，城域核心dc之间、核心dc和边缘dc之间的互连由城域传送网还是ip城域网承载的问题，已成为5g承载网络规模组网需要重点研究的问题之一。
图2 5g核心网数据中心化后的移动承载网组网场景
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据无线专业测算，为达到相同信号覆盖效果，5g基站数量至少是4g基站的1.5倍，因此5g无线接入网络建设将采用超密集组网方式，包括宏站、数字化室分及小微基站，因此对接入层光纤资源的消耗将是巨大的。需要结合各地市光纤资源现状和5g基站建设规模，来评估分析光纤光缆等基础资源是否能长期支撑5g网络规模建设需求，以及如何充分利用fttx光纤资源来同时支撑运营商5g网络和智慧城市的建设。
5g承载网络的标准化和产业化均进入关键阶段
5g承载网络技术和规模组网方案具有典型的多技术融合发展趋势，支撑5g大规模试商用还依赖技术标准成熟、产业链健壮性和5g业务商业模式发展等要素。2019-2020年是5g标准化、产业化和应用规模化的关键阶段，业界各方需加强合作，协同推动5g承载网络规模组网方案和网络切片服务及管控能力研究，共同促进产业有序发展，鼎力支撑5g规模试商用的发展。
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