国之重器出版工程 5G承载关键技术与规划设计

“十三五”国家重点图书出版规划项目
国之重器出版工程
网络强国建设
5G丛书

5G承载关键技术与规划设计
Key Technology and Planning & Designing for 5G Carrier Network

罗成 程思远 江巧捷 谢维信 张钦宇　编著

人民邮电出版社

北京

图书在版编目（CIP）数据

5G承载关键技术与规划设计 / 罗成等编著.--北京：人民邮电出版社，2019.9

（5G丛书）

国之重器出版工程

ISBN　978-7-115-51600-8

Ⅰ.①5…　Ⅱ.①罗…　Ⅲ.①无线电通信—移动通信—通信技术　Ⅳ.①TN929.5

中国版本图书馆CIP数据核字（2019）第1305191号

定价：79.00元

读者服务热线：(010)81055493　印装质量热线：(010)81055316

反盗版热线：(010)81055315

广告经营许可证：京东工商广登字20170147号

内容提要

本书系统地介绍了5G承载网络的关键技术及规划设计的思路与方法，主要内容包括5G承载的标准化与进展、5G承载需求分析、5G承载的关键技术、各大运营商的5G网络架构及其演进思路、网络部署的规划与设计等多个方面。本书内容全面翔实，对系统地掌握5G承载理论技术具有较强的指导作用，对网络规划建设和运行维护等也具有较高的实用价值。

本书既可以作为通信类工程师了解和学习5G承载技术原理的参考书，又可以供电信网络工程师规划建设和维护网络参考，还可以作为相关大专、中专院校师生的参考用书。

《国之重器出版工程》编辑委员会

编辑委员会主任：苗圩

编辑委员会副主任：刘利华 辛国斌

编辑委员会委员：

冯长辉 梁志峰 高东升 姜子琨 许科敏

陈因 郑立新 马向晖 高云虎 金鑫

李巍 李东 高延敏 何琼 刁石京

谢少锋 闻库 韩夏 赵志国 谢远生

赵永红 韩占武 刘多 尹丽波 赵波

卢山 徐惠彬 赵长禄 周玉 姚郁

张炜 聂宏 付梦印 季仲华

专家委员会委员（按姓氏笔画排列）：

于全 中国工程院院士

王少萍 “长江学者奖励计划”特聘教授

王建民 清华大学软件学院院长

王哲荣 中国工程院院士

王越 中国科学院院士、中国工程院院士

尤肖虎 “长江学者奖励计划”特聘教授

邓宗全 中国工程院院士

甘晓华 中国工程院院士

叶培建 中国科学院院士

朱英富 中国工程院院士

朵英贤 中国工程院院士

邬贺铨 中国工程院院士

刘大响 中国工程院院士

刘怡昕 中国工程院院士

刘韵洁 中国工程院院士

孙逢春 中国工程院院士

苏彦庆 “长江学者奖励计划”特聘教授

苏哲子 中国工程院院士

李伯虎 中国工程院院士

李应红 中国科学院院士

李新亚 国家制造强国建设战略咨询委员会委员、中国机械工业联合会副会长

杨德森 中国工程院院士

张宏科 北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室主任

陆建勋 中国工程院院士

陆燕孙 国家制造强国建设战略咨询委员会委员、原机械工业部副部长

陈一坚 中国工程院院士

陈懋章 中国工程院院士

金东寒 中国工程院院士

周立伟 中国工程院院士

郑纬民 中国计算机学会原理事长

郑建华 中国科学院院士

屈贤明 国家制造强国建设战略咨询委员会委员、工业和信息化部智能制造专家咨询委员会副主任

项昌乐 “长江学者奖励计划”特聘教授，中国科协书记处书记，北京理工大学党委副书记、副校长

柳百成 中国工程院院士

闻雪友 中国工程院院士

徐德民 中国工程院院士

唐长红 中国工程院院士

黄卫东 “长江学者奖励计划”特聘教授

黄先祥 中国工程院院士

黄维 中国科学院院士、西北工业大学常务副校长

董景辰 工业和信息化部智能制造专家咨询委员会委员

焦宗夏 “长江学者奖励计划”特聘教授

本书编辑委员会

编辑委员会主任：程思远

编辑委员会委员：罗成 谢寅亮 江巧捷 谢维信

张钦宇 毛云翔 刘涛 王树兰

黎刚 张屹 毛骞 王宇

喻睿 邝达

前言

“5G商用，承载先行”。本书对5G承载网络涉及的关键技术和规划与建设的重难点问题进行了详尽的分析，旨在为相关专业人士理解5G承载网络提供系统化的参考，并为他们在规划5G承载网时提供相应的方法与建议。本书共分为三大部分。

第一部分为理论与技术，共6章。第1章概述5G网络的愿景、应用场景和演进路线；介绍5G网络的部署方式以及5G承载网络的整体架构；第2章详细介绍5G承载的标准化与进展，重点介绍5G承载网络在ITU的进展和工作计划；第3章详细分析5G承载的需求；第4章详细介绍5G承载的关键技术与演进建议，包括前传和中/回传技术、转发面发展演进建议、管控与同步网的架构与技术；第5章阐述中国移动提出的SPN技术与架构；第6章在介绍分组增强型OTN的关键技术后，阐述中国电信提出的M-OTN技术与架构。

第二部分为规划与建设，共4章。第7章介绍基于C-RAN模型的整体规划与设计，以及运维管理的要求和建议；第8章介绍基于SPN的5G承载网络规划与建设方案；第9章基于IP RAN升级的策略，提出了5G承载网络设备与光缆的规划与建设方案；第10章介绍基于SDN的5G与固网融合承载网络规划方案以及接口设计标准。

第三部分为总结，共1章。第11章介绍我国5G承载产业的发展趋势和国际行业发展趋势，并总结多种5G承载方案的异同。

本书是在IMT 2020（5G）推进组工作的基础上，结合中国信息通信研究院与各运营商研究院的前沿研究成果，根据作者参与各省5G试验网的实践经验编写而成。由于5G目前还没有大规模部署的实际经验，再加上作者水平有限，难免存在谬误，敬请广大读者见谅，并欢迎读者批评指正。

第1章 5G承载网络概述

1.1 5G网络概述

从1G到4G，现有几代移动通信系统着眼于提供更快、更好的语音和数据传输服务使人与人之间互联。移动通信已经深深地改变了人们的生活，但人们对更高性能移动通信的追求从未停止。为了应对未来爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景，第五代移动通信（5G）系统应运而生。

从不同的信息交互对象角度，5G应用将涵盖三大类场景，如图1.1所示。（1）增强移动宽带（eMBB，enhanced Mobile Broad Band）：面向增强的移动互联网应用场景，5G提供更高体验速率和更大带宽的接入能力，支持解析度更高、体验更鲜活的多媒体内容；（2）海量机器类通信（mMTC，massive MachineType Communications）：面向物联网设备互联场景，5G提供更高连接密度时优化的信令控制能力，支持大规模、低成本、低能耗物联网设备的高效接入和管理；（3）超可靠低时延（uRLLC，ultra-Reliable Low-Latency Communications）：面向车联网、应急通信、工业互联网等垂直行业应用场景，5G提供低时延和高可靠的信息交互能力，支持互联实体间高度实时、高度精密和高度安全的业务协作。

为了适应业务场景的差异化要求，在关键能力指标方面，除了传统的峰值速率、移动性、时延和频谱效率之外，国际电信联盟（ITU，International Telecommunication Union）还提出了用户体验速率、连接数密度、流量密度和能量效率4个新增关键能力指标，具体如图1.2所示。5G用户体验速率高至100Mbit/s，能够支持移动虚拟现实等业务；5G峰值速率可达10～20Gbit/s，流量密度可达10Mbit/s·m^-2，能够支持未来千倍流量增长；5G连接数密度可达每平方千米100万个，支持海量物联网设备接入；5G传输时延降至毫秒量级，满足车联网和远程工业控制的严格要求；5G能够提供500km/h的移动速度（如高铁环境）下顺畅的用户体验；最后，为了保证对频谱和能源的有效利用，对于4G而言，5G的频谱效率提高了3～5倍，能效提升了100倍。

“4G改变生活，5G改变社会”。5G网络的部署将会掀起新一轮移动通信建设高潮，通信行业成为直接受益者，同时也会带动ICT（Information and Communication Technology）行业和其他行业（如工业制造、物联网、医疗、能源等）的快速发展。2G、3G、4G主要满足人与人之间的通信需求，5G将会实现人与人、人与机器、机器与机器之间的通信需求，使移动通信从个人通信向行业应用方向发展。5G网络不仅能给我们带来更好的带宽体验，还背负着一个重要的使命——使能垂直行业，以超高带宽、超低时延以及超大规模连接改变垂直行业核心业务的运营方式和作业模式，全面提升传统垂直行业的运营效率和决策智能化水平。

初期的5G网络与4G网络相比最大的性能提升是显著增加的带宽和超低的端到端时延。目前，比较明确的能够从这两方面特性中受益的新兴用例主要有如下几个。

（1）增强现实（AR，Augmented Reality）、混合现实（MR，Mixed Reality）和虚拟现实（VR，Virtual Reality）。

（2）移动多媒体：360°、4K/8K分辨率的演出或体育赛事直播。

（3）远程教育服务。

1.增强现实、混合现实和虚拟现实

AR、MR和VR设备被认为是即将到来的最大技术革命之一。根据ABI Research的预测，2021年全球AR智能眼镜设备将达到4800万台、VR设备将超过2亿台。

AR、MR和VR这3种现实模式各自有其独特的用例和机遇。虽然4G网络能够支撑这些现实技术的基本功能，但是一旦开启大规模商用，必将在短时间内耗尽4G LTE基础设施资源，并使用户体验变得难以接受。5G eMBB具备支撑AR、MR和VR大规模商用的能力，将会为这些技术带来新的发展机遇。

智能手机从诞生至今，其性能一直在不断提高，未来也必将发展成能够与VR/AR头盔配合使用的终端设备。例如，谷歌的Tango技术使用一种视觉定位服务（VPS，Visual Positioning Service）实现室内导航，但是目前这种服务很大程度上依赖本地Wi-Fi网络来确定其自身位置以及映射空间。5G技术能够实现更一致的信号覆盖，这将帮助VPS组合相机、蜂窝位置和GPS的信息进行更精准的空间映射和定位。

目前，VR设备的分辨率一般为1200×1080@90fps（每只眼睛）。为了提高保真度和沉浸感，业界正在积极开发4K甚至8K@90～120fps（每只眼睛）的下一代设备。设备的不断升级产生的是对无线数据传输速率的更高需求，考虑不同的数据压缩策略，下一代VR设备的视频数据带宽需求将会提高几十倍。

一般来说，AR/MR/VR设备本身的能力是有限的，通常需要依赖智能手机和可穿戴设备，如三星的Gear VR和微软的Hololens，然而智能手机等终端的能力也受到电池、芯片等限制。一种5G的革命性用例可以将AR/MR/VR传感器的输入上传至云端，并将图形渲染处理从智能终端卸载到云端。在这种情况下，只需要一个更简单、低功耗的用户设备，该设备仅作为传感器的记录器、5G蜂窝发射器和视频解码器。显然这正将显著降低AR/MR/VR的使用成本，并实现基于云服务使用时间服务模式的更大的市场潜力。

为了实现下一代AR/MR/VR设备和6自由度（6DoF，6 Degree of Freedom）视频，预计需要200Mbit/s～1Gbit/s的流带宽，为避免眩晕则需要低于10ms的动作到手机延迟。

2.移动多媒体：360°、4K/8K分辨率的演出或体育赛事直播

大型的体育赛事和娱乐活动都是非常具有投资价值的。以体育赛事为例，每年定期举办的常规性比赛的观众数量可达数亿，如2017年美国超级碗有1.113亿人观看，F1赛事全球有4.25亿观众，其中潜在的巨大市场价值可见一斑，体育赛事也是展示最新技术的绝佳平台。2018年平昌冬季奥运会上，韩国启用预商用5G系统，提供了同步观赛、360°VR直播等5G体验（与ITU定义的5G体验尚有差距）。赛事举办方和运营商已经着眼于一系列赛事相关App的开发，将一进步推广5G在体育赛事中的应用。日本已经明确将在2020年东京奥运会上推出全球首个8K体育赛事现场直播，下一届奥运会也将成为首个拥有5G网络覆盖的体育赛事之一。

智能手机显示器正朝着更高分辨率的高动态范围图像（HDR，High-Dynamic Range）品质发展。随着越来越多的消费者拥有高端智能设备，超高清的视频流服务也会越来越丰富。NTT DoCoMo承诺在2020年东京奥运会上使用的5G网络能够向VR设备提供高速率的数据流，使用户拥有与运动员一起在体育场馆内的体验。

另外，当前的360°视频体验基于3自由度位置（3DoF），能够允许用户在固定位置环顾四周。未来的体验将扩展到6DoF，使用户能够四处走动。显然这类体验将在电子游戏领域大受欢迎。

4K流媒体对数据速率的需求为25～75Mbit/s，目前的4G LTE也可以满足。但是，8K流媒体的数据速率需求预计在100～500Mbit/s，具体取决于编码选择和多声道混音。而6DoF、360°视频带宽需求更大，预计为400～600Mbit/s，甚至更高，同时要求延迟不超过20ms，具体取决于分辨率、压缩、用户反馈性能预期（快/慢移动）和移动范围等因素。

3.远程教育服务

远程教育服务并不是一个新的概念，借助于个人电脑的远程教育服务已经发展许多年。随着无线网络和移动设备的发展，越来越多的年轻人可以利用移动设备享受各种不同等级的教育服务（如基础教育、再进修等）。远程教育服务对于偏远地区的学龄儿童来说尤为重要。这些学生上学困难、师资极度有限，远程教育能够在一定程度上缓解现有困难。

5G移动服务可以利用固定无线接入（FWA，Fixed Wireless Access）技术等向偏远农村地区提供快速连接和高速率传输服务，提供的高质量视频流将有利于教师表达完整的文本和图像信息，不会因为数据压缩或低分辨率丢失细节。同时远端的学生可以在根据需求进行局部放大时仍然能够清晰地阅读。

更进一步地，可以借助VR为学生提供原生的课堂风格沉浸式体验，让学生和教师自然有效地进行互动。

上述这些远程教育服务将需要100～200Mbit/s数据速率和低于20ms的端到端延迟，以确保实现舒适的、实时的交互。为了能够服务到偏远地区的学生，还需要全面、可靠的移动网络覆盖。

综上所述，目前，比较明确的5G用例及需求见表1.1。

表1.1 初期的5G用例及需求

未来，5G将渗透到社会的各个领域，以用户为中心构建全方位的信息生态系统；5G将使信息突破时空限制，提供极佳的交互体验，为用户带来身临其境的信息盛宴；5G将拉近万物的距离，通过无缝融合的方式，便捷地实现人与万物的智能互联；5G将为用户提供光纤般的接入速率，“零”时延的使用体验，千亿设备的连接能力，超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的一致服务，业务及用户感知的智能优化。同时将为网络带来超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，最终实现“信息随心至，万物触手及”的整体愿景。

1.2 5G RAN的演进

相比于4G LTE接入网的基带处理单元（BBU，Base Band Unit）和射频拉远单元（RRU，Radio Remote Unit）两级架构，5G无线接入网（RAN，Radio Access Network）将演进为集中单元（CU，Centralized Unit）、分布单元（DU，Distribute Unit）和有源天线处理单元（AAU，Active Antenna Unit）三级结构。与之对应，5G承载网络也由4G时代的回传、前传演进为回传、中传和前传三级新型网络架构。5G网络的演进过程如图1.3所示。在CU、DU合设情况下，则只有回传和前传两级架构。

前传网络与4G相比，接口速率（容量）和接口类型都发生了明显变化。中传是面向5G新引入的承载网络层次，在承载网络实际部署时城域接入层可能同时承载中传和前传业务。随着CU和DU归属关系由相对固定向云化部署的方向发展，中传也需要支持面向云化应用的灵活承载。

5G回传网络实现CU和核心网、CU和CU之间等相关流量的承载，由接入、汇聚和核心3层构成。考虑到移动核心网将由4G演进的分组核心网（EPC，Evolved Packet Core）发展为5G核心网（5GC，5G Core）和移动边缘计算（MEC，Mobile Edge Computing）等，同时核心网将云化部署在省干和城域核心的大型数据中心，MEC将部署在城域汇聚或更低位置的边缘数据中心。因此，城域核心/汇聚网络将演进为面向5G回传和数据中心互联统一承载的网络，如图1.4所示。

核心网重构对承载网挑战较大。4G和5G核心网架构的对比如图1.5所示。受业务发展驱动，5G核心网将发展成为满足全业务接入、服务全业务场景的云化泛在网络，采用服务化网络架构和软件定义网络（SDN，Software Defined Networking）/网络功能虚拟化（NFV，Network Function Virtualization）技术实现网络重构，具有业务虚拟隔离（网络切片）、转发与控制分离、功能分布式部署、基础设施云化等核心特征。

1.业务虚拟隔离

5G需要同时承载移动互联网、高清视频、车联网、物联网、工业控制等各类业务应用，这些场景在移动性、计费、带宽、时延、可靠性、安全性等方面存在着巨大差异，为适配一张网络满足几百种行业的需求，运营商需要部署更加经济、绿色的网络切片技术方案，以实现不同业务的虚拟隔离。5G核心网将全面支持网络切片技术，即在同一张基础物理网络上，采用软硬切片实现业务逻辑隔离、动态分配和管理资源，适配不同的业务特征需求，提供不同的服务等级协议（SLA，Service Level Agreement），并服务于不同的垂直行业应用。

2.转发与控制分离

5G核心网的重构将遵循网络虚拟化、功能轻量化、转发和控制分离等原则。网络虚拟化有利于向全面云化的趋势进行演进；功能轻量化极大地简化模块、接口和协议的复杂度，网元功能采用模块化设计，有利于实现应用程序编辑接口（API，Application Programming Interface）调用，提升通用性；转发和控制分离实现网管的控制面和用户面分离，保证未来网络的分布式部署需求。

3.功能分布式部署

5G核心网络架构将控制面功能（CPF，Control Plane Function）和用户面功能（UPF，User Plane Function）分离，统一的CPF（包括接入和移动管理功能以及会话管理功能等）部署在省干或大区的核心机房或数据中心（DC，Data Center），实现集中管控运营；分布式的UPF可根据业务需要分布式部署在省干核心DC、本地DC或者边缘DC。部署在边缘DC的UPF与MEC平台融合，可以进行本地分流，满足低时延业务场景需求，有利于按需快速部署业务，并向第三方开放用户位置、码号、网络负荷能力等信息，拓展面向企业园区及场馆的视频直播等本地化创新应用。

4.基础设施云化

网络云化能降低设备的投资成本，利用云计算的快速部署能力进行网络快速配置和调整，实现业务创新。引入SDN/NFV技术，有利于快速实现5G网络云化。基础设施电信云是运营商进行云化转型的目标，5G网络云化包括核心网云化、无线接入网云化和控制系统云化3个部分。核心网目标架构如图1.6所示。

5G承载网须适应5G核心网架构变革带来的挑战，一是需提供层次化网络切片方案来满足不同业务场景的5G网络切片需求；二是需要将L3功能下移至UPF和MEC所在的位置，从而提供网状动态连接的灵活调度；三是适应5G网络云化发展趋势，支持城域核心和边缘数据中心之间互连的需求。

1.3 5G网络设备部署方式

根据5G技术及设备的发展，5G设备具体设备形态CU、DU、RRU/AAU可分离，也可集中。考虑到传输条件、运维难度、应用场景等因素，未来5G基站设备将主要存在3种设备形态：CU和DU合设+RRU/AAU、CU+DU+RRU/AAU、一体化NR。在实际部署中，具体如图1.7所示。2018年，在5G试验网阶段，三家电信运营商主要采用“CU和DU合设+AAU”的大规模多入多出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）基站；在5G网络部署初期，也将主要采用“CU和DU合设+RRU/AAU”的设备方案，商用程度及业务需求不断成熟，支持向CU/DU分离架构演进。

BBU的部署主要有D-RAN（Distributed Radio Access Network）、C-RAN（Centralized Radio Access Network）和CU云化部署3种方式，如图1.8所示。

1.D-RAN方式

D-RAN方式CU+DU布放于站点机房，AAU设备均布放于无线基站，该方案为传统部署方式，2G、3G网络多采用该方式。

这种部署方式保证了网络的可靠性，但由于每个基站均须配置全套BBU机框、设备板卡、传输设备、无线配套设备等，一方面无线配套建设成本、线路建设成本高，另一方面无线设备利用率也较低；从基站租金效益可知，现阶段各大运营商无线基站大多为租用铁塔公司机房，进出基站机房需要申请，占用时间多，给网络维护带来诸多不便。

2.C-RAN方式

C-RAN方式AAU设备布放于无线基站，CU/DU合设于接入机房，该方案为现有4G网络常用的部署方式。

C-RAN方式具有如下优点。

（1）节省传输设备。对于D-RAN部署，一般而言一个BBU需要配置一端传输设备，采用C-RAN方式后，一端传输设备可以满足多个BBU的传输需求，如果BBU集中放置机房设置在传输资源比较丰富的核心汇聚机房，还可以利用现有传输资源。

（2）提高传输系统的安全性。BBU集中放置在条件较好的机房，电源有保障，线路资源更加丰富，传输系统的安全性大大提高。

（3）BBU集中放置后便于设备的维护和扩容。

（4）BBU集中放置后可以集中配置BBU小区，减少BBU使用量，提高BBU利用率，减少投资，节省资源。

（5）BBU集中放置后统一配置机房电源，大大降低了BBU掉电风险，减少了掉电故障，同时减少了空调等配套设施的能耗，节省电费支出，实现节能减排。

但同时C-RAN方式也存在一定的缺点。

（1）如果采用光纤直连，则会增加对主干光缆纤芯的需求。

（2）BBU至AAU之间的光缆距离长，光纤跳节点增多，隐患点增多。

（3）由于BBU与AAU之间一般采用星形连接方式，一旦出现主干光缆发生中断，将会发生较大面积的RRU断站的情况，影响面较大。

（4）站点还有AAU等设备，AAU需要供电，仍然需要考虑AAU的取电和电源保障问题。

因此，为了更好地以C-RAN方式部署5G基站，需要在前传方式上应用其他节省光纤、实施保护、优化机房使用的方法，在本书的第7章将会详细论述。

3.CU云化部署

CU云化部署AAU设备布放于无线基站，CU/DU分设，其中DU可以根据业务需求情况布放于无线基站或接入机房，CU部分通过云化方式部署在数据中心，主要通过NFV技术实现。

CU-DU分离架构的三大显著优势为：实现基带资源的共享，提升效率；降低运营成本和维护费；更适用于海量连接场景。同时基于CU-DU架构，5G接入网将具备很强的可扩展性。

（1）基于CU，引入大数据与人工智能，构建智能网络。在设备实现上，基于CU，可与无线大数据、人工智能深度耦合。例如，通过CU对网络和用户相关的海量数据进行大数据分析，可实现基站性能相关算法的快速迭代，持续提升网络性能。同时，在人工智能的辅助下，也可以进一步实现智能运维，降低运维成本，提高网络优化效率，降低网络优化成本。

（2）基于CU，引入MEC共部署，实现业务创新、快速上线，使能数字化服务。CU在实现上的另外一种思路是与MEC结合，具体而言，MEC可依托CU实现无线能力开放，支撑创新业务快速贴近用户部署，通过数字化服务创收。同时，CU与MEC的集成，通过MEC对创新业务的有效支撑，实现业务快速上线和快速更新。

CU-DU分离架构可能遇到包括单个机房的功率容量有限、网络规划及管理更复杂、时延这三大问题。考虑产业的成熟情况，为了减少网元数、降低网络规划和工程实施难度，同时为了减少时延、缩短建设周期，5G网络发展初期采用CU/DU合设方式。

1.4 5G承载网整体架构

5G承载网络是为5G无线接入网和核心网提供网络连接的基础网络，不仅为这些网络连接提供灵活调度、组网保护和管理控制等功能，还要提供带宽、时延、同步和可靠性等方面的性能保障。

满足5G承载需求的5G承载网络总体架构如图1.9所示，主要包括转发平面、协同管控、5G同步网3个部分，在此架构下同时支持差异化的网络切片服务能力。5G网络切片涉及终端、无线、承载和核心网，需要实现端到端协同管控。通过转发平面的资源切片和管理控制平面的切片管控能力，可为5G三大类业务应用、移动内容分发网络、网络互联、政企客户专线以及家庭宽带等业务提供所需的SLA保障的差异化网络切片服务能力。

1.转发平面应具备分层组网架构和多业务统一承载能力

转发平面是5G承载架构的关键组成，其典型的功能特性如下。

（1）端到端分层组网架构。5G承载组网架构包括城域与省内干线两个层面，其中城域内组网包括接入、汇聚和核心3层架构。接入层通常为环形组网，汇聚和核心层根据光纤资源情况，可分为环形组网与双上联组网两种类型。

（2）差异化网络切片服务。在一张承载网络中通过网络资源的软、硬管道隔离技术，为不同服务质量需求的客户业务提供所需的网络资源的连接服务和性能保障，为5G三大类业务应用、政企专线等业务提供差异化的网络切片服务能力。

（3）多业务统一承载能力。5G承载可以基于新技术方案进行建设，也可以基于4G承载网进行升级演进。除了承载4G/5G无线业务之外，政企专线业务、家庭宽带的光线路终端（OLT，Optical Line Terminal）回传、移动内容分发网络（CDN，Content Delivery Network）以及边缘数据中心之间互联等，也可统一承载，兼具L0～L3技术方案优势，充分发挥基础承载网络的价值。

2.管理控制平面须支持统一管理、协同控制和智能运维能力

5G承载的管理控制平面应具备面向SDN架构的管理控制能力，提供业务和网络资源的灵活配置能力，并具备自动化和智能化的网络运维能力，具体功能特性如下。

（1）统一管理能力：采用统一的多层多域管理信息模型，实现不同域的多层网络统一管理。

（2）协同控制能力：基于Restful的统一北向接口实现多层多域的协同控制，实现业务自动化和切片管控的协同服务能力。

（3）智能运维能力：提供业务和网络的监测分析能力，如流量测量、时延测量、告警分析等，实现网络智能化运维。

3.5G同步网应满足基本业务和协同业务同步需求

同步网作为5G承载网络的关键构成，其典型的功能特性如下。

（1）支撑基本业务同步需求：在城域核心节点（优选与省内骨干交汇节点）部署高精度时钟源（PRTC，Primary Reference Timing Clock）或ePRTC（enhanced-PRTC），承载网络具备基于IEEE 1588v2的高精度时间同步传送能力，实现端到端为±1.5µs时间同步，满足5G基本业务同步需求。

（2）满足协同业务高精度同步需求：对于具有高精度时间同步需求的协同业务场景，考虑在局部区域下沉部署小型化增强型BITS设备，通过跳数控制满足5G协同业务百纳秒量级的高精度同步需求。

（3）按需实现高精度同步组网：对于新建的5G承载网络，可按照端到端300ns量级目标进行高精度时间同步地面组网。一方面，提升时间源头设备精度，并遵循扁平化思路，将时间源头下沉，实现端到端性能控制；另一方面，提升承载设备的同步传送能力，采用能有效减少时间误差的链路或接口技术。

1.5 5G承载转发面概述

5G承载网络分为省干和城域两大部分，城域接入层主要为前传Fx接口的CPRI/eCPRI （enhanced CPRI）信号、中传F1接口以及回传的N2（信令）和N3（数据）接口提供网络连接；城域的汇聚/核心层和省干层面不仅要为回传提供网络连接，还需要为部分核心网元之间的N4、N6以及N9接口提供网络连接，如图1.10所示。其中N6是UPF与数据网络（DN，Data Network）之间的接口，将涉及通过IP公网访问外部的多媒体数据中心。5G无线接入网在建设初期主要采用gNB宏站以及CU和DU合设模式；在5G规模建设阶段，将采用CU和DU分离模式，并实施CU云化和C-RAN大集中建设模式。

5G承载网络涉及的无线接入网和部分核心网的参考点及其连接需求见表1.2和表1.3。

表1.2 5G无线接入网的参考点和连接需求

注：核心网元之间的典型接口类型与运营商核心网实际部署相关。

为5G网络提供灵活连接的承载网络转发面组网架构如图1.11所示，以实现多层级承载网络、灵活化连接调度、层次化网络切片、4G/5G混合承载以及低成本高速组网等关键功能特性。

5G承载网络分层组网架构和接口分析见表1.4。

表1.4 5G承载网络分层组网架构和接口分析

第2章 5G承载的标准化与进展

2.1 5G承载的标准化进展

随着5G无线标准研究的深入，5G承载的标准研究工作也逐步开展起来，并取得了良好的效果。5G承载相关的技术和标准涉及多个标准组织，包括国际电信联盟电信标准化部（ITU-T，ITU Telecommunication Standardization Sector）、通用公共无线接口联盟（CPRI，Common Public Radio Interface）、电气和电子工程师协会（IEEE，Institute of Electrical and Electronics Engineers）、光互联论坛（OIF，Optical Internetworking Forum）、中国通信标准化协会（CCSA，China Communications Standards Association）等。5G承载在各标准组织的研究进展见表2.1。

表2.1 5G承载在各标准组织的研究进展

2.2 ITU-T SG15进展

ITU-T SG15研究5G承载的需求和解决方案，是5G承载标准研究的主战场。我国在ITU-T SG15研究的进展见表2.2。

表2.2 5G承载在ITU-T SG15研究进展

在2017年6月ITU-T SG15全会上，中国三大电信运营商、中国信息通信研究院、中国通信设备制造企业烽火科技集团、中兴通讯股份有限公司、华为技术有限公司联合，首次向会议提交了关于5G传送网络标准立项的议案，并对网络切片、低时延（数百纳秒～数微秒）、大带宽（新的光接口）等提出新的研究建议，对移动网络的前传、中传、回传架构给出了方案。来自中国的方案受到国际同行的高度关注，同时在SG15全会上掀起了5G承载技术的研究热点。会议决定，以研究报告《支持IMT-2020/5G的传送网络》（GSTR-TN5G，Transport Network Support of IMT-2020/5G）的形式首先启动5G承载技术的研究，2018年1月全会完成研究报告，并以此为基础开展5G承载传送网络技术标准的研究。

2018年1月29日～2月9日，ITU-T SG15在日内瓦举行研究期（2017～2020）的第二次全会。中国的三大电信运营商、科研机构、中国信息通信研究院以及通信设备制造商烽火科技集团、中兴通讯股份有限公司、华为技术有限公司等向本次会议提交了涉及5G移动承载技术的文稿数十篇，内容涉及网络架构、网络切片技术、低时延技术需求、大带宽、网络管理及信息模型、网络的保护倒换、组网试验及测试结果等诸多方面。文稿内容涵盖全面，分析详尽，技术先进，方案完整。根据会议安排，会议首先解决的是完成5G承载技术报告《支持IMT-2020/5G的传送网络》，并以此为基础作为下一步5G传送网络技术标准开发的基础，因此，《支持IMT-2020/5G的传送网络》报告的内容（主要是网络架构和基本需求）决定了5G传送网络发展的方向。

中国的电信运营商同时提出两种新的5G承载解决方案。大会主要围绕这两种方案进行了激烈讨论。另外，中国联通的5G承载方案的核心之一是G.metro建议，该建议在几年前立项，由中国联通牵头开发，并计划于本次会议通过。中国代表团的任务是在《支持IMT-2020/5G的传送网络》报告中纳入中国三大电信运营商各自的5G承载方案，特别是切片分组网（SPN，Slicing Packet Network）技术和面向移动承载优化的光传送网（M-OTN，Mobile-optimized Optical Transport Network）技术，并以此为基础推动基于SPN和M-OTN技术的标准立项，同时推动由中国联通牵头制定的建议G.metro在本次会议获得通过。同时Q2课题组（光纤接入网络的光系统）也开展了相关无源光网络（PON，Passive Optical Network）承载5G的研究（G.sup5GP），最后在Q2、Q11、Q12课题组联席会议上达成一致，G.sup5GP中的网络架构部分作为GSTRTN5G的内容。

在ITU-T SG15的会议讨论过程中，来自中国的各单位、各公司积极响应，积极准备，认真、准确、完整地分析和回答了SPN及M-OTN两种方案的技术特点。经过积极争取，会议接受了中国的电信运营商、科研机构、设备制造商提交的众多文稿的提议，包括前传链路的功能分离、通道带宽需求分析（包括前传接口带宽需求、中传接口带宽需求、回传接口带宽需求、基站接口带宽需求）、频率/时间同步分配架构及需求（时延分析及时延指标分配），网络传输距离（前传、中传、回传网络的距离）、网络/设备管理及控制、支持多业务、传送网对5G切片的支持等技术需求，并最终决定由中国专家撰写报告正文中的组网架构图及多业务承载章节以及报告的附件，将中国提出的5G传送网络架构纳入报告的附件中，并特别注明提供备选的传送技术可以是PON、OTN、SPN、以太网、G.metro等。《支持IMT-2020/5G的传送网络》报告最终获得全会同意。

通过审议中国移动和中国电信等单位提交的SPN和M-OTN技术方案文稿，ITU-T SG15管理层更深入了解到中国运营商对5G传送技术方案标准化的迫切需求和网络演进思路的差异，并希望相关单位继续提交文稿来澄清技术细节，以便于在未来的会议上开展新工作项目的立项讨论。

2.3 SPN方案推进

2017年6月，受中国多个成员单位文稿驱动，ITU-T SG15正式启动了5G传送需求和架构方面的研究工作，包括5G传输带宽需求、5G业务时延需求和时延指标分配、5G传输网络架构、传送网支持5G切片、时间同步性能指标和分配、网络SDN管控等多方面内容。中国移动联合中国信息通信研究院、华为技术有限公司、中兴通讯股份有限公司和烽火科技集团等提交了5G传送需求、SPN技术方案架构等多篇文稿，推动SG15的第三工作组（WP3，Working Project 3）立项的技术报告《支持IMT-2020/5G的传送网络》。

2018年1月的ITU-T SG15全会，重点对由中国运营商提出的SPN技术方案以及围绕该方案的诸多文稿进行了详细讨论和分析。经过积极有效的讨论，会议接受了由中国移动、科研机构、设备制造商提交的众多文稿提案。全会对5G传送技术报告《支持IMT-2020/5G的传送网络》的内容达成一致，并发布了第一版本；另外，新立项了《支持IMT-2020/5G的传送网特性》（G.ctn5g）新标准项目，标志着ITU-T在5G传送标准研究进入了新阶段，中国移动和相关单位将继续联合推动SPN技术作为该标准的重要研究内容。

由于SPN是一项新技术，其得到国内外多厂家支持。会议讨论非常热烈，中国移动的专家和国内其他单位的专家针对会议提出的争论焦点进行了详细、准确的分析和完整的回答，消除和辨明了争论中的疑虑。这些问题将在今后的设备开发中予以考虑和解决。

2.3.1 G.ctn5g 5G传送架构标准

G.ctn5g 5G传送架构标准计划完成时间是2019年7月，研究范围包括规范支持5G前传、中传和回传的5G传送需求、网络架构、接口、OAM、同步和可靠性等传送功能特性。项目的主要内容如下：

（1）研究5G前传、中传和回传需求；

（2）研究5G传送组网架构；

（3）研究支持5G网络切片的传送网方案；

（4）研究传送网络OAM功能要求；

（5）研究5G传送网络的频率和时间同步；

（6）研究5G传送网络的可靠性技术。

2.3.2 G.mtn城域传送网接口标准

G.mtn城域传送网接口标准的立项时间是2018年10月，计划完成时间是2020年，其研究范围包括规范城域传送网新接口的段层和通道层，采用50GE/100GE/200GE/400GE可插拔以太网光模块，支持5G前传和回传网络。该标准的主要研究内容如下。

（1）通道层支持灵活连接、OAM（包括CC/CV、DM/PM和SNCP）保护。

（2）帧格式将最大化重用灵活以太网（FlexE，Flex Ethernet）逻辑，支持50GE/100GE/200GE/400GE多端口绑定，使用有效的IEEE 802.3第82章的64B/66B块，并允许以与FlexE相同的方式使用较低层的以太网堆栈。

（3）支持任意N×5Gbit/s客户速率，支持对FlexE进行运营管理与维护（OAM，Operation Administration and Maintenance）和自动保护切换（APS，Automatic Protection Switching）的必要扩展来支持网络应用功能。

2.4 M-OTN方案推进

在2016年9月的ITU-T SG15全会上，有些厂商提出在Q11小组内启动使用OTN承载无线信号的研究，号召大家提出提案讨论这个话题。在随后的Q11中间会议上，中兴通讯等多家厂商提出了关于OTN承载5G信号的需求以及考虑，为了深入探讨这些需求以及解决方案，Q11启动了为期两个月的通信活动来号召各厂商参与讨论，期间中兴通讯股份有限公司输出一篇提案，从应用场景、参考模型、业务类型、性能需求等方面描述了OTN承载5G所需要解决的问题。

在2017年6月ITU-T SG15全会上，越来越多的厂商参与到5G传送的研究中，在OTN方向上，多个成员提出了组织一个关于OTN承载5G信号的项目。针对越来越多关于承载5G信号的提案，由于这些提案涉及Q11、Q12、Q13等多个研究小组，会上决定在WP3内协调这些工作，由Q11与Q12牵头，收集5G承载的需求，同时正式通过了《支持IMT-2020/5G的传送网络》技术报告的立项及5G传送标准的研究计划，将主要工作集中在《支持IMT-2020/5G的传送网络》报告的完善和表决上。《支持IMT-2020/5G的传送网络》报告表决后，会驱动针对解决方案的立项，因此，在此次会议上，关于解决方案的立项提议并未得到通过。尽管此次会议大部分提案是关于需求的，也有厂商提出了基于OTN的5G前传解决方案，在现有的灵活光传送网（FlexO）基础上进行优化，在FlexO中增加时隙，减少映射复用层次，优化OTN的OAM功能，进一步满足5G前传苛刻的需求。

在2017年10月的ITU-T SG15 Q11&Q12联合会议上，中国电信等提出了M-OTN的概念以及基于FlexO技术的解决方案。在5G前传场景下，为了降低时延，只需要一层的复用结构。业务信号首先映射进路径中，路径可以是灵活光数据单元（ODU，Optical Data Unit）、FlexO时隙等，然后所有的路径信号复用到通道中，通道可以是OTU、FlexO等。M-OTN在未来会进一步扩展，不仅要满足前传低时延需求，还会考虑如何满足中传以及回传灵活组网的需求，需要考虑在增强OTN分组处理能力的基础上，增强路由转发功能。

2.4.1 G.sup.5gotn增补文件

G.sup.5gotn增补文件的计划完成时间是2019年7月，其研究范围包括OTN在5G传送中的应用，现有OTN技术在5G承载中的应用方式，满足5G承载需求。同时分析现有OTN技术在5G承载中存在的不足之处，为后续的标准化工作提供依据。该标准项目研究的主要内容如下。

（1）5G传送网络架构。

（2）OTN支持的网络切片。

（3）OTN网络的频率和时间同步。

（4）支持5G的OTN网络可靠性技术。

2.4.2 G.709.25-50标准建议

G.709.25-50标准建议的立项时间是2018年10月，完成时间为2020年。标准的研究范围包括定义新的25G和50G OTN帧格式、映射和复用方式等内容，以便使用可插拔以太网模块来降低设备和网络成本。这些接口将主要用于城域网，包括但不限于承载5G、专线等业务。标准的主要内容如下。

（1）25G和50G OTN接口应用场景描述：5G前传、5G回传接入层和部分汇聚层帧格式的选择：OTU_k vs. FlexO。

（2）OAM和开销选择：OTU_k段层开销融合简化现有OTU/HO ODU/FlexO的开销，ODU层开销保持不变。

2.5 G.metro方案

2011年，中国联通首次在ITU-T SG15 Q6提出低成本城域WDM需求；DT、BT、AT&T和软银等运营商根据自身网络提出不同需求。2014年4月，在ITU-T SG15 Q6立项成功。2014—2018年，经过多次中间会议和全会，包括中国联通、AT&T、DT等在内的10余个国际上主流运营商以及业内主要设备商和主流模块供应商参与了标准细节的讨论，并提供需求、技术分析、测试及仿真结果等文稿数百篇。2018年2月9日，在日内瓦举行的ITU-T SG15全会上，中国联通牵头制定的ITU-T G.698.4标准（即G.metro）正式通过，这标志着城域接入型WDM技术从标准逐步走向实际应用，期望为4G/5G前传网络快速部署提供经济合理和便于运维的方案。

G.metro规范了基于10Gbit/s波长速率下的20km WDM系统的应用标准，采用单纤双向和波长可调谐光模块，支持20波和40波配置，主要面向4G前传应用。计划下一版本规范25Gbit/s波长速率，主要面向5G前传应用。

G.metro的技术特征如下。

（1）高带宽并可自适应适配：利用可调激光器技术，可实现端口无关，波长自动适配；提供波长级连接，波道间独立工作，端口可独立升级。

（2）时延小：采用零层WDM透明技术，对业务信号完全透明的类光纤传输，减少了电层封装和处理带来的时延和抖动，满足低时延业务的传送需求。

（3）业务对称性好：G.698.4标准采用单纤双向透明传输，支持业务信号的对称传输，可较好地支持移动前传以及时间同步信号的对称传递。

2.6 2019—2020年5G传送标准的推进工作计划

2019—2020年5G传送标准的推进工作规划见表2.3。

表2.3 2019—2020年5G传送标准的推进工作计划