面向4/5G融合核心网演进的传输承载策略

梁灿_3825

1、引言

目前4G核心网与5G SA核心网分别独立建设。其中4GEPC采用专用硬件方式组网，不同的设备对应实现不同的网元功能。5G核心网采用SBA架构，在通用服务器的云资源池上，部署不同的功能模块，使核心网组网更加灵活简单。2021年中国移动将基于网络云目标架构，开展4/5G融合核心网、IMS、智能网、信令网等领域云化核心网建设工作，逐步实现4/5G网络融合，力争2025年核心网络功能、容量均实现100%虚拟化的目标，打造全云化、4/5G全融合核心网络。其中2021年内4/5G核心网云化、融合比例超过30%，2023年核心网云化融合比例超过50%，2025年核心网云化融合比例达到100%。

传输网络为4G、5G基站提供回传服务。从传输网角度而言，4G业务目前主要承载于PTN网络，5G业务全国多数省份均采用新建SPN方式独立承载，部分原来承载于PTN网络的5G基站也在2020年开始逐步割接调整至SPN承载。随着4G网络建设渐近尾声，PTN网络的LTE侧集中核心平台设备经过历年的建设、扩容后，设备槽位及端口资源已趋于饱和。面对新建的4/5G融合核心网、云化组网发展趋势，PTN/SPN与融合核心网的互通策略是传输面临的崭新挑战。

2、4/5G融合核心网建设需求

5G SA组网采用端到端的网络架构，从终端、无线新空口到核心网均采用5G标准。采用网络功能虚拟化、软件定义网络、网络切片、边缘计算等新技术来满足5G的多业务场景需求。SA组网按照与现有4G网络的关系分为Option2和Option5方式，其中Option2是 5G和4G网络相互独立，5G与4G的互通在核心网层面实现。Option5是4G基站升级为增强型基站，与5G同时接入5GC。4/5G融合核心网类似于SA网络由Option2向Option5演进。

在2021年集团5G三期核心网建设工程中，基于控制面云化集中，用户面按需下沉的原则，独立规划、分别部署面向2C和2B的4/5G融合核心网。稳步推进4G EPC和5G SA网络在AMF/MME、SMF/SAEGW-C、UPF/SAEGW-U、CHF等网元融合，全部新增网元均采用4/5G融合版本建设，网元储备2/4/5G融合能力。面向核心网4/5G融合组网趋势，在分析传输网承载现状的提前下，明确传输承载演进策略迫在眉睫。

3、现网4G、5G业务传输承载方式比较

现网4G基站均通过PTN回传至4G EPC。5G建设初期，综合考虑到SA产品成熟度、网络部署速度、市场先发等因素，中国移动采用5G NSA（Option 3x）技术作为5G过渡阶段组网方案，将4G EPC设备通过软件升级后与5G共用。NSA模式下，5G基站通过PTN回传控制面及少量用户面数据，通过SPN回传用户面数据，最终接入4G EPC。5G SA阶段实行端到端独立组网，5G基站控制面、用户面数据均通过SPN网络回传至5GC。

3.1  4G业务承载

4G采用端到端组网方式，从无线网至核心网均采用4G标准，基站回传全程通过PTN完成。4G UE通过无线空口接入LTE基站，基站BBU接入PTN接入层，经PTN汇聚环、核心层L2/L3桥接设备调度后，在核心层L3设备落地终结，进入核心网EPC设备。

3.2  5G业务承载

5G一期采用NSA方式组网，5G二期开始使用SA方式独立组网。

NSA模式下利用4G无线网及核心网进行5G网络部署。基于NSA Option3x架构的5G基站主要承载用户面数据，其控制面信令仍通过4G网络传输，相当于在4G网络上进行载波容量扩容。

无线接入层面，NSA组网利用双连接技术，5G NSA终端同时接入4/5G两个无线基站，其中4G基站是主基站，作为用户终端接入网络的锚点，提供终端接入所需的信令控制，并可用于少量用户面数据转发；5G基站作为辅基站，在主基站的控制下，为用户终端提供额外的用户面数据转发能力。

核心网接入层面，NSA模式下，5G与4G共用EPC，对于传统专用硬件方式的4G核心网SAEGW设备，例如传统网元诺基亚、爱立信核心网SAEGW的S1-U端口均用于互联PTN核心层，接入4G终端用户面流量，已无剩余S1-U端口，不满足面向SPN直连的需求。5G基站用户面数据通过SPN接入，在核心层落地设备终结后，无法直达核心网EPC，这种情况下，NSA组网的5G用户面数据需借助PTN中转接入核心网EPC设备。

后续NFV一期建设的4G核心网设备，均采用虚拟云化组网方式，在互联PTN满足4G用户接入需求的同时，同步连接至SPN核心层，可用于5G NSA基站接入，4/5G用户可同时附着。

5G SA阶段采用端到端组网方式，无线基站、核心网均采用5G独立标准。核心网控制面云化建设，部署在八个大区，核心网用户面UPF按需下沉至各省。5G业务多数通过SPN端到端承载。5G基站接入SPN后，控制面及用户面数据统一经SPN汇聚层、核心层设备调度，在落地设备进行终结后，其中用户面数据接入本地用户面UPF，控制面数据经IP承载网接入大区核心网控制面。

4、4/5G融合核心网对传输承载的挑战

根据集团网络部最新下发云化核心网建设指导意见，5G三期SA核心网新增网元，均采用4/5G融合版本建设。其中核心网与无线网之间的参考点接口（N1/N2/N3），须通过传输承载，其中N3接口以100G速率为主。

对于5G回传，SPN作为新建网络，集中核心平台落地设备面向新建的4/5G融合核心网设备，具备充足的槽位及端口能力，可满足N3接口100G速率互联需求。

对于4G回传，PTN网络集中核心平台采用L2/L3桥接+L3落地方式建设。其中L2/L3桥接设备用于收敛汇聚层LTE业务，并进行L2层隧道业务终结，剥离出L3层数据。受限于L2/L3桥接设备OAM管理能力，每对桥接设备可满足约2000~3600个LTE基站的接入，全网LTE建设规模庞大，以至于PTN核心层L2/L3桥接设备众多，相应对L3落地设备NNI侧槽位及端口消耗众多。同时，L3落地设备作为PTN网络边缘网元，需以UNI接口方式，与传统独立设备核心网EPC、NFV云化核心网EPC互连。5G NSA阶段，PTN核心层还需与SPN核心层在落地设备侧互通，以上NNI侧、UNI侧连接需求，大大消耗PTN核心层L3落地设备槽位及端口资源，使得L3落地设备槽位和端口利用均趋于100%。

鉴于上述原因，PTN核心层L3落地设备无冗余槽位资源扩容100G板卡，不满足4/5G融合核心网N3接口互联需求。进而承载于PTN网络的4G基站，无法以端到端PTN承载方式接入4/5G融合核心网设备，这是传输网络面临的一大难题。对于个别城域PTN轻载设备，核心层仍具备扩容能力，在综合评估设备交换容量的前提下，可以优先通过100G板卡扩容，直连融合核心网。这是较为理想的承载解决方式，在此不再赘述。

5、传输网解决思路探讨

4G业务承载于PTN网络，PTN不具备直连4/5G融合核心网设备的槽位及端口资源，传输网针对这一问题有以下解决思路：

（1）   思路一：4G业务割接至SPN承载，通过SPN接入融合核心网；

（2）   思路二：4G业务通过SPN中转接入融合核心网；

5.1  4G业务统一割接至SPN承载

按思路一将4G基站全部割接至SPN，4/5G基站在SPN上业务路径组织相同，4G回传与5G回传统一由SPN以L3方式承载，在集中核心层落地接入4/5G融合核心网。

该方式承载思路清晰，但4G从PTN割接至SPN承载也存在极大的困难。PTN承载4G原来通过采用DRAN小集中方式建设，以华东地区特大城市为例，经过4G一期至八期工程建设，累计建设4G逻辑站点数约50000个，配套传输PTN二平面接入层设备15000套，平均每套PTN设备接入4G基站约3.5个。SPN承载5G采用CRAN大集中方式建设，截至5G二期工程累计建设5G基站15000个，配套SPN设备约7000套。在CRAN大集中建设意见指导下，SPN接入层设备面向基站侧建设增长有限，整体传输接入层规模一定远小于PTN。在4G业务全部割接至SPN承载的过程中，将会产生以下问题：

（1）   SPN接入层设备单套带站数大大增加：原5G CRAN建设指导意见下，单套SPN设备拉远接入5G基站数在10~15个。4G割接至SPN后，考虑4G基站数量是5G基站数的2~3倍，割接后SPN设备拉远接入4G基站数约需20~30个。SPN单套接入层设备带站总数过多，在单节点故障情形下，业务影响面大。

（2）   接入层设备槽位端口及管线资源消耗严重：上述4/5G基站BBU设备接入SPN均需消耗SPN侧槽位及端口资源，增加SPN网络建设投资，造成SPN设备硬件资源利用率高，无法满足后期5G自身扩容需求。大规模4G拉远接入SPN，需占用大量接入层管线资源。

（3）   PTN承载能力浪费：局部地区PTN采用分平面承载方式，其中4G专用平面汇聚层采用100G速率组网，接入层采用10G速率组网，4G业务统一割接至SPN后，将造成PTN资源的闲置浪费。

（4）   4G业务割接周期长，影响面大：4G作为目前中国移动主营业务，承载全网移动用户约80%以上的流量，全网4G业务的割接调整周期长，将极大影响网络质量及4G用户体验。

5.2  4G业务通过SPN中转接入融合核心网

自5G二期SA核心网建设以来，伴随5G用户逐步向SA终端演进，原过渡阶段NSA组网方式下，PTN至SPN核心层落地之间的中转带宽利用率逐渐降低。该段中转连接带宽可用于4G业务经PTN回传至核心层节点后，横向路由至SPN网络，经SPN中转接入新建的4/5G融合核心网设备。

该方式下主要面临的问题在于当前PTN与SPN中转带宽不足，无法一步到位满足全量4G基站用户通过该方式路由至4/5G融合核心网设备的需求。且根据前述分析，PTN侧不具备冗余槽位及端口资源用于面向全量业务的连接带宽扩容。该思路下，需要结合传统EPC设备4G流量分流后，通过传统EPC设备退网，逐步释放原S1-U侧PTN连接端口，使PTN端口调头连接至SPN。这部分连接可利旧前期PTN剩余10G端口资源，不用对PTN设备进行槽位规整。

5.2  解决思路比较

对于以上传输网解决思路一与思路二，对比分析如下：

表1  面向4/5G融合核心网的4G业务传输承载思路对比

解决思路	优点	缺点
思路一：4G割接至SPN承载	1、4/5G统一承载于SPN，业务承载清晰；   2、简化4/5G融合核心层侧N3对接；   3、有利于简化传输网络，促进PTN与SPN网络融合，促进五网到三网融合精简。	1、单套SPN接入基站数多，设备压力大，故障影响面大；   2、接入层设备槽位端口、接入层管线资源消耗多；   3、PTN承载能力闲置，浪费投资；   4、4G业务割接周期长，影响面大
思路二：4G经SPN核心层中转接入融合核心网	1、4G业务保留于PTN承载，避免业务割接；   2、简化融合核心网侧N3接口连接，减少分光汇聚、安全三同步配套设备建设；	1、当前PTN至SPN横向连接带宽不足，无法满足全量4G业务迁移；   2、需结合4G业务逐步分流，分步通过端口调头完成PTN核心层想SPN核心层扩容。

综合上述方案对比，思路一与思路二各有优缺点，传输需结合各城域网实际情况，权衡利弊，统筹选择适合的演进思路。

6、传输承载策略建议

为应对4/5G融合核心网带来的挑战，对于PTN核心层不具备冗余资源新建至融合核心网连接的省份，各省城域PTN/SPN网络可结合自身组网特点，综合评估前述解决思路一及思路二，分步完成现网改造，本文仅提供参考分步实施方案如下：

（1）第一步：利用现网PTN至SPN横向连接，将部分4G基站通过SPN中转接入至融合UPF，降低传统EPC设备4G业务负载；

（2）第二步：结合4/5G共址情况，对共址站利旧现有接入层管线、无源波分等资源，完成部分LTE业务从4G核心网EPC分流至4/5G融合核心网；

（3）第三步：通过前两步工作，结合实施后的4G核心网EPC业务分流降负情况，释放PTN核心层至EPC侧UNI端口，结合各省实际情况，可选择利旧原10G速率UNI接口调头连接至SPN，扩容PTN与SPN间横向连接带宽；或通过设备板卡、端口规整，释放PTN侧设备槽位，用以扩容100G板卡，用于直连4/5融合核心网，实现融合核心网下的4G业务端到端承载。

7、结束语

鉴于4G目前仍然是移动主营业务收入来源，大规模4G业务割接调整至SPN承载的时机尚不成熟。面对4/5G核心网融合带来的挑战，传输网应积极应对，在充分利旧PTN、SPN承载能力的基础上，结合4/5G核心网云化、融合逐年实现的比例，适量推进4G基站向SPN的割接，加快传统EPC设备分流退网。随着5G终端推广使用，4G业务流量自然下降，当4/5G流量出现交叉点，5G流量超过4G流量时，方可考虑规模进行4G业务的整体割接工作。长远来看，受限于SPN的CRAN组网方式，4G业务可能无法全量割接至SPN，PTN与SPN将长期共存，需结合最新滚动规划中传输五网变三网的要求，提前考虑传输PTN与SPN的融合组网策略。