6G無線側相關新承載和新傳輸?shù)脑妇靶枨蠓治?/h1>
2021-07-19 11:11:52李志軍
信息通信技術 2021年3期
牟 林 楊 立 李志軍 謝 峰
1 中興通訊股份有限公司 深圳 518057
2 移動網(wǎng)絡和移動多媒體技術國家重點實驗室 深圳 518057
1 6G之前RAN承載技術背景
對于任何一種移動通信系統(tǒng)，如何穩(wěn)健高效地去承載和傳輸各類通信數(shù)據(jù)，是最基本的問題。無線接入網(wǎng)(Radio Access Network，RAN)的角色在移動系統(tǒng)無線網(wǎng)絡側承上啟下，一方面它面向信道環(huán)境動態(tài)變化的無線空口Air Interface，另外一方面它也面向移動通信網(wǎng)內部的其它各種網(wǎng)元節(jié)點，如相鄰基站、網(wǎng)關和核心網(wǎng)等。
在空口側，第三代合作伙伴項目(3rd Generation Partner Project，3GPP)標準化組織所制定的國際移動電信IMT-2000/Advanced/2020系統(tǒng)定義的無線承載(Radio Bearer，RB)機制和它相關的空口協(xié)議棧架構，已較成熟地廣泛適用于各種無線信道特征，例如：抗傳播衰減、無線衰落、干擾和多徑效應等。在空口，即使RAN基站上下行收發(fā)的仍然是IP數(shù)據(jù)包，但它并不存在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(Data Network，DN)中經(jīng)典的路由和傳輸問題，因為無線空口接入段都是在基站的調度和強控制之下，解決的只是點對點的無線鏈路級問題。在RAN網(wǎng)絡內部(過去通?；谟芯€Wireline承載和傳輸方式)，任何網(wǎng)元節(jié)點之間(包括各種后程Backhaul，中程Midhaul，前程Fronthaul)接口的控制面和用戶面(也稱為轉發(fā)面)的技術體系和相關協(xié)議棧架構，早已都建立在全IP承載[1-2]基礎之上。它們和無線空口側相對隔離和解耦，并保持著獨立的設計和演進。在RAN網(wǎng)絡內部，存在著數(shù)據(jù)網(wǎng)絡DN中的路由和傳輸問題，因為RAN后程/中程/前程各段鏈路都建立在全IP網(wǎng)絡之上。
6G之前的各種無線接入網(wǎng)內承載(如eNB之間，gNB之間)最終都歸于使用全IP(戰(zhàn)勝了X.25、FR、ATM等承載技術)，主要得益于當年IP技術的精簡成熟，和背后強大的產(chǎn)業(yè)支撐力量。截至今日，也沒能出現(xiàn)哪種新承載技術能替代IP，而各種演進增強的變種，都是在IP框架內迭代進行，因此高速路由器一直都是電信承載網(wǎng)中的關鍵設備。
2 6G之前RAN傳輸技術背景
傳輸(Transport)是承載(Bearer)上一層的網(wǎng)絡功能，它負責監(jiān)督和控制網(wǎng)絡鏈路上數(shù)據(jù)交換的性能和工作狀態(tài)等。5G NG-RAN相比4G LTE，無線接入網(wǎng)NG-RAN內的承載傳輸架構和相關協(xié)議棧并沒本質的變化。5G無線接入網(wǎng)NG和Xn接口所使用的協(xié)議棧，如圖1所示。
圖1 5G NG和Xn網(wǎng)絡接口的控制面和用戶面協(xié)議棧
在控制面協(xié)議方面，5G NG-RAN和4G LTE一樣，繼續(xù)使用了SCTP(Steam Control Transmission Protocol)傳輸協(xié)議[3]，它可用于5G NG接口(基站和核心網(wǎng)之間)，Xn接口(相鄰基站之間)，F(xiàn)1接口(gNB-CU和gNB-DU之間)，E1接口(gNB-CU-CP和gNB-CU-UP之間)。除了AP應用層協(xié)議的差別，上述各個RAN主要接口的控制面協(xié)議棧也基本一致。在用戶面協(xié)議方面，5G NG-RAN也和4G LTE一樣，繼續(xù)使用了UDP/GTPU(GPRS Tunnel Protocol User Plane)傳輸協(xié)議[4]，它可用于5G NG、Xn、F1等RAN主要接口上的用戶面。上述各個接口的用戶面協(xié)議棧也基本一致[5]，但和4G LTE中GTP-U有較大不同的是：5G對GTP-U協(xié)議頭進一步進行了有限擴展，以適應5G系統(tǒng)新業(yè)務服務流架構的特殊需求。由于5G NG-RAN所使用的控制面協(xié)議、用戶面協(xié)議，在承載傳輸方面和4G LTE使用的基本相同，因此4G傳輸網(wǎng)(Transport Network Layer，TNL)資源可以被5G網(wǎng)絡所重用，這對移動運營商的網(wǎng)絡資產(chǎn)保護非常有利。
SCTP是IETF組織定義規(guī)范的信令傳輸協(xié)議，最初應用于7號信令網(wǎng)系統(tǒng)，由于其針對信令傳輸?shù)奶厥庠O計，一直在后來的電信網(wǎng)絡中被延續(xù)使用。SCTP傳輸協(xié)議的特點是：提供多宿主連接、路徑選擇、耦連狀態(tài)告知、流控和擁塞機制，用作高可靠魯棒的信令傳輸。5G NG-RAN相比4G LTE，為了增強控制面信令傳輸?shù)摹巴ǖ缼挕焙汀棒敯粜浴?，采用了Multiple-SCTP的增強機制，即通過配置多條SCTP耦連給不同的用戶或信令傳輸目的，保證了信令傳輸?shù)膶崟r性和魯棒性。在SCTP協(xié)議之上，還可疊加配置DTLS(Datagram Transport Layer Security)協(xié)議[6]，以提供更好的傳輸安全性。在5G NG-RAN內，所有控制面信令連接都使用SCTP傳輸，當前SCTP連接暫時只支持“點對點應用消息傳輸”(即point-to-point transmission for delivering AP message)，因此信令交互的鏈路必須是點對點的，即只能從一個網(wǎng)元節(jié)點到另外一個網(wǎng)元節(jié)點，這難以適應未來6G RAN潛在被IT化和云化的特征。相比而言，在核心網(wǎng)側，為了更好地適應于IT化和云化，5GC核心網(wǎng)率先采用基于服務化架構(Service Based Architecture，SBA)，并使用了TCP/TLS/HTTP2的新傳輸協(xié)議棧[7]。由于TCP/TLS/HTTP2協(xié)議組合的缺點，IETF標準化組織目前正在研究QUIC(Quick UDP Internet Connection)協(xié)議，用來在未來替代TCP，作為HTTP協(xié)議的傳輸層協(xié)議。QUIC基于UDP傳輸，但同時融合包括TCP、TLS、HTTP2等協(xié)議特性，可很好地解決當今傳輸層和應用層面臨的各種新需求，并能提供更多的連接能力、更好的安全性和低延遲等優(yōu)點。未來隨著QUIC協(xié)議進一步成熟，可預期HTTP將逐步被構建在QUIC傳輸之上，所以將來的6G核心網(wǎng)也傾向采用UDP/QUIC/HTTP3的新傳輸協(xié)議棧。
GTP-U是3GPP早期定義的用戶面?zhèn)鬏攨f(xié)議，最初用在GPRS網(wǎng)絡節(jié)點間用戶面數(shù)據(jù)包User Packet的傳輸，并在后來的3G/4G/5G移動系統(tǒng)中一直被延續(xù)使用。GTP-U傳輸協(xié)議的特點是：在同一IP端到端連接上，構建點對點的隧道封裝傳輸協(xié)議，提供多路傳輸復用、路徑管理(GTP-U自己還有“帶內控制消息”用于隧道Path管理)等能力。GTP-U隧道傳輸協(xié)議從2.5G GPRS系統(tǒng)開始被運用，在傳統(tǒng)蜂窩非云化的電信網(wǎng)絡中非常經(jīng)典。GTP-U協(xié)議一直由3GPP控制主導，可按需不斷地進行內容擴展，但也難以適應未來的云化網(wǎng)絡特征。如表1所示，GTP-U定義了基本的包頭封裝GTP-U Header格式，隨著后續(xù)各種網(wǎng)絡接口用戶面新功能和新需求的引入，又陸續(xù)定義了多種不同內容的GTP-U Extension Header，基本結構如表2所示。
表1 GTP-U Header的格式定義
表2 GTP-U Extension Header的格式定義
NOTE 0: (＊)This bit is a spare bit.It shall be sent as'0'.The receiver shall not evaluate this bit.
NOTE 1: 1)This field shall only be evaluated when indicated by the S flag set to 1.
NOTE 2: 2)This field shall only be evaluated when indicated by the PN flag set to 1.
NOTE 3: 3)This field shall only be evaluated when indicated by the E flag set to 1.
NOTE 4: 4)This field shall be present if and only if any one or more of the S,PN and E flags are set.
GTP-U是當年3GPP CT4組和3GPP RAN3組聯(lián)合制定的，具體地：CT4在TS29.281[4]中定義了GTP-U幀的數(shù)據(jù)包封裝格式、以及RAN3所要使用的容器Container格式，而RAN3在TS36.425、TS38.425、TS38.415等用戶面協(xié)議中規(guī)范了各個用戶面容器Container的具體內容和行為操作。GTP-U傳輸協(xié)議本身是緊密綁定在3GPP相關協(xié)議之上的，因此只能應用在3GPP電信網(wǎng)絡中。在5G技術早期研究中，某些移動運營商希望引入SRv6(Segment Routing IPv6)協(xié)議[8-9]，來實現(xiàn)用戶面業(yè)務數(shù)據(jù)包更靈活的傳輸，SRv6能在非點對點的云化鏈路環(huán)境下實現(xiàn)更好的傳輸性能。SRv6是一種基于標記的分段路由協(xié)議，基于增強IPv6，在IPv6數(shù)據(jù)包頭記載了路由標簽信息，也記錄了多跳傳輸路徑等。由于SRv6新協(xié)議對路由器芯片和硬件都有特殊要求，且對整個承載和傳輸網(wǎng)絡的改造升級影響較大，需做大量的硬軟件升級，CT4最終在5G階段摒棄了SRv6。從目前看，由于GTP-U傳輸協(xié)議在3GPP網(wǎng)絡中應用得很廣且很深(現(xiàn)網(wǎng)中2/3/4/5G都還在用)，除了幀包頭攜帶越來越多控制信息而導致信令Overhead之外，還沒有大的技術缺陷，因此目前還沒有哪個傳輸協(xié)議能挑戰(zhàn)GTP-U的霸主地位，后續(xù)它很大概率還會被繼續(xù)地豐富和擴充內容。如果未來6G RAN存在新的架構和部署需求，例如：將部分RAN節(jié)點的用戶面實體搬遷到云上，則會使用類似SRv6的用戶面?zhèn)鬏攨f(xié)議，以適配部分RAN實體功能模塊被IT化和云化的特征。
3 面向6G RAN新承載和新傳輸潛在需求
面向未來6G RAN，新承載和新傳輸潛在需求的促因主要有兩點：一是來自6G RAN的潛在新架構，二是來自6G新業(yè)務應用。
首先，在6G RAN架構方面，未來6G無線架構可以采用和5G核心網(wǎng)類似的新架構，即共同朝著虛擬化(Virtualization)、云原生化(Cloud-Native)、服務化(Service Based)、去蜂窩簡化[10-12]的方向演變。在5G時代網(wǎng)絡不僅需支持移動超寬帶，還需同時對物聯(lián)網(wǎng)、低時延高可靠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新型業(yè)務支持，因此運營商希望能將網(wǎng)絡功能分解成許多個基礎功能和基礎服務，通過不同的場景業(yè)務模板，實現(xiàn)不同功能和服務的靈活組合和編排裝配，以應對各類不同場景業(yè)務的需求。另外隨著移動系統(tǒng)越來越復雜，對網(wǎng)絡彈性和低成本的需求也越來越高，而傳統(tǒng)基于專有硬件實現(xiàn)方式在設備成本和靈活彈性調整方面，都難以滿足新的部署需求，運營商希望能使用更廉價的通用硬件去替代專有硬件，通過分布式資源集群化的管理，提高設備和資源的利用率、部署靈活性和啟用算力，從系統(tǒng)層面降低網(wǎng)絡建造和運維成本。鑒于上述背景需求，在DICT融合發(fā)展背景下，電信網(wǎng)絡可借助于網(wǎng)絡功能虛擬化(Network Function Virtualization，NFV)、云化、服務化等技術，使用更通用類型的高性價比硬件(常規(guī)CPU、GPU、TPU等)來承載實現(xiàn)各種IT軟件化的業(yè)務功能和服務模塊，通過云化部署、集群運維的方式來管理各種設備功能和資源，獲得更高可擴展性、高動態(tài)靈活性，同時進一步降低網(wǎng)絡建造、運維和管理成本，為移動用戶帶來更佳業(yè)務體驗，為運營商帶來新的營收利潤增長契機。同理，未來6G RAN也會將虛擬化、云化、服務化的理念引入到無線架構(至少在空口高層協(xié)議功能方面)的實現(xiàn)中，例如：和已實現(xiàn)的SBA-CN所對位的SBARAN。RAN內各個基帶處理協(xié)議實體和模塊的云化實現(xiàn)，強化了對網(wǎng)絡分布式處理的需求和更高系統(tǒng)內傳輸性能的要求，因此各個分布式網(wǎng)元節(jié)點和協(xié)議實體之間的承載和傳輸能力都必須進一步增強。
SBA-RAN作為RAN云化的重要特征之一，它可將所有6G RAN的功能和服務徹底地解耦和分離，各個功能和服務模塊之間通過類似總線的形式串接起來，形成所謂服務功能鏈(Service Function Chain，SFC)[11-12]。更強大的承載傳輸能力是SFC能夠高效工作的基本保障，否則SBA-RAN相比過去“豎井式高集成”的傳統(tǒng)RAN基站毫無性能優(yōu)勢可言。強大的承載傳輸能力可使得SFC接近過去傳統(tǒng)共站同板集成實現(xiàn)的效果。如果6G RAN未來也采用類似SBA的服務化架構，那么不同RAN控制面功能模塊或協(xié)議實體之間，也傾向采用TCP/TLS/HTTP2或UDP/QUIC/HTTP3新傳輸方式。因此未來6G RAN的新架構對新傳輸有著決定性作用。
其次，在新型業(yè)務應用方面，未來6G網(wǎng)絡中的全息通信、數(shù)字孿生、確定性業(yè)務和分布式算力協(xié)同等業(yè)務[13-14]是6G較有代表性的幾種新業(yè)務。全息通信不僅對傳輸速率有非常高的要求，還要保證低時延和低丟包率。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)測算，當前的承載網(wǎng)容量是不足以提供多路并行的全息通信的。確定性業(yè)務強調業(yè)務數(shù)據(jù)包被端到端投遞的嚴格準時可控，即所謂“嚴格監(jiān)控，說到做到”，這必然對現(xiàn)網(wǎng)的承載傳輸也有相應的升級支持要求。算力協(xié)同業(yè)務強調分布式計算所帶來的大量中間臨時數(shù)據(jù)和智能交互類型數(shù)據(jù)，能以極低的延時和極高可靠性在不同基站節(jié)點之間被傳遞和交互，這也勢必需要更高性能品質的新承載和新傳輸去支持。總之在未來6G時代，當前傳統(tǒng)的老承載和老傳輸方式一定會受到較大的挑戰(zhàn)，不足以滿足6G RAN潛在新架構和新業(yè)務應用的需求。
4 面向6G RAN新承載和新傳輸技術發(fā)展
前面已經(jīng)論述，未來6G RAN的新無線架構和新業(yè)務應用，對新承載和新傳輸都有著決定性的作用。在網(wǎng)絡端到端虛擬化、云化、服務化的趨勢背景下，TCP/TLS/HTTP2或UDP/QUIC/HTTP3新協(xié)議棧，和SRv6都可以成為未來6G RAN的新傳輸技術方式。
相比于傳輸(Transport)，它下層的承載(Bearer)其實更為關鍵。未來B5G、6G RAN對承載網(wǎng)絡的性能新需求，主要體現(xiàn)在傳輸容量帶寬、時延、抖動、分組丟失率等指標方面。4G LTE和5G各自對承載網(wǎng)絡的性能指標要求大致如圖2所示，因此從眼下的5G再到未來的6G，可按照該趨勢做相應比例的倍增考慮。過去分組傳輸網(wǎng)(Packet Transport Network，PTN)承載技術已被廣泛地應用，但由于PTN多項性能指標都不能滿足5G某些新業(yè)務需求，一方面業(yè)界正在繼續(xù)做都市傳輸網(wǎng)(Metro Transport Network，MTN)增強升級，進一步提高接口速率，另一方面以中移動為代表，正在積極牽頭制定更強大的切片分組網(wǎng)(Sliced Packet Network，SPN)新承載技術標準，以更好地適配端到端網(wǎng)絡切片功能[15]。它的核心特征是在SR-TP(Segmented Routing-Transport Profile)轉發(fā)機制中，建立雙向相同路由的端到端承載路徑。
圖2 傳統(tǒng)承載PTN和新承載SPN技術性能指標特點
承載網(wǎng)是底層物理管道，它是更偏硬件的網(wǎng)絡系統(tǒng)，因此承載網(wǎng)的容量帶寬等性能方面的提升擴展，主要依靠硬件的增設和升級，特別是未來高頻毫米波通信及其架構演進[16]，必然帶來更大量Front/Mid/Backhaul承載容量的新需求。例如：從10GE/40GE端口升級到100GE/200GE/400GE(1GE=1Gb/s)，必須增設和升級路由器和光纖等硬件方面。其次新功能的引入也需要升級硬件，例如：去支持SPN承載和SRv6傳輸?shù)?。不同版本能力的承載網(wǎng)物理設備節(jié)點，可長期地共存被聯(lián)合利用，例如：4G現(xiàn)網(wǎng)中十幾年前的承載設備都還在運行服務著。IP路由器轉發(fā)報文處理時延大約在us級別，但一旦擁塞，時延也可達ms級別甚至中間丟包。承載網(wǎng)時延的大頭部分在于物理鏈路的傳輸時延(例如：10km長光纜時延大約為50us)。當下的承載網(wǎng)絡端到端時延一般在<10ms級別，具體情況需根據(jù)物理鏈路距離和跳數(shù)以及業(yè)務負荷情況進行綜合評估?；诋斍癈CSA TC3下工作組的研討活動狀態(tài)，面向未來6G網(wǎng)絡，承載網(wǎng)新功能的需求大致如下：
1)客戶/業(yè)務體驗保障能力(確定性網(wǎng)絡DetNet)；
2)時延傳輸控制能力(不僅及時，還要能準時)；
3)海量連接管控能力(支持異構跨域的各種終端，全球泛在可達)；
4)網(wǎng)絡狀態(tài)感知能力(支持“感知流”)；
5)網(wǎng)絡人工智能能力(支持“智能流”)；
6)用戶可定義 (可編程，動態(tài)靈活部署)。
總體上看，只要承載網(wǎng)硬件資源配備得十分充足且功能升級到位，承載網(wǎng)其實不容易成為未來6G移動系統(tǒng)追求極致通信性能的技術瓶頸或障礙，它比無線空口接入段性能的提升相對更容易被實現(xiàn)，因此這塊可保持相對樂觀。
5 總結和展望
總體上，面向未來6G RAN潛在的新無線架構和新業(yè)務能力，新承載和新傳輸相關技術演進的趨勢還是比較清晰的，即：全力配合6G RAN朝著云化、服務化和IT化的方向演進，這些趨勢和6G核心網(wǎng)側特點有高度的對齊和融合；TCP/TLS/HTTP2或UDP/QUIC/HTTP3新協(xié)議棧，和SRv6都可以成為未來6G RAN的新傳輸技術方式。業(yè)界已開始充分地為B5G和6G“全息通信”“數(shù)字孿生”“算力網(wǎng)絡”和“云網(wǎng)一體”等重要新應用和部署場景[17]，做好了在承載和傳輸方面的新技術使能和資源預備，因此它們應能充分滿足未來6G RAN對承載和傳輸方面更高條件和性能的需求。隨著移動通信系統(tǒng)端到端IT化和云化的深入應用實踐，不斷增進6G無線接入網(wǎng)和6G核心網(wǎng)，在承載和傳輸機制方面的對齊融合和標準統(tǒng)一，有利于簡化未來IP&TNL網(wǎng)絡的部署運維提升效率，有利于增強它們的資源利用率和IP&TNL設備資產(chǎn)的壽命周期價值。持續(xù)增強提升各種新承載和新傳輸技術的應用成熟度，不斷地降低其物理成本，反過來也必將能積極促進6G RAN的SBA云化、服務化和IT化架構被標準化成型和6G新移動業(yè)務順利地商用落地。
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在空口側，第三代合作伙伴項目(3rd Generation Partner Project，3GPP)標準化組織所制定的國際移動電信IMT-2000/Advanced/2020系統(tǒng)定義的無線承載(Radio Bearer，RB)機制和它相關的空口協(xié)議棧架構，已較成熟地廣泛適用于各種無線信道特征，例如：抗傳播衰減、無線衰落、干擾和多徑效應等。在空口，即使RAN基站上下行收發(fā)的仍然是IP數(shù)據(jù)包，但它并不存在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(Data Network，DN)中經(jīng)典的路由和傳輸問題，因為無線空口接入段都是在基站的調度和強控制之下，解決的只是點對點的無線鏈路級問題。在RAN網(wǎng)絡內部(過去通?；谟芯€Wireline承載和傳輸方式)，任何網(wǎng)元節(jié)點之間(包括各種后程Backhaul，中程Midhaul，前程Fronthaul)接口的控制面和用戶面(也稱為轉發(fā)面)的技術體系和相關協(xié)議棧架構，早已都建立在全IP承載[1-2]基礎之上。它們和無線空口側相對隔離和解耦，并保持著獨立的設計和演進。在RAN網(wǎng)絡內部，存在著數(shù)據(jù)網(wǎng)絡DN中的路由和傳輸問題，因為RAN后程/中程/前程各段鏈路都建立在全IP網(wǎng)絡之上。
6G之前的各種無線接入網(wǎng)內承載(如eNB之間，gNB之間)最終都歸于使用全IP(戰(zhàn)勝了X.25、FR、ATM等承載技術)，主要得益于當年IP技術的精簡成熟，和背后強大的產(chǎn)業(yè)支撐力量。截至今日，也沒能出現(xiàn)哪種新承載技術能替代IP，而各種演進增強的變種，都是在IP框架內迭代進行，因此高速路由器一直都是電信承載網(wǎng)中的關鍵設備。
2 6G之前RAN傳輸技術背景
傳輸(Transport)是承載(Bearer)上一層的網(wǎng)絡功能，它負責監(jiān)督和控制網(wǎng)絡鏈路上數(shù)據(jù)交換的性能和工作狀態(tài)等。5G NG-RAN相比4G LTE，無線接入網(wǎng)NG-RAN內的承載傳輸架構和相關協(xié)議棧并沒本質的變化。5G無線接入網(wǎng)NG和Xn接口所使用的協(xié)議棧，如圖1所示。
圖1 5G NG和Xn網(wǎng)絡接口的控制面和用戶面協(xié)議棧
在控制面協(xié)議方面，5G NG-RAN和4G LTE一樣，繼續(xù)使用了SCTP(Steam Control Transmission Protocol)傳輸協(xié)議[3]，它可用于5G NG接口(基站和核心網(wǎng)之間)，Xn接口(相鄰基站之間)，F(xiàn)1接口(gNB-CU和gNB-DU之間)，E1接口(gNB-CU-CP和gNB-CU-UP之間)。除了AP應用層協(xié)議的差別，上述各個RAN主要接口的控制面協(xié)議棧也基本一致。在用戶面協(xié)議方面，5G NG-RAN也和4G LTE一樣，繼續(xù)使用了UDP/GTPU(GPRS Tunnel Protocol User Plane)傳輸協(xié)議[4]，它可用于5G NG、Xn、F1等RAN主要接口上的用戶面。上述各個接口的用戶面協(xié)議棧也基本一致[5]，但和4G LTE中GTP-U有較大不同的是：5G對GTP-U協(xié)議頭進一步進行了有限擴展，以適應5G系統(tǒng)新業(yè)務服務流架構的特殊需求。由于5G NG-RAN所使用的控制面協(xié)議、用戶面協(xié)議，在承載傳輸方面和4G LTE使用的基本相同，因此4G傳輸網(wǎng)(Transport Network Layer，TNL)資源可以被5G網(wǎng)絡所重用，這對移動運營商的網(wǎng)絡資產(chǎn)保護非常有利。
SCTP是IETF組織定義規(guī)范的信令傳輸協(xié)議，最初應用于7號信令網(wǎng)系統(tǒng)，由于其針對信令傳輸?shù)奶厥庠O計，一直在后來的電信網(wǎng)絡中被延續(xù)使用。SCTP傳輸協(xié)議的特點是：提供多宿主連接、路徑選擇、耦連狀態(tài)告知、流控和擁塞機制，用作高可靠魯棒的信令傳輸。5G NG-RAN相比4G LTE，為了增強控制面信令傳輸?shù)摹巴ǖ缼挕焙汀棒敯粜浴?，采用了Multiple-SCTP的增強機制，即通過配置多條SCTP耦連給不同的用戶或信令傳輸目的，保證了信令傳輸?shù)膶崟r性和魯棒性。在SCTP協(xié)議之上，還可疊加配置DTLS(Datagram Transport Layer Security)協(xié)議[6]，以提供更好的傳輸安全性。在5G NG-RAN內，所有控制面信令連接都使用SCTP傳輸，當前SCTP連接暫時只支持“點對點應用消息傳輸”(即point-to-point transmission for delivering AP message)，因此信令交互的鏈路必須是點對點的，即只能從一個網(wǎng)元節(jié)點到另外一個網(wǎng)元節(jié)點，這難以適應未來6G RAN潛在被IT化和云化的特征。相比而言，在核心網(wǎng)側，為了更好地適應于IT化和云化，5GC核心網(wǎng)率先采用基于服務化架構(Service Based Architecture，SBA)，并使用了TCP/TLS/HTTP2的新傳輸協(xié)議棧[7]。由于TCP/TLS/HTTP2協(xié)議組合的缺點，IETF標準化組織目前正在研究QUIC(Quick UDP Internet Connection)協(xié)議，用來在未來替代TCP，作為HTTP協(xié)議的傳輸層協(xié)議。QUIC基于UDP傳輸，但同時融合包括TCP、TLS、HTTP2等協(xié)議特性，可很好地解決當今傳輸層和應用層面臨的各種新需求，并能提供更多的連接能力、更好的安全性和低延遲等優(yōu)點。未來隨著QUIC協(xié)議進一步成熟，可預期HTTP將逐步被構建在QUIC傳輸之上，所以將來的6G核心網(wǎng)也傾向采用UDP/QUIC/HTTP3的新傳輸協(xié)議棧。
GTP-U是3GPP早期定義的用戶面?zhèn)鬏攨f(xié)議，最初用在GPRS網(wǎng)絡節(jié)點間用戶面數(shù)據(jù)包User Packet的傳輸，并在后來的3G/4G/5G移動系統(tǒng)中一直被延續(xù)使用。GTP-U傳輸協(xié)議的特點是：在同一IP端到端連接上，構建點對點的隧道封裝傳輸協(xié)議，提供多路傳輸復用、路徑管理(GTP-U自己還有“帶內控制消息”用于隧道Path管理)等能力。GTP-U隧道傳輸協(xié)議從2.5G GPRS系統(tǒng)開始被運用，在傳統(tǒng)蜂窩非云化的電信網(wǎng)絡中非常經(jīng)典。GTP-U協(xié)議一直由3GPP控制主導，可按需不斷地進行內容擴展，但也難以適應未來的云化網(wǎng)絡特征。如表1所示，GTP-U定義了基本的包頭封裝GTP-U Header格式，隨著后續(xù)各種網(wǎng)絡接口用戶面新功能和新需求的引入，又陸續(xù)定義了多種不同內容的GTP-U Extension Header，基本結構如表2所示。
表1 GTP-U Header的格式定義
表2 GTP-U Extension Header的格式定義
NOTE 0: (＊)This bit is a spare bit.It shall be sent as'0'.The receiver shall not evaluate this bit.
NOTE 1: 1)This field shall only be evaluated when indicated by the S flag set to 1.
NOTE 2: 2)This field shall only be evaluated when indicated by the PN flag set to 1.
NOTE 3: 3)This field shall only be evaluated when indicated by the E flag set to 1.
NOTE 4: 4)This field shall be present if and only if any one or more of the S,PN and E flags are set.
GTP-U是當年3GPP CT4組和3GPP RAN3組聯(lián)合制定的，具體地：CT4在TS29.281[4]中定義了GTP-U幀的數(shù)據(jù)包封裝格式、以及RAN3所要使用的容器Container格式，而RAN3在TS36.425、TS38.425、TS38.415等用戶面協(xié)議中規(guī)范了各個用戶面容器Container的具體內容和行為操作。GTP-U傳輸協(xié)議本身是緊密綁定在3GPP相關協(xié)議之上的，因此只能應用在3GPP電信網(wǎng)絡中。在5G技術早期研究中，某些移動運營商希望引入SRv6(Segment Routing IPv6)協(xié)議[8-9]，來實現(xiàn)用戶面業(yè)務數(shù)據(jù)包更靈活的傳輸，SRv6能在非點對點的云化鏈路環(huán)境下實現(xiàn)更好的傳輸性能。SRv6是一種基于標記的分段路由協(xié)議，基于增強IPv6，在IPv6數(shù)據(jù)包頭記載了路由標簽信息，也記錄了多跳傳輸路徑等。由于SRv6新協(xié)議對路由器芯片和硬件都有特殊要求，且對整個承載和傳輸網(wǎng)絡的改造升級影響較大，需做大量的硬軟件升級，CT4最終在5G階段摒棄了SRv6。從目前看，由于GTP-U傳輸協(xié)議在3GPP網(wǎng)絡中應用得很廣且很深(現(xiàn)網(wǎng)中2/3/4/5G都還在用)，除了幀包頭攜帶越來越多控制信息而導致信令Overhead之外，還沒有大的技術缺陷，因此目前還沒有哪個傳輸協(xié)議能挑戰(zhàn)GTP-U的霸主地位，后續(xù)它很大概率還會被繼續(xù)地豐富和擴充內容。如果未來6G RAN存在新的架構和部署需求，例如：將部分RAN節(jié)點的用戶面實體搬遷到云上，則會使用類似SRv6的用戶面?zhèn)鬏攨f(xié)議，以適配部分RAN實體功能模塊被IT化和云化的特征。
3 面向6G RAN新承載和新傳輸潛在需求
面向未來6G RAN，新承載和新傳輸潛在需求的促因主要有兩點：一是來自6G RAN的潛在新架構，二是來自6G新業(yè)務應用。
首先，在6G RAN架構方面，未來6G無線架構可以采用和5G核心網(wǎng)類似的新架構，即共同朝著虛擬化(Virtualization)、云原生化(Cloud-Native)、服務化(Service Based)、去蜂窩簡化[10-12]的方向演變。在5G時代網(wǎng)絡不僅需支持移動超寬帶，還需同時對物聯(lián)網(wǎng)、低時延高可靠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新型業(yè)務支持，因此運營商希望能將網(wǎng)絡功能分解成許多個基礎功能和基礎服務，通過不同的場景業(yè)務模板，實現(xiàn)不同功能和服務的靈活組合和編排裝配，以應對各類不同場景業(yè)務的需求。另外隨著移動系統(tǒng)越來越復雜，對網(wǎng)絡彈性和低成本的需求也越來越高，而傳統(tǒng)基于專有硬件實現(xiàn)方式在設備成本和靈活彈性調整方面，都難以滿足新的部署需求，運營商希望能使用更廉價的通用硬件去替代專有硬件，通過分布式資源集群化的管理，提高設備和資源的利用率、部署靈活性和啟用算力，從系統(tǒng)層面降低網(wǎng)絡建造和運維成本。鑒于上述背景需求，在DICT融合發(fā)展背景下，電信網(wǎng)絡可借助于網(wǎng)絡功能虛擬化(Network Function Virtualization，NFV)、云化、服務化等技術，使用更通用類型的高性價比硬件(常規(guī)CPU、GPU、TPU等)來承載實現(xiàn)各種IT軟件化的業(yè)務功能和服務模塊，通過云化部署、集群運維的方式來管理各種設備功能和資源，獲得更高可擴展性、高動態(tài)靈活性，同時進一步降低網(wǎng)絡建造、運維和管理成本，為移動用戶帶來更佳業(yè)務體驗，為運營商帶來新的營收利潤增長契機。同理，未來6G RAN也會將虛擬化、云化、服務化的理念引入到無線架構(至少在空口高層協(xié)議功能方面)的實現(xiàn)中，例如：和已實現(xiàn)的SBA-CN所對位的SBARAN。RAN內各個基帶處理協(xié)議實體和模塊的云化實現(xiàn)，強化了對網(wǎng)絡分布式處理的需求和更高系統(tǒng)內傳輸性能的要求，因此各個分布式網(wǎng)元節(jié)點和協(xié)議實體之間的承載和傳輸能力都必須進一步增強。
SBA-RAN作為RAN云化的重要特征之一，它可將所有6G RAN的功能和服務徹底地解耦和分離，各個功能和服務模塊之間通過類似總線的形式串接起來，形成所謂服務功能鏈(Service Function Chain，SFC)[11-12]。更強大的承載傳輸能力是SFC能夠高效工作的基本保障，否則SBA-RAN相比過去“豎井式高集成”的傳統(tǒng)RAN基站毫無性能優(yōu)勢可言。強大的承載傳輸能力可使得SFC接近過去傳統(tǒng)共站同板集成實現(xiàn)的效果。如果6G RAN未來也采用類似SBA的服務化架構，那么不同RAN控制面功能模塊或協(xié)議實體之間，也傾向采用TCP/TLS/HTTP2或UDP/QUIC/HTTP3新傳輸方式。因此未來6G RAN的新架構對新傳輸有著決定性作用。
其次，在新型業(yè)務應用方面，未來6G網(wǎng)絡中的全息通信、數(shù)字孿生、確定性業(yè)務和分布式算力協(xié)同等業(yè)務[13-14]是6G較有代表性的幾種新業(yè)務。全息通信不僅對傳輸速率有非常高的要求，還要保證低時延和低丟包率。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)測算，當前的承載網(wǎng)容量是不足以提供多路并行的全息通信的。確定性業(yè)務強調業(yè)務數(shù)據(jù)包被端到端投遞的嚴格準時可控，即所謂“嚴格監(jiān)控，說到做到”，這必然對現(xiàn)網(wǎng)的承載傳輸也有相應的升級支持要求。算力協(xié)同業(yè)務強調分布式計算所帶來的大量中間臨時數(shù)據(jù)和智能交互類型數(shù)據(jù)，能以極低的延時和極高可靠性在不同基站節(jié)點之間被傳遞和交互，這也勢必需要更高性能品質的新承載和新傳輸去支持。總之在未來6G時代，當前傳統(tǒng)的老承載和老傳輸方式一定會受到較大的挑戰(zhàn)，不足以滿足6G RAN潛在新架構和新業(yè)務應用的需求。
4 面向6G RAN新承載和新傳輸技術發(fā)展
前面已經(jīng)論述，未來6G RAN的新無線架構和新業(yè)務應用，對新承載和新傳輸都有著決定性的作用。在網(wǎng)絡端到端虛擬化、云化、服務化的趨勢背景下，TCP/TLS/HTTP2或UDP/QUIC/HTTP3新協(xié)議棧，和SRv6都可以成為未來6G RAN的新傳輸技術方式。
相比于傳輸(Transport)，它下層的承載(Bearer)其實更為關鍵。未來B5G、6G RAN對承載網(wǎng)絡的性能新需求，主要體現(xiàn)在傳輸容量帶寬、時延、抖動、分組丟失率等指標方面。4G LTE和5G各自對承載網(wǎng)絡的性能指標要求大致如圖2所示，因此從眼下的5G再到未來的6G，可按照該趨勢做相應比例的倍增考慮。過去分組傳輸網(wǎng)(Packet Transport Network，PTN)承載技術已被廣泛地應用，但由于PTN多項性能指標都不能滿足5G某些新業(yè)務需求，一方面業(yè)界正在繼續(xù)做都市傳輸網(wǎng)(Metro Transport Network，MTN)增強升級，進一步提高接口速率，另一方面以中移動為代表，正在積極牽頭制定更強大的切片分組網(wǎng)(Sliced Packet Network，SPN)新承載技術標準，以更好地適配端到端網(wǎng)絡切片功能[15]。它的核心特征是在SR-TP(Segmented Routing-Transport Profile)轉發(fā)機制中，建立雙向相同路由的端到端承載路徑。
圖2 傳統(tǒng)承載PTN和新承載SPN技術性能指標特點
承載網(wǎng)是底層物理管道，它是更偏硬件的網(wǎng)絡系統(tǒng)，因此承載網(wǎng)的容量帶寬等性能方面的提升擴展，主要依靠硬件的增設和升級，特別是未來高頻毫米波通信及其架構演進[16]，必然帶來更大量Front/Mid/Backhaul承載容量的新需求。例如：從10GE/40GE端口升級到100GE/200GE/400GE(1GE=1Gb/s)，必須增設和升級路由器和光纖等硬件方面。其次新功能的引入也需要升級硬件，例如：去支持SPN承載和SRv6傳輸?shù)?。不同版本能力的承載網(wǎng)物理設備節(jié)點，可長期地共存被聯(lián)合利用，例如：4G現(xiàn)網(wǎng)中十幾年前的承載設備都還在運行服務著。IP路由器轉發(fā)報文處理時延大約在us級別，但一旦擁塞，時延也可達ms級別甚至中間丟包。承載網(wǎng)時延的大頭部分在于物理鏈路的傳輸時延(例如：10km長光纜時延大約為50us)。當下的承載網(wǎng)絡端到端時延一般在<10ms級別，具體情況需根據(jù)物理鏈路距離和跳數(shù)以及業(yè)務負荷情況進行綜合評估?；诋斍癈CSA TC3下工作組的研討活動狀態(tài)，面向未來6G網(wǎng)絡，承載網(wǎng)新功能的需求大致如下：
1)客戶/業(yè)務體驗保障能力(確定性網(wǎng)絡DetNet)；
2)時延傳輸控制能力(不僅及時，還要能準時)；
3)海量連接管控能力(支持異構跨域的各種終端，全球泛在可達)；
4)網(wǎng)絡狀態(tài)感知能力(支持“感知流”)；
5)網(wǎng)絡人工智能能力(支持“智能流”)；
6)用戶可定義 (可編程，動態(tài)靈活部署)。
總體上看，只要承載網(wǎng)硬件資源配備得十分充足且功能升級到位，承載網(wǎng)其實不容易成為未來6G移動系統(tǒng)追求極致通信性能的技術瓶頸或障礙，它比無線空口接入段性能的提升相對更容易被實現(xiàn)，因此這塊可保持相對樂觀。
5 總結和展望
總體上，面向未來6G RAN潛在的新無線架構和新業(yè)務能力，新承載和新傳輸相關技術演進的趨勢還是比較清晰的，即：全力配合6G RAN朝著云化、服務化和IT化的方向演進，這些趨勢和6G核心網(wǎng)側特點有高度的對齊和融合；TCP/TLS/HTTP2或UDP/QUIC/HTTP3新協(xié)議棧，和SRv6都可以成為未來6G RAN的新傳輸技術方式。業(yè)界已開始充分地為B5G和6G“全息通信”“數(shù)字孿生”“算力網(wǎng)絡”和“云網(wǎng)一體”等重要新應用和部署場景[17]，做好了在承載和傳輸方面的新技術使能和資源預備，因此它們應能充分滿足未來6G RAN對承載和傳輸方面更高條件和性能的需求。隨著移動通信系統(tǒng)端到端IT化和云化的深入應用實踐，不斷增進6G無線接入網(wǎng)和6G核心網(wǎng)，在承載和傳輸機制方面的對齊融合和標準統(tǒng)一，有利于簡化未來IP&TNL網(wǎng)絡的部署運維提升效率，有利于增強它們的資源利用率和IP&TNL設備資產(chǎn)的壽命周期價值。持續(xù)增強提升各種新承載和新傳輸技術的應用成熟度，不斷地降低其物理成本，反過來也必將能積極促進6G RAN的SBA云化、服務化和IT化架構被標準化成型和6G新移動業(yè)務順利地商用落地。
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