5G移動(dòng)業(yè)務(wù)OTN承載解決方案

孫志勇

摘要：針對(duì)5G 移動(dòng)業(yè)務(wù)，光傳送網(wǎng)（OTN）可以實(shí)現(xiàn)承載移動(dòng)前傳、中傳和回傳業(yè)務(wù)。認(rèn)為作為基礎(chǔ)的承載技術(shù)，OTN可以提供大帶寬、低時(shí)延、靈活分片、高可靠性、開放協(xié)同的能力，適合在5G時(shí)代新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的前傳和回傳組網(wǎng)，并能同時(shí)支撐運(yùn)營(yíng)商固網(wǎng)等其他業(yè)務(wù)的發(fā)展，滿足未來網(wǎng)絡(luò)持續(xù)演進(jìn)的需求。

關(guān)鍵詞： 5G；OTN；前傳；中傳；回傳

Abstract： For 5G mobile services， the fronthaul， midhaul and backhaul services can be achieved by optical transport network （OTN）. As the foundation of the bearing technology， OTN can provide large bandwidth， low latency， flexible fragment， high reliability， and open collaboration capabilities， and is suitable for the fronthaul and backhaul networking in 5G era. OTN can also support the development of other services， such as fixed network， so as to meet the needs of the continuous evolution of future networks.

Key words： 5G； OTN； fronthaul； midhaul； backhaul

1 5G對(duì)承載網(wǎng)帶來的挑戰(zhàn)

5G移動(dòng)新業(yè)務(wù)對(duì)承載網(wǎng)帶來了新的要求和挑戰(zhàn)[1-2]：

增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）高帶寬業(yè)務(wù)，對(duì)承載網(wǎng)提出了10倍以上的帶寬需求；

超可靠低時(shí)延通信（uRLLC）業(yè)務(wù)要求承載網(wǎng)絡(luò)支持極低的時(shí)延和極高的可靠性；

5G承載網(wǎng)絡(luò)需要支持高精度的時(shí)鐘和時(shí)間同步；

eMBB、uRLLC和大規(guī)模機(jī)器類通信（mMTC）等不同的業(yè)務(wù)對(duì)帶寬、時(shí)延、服務(wù)質(zhì)量等不同的要求，并要求分配不同的網(wǎng)絡(luò)資源，這就要求承載網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò)切片能力。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相對(duì)于3G、4G發(fā)生了如下變化，具體如圖1所示：

5G核心網(wǎng)云化和虛擬化部署。5G核心網(wǎng)引入了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN），不再沿襲傳統(tǒng)的“煙囪”架構(gòu)；而是采用統(tǒng)一的物理基礎(chǔ)設(shè)施，在云數(shù)據(jù)中心間實(shí)現(xiàn)池化、虛擬化、容器化的資源共享。5G核心網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)管理控制層和業(yè)務(wù)層進(jìn)行了分離。

5G基站密度大幅度增加。為降低網(wǎng)絡(luò)綜合建設(shè)成本，無線接入網(wǎng)更多地采用集中式無線接入網(wǎng)絡(luò)（C-RAN）架構(gòu)，更便于實(shí)現(xiàn)靈活的無線資源管理。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的這些變化給承載網(wǎng)帶來了影響：核心網(wǎng)業(yè)務(wù)錨點(diǎn)下移，回傳網(wǎng)更加扁平化；C-RAN架構(gòu)帶來更多的前傳網(wǎng)絡(luò)，前傳網(wǎng)要滿足低成本、靈活組網(wǎng)的需求；光纖進(jìn)一步下移，需要部署更多的承載節(jié)點(diǎn)[3]。

2 C-RAN下的5G移動(dòng)

前傳網(wǎng)技術(shù)方案

5G 承載網(wǎng)通常分為前傳、中傳和回傳3部分。其中C-RAN架構(gòu)下4G前傳網(wǎng)有常見如下3種傳輸技術(shù)選擇（如圖2所示）：

（1）裸光纖直驅(qū)。該方式在基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）間無需傳輸設(shè)備，時(shí)延最低，部署最簡(jiǎn)單；但耗費(fèi)光纖資源。

（2）無源波分復(fù)用（WDM）。該方式采用無源合分波器將多路波長(zhǎng)復(fù)用到一根（或一對(duì)）光纖傳輸，可節(jié)省光纖資源，光器件引入的時(shí)延很小，無源設(shè)備不需加電，維護(hù)比較簡(jiǎn)單，綜合成本較低；但RRU和BBU需要采用彩光接口，增加無線設(shè)備的成本，并且要求無線設(shè)備支持彩光功能，無線設(shè)備管理復(fù)雜化，增加成本。業(yè)務(wù)無保護(hù)，可靠性差。

（3）光傳送網(wǎng)（OTN）承載。該方式采用OTN設(shè)備實(shí)現(xiàn)多個(gè)站點(diǎn)多路前傳信號(hào)的復(fù)用和透明傳輸，可大幅度節(jié)省光纖資源，支持光層和電層的性能和故障檢測(cè)等管理維護(hù)（OAM）功能，并能提供業(yè)務(wù)保護(hù)，保障業(yè)務(wù)的高可靠。OTN采用L0/L1的傳輸，具有大帶寬、低時(shí)延的特性，可實(shí)現(xiàn)低延時(shí)傳輸。該方案減少了無線設(shè)備部署的復(fù)雜度，支持從非C-RAN架構(gòu)向C-RAN架構(gòu)遷移時(shí)，不需要替換無線設(shè)備的光接口。缺點(diǎn)是設(shè)備成本相對(duì)較高，需開發(fā)低成本方案。

5G的無線接入網(wǎng)（RAN）功能將被重新劃分，原來的BBU和RRU被重構(gòu)為集中單元（CU）、分布單元（DU）、RRU/有源天線單元（AAU）3個(gè)功能實(shí)體。根據(jù)CU、DU、RRU/AAU的放置位置不同，可以有不同的中傳組網(wǎng)模式：

DU和RRU/AAU同站部署，它們之間通常以裸纖直連為主。

如DU按一定規(guī)模集中部署，DU和RRU/AAU之間對(duì)應(yīng)前傳，由于DU實(shí)時(shí)性處理對(duì)時(shí)延的要求，前傳距離應(yīng)小于10 km。這種情況下，可以采用裸纖直連，也可以采用WDM/OTN節(jié)省光纖，提供保護(hù)。

OTN承載5G前傳。OTN的Muxponder將多個(gè)RRU/AAU的10 G或25 G的通用公共無線電接口（CPRI）或標(biāo)準(zhǔn)CPRI（eCPRI）信號(hào)復(fù)用到100 G/200 G高速信號(hào)后傳送到DU，滿足了大帶寬的傳輸需求。按照光纖路由可靈活組建點(diǎn)到點(diǎn)、鏈型、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)（如圖3所示），在點(diǎn)到點(diǎn)組網(wǎng)的情況下還可采用單纖雙向技術(shù)進(jìn)一步減少光纖使用。DU集中池化節(jié)省無線設(shè)備投資，同時(shí)提供最佳的協(xié)同增益。前傳采用OTN設(shè)備成本還比較高，目前在進(jìn)行成本優(yōu)化。

3 5G移動(dòng)中傳WDM/OTN

承載方案

CU和DU之間中傳一般以環(huán)網(wǎng)為主。如圖4所示，5G移動(dòng)中傳業(yè)務(wù)承載，可采用WDM/OTN技術(shù)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)在光層穿通中間站點(diǎn)一跳直達(dá)，滿足大帶寬低時(shí)延要求，可配置光通道保護(hù)滿足高可靠業(yè)務(wù)要求。由于不同傳輸站點(diǎn)的DU容量可能不同，各傳輸站點(diǎn)的波長(zhǎng)可配置不同的速率，以滿足不同的DU容量需求，并且各接入站點(diǎn)可單獨(dú)擴(kuò)容和升級(jí)，不影響其他站點(diǎn)。如果OTN集成分組增強(qiáng)功能（E-OTN），在CU站點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)匯聚和靈活轉(zhuǎn)發(fā)，在DU站點(diǎn)可對(duì)多個(gè)DU的業(yè)務(wù)進(jìn)行匯聚收斂。endprint

采用相同的E-OTN設(shè)備，也可以提供100 G環(huán)網(wǎng)方案。DU數(shù)量較少業(yè)務(wù)量小的多個(gè)站點(diǎn)可以用靈活速率光數(shù)字單元（ODUflex）子波長(zhǎng)相連組成一個(gè)分組環(huán)，多站點(diǎn)業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)復(fù)用，提高帶寬利用率；業(yè)務(wù)量較大的站點(diǎn)（DU池），可以O(shè)DUflex子波長(zhǎng)在中間站點(diǎn)交叉連接穿通直達(dá)CU站點(diǎn)。或者不同類型的業(yè)務(wù)采用不同的ODUflex分片傳送，如eMBB業(yè)務(wù)采用分組環(huán)網(wǎng)逐點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，uRLLC業(yè)務(wù)采用L1穿通直達(dá)，減少延時(shí)。ODUflex的帶寬以1.25 G為顆粒靈活可調(diào)，100 G的環(huán)網(wǎng)總帶寬可以在多個(gè)站點(diǎn)多個(gè)邏輯環(huán)網(wǎng)間靈活分配。

4 固移融合統(tǒng)一回傳和

OTN承載方案

在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)向5G演進(jìn)的同時(shí)，CO重構(gòu)也在進(jìn)行中。未來城域網(wǎng)的流量將會(huì)是以邊緣數(shù)字中心（DC）到網(wǎng)絡(luò)提供點(diǎn)到點(diǎn)（PoP）間的南北向流量，以及邊緣DC間和PoP點(diǎn)之間的東西向流量為主。如圖5所示，5G階段的回傳網(wǎng)也將會(huì)是固移業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載的數(shù)據(jù)中心互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。各級(jí)DC通過OTN光傳送網(wǎng)高速互聯(lián)，光網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建帶寬資源池，根據(jù)DC間流量進(jìn)行帶寬按需配置和合理調(diào)整。

如圖6所示，5G回傳網(wǎng)可以基于分組增強(qiáng)OTN（E-OTN）來實(shí)現(xiàn)。OTN集成分組功能，既可以在L2和L3實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的匯聚和靈活轉(zhuǎn)發(fā)，又可以在L0和L1實(shí)現(xiàn)大容量低時(shí)延的業(yè)務(wù)傳送。OTN節(jié)點(diǎn)之間可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求配置IP/多協(xié)議標(biāo)簽交換傳送應(yīng)用（MPLS-TP）光通路數(shù)據(jù)單元（ODUk）通道，實(shí)現(xiàn)一跳直達(dá)從而保證5G業(yè)務(wù)的低時(shí)延和大帶寬。

回傳網(wǎng)拓?fù)鋸?fù)雜，OTN節(jié)點(diǎn)設(shè)備采用光交叉和電交叉的光電混合調(diào)度是滿足高速傳送、靈活調(diào)度、多樣性組網(wǎng)的最好方式。大顆粒業(yè)務(wù)在光層調(diào)度，中小顆粒業(yè)務(wù)在電層梳理調(diào)度，光電配合整體功耗也是最低的。網(wǎng)絡(luò)可分層次建設(shè)，匯聚層以環(huán)網(wǎng)為主，線路側(cè)單波速率100 G或超100 G，采用4維mini可重構(gòu)光分插復(fù)用器（ROADM）和10 T級(jí)別的電交叉。核心層以無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)（Mesh）網(wǎng)為主，線路側(cè)單波速率超100 G，采用9～20維ROADM和大容量電交叉。基于智能控制平面實(shí)現(xiàn)端到端業(yè)務(wù)部署、資源動(dòng)態(tài)計(jì)算和調(diào)整、備用路徑自動(dòng)計(jì)算等。

5 5G承載中OTN關(guān)鍵技術(shù)

（1）高速率低成本傳送技術(shù)。5G帶來海量的帶寬增長(zhǎng)，高速率、低成本、低功耗的業(yè)務(wù)傳送成為關(guān)鍵。100 G和超100 G速率信號(hào)的中長(zhǎng)距離傳輸主要采用相干技術(shù)；而采用離散多載波（DMT）、4級(jí)脈沖幅度調(diào)制（PAM4）等調(diào)制技術(shù)的線路光接口，是實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗、高速傳輸?shù)男逻x擇[4]。

（2）大容量光電混合調(diào)度。5G業(yè)務(wù)有在城域網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜，采用具有光電混合調(diào)度能力的OTN設(shè)備組網(wǎng)是較理想的方式。ROADM光交叉技術(shù)與OTN電交叉技術(shù)配合，可以實(shí)現(xiàn)更大的交叉容量和更靈活的調(diào)度能力，同時(shí)降低系統(tǒng)的成本和功耗，減少占地面積。在城域核心、匯聚層面引入光電混合交叉，實(shí)現(xiàn)電層業(yè)務(wù)匯聚和光層業(yè)務(wù)調(diào)度；網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行MESH改造，實(shí)現(xiàn)多路徑通達(dá)，一方面減少設(shè)備處理時(shí)延，另一方面減少網(wǎng)絡(luò)層次、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的扁平化，降低業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，提升網(wǎng)絡(luò)安全性。

（3）分組與光傳送的融合。OTN設(shè)備支持ODUk/Packet/VC4統(tǒng)一交換，多業(yè)務(wù)統(tǒng)一傳送，避免了目前傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系多、設(shè)備種類龐雜、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)運(yùn)維成本高等缺點(diǎn)，既有小顆粒業(yè)務(wù)處理的靈活性，又有海量的傳送容量，提供剛?cè)岵?jì)的傳送管道。其對(duì)IP層業(yè)務(wù)的感知，使光網(wǎng)絡(luò)能夠經(jīng)濟(jì)高效地傳送IP業(yè)務(wù)，滿足運(yùn)營(yíng)商發(fā)展5G業(yè)務(wù)的需要，同時(shí)也支撐如寬帶等業(yè)務(wù)綜合承載。中興通訊E-OTN設(shè)備采用統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，分組帶寬（P）與OTN（O）帶寬可任意比例配置，無縫接合，統(tǒng)一管控。

（4）低時(shí)延傳送和轉(zhuǎn)發(fā)。5G前傳和中傳網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)延要求非?？量?，中興通訊在OTN設(shè)備通過減少緩存時(shí)間、自動(dòng)調(diào)整緩存深度、內(nèi)部若干處理步驟串行轉(zhuǎn)并行、提升內(nèi)部處理時(shí)鐘頻率等多種技術(shù)和措施，可以將設(shè)備引入的時(shí)延降到us量級(jí)，更好地支撐業(yè)務(wù)的發(fā)展。

（5）面向前傳的輕量級(jí)OTN標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)5G前傳，業(yè)內(nèi)也在研究新的輕量級(jí)的OTN標(biāo)準(zhǔn)，以降低設(shè)備成本，進(jìn)一步降低時(shí)延，實(shí)現(xiàn)帶寬靈活配置。例如：對(duì)OTN幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，線路側(cè)接口采用n ×25 G，可以引入低成本的光器件；改變檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的機(jī)制，縮短緩存時(shí)間降低時(shí)延；前傳組網(wǎng)通常比較簡(jiǎn)單，可以簡(jiǎn)化OTN開銷減少設(shè)備處理；在業(yè)務(wù)映射和時(shí)隙結(jié)構(gòu)方面考慮兼容3G/4G前傳的CPRI、兼容5G的eCPRI和下一代前傳網(wǎng)絡(luò)接口（NGFI），以及small cell的回傳等[5]。

（6）高精度時(shí)間同步。為滿足5G高精度時(shí)間同步要求，中興通訊OTN設(shè)備基于1588（V2.1）方案，采用相位檢測(cè)技術(shù)和零延遲鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)，在頻率同步優(yōu)化基礎(chǔ)上進(jìn)行相位同步，確保相鄰站點(diǎn)間同步誤差低于1個(gè)時(shí)鐘周期。同時(shí)通過復(fù)幀定位觸發(fā)、高速接口底層觸發(fā)等多種方式提升時(shí)間戳精度。針對(duì)時(shí)間源選擇、時(shí)間同步融合算法進(jìn)行優(yōu)化。采用單纖雙向消除時(shí)延不對(duì)稱性。綜合運(yùn)用這些技術(shù)，時(shí)間同步精度大幅提升。

6 結(jié)束語(yǔ)

5G給用戶帶來更多樣的服務(wù)、更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。5G網(wǎng)絡(luò)以承載網(wǎng)為依托，并對(duì)承載網(wǎng)提出了更高的要求。OTN作為基礎(chǔ)的承載技術(shù)，提供大帶寬、低時(shí)延、靈活分片、高可靠性、開放協(xié)同的能力，適合在5G時(shí)代新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的前傳和回傳組網(wǎng)，并能支撐運(yùn)營(yíng)商固網(wǎng)等其他業(yè)務(wù)的發(fā)展，滿足未來網(wǎng)絡(luò)持續(xù)演進(jìn)的需求。

參考文獻(xiàn)

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