基于OTN的5G承載技術(shù)和方案探討

李俊杰 中國(guó)電信股份有限公司北京研究院網(wǎng)絡(luò)研發(fā)與運(yùn)營(yíng)支持部副主任

唐建軍 中國(guó)電信股份有限公司北京研究院高級(jí)工程師

1 引言

5G移動(dòng)通信技術(shù)是目前通信業(yè)界最熱的課題之一。5G網(wǎng)絡(luò)擬提供業(yè)務(wù)的主要特征包括大帶寬、低時(shí)延和海量連接，從而對(duì)承載網(wǎng)在帶寬、容量、時(shí)延和組網(wǎng)靈活性等方面提出了新的需求。光傳送網(wǎng)（OTN）技術(shù)結(jié)合了光域傳輸和電域處理的優(yōu)勢(shì)，不僅可以提供端到端的剛性透明管道和強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，還可以提供長(zhǎng)距離、大容量傳輸能力。光傳送網(wǎng)如何在5G時(shí)代繼續(xù)保持競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)5G的高效承載，已經(jīng)成為整個(gè)光通信行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。本文將對(duì)基于OTN的5G承載架構(gòu)、技術(shù)方案和標(biāo)準(zhǔn)化情況進(jìn)行介紹，并對(duì)方案涉及的相關(guān)問題進(jìn)行探討。

2 基于OTN的5G承載標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

為了滿足5G承載在靈活組網(wǎng)方面的需求，需要在分組增強(qiáng)型OTN（P-OTN）設(shè)備已經(jīng)支持以太網(wǎng)和MPLS-TP分組技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加對(duì)IP/MPLS路由轉(zhuǎn)發(fā)功能的支持。2017年年底，CCSA已經(jīng)立項(xiàng)對(duì)行標(biāo)《分組增強(qiáng)型光傳送網(wǎng)（OTN）設(shè)備技術(shù)要求》進(jìn)行修訂。目前已完成標(biāo)準(zhǔn)修訂版本的征求意見稿，計(jì)劃2018年年底之前提交會(huì)議討論。

為了滿足5G的承載需求，需要對(duì)現(xiàn)有的OTN技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化和優(yōu)化，以便降低成本和簡(jiǎn)化運(yùn)維。中國(guó)電信聯(lián)合業(yè)界主流運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備廠商和器件模塊廠商提出了M-OTN的概念。M-OTN是面向移動(dòng)承載優(yōu)化的OTN技術(shù)，主要特征包括單級(jí)復(fù)用、更靈活的時(shí)隙結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化的開銷等，目標(biāo)是提供低成本、低時(shí)延、低功耗的移動(dòng)承載方案。

在2018年2月的ITU-TSG15全會(huì)上，啟動(dòng)了兩個(gè)M-OTN相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目：G.sup.5gotn:Application of OTN to 5G Transport（OTN在5G傳送中的應(yīng)用）和G.ctn5g:Characteristics of transport networks to support IMT-2020/5G（支持IMT-2020/5G的傳送網(wǎng)特性）。在2018年6月舉行的ITU-TSG15Q11中間會(huì)議上，上述兩個(gè)項(xiàng)目取得以下進(jìn)展：

（1）G.sup.5gotn：對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目的提綱框架達(dá)成共識(shí)，進(jìn)一步完善了采用OTN技術(shù)支撐5G承載的相關(guān)內(nèi)容，包括基于OTN的5G傳送網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、OTN保護(hù)、頻率和時(shí)間同步方案。

（2）2G.ctn5g：對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的范圍和框架達(dá)成共識(shí)，即G.ctn5g標(biāo)準(zhǔn)只定義技術(shù)無關(guān)的5G傳送需求，與技術(shù)方案相關(guān)的內(nèi)容不屬于該標(biāo)準(zhǔn)的范圍。

Q11計(jì)劃于2018年10月完成G.sup.5gotn，并正式啟動(dòng)M-OTN的標(biāo)準(zhǔn)制定。

3 基于OTN的5G承載組網(wǎng)架構(gòu)概述

基于OTN的5G承載組網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。為了便于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和降低設(shè)備的復(fù)雜度，建議將IP/MPLS三層網(wǎng)絡(luò)功能只部署到接入?yún)R聚機(jī)房。接入層節(jié)點(diǎn)（M1）可通過各種方式連接到接入?yún)R聚機(jī)房設(shè)備（M2），如L0（波長(zhǎng)/光纖）、L1（OTN鏈路）、L2分組（以太網(wǎng)/MPLS-TP）等方式。根據(jù)不同的部署位置，將用于5G承載的OTN設(shè)備分為4種類型，分別是接入設(shè)備（M1）、匯聚設(shè)備（M2）、核心設(shè)備（M3、M4）。根據(jù)接入M2的不同方式，M1可進(jìn)一步分為透?jìng)餍蚆1和分組型M1兩種形態(tài)。

圖1 基于OTN的5G承載組網(wǎng)架構(gòu)

作為城域傳送網(wǎng)的邊緣節(jié)點(diǎn)，M2所在的接入?yún)R聚機(jī)房（或綜合業(yè)務(wù)接入點(diǎn)）對(duì)于運(yùn)營(yíng)商具有戰(zhàn)略性地位?；诰C合業(yè)務(wù)承載需求和帶寬估算（單節(jié)點(diǎn)100～200G），建議將WDM/OTN下沉到該節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)承載，設(shè)備交換容量要求在500G～1Tbit/s之間?？紤]到網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、帶寬需求和距離等因素，建議匯聚層采用低成本W(wǎng)DM（如N×25G/100GWDM）技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)。

接入層節(jié)點(diǎn)設(shè)備一般按照不同的業(yè)務(wù)類型（5G、專線、家庭寬帶等）按需部署，由于地理位置在大部分情況下并不重合，因此比較難實(shí)現(xiàn)綜合承載。

4 基于OTN的中/回傳技術(shù)方案

圖2 基于OTN的中/回傳技術(shù)方案

5G中傳和回傳對(duì)于承載網(wǎng)在帶寬、組網(wǎng)靈活性、網(wǎng)絡(luò)切片等方面需求基本一致，因此可以采用統(tǒng)一的承載方案。基于OTN的中/回傳技術(shù)方案如圖2所示。如前所述，為了便于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和降低設(shè)備的復(fù)雜度，建議將三層網(wǎng)絡(luò)部署到接入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)（M2）。接入層節(jié)點(diǎn)（M1）可通過各種方式連接到M2節(jié)點(diǎn)。

4.1 L3技術(shù)方案

OTN支持L3協(xié)議的基本原則是按需選用，并盡量采用已有的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，包括OSPF、IS-IS、MP-BGP、L3VPN、BFD等。OTN設(shè)備L3部分的主要功能特征包括：

（1）基礎(chǔ)路由功能：支持OSPF和ISIS域內(nèi)路由協(xié)議，支持BGP域間路由協(xié)議。

（2）SR功能（可選）：包括域內(nèi)SR和跨域SR，支持SR-TE和SR-BE兩種模式。

（3）VPN 功能：支持 L3VPN和L2VPN。

（4）IP/MPLS OAM 功 能 ：支 持PING、TRACE、TWAMP等OAM功能。

（5）IP/MPLS保護(hù)恢復(fù)功能：支持BFD、FRR、VRRP、VLL PW備份等保護(hù)恢復(fù)功能。

（6）網(wǎng)絡(luò)切片功能：支持對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片的承載，包括硬切片和軟切片兩種網(wǎng)絡(luò)切片承載方式。

4.2 L1轉(zhuǎn)發(fā)和鏈路技術(shù)方案

OTN的L1轉(zhuǎn)發(fā)采用成熟的ODU交叉技術(shù)，通過采用ODUflex技術(shù)可以提供n×1.25Gbit/s靈活帶寬的ODU通道，并可實(shí)現(xiàn)通道帶寬的無損靈活調(diào)整。ODUflex結(jié)合新增的IP/MPLS能力，可以提供對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)切片的承載。為了實(shí)現(xiàn)低成本、低時(shí)延、低功耗的5G承載目標(biāo)，中國(guó)電信牽頭提出了面向移動(dòng)承載優(yōu)化的M-OTN技術(shù)方案。M-OTN在優(yōu)化現(xiàn)有OTN映射復(fù)用結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)化開銷的基礎(chǔ)上，為了滿足5G承載的組網(wǎng)需求，將在現(xiàn)有的OTN體系架構(gòu)中引入新的25G和50GOTN接口。

4.3 L0光層組網(wǎng)技術(shù)方案

由于5G承載主要是在城域網(wǎng)/本地網(wǎng)的范圍內(nèi)，與長(zhǎng)途傳輸相比距離要短很多，城域網(wǎng)不同層次的典型傳輸距離分別是接入層10～20km，匯聚層40～80km，核心層200～450km。系統(tǒng)容量要求也要小一些，因此OTNL0光層組網(wǎng)技術(shù)方案的主要目標(biāo)是要降低成本，以便滿足WDM/OTN部署到網(wǎng)絡(luò)接入層的需求。

在核心層，考慮引入低成本的N×100G/200G/400G DWDM，如OIF定義的400G-ZR接口和ITU-T SG15定義的100G/200G/400GFlexO接口。在匯聚層，考慮引入低成本的N×25G/100GWDM。目前考慮以下兩種組網(wǎng)技術(shù)方案。

方案一：匯聚層組環(huán)網(wǎng)

根據(jù)業(yè)務(wù)需求估算，匯聚層環(huán)網(wǎng)的帶寬需求為500～1000G。該方案的光層采用低成本的C波段N×25G/100GDWDMROADM組網(wǎng)，在電層采用OTN點(diǎn)到點(diǎn)ODU通道一跳直達(dá)，如圖3所示。

圖3 匯聚層環(huán)網(wǎng)方案

該方案面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)主要包括：

對(duì)于N×25GDWDM，超過15km需要色散補(bǔ)償，工程設(shè)計(jì)復(fù)雜。目前已有廠商推出PAM4調(diào)制方案和電層的色散補(bǔ)償技術(shù)，來解決色散補(bǔ)償?shù)膯栴}。

如何降低N×100GDWDM的成本？在2018年的OFC上，多個(gè)廠商展示了低成本的單波100G技術(shù)，主要有兩種調(diào)制方案：PAM4 vs.DMT。目前支持O-band，未來將支持C-band。

方案二：匯聚層鏈型組網(wǎng)

根據(jù)預(yù)測(cè)，每個(gè)接入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)（M2）的帶寬需求為100～200G，因此M2和M3之間可以采用點(diǎn)到點(diǎn)的鏈型組網(wǎng)。光層可采用低成本的O-band4/8×25GWDM組網(wǎng)，可重用100G-Based LR-4光模塊，或采用25GBasedLR光模塊，如圖4所示。在成本可接受的情況下，也可采用上述單波100G技術(shù)。

4.4 基于OTN的5G網(wǎng)絡(luò)切片承載方案

OTN設(shè)備基于ODUflex進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源劃分，可以用不同的ODUflex來承載不同的5G網(wǎng)絡(luò)切片，并可根據(jù)業(yè)務(wù)流量的變化動(dòng)態(tài)無損調(diào)整ODUflex的帶寬。OTN網(wǎng)絡(luò)可同時(shí)支持軟切片、鏈路級(jí)硬切片和通道級(jí)硬切片。基于OTN的5G網(wǎng)絡(luò)切片承載方案分層架構(gòu)如圖5所示。

圖4 匯聚層鏈型組網(wǎng)

OTN網(wǎng)絡(luò)提供的通道級(jí)硬切片的主要特征包括：

（1）基于ODUk通道進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片拓?fù)涞膭?chuàng)建和資源分配，不同切片在傳送平面完全隔離，互不影響。

（2）OTN設(shè)備為每個(gè)通道級(jí)硬切片運(yùn)行獨(dú)立的路由實(shí)例，在控制平面實(shí)現(xiàn)隔離。

（3）一個(gè)硬切片內(nèi)可提供多個(gè)MPLSVPN業(yè)務(wù)。

圖6給出了一個(gè)基于OTN的網(wǎng)絡(luò)切片示例?；谝粋€(gè)物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，根?jù)不同的5G網(wǎng)絡(luò)切片的需求，提供兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，如網(wǎng)絡(luò)切片-1用于承載eMBB切片，網(wǎng)絡(luò)切片-2用于承載uRLLC切片。由于eMBB業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延不敏感，因此網(wǎng)絡(luò)切片-1與物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟恢?。網(wǎng)絡(luò)切片-2在M2和M4之間建立直達(dá)ODUflex通道，以便滿足uRLLC業(yè)務(wù)對(duì)低時(shí)延的要求。

5 基于OTN的前傳技術(shù)方案

基于OTN的前傳技術(shù)方案如圖7所示，在一個(gè)5GAAU站點(diǎn)和DU集中點(diǎn)之間提供點(diǎn)到點(diǎn)連接?？蛻魝?cè)可提供3×25G eCPRI、3×6G/2.5G CPRI和 10GE/GE 等多種接口類型，支持4G/5G/專線等多業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載。線路側(cè)初期推薦采用100G速率，后期可采用200G速率以滿足業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的需求。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)站點(diǎn)只需要一根光纖的目標(biāo)，線路側(cè)需要支持單纖雙向（BiDi）方案。

線路側(cè)100G目前存在以下幾種技術(shù)方案：

（1）100GLR4光模塊（4×25G）：技術(shù)成熟，性能好，成本較高。

（2）低成本2×50G雙波長(zhǎng)光模塊：技術(shù)方案成熟，性能有保障。

（3）低成本單波長(zhǎng)100G光模塊：技術(shù)方案已明確，性能待評(píng)估。

圖5 基于OTN的5G網(wǎng)絡(luò)切片承載方案

與無線設(shè)備出彩光的無源WDM方案相比，OTN方案可以獨(dú)立部署，不受無線廠商的限制。另外OTN方案可以兼容3G/4G/5G各種無線網(wǎng)絡(luò)，并支持利舊現(xiàn)有3G/4G前傳光纖，實(shí)現(xiàn)3G/4G/5G的統(tǒng)一承載。OTN方案網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃簡(jiǎn)單，不同基站的部署相互獨(dú)立，有利于快速部署。

圖6 基于OTN的網(wǎng)絡(luò)切片示例

圖7 基于OTN的前傳技術(shù)方案

6 結(jié)束語(yǔ)

基于OTN的5G承載方案適合運(yùn)營(yíng)商對(duì)綜合業(yè)務(wù)承載的需求，為包括FTTx固定寬帶、5G移動(dòng)寬帶、高品質(zhì)政企專線等業(yè)務(wù)提供低成本帶寬和高品質(zhì)承載服務(wù)，可以簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備層級(jí)有利于降低CPAEX和OPEX。OTN方案提供的大帶寬、低時(shí)延、ODU硬切片等能力可以很好地匹配5G承載的需求。為了滿足5G承載的需求，需要增強(qiáng)OTN設(shè)備的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，并對(duì)OTN技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化（M-OTN）。因此，需要業(yè)界各方共同推動(dòng)基于OTN的5G承載方案的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)鏈的成熟。