固網(wǎng)F5G接入網(wǎng)架構(gòu)研究

張葉卓，李家京，張 岳，羅遠(yuǎn)源

(北京電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,北京100048)

0 引言

當(dāng)前,隨著新一輪技術(shù)變革和行業(yè)轉(zhuǎn)型的深入推動(dòng),中國信息與通訊技術(shù)正處于全面革新、深入整合和智能引領(lǐng)發(fā)展的重要時(shí)期。F5G是固定通信系統(tǒng)的新發(fā)展方式,與5G技術(shù)相輔相成互促,將成為中國新型基礎(chǔ)設(shè)施的主要構(gòu)成與支撐底座,是建設(shè)制造強(qiáng)國和網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國不可缺少的關(guān)鍵支撐。

2021年政府工作報(bào)告中提出,“加大千兆寬帶光纖網(wǎng)絡(luò)和 5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)力度,不斷豐富網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景”。千兆寬帶網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)必須滿足超大帶寬和確定性的業(yè)務(wù)體驗(yàn),才能實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何業(yè)務(wù)的千兆接入。

在這一需求的前提下,F5G作為固定網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)被提出來。中國信通院、中國聯(lián)通、中國電信、華為等單位在2020年聯(lián)合提出面向數(shù)字化、智能化時(shí)代的下一代固定網(wǎng)絡(luò)技術(shù),由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(ETSI)正式發(fā)布第五代固定通信網(wǎng)絡(luò)(ETSI ISG F5G),即F5G。

圖1 固定網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的5個(gè)階段[1]

相比于上一代的固定網(wǎng)絡(luò),F5G在帶寬、聯(lián)接數(shù)、時(shí)延和安全性上都有很大的提升。F5G網(wǎng)絡(luò)作為新型基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,給行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、城市智能化升級帶來了前所未有的機(jī)遇和前景。2022年中國聯(lián)通攜手20多家國內(nèi)外運(yùn)營商和行業(yè)伙伴共同發(fā)布了《F5G Advanced產(chǎn)業(yè)白皮書》。提出了第五代固定網(wǎng)絡(luò)從整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、組網(wǎng)方案、設(shè)備類型以及業(yè)務(wù)支撐能力等方面的演進(jìn)需求,以便更好地服務(wù)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

1 F5G典型應(yīng)用場景分析

F5G具備全光聯(lián)接(FFC)、增強(qiáng)型固定寬帶(eFBB)、極致體驗(yàn)(GRE)三個(gè)關(guān)鍵特征,面向固定接入場景穩(wěn)定可靠,被廣泛應(yīng)用于家庭、企業(yè)、工廠、醫(yī)院等固定性、大帶寬、低時(shí)延和高安全的場景,將提供更多新型的、增強(qiáng)型的用戶服務(wù),提供擴(kuò)展性的光纖基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù),實(shí)現(xiàn)更加智能和快捷的管理維護(hù)和優(yōu)化。下面介紹4個(gè)典型應(yīng)用場景。

1) 基于家庭場景的寬帶

目前智慧家庭和智慧社區(qū)業(yè)務(wù)呈現(xiàn)多元化、服務(wù)對象要求精準(zhǔn)化、終端更加多樣化、管理實(shí)現(xiàn)智能化等特征[2],隨著千兆網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來,傳統(tǒng)的家庭和社區(qū)的生活模式及觀念正在加速轉(zhuǎn)變,用戶的業(yè)務(wù)及應(yīng)用日趨豐富。后疫情時(shí)代下,家庭成員同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)居家學(xué)習(xí)、居家辦公、居家直播、在線會(huì)議,同時(shí)高清電視業(yè)務(wù)、移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)、家庭監(jiān)控、家庭物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等超高清應(yīng)用對于寬帶網(wǎng)絡(luò)的需求日益增加,大帶寬、低時(shí)延、低抖動(dòng)、寬窄帶信號無縫覆蓋等對家庭和社區(qū)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量也提出了更高的要求,需要升級到以10G PON和Wi-Fi 6技術(shù)為基礎(chǔ)的千兆網(wǎng)絡(luò)來支撐,來提供更好的寬帶網(wǎng)絡(luò)能力和服務(wù)質(zhì)量。

運(yùn)營商通過使用寬帶網(wǎng)絡(luò)相關(guān)組件及嵌入式人工智能等功能,對寬帶應(yīng)用程序進(jìn)行識別,以提供低時(shí)延、大帶寬和高穩(wěn)定性的網(wǎng)絡(luò)保障,提升用戶體驗(yàn),所有的網(wǎng)絡(luò)資源均由端到端的控制分析平面進(jìn)行統(tǒng)一管理,逐步從過去的“寬帶經(jīng)營”向“體驗(yàn)經(jīng)營”轉(zhuǎn)型。

2) 高質(zhì)量專線場景

高質(zhì)量的專線網(wǎng)絡(luò)具備高安全性和可靠性,提供端到端的用戶體驗(yàn)保障。在智慧政務(wù)中,利用F5G全光網(wǎng)的超大帶寬,實(shí)現(xiàn)政府各個(gè)部門之間數(shù)據(jù)打通、業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載,利用網(wǎng)絡(luò)的物理隔離特性保障業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的絕對安全,為百姓提供便捷的辦事體驗(yàn);在醫(yī)療場景中,2020年的新型冠狀病毒肺炎疫情讓每個(gè)人認(rèn)識到了遠(yuǎn)程醫(yī)療的重要性,基于F5G全光網(wǎng)的實(shí)時(shí)化高清圖像、視頻交流、遠(yuǎn)程問診、醫(yī)療影像異地同步、遠(yuǎn)程醫(yī)療教學(xué)等新型醫(yī)療服務(wù)方式將成為常態(tài);在金融服務(wù)機(jī)構(gòu)場景中,為確保交易時(shí)間內(nèi)工作不間斷,分支機(jī)構(gòu)與總部之間需要具備冗余線路連接,在F5G支持下,金融服務(wù)安全級別、大帶寬、低時(shí)延得到極大支持;隨著企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型,為了減輕本地重資產(chǎn)配置壓力,將生產(chǎn)服務(wù)部署到云上,基于F5G的高質(zhì)量專線網(wǎng)絡(luò),適合為政府機(jī)構(gòu)、金融企業(yè)、醫(yī)療和大型企業(yè)提供高安全性和可靠性的端到端用戶體驗(yàn)[3]。

3) FTTR

FTTR,光纖到房間,Fiber to The Room的簡稱,是千兆時(shí)代下家庭以及SOHO辦公網(wǎng)絡(luò)的新型覆蓋模式,在FTTH的基礎(chǔ)上,將光纖部署到每一個(gè)房間或者辦公室,讓每個(gè)房間都可以滿足千兆的高品質(zhì)網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)真正的全屋Wi-Fi6的千兆無盲區(qū)覆蓋的新型組網(wǎng)方案,確保每個(gè)地點(diǎn)都能享受到千兆光帶帶來的最佳的上網(wǎng)體驗(yàn)。自2020年ETSI發(fā)布F5G標(biāo)準(zhǔn)后,FTTR全光家庭產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入了快車道。隨著8K超高清視頻、VR、全屋智能和在線教育等應(yīng)用蓬勃發(fā)展,家寬正在向更高帶寬、更多聯(lián)接和更低時(shí)延的體驗(yàn)演進(jìn)。FTTR全光家庭組網(wǎng)方案網(wǎng)速快、全屋覆蓋無死角的優(yōu)勢,能有效保證家庭或辦公場景電腦、電視、手機(jī)、平板、VR等多種全屋智能終端聯(lián)網(wǎng)使用,解決傳統(tǒng)組網(wǎng)“速率低、覆蓋差”等問題,為高品質(zhì)家寬業(yè)務(wù)提供高速、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)保障。

4) 云VR

VR技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)生成的模擬環(huán)境,實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)觀看者與虛擬對象和虛擬世界的交互。云VR通過將VR服務(wù)中的大量邏輯計(jì)算和圖像渲染算力搬到云端,來實(shí)現(xiàn)在線用戶交互式虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。現(xiàn)階段影響云虛擬現(xiàn)實(shí)服務(wù)體驗(yàn)的主要因素還是帶寬、網(wǎng)絡(luò)延遲和丟包等等。隨著千兆光纖網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展,可為云VR業(yè)務(wù)提供可靠的網(wǎng)絡(luò)保障及交互體驗(yàn)。

2 F5G接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

隨著固定網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,未來的網(wǎng)絡(luò)一定是支持增強(qiáng)超寬帶(eFBB)、全光聯(lián)接(FFC)和極致體驗(yàn)(GRE)。為了實(shí)現(xiàn)靈活且經(jīng)濟(jì)高效的服務(wù)部署,保障用戶的極致體驗(yàn),提出F5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),基于SDN和NFV原則,將業(yè)務(wù)平面和底層平面解耦,劃分為底層平面、業(yè)務(wù)平面和管理控制分析平面的三層架構(gòu)。

底層平面由物理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成,包括客戶駐地網(wǎng)(CPN)、接入網(wǎng)(AN)、匯聚網(wǎng)和核心網(wǎng)四個(gè)網(wǎng)段。依托MCA平面控制引擎提供滿足用戶需求的高帶寬網(wǎng)絡(luò)連接和動(dòng)態(tài)可編程路徑選擇。

業(yè)務(wù)平面為客戶提供寬帶服務(wù)連接,客戶通過接入網(wǎng)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)接入寬帶服務(wù),業(yè)務(wù)處理點(diǎn)(SPP)進(jìn)行業(yè)務(wù)識別、添加或移除數(shù)據(jù)封裝等操作,服務(wù)映射點(diǎn)(SMP)完成流量映射到特定的底層交換通道。通過接入網(wǎng)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)與匯聚網(wǎng)絡(luò)邊緣服務(wù)處理點(diǎn)(SMP)建立服務(wù)連接,完成特定服務(wù)處理,并且把出/入流量映射到適當(dāng)?shù)牡讓铀淼馈?/p>

管理、控制和分析(MCA)平面作為網(wǎng)絡(luò)的智能核心,依托網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生技術(shù)、AI分析引擎,實(shí)現(xiàn)F5G網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化管理和控制。

3 F5G關(guān)鍵技術(shù)

3.1 網(wǎng)絡(luò)切片

隨著寬帶光纖網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷完善,寬帶接入網(wǎng)漸漸發(fā)展成為承載家庭網(wǎng)絡(luò)、政企專線、基站回傳等多業(yè)務(wù)的綜合承載網(wǎng),為了避免多業(yè)務(wù)的競爭和資源搶占,進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)感知,在面對不同用戶、不同業(yè)務(wù)時(shí),需要為用戶提供差異化的、服務(wù)可保證的網(wǎng)絡(luò)能力,來滿足用戶在不同業(yè)務(wù)場景下的網(wǎng)絡(luò)需求[4]。網(wǎng)絡(luò)切片作為F5G固定網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一,在同樣的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施下,將物理網(wǎng)絡(luò)切割成多個(gè)端到端的虛擬網(wǎng)絡(luò),為不同的業(yè)務(wù)、不同的需求場景提供獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)通道。

當(dāng)前運(yùn)營商的寬帶切片網(wǎng)絡(luò)主要根據(jù)B端客戶(政企單位)要求的應(yīng)用需求,確定切片中資源的分配。然而在切片的實(shí)際試驗(yàn)運(yùn)營中,運(yùn)營商仍以手動(dòng)設(shè)置的模式,切片的劃分以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的資源發(fā)放給B端客戶(政企單位),B端客戶(政企單位)不能靈活自定義;在C端客戶(個(gè)人或物聯(lián)網(wǎng)終端)加入切片網(wǎng)絡(luò)時(shí),也是需要手動(dòng)加入配置實(shí)現(xiàn),缺乏靈活性和智能化手段。

為了更好地提供定制化、差異化的切片服務(wù),實(shí)現(xiàn)切片資源動(dòng)態(tài)劃分,本文提出一種寬帶網(wǎng)絡(luò)切片開放的方法及系統(tǒng),基于位置的信息化服務(wù)與運(yùn)營商的光纖寬帶位置信息匹配,向B端客戶(政企單位)開放基于可視化GIS的需求自定義系統(tǒng),并將B端客戶(政企單位)自定義的需求映射到網(wǎng)絡(luò)MCA層面,經(jīng)網(wǎng)絡(luò)賦能后形成B端客戶(政企單位)特定的網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例,并將其映射為二維碼等虛擬網(wǎng)絡(luò)身份標(biāo)識,C端客戶(個(gè)人或物聯(lián)網(wǎng)終端)可通過掃碼等快捷的方式獲得切片網(wǎng)絡(luò)服務(wù),實(shí)現(xiàn)B端客戶快捷定義自有網(wǎng)絡(luò),C端用戶抬手掃碼,即時(shí)進(jìn)入專有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等功能,同時(shí)保障各用戶的隱私和安全,助力運(yùn)營商構(gòu)建B2B2C的商業(yè)模式服務(wù)。

3.2 流量映射

在F5G體系結(jié)構(gòu)中,流量映射由管理、控制和分析(MCA)平面和接入?yún)R聚網(wǎng)元兩部分組成。通過對流量進(jìn)行標(biāo)識和身份驗(yàn)證,將具有給定標(biāo)簽的業(yè)務(wù)映射到與服務(wù)需求匹配的底層隧道。MCA平面對切片實(shí)例的訪問進(jìn)行身份驗(yàn)證和授權(quán),并將流量映射功能配置為相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例。接入網(wǎng)元的流量映射實(shí)現(xiàn)用戶流量識別、用戶訪問控制、QoS流量標(biāo)記、流量引導(dǎo)、流量調(diào)度等功能;匯聚網(wǎng)元的流量映射實(shí)現(xiàn)流量引導(dǎo)功能、切片帶寬管理、切片流量調(diào)度等功能。

3.3 業(yè)務(wù)和底層平面解耦

在F5G體系結(jié)構(gòu)中,數(shù)據(jù)平面由業(yè)務(wù)平面和底層平面組成,其中服務(wù)標(biāo)識和處理與網(wǎng)絡(luò)流量轉(zhuǎn)發(fā)和路由分離。底層平面主要是一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)平面,由物理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成,通過分組交換和TDM交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)CPN網(wǎng)絡(luò)、接入網(wǎng)絡(luò)、匯聚網(wǎng)絡(luò)、核心網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通,并在MCA平面中F5G控制器的控制下實(shí)現(xiàn)路徑動(dòng)態(tài)配置。業(yè)務(wù)平面為用戶的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供連接。通過特定的節(jié)點(diǎn)處理和轉(zhuǎn)發(fā)來識別應(yīng)用程序,流量通過IP/以太網(wǎng)或底層平面中的OTN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸,來為用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

3.4 結(jié)構(gòu)簡化的聚合網(wǎng)絡(luò)

IP/以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)提供了簡化的聚合網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),基于底層平面與業(yè)務(wù)平面解耦的原理,使用簡化的協(xié)議棧來簡化網(wǎng)絡(luò)層,并引入SDN技術(shù),以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)互聯(lián),多路徑冗余保護(hù),集中管理和控制等,確保所有節(jié)點(diǎn)都可以相互連接,實(shí)現(xiàn)直連支持高優(yōu)先級服務(wù),高可靠性,帶寬利用率高,簡化的網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語

隨著萬物互聯(lián)時(shí)代的來臨,各行各業(yè)數(shù)字化場景應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)連接提出了更高的要求,未來的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)必然是向大規(guī)模、更細(xì)粒度、智能管控的方向演進(jìn)。本文總結(jié)了F5G千兆網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的典型商業(yè)應(yīng)用場景,分析了當(dāng)前部署的寬帶網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)存在的不足,提出一種更加靈活且經(jīng)濟(jì)高效的服務(wù)部署方式。為保障用戶的極致體驗(yàn),針對不同層次的技術(shù)需求,深入分析了F5G需具備的關(guān)鍵技術(shù),通過對這些關(guān)鍵技術(shù)和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)同攻關(guān),來滿足F5G在未來業(yè)務(wù)中的應(yīng)用需求。