基于OTN的5G承載網(wǎng)組網(wǎng)設計

席紅雷

（山西機電職業(yè)技術學院 山西省長治市 046011）

5G 移動通信技術中承載網(wǎng)的組網(wǎng)架構是目前全球移動通信技術領域中重要的技術課題之一。光傳輸網(wǎng)簡稱OTN，是光傳輸網(wǎng)絡的一種新組網(wǎng)技術，該技術保證數(shù)據(jù)的性能指標和生存性，同時可以完成業(yè)務數(shù)據(jù)的分發(fā)、重選、路由更新、網(wǎng)絡監(jiān)控的光傳輸網(wǎng)絡，OTN 充分發(fā)揮了有線光域信號傳輸與無線電域數(shù)據(jù)處理的技術優(yōu)勢，新的組網(wǎng)技術可以為多個網(wǎng)元同時提供端到端所應具有的多種透明傳輸信道和強大的數(shù)據(jù)組網(wǎng)能力，還同時可以為多個接入點終端提供遠距離、大容量的數(shù)據(jù)傳輸。

1 概述

1.1 5G組網(wǎng)技術

5G 組網(wǎng)邏輯結構由3 個功能平面構成：接入平面，控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面[1]。在整體組網(wǎng)邏輯架構上，5G 網(wǎng)絡采用模塊化組網(wǎng)技術來滿足多樣化業(yè)務應用場景，組建以核心功能為網(wǎng)絡控制的三層網(wǎng)絡架構。與LTE 網(wǎng)絡相比，5G 網(wǎng)絡的特點和優(yōu)勢可以體現(xiàn)在容量大、連續(xù)性廣域覆蓋、低時延、功耗低、速率快等方面，必然能夠給用戶帶來截然不同的網(wǎng)絡體驗，也有可能推動移動網(wǎng)絡技術和配套技術突飛猛進。

1.2 OTN技術

OTN 是一種以光傳輸為基礎的網(wǎng)絡類型，能夠有效地實現(xiàn)光域內(nèi)的無線信號傳送、復用、路由選擇及遠程監(jiān)控等[2]。隨著光傳輸技術的快速發(fā)展，ITU-T 已經(jīng)制定了OTN 相關標準體系，與其他一些傳統(tǒng)的組網(wǎng)技術相比，OTN 技術的巨大優(yōu)勢主要表現(xiàn)為多種類型的客戶信號封裝及透明數(shù)據(jù)傳輸、小顆粒寬帶重新復用、售后服務及維護管理等，并且它們具有很高應用價值和安全保障能力。

2 5G時代承載網(wǎng)的架構模式及業(yè)務需求分析

2.1 5G承載網(wǎng)的架構模式

3GPP 的5G 承載網(wǎng)架構[3]，從功能角度RAN 被劃分為集中單元（CU）和分布單元（DU）兩部分，傳送網(wǎng)形成了前傳、中傳、回傳三層結構，其中的傳送功能和業(yè)務需求都有各自的標準。新的組網(wǎng)方式將傳送網(wǎng)絡變成數(shù)據(jù)中心和云端的網(wǎng)狀網(wǎng)，有效提高網(wǎng)絡的傳輸服務，5G 時代的網(wǎng)絡架構轉(zhuǎn)型需要新的傳輸技術和網(wǎng)絡架構。由于CU 與DU 是邏輯網(wǎng)元，可以分開部署，以為可以一體化部署，部署方式靈活方便，導致物理界限不明顯，具體部署時需統(tǒng)一承載。如圖1所示。

2.2 5G承載網(wǎng)需求分析

2.2.1 5G 承載網(wǎng)的超帶寬增長

隨著高清視頻、AR/VR、萬物互聯(lián)等業(yè)務的快速增長，數(shù)據(jù)吞吐量快速增長，承載網(wǎng)絡帶寬需要進行擴容，同時5G 基站接口速率較4G 將增長10 倍以上，峰值帶寬增長10 倍左右。在接入層部分，手機的接入速率將提至1GE 以上，在5G 承載網(wǎng)部分，網(wǎng)絡容量將增長到100GE/400GE，未來在超大型城市，匯聚層峰值容量可能達到1T 以上。為了滿足5G 承載網(wǎng)的超帶寬增長，關鍵技術是提高物理端口速率和高效的鏈路聚合。

2.2.2 5G 承載網(wǎng)中的低時延

超可靠低時延通信（uRLLC）在5G 應用場景的中支持多種服務[4]，主要實現(xiàn)高可靠性、超低延遲和可控性延遲等特殊業(yè)務通信。實現(xiàn)這類特殊業(yè)務需要移動承載網(wǎng)提供亞毫秒級時延。因此，5G承載網(wǎng)的時延要求越來越高，端到端毫秒級的時延要求，比目前的LTE 時延需降低10-100 倍。盡管通過挖掘4G 承載網(wǎng)中現(xiàn)有設備/芯片的潛力，但目前傳輸技術的上限還無法滿足這類業(yè)務的需求。

2.2.3 5G 承載網(wǎng)網(wǎng)絡切片需求

5G 承載網(wǎng)需要具有滿足多種業(yè)務需求，例如無線終端、資源記住、大寬帶連接等，5G 標準定義了三大應用場景：eMBB、mMTC 和uRLLC，這些場景中的業(yè)務具有不同需求，如：低時延、大帶寬、大數(shù)量連接、高可靠等。根據(jù)不同業(yè)務的需求，網(wǎng)絡應具有隔離、剪裁及資源分配等功能，而網(wǎng)絡切片擁有較強的網(wǎng)絡管控能力。

3 基于OTN的5G承載網(wǎng)組網(wǎng)設計

3.1 5G承載網(wǎng)前傳技術

前傳是指在網(wǎng)絡的接入層將C-RAN 連接到5G 移動站點。由于C-RAN 部署不斷增加，數(shù)據(jù)速率需要快速提升，光纖技術在前傳通信中的應用越來越受到關注。前傳技術方案的設計主要考慮AAU 站點與DU 集中點之間進行點到點連接，在5G 發(fā)展前期與后期可以分別采用100G 速率和200G 速率規(guī)格，需要充分考慮業(yè)務需求和成本問題。

3.2 有源WDM/OTN方案

在5G 承載網(wǎng)前傳架構中，有源WDM/OTN 可以部署在AAU和DU 機柜中，WDM/OTN 設備可以把多種前傳數(shù)據(jù)信號通過WDM 共享到各種光纖終端的數(shù)據(jù)庫資源中，同時使用OTN 的開銷來完成對環(huán)境的管理與保護，提高網(wǎng)絡質(zhì)量及安全性保障。該方案的技術優(yōu)勢之一是系統(tǒng)結構組網(wǎng)靈活，支持多種拓撲結構，如星型、鏈型、環(huán)形網(wǎng)絡。

基于WDM/OTN的前傳組網(wǎng)，有點對點和環(huán)形網(wǎng)兩種拓撲結構。如圖2(a)所示，基于OTN 的點到點架構圖，該架構中的單光纖，與4G 中的無源波分方案相比較，需要的光纖資源一樣，建網(wǎng)成本相同，但是可以實現(xiàn)單向、雙向等傳輸方式，圖2(b)所示為有源方案環(huán)形網(wǎng)的架構圖。不僅可以降低光纖使用量，而且有源WDM/OTN 方案具有環(huán)網(wǎng)保護功能，網(wǎng)絡可靠性較高。

3.3 5G承載網(wǎng)中/回傳技術

5G 承載網(wǎng)的中回傳組網(wǎng)架構模型與城域網(wǎng)的組網(wǎng)模型基本相同，組網(wǎng)架構中都包含接入層、匯聚層與核心層，城域網(wǎng)中的骨干層/匯聚層與5G 回傳網(wǎng)絡對應，接入層則與中傳對應。近幾年，OTN 已經(jīng)具有以太網(wǎng)、MPLS-TP 等分組交換和處理能力，增加層間適配,形成層次化的結構，同時整合WDM、TCP/IP、MPLS-TP和SDH 等技術,新技術可以很好地滿足5G 承載網(wǎng)的IP 化的業(yè)務發(fā)展需求。中傳與回傳對于傳輸網(wǎng)的容量、速率、拓撲結構等方面的組網(wǎng)需求是一致的，所以可以設計相同的組網(wǎng)架構。

3.4 OTN組網(wǎng)方案

基于OTN 的中傳/回傳組網(wǎng)方案，在DU 設備中，可以采用OTN 強大的幀處理能力，再引入DSP、芯片等硬件技術優(yōu)勢，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速成幀、壓縮和IP 轉(zhuǎn)換功能，滿足DU 設備的傳輸時延要求。在CU 設備中，首先，采用增強型OTN 構建CU 與DU之間的大帶寬、低時延的連接，而快速的信令接入可以利用PDCP的處理功能，時效性、高效性與可靠性。其次，在OTN 中集成的WDM 技術，可以實現(xiàn)遠距離傳輸，還可以實現(xiàn)按需分配傳輸鏈路的帶寬及容量。以OTN 為基礎的組網(wǎng)方案有以下兩種：

3.4.1 分組增強型 OTN+IPRAN 方案

利用分組增強型OTN 設備來組建5G 承載網(wǎng)的中傳/回傳網(wǎng)絡，可以快速完成網(wǎng)絡中路由信息的轉(zhuǎn)發(fā)。企業(yè)級的OTN 設備配置模式有ODUk 穿通模式，可以滿足5G 傳輸網(wǎng)對低時延和大容量等方面的要求。在回傳網(wǎng)絡中，原有4G 的IP 化無線接入網(wǎng)中的組網(wǎng)設備可以繼續(xù)使用，如圖3(a)所示。增強性OTN 環(huán)網(wǎng)與原有的IPRAN 環(huán)網(wǎng)之間通過IP 網(wǎng)絡協(xié)議中的BGP 協(xié)議，交換不同環(huán)網(wǎng)中的路由信息。

3.4.2 端到端分組增強型OTN 方案

為了避免OTN 與IPRAN 的互聯(lián)互通、跨專業(yè)協(xié)調(diào)等方面的問題，該方案全部使用增強路由轉(zhuǎn)發(fā)功能的分組增強型OTN 設備完成組網(wǎng)，如圖3(b)所示。與分組增強型OTN+IPRAN 方案相比，實現(xiàn)網(wǎng)元和網(wǎng)元之間的綜合管理，該方案能更好的利用OTN 組網(wǎng)的靈活性。

圖1：5GRAN 功能模塊架構

圖2：OTN 在前傳架構中的應用

圖3：OTN 在中傳/回傳架構中的設計

4 結語

超大帶寬方面，在承載技術的中/回傳方面，可以采用基于硅光子技術、光子集成技術等相干模塊，實現(xiàn)遠距離傳輸，并滿足大帶寬和低成本的需求。在前傳方面，通過非相干技術，OTN 可以實現(xiàn)5 倍速率擴展，而超頻技術，可以實現(xiàn)10 倍以上的速率擴展。快速組網(wǎng)方面，可以利用ODUflex、FlexO、全光交叉等新技術，實現(xiàn)網(wǎng)絡快速調(diào)度和靈活調(diào)整，網(wǎng)絡綜合管控方面可以采用SDN技術，實現(xiàn)最優(yōu)網(wǎng)絡資源配置，提高信道復用效率。低時延方面，OTN 需要在分支時隙、復用方式、開銷等方面進行簡化。

綜上，OTN 是能充分滿足5G 網(wǎng)絡發(fā)展需求的承載網(wǎng)，其組網(wǎng)架構應當根據(jù)5G 網(wǎng)絡實際需求進行標準化、合理化設置。隨著ONT 技術的快速發(fā)展，需要進一步探索基于OTN 的5G 承載網(wǎng)的組網(wǎng)技術研究，從而推動5G 承載網(wǎng)的快速部署，以滿足5G 多樣化應用場景發(fā)展需求。