光接入與5G網(wǎng)絡(luò)有哪些不同的特點(diǎn)

2019年6月6日工信部正式發(fā)放5G牌照，意味著我國(guó)5G建設(shè)將進(jìn)入一個(gè)快速上升期。每當(dāng)新一代移動(dòng)通信技術(shù)開(kāi)始部署時(shí)，人們常常會(huì)有疑問(wèn)：它是否會(huì)取代固定接入？從網(wǎng)絡(luò)接入、網(wǎng)絡(luò)承載和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)三大角度看，光接入與5G有各自不同的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景，光接入能夠?qū)?G網(wǎng)絡(luò)提供承載，二者協(xié)同互補(bǔ)，提供高速率和廣覆蓋，此外，固移融合、云網(wǎng)融合將成為光接入與5G的共同趨勢(shì)。

光接入與5G的關(guān)系

事實(shí)上，光接入與5G有不同的特點(diǎn)和定位。

從速率角度看，對(duì)于光接入，10G-EPON系統(tǒng)下行速率10Gbit/s，上行速率10Gbit/s或1Gbit/s；XG-PON系統(tǒng)下行速率10Gbit/s，上行速率2.5Gbit/s；單用戶速率與ONU（家庭網(wǎng)關(guān)）設(shè)備接口類型、數(shù)量及設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)能力相關(guān)，下行具備數(shù)千兆的接入能力。反觀5G，IMT-2020提出的目標(biāo)為峰值速率20Gbit/s、用戶體驗(yàn)速率100Mbit/s（如圖1所示）。事實(shí)上，對(duì)于Sub 6G頻段、100MHz帶寬，無(wú)法實(shí)現(xiàn)20Gbit/s的峰值速率；考慮8流，峰值頻譜效率30bit/Hz，得到峰值速率理論值為3Gbit/s（從實(shí)際測(cè)試情況看，單小區(qū)峰值速率在8流時(shí)可接近3Gbit/s，在理想條件下實(shí)現(xiàn)更高流數(shù)時(shí)可達(dá)10Gbit/s；單用戶速率（2T4R終端）取決于無(wú)線環(huán)境，可達(dá)數(shù)百兆、甚至超過(guò)1Gbit/s）。

圖1? IMT-2020關(guān)鍵能力目標(biāo)

從時(shí)延角度看，對(duì)于光接入（TDM PON系統(tǒng)），下行時(shí)延<1ms，上行時(shí)延<1.5ms。對(duì)于5G，3GPP標(biāo)準(zhǔn)（TR38.913）提出無(wú)線網(wǎng)用戶面單向時(shí)延（DL/UL）目標(biāo)值，eMBB為4ms，uRLLC為0.5ms?；赗15標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)4ms左右的時(shí)延，無(wú)法實(shí)現(xiàn)IMT-2020提出1ms（如圖1所示）的目標(biāo)。超低時(shí)延需空口新機(jī)制，甚至新頻段（目前3.5GHz為T(mén)DD，F(xiàn)DD更有利于降低時(shí)延）。盡管如此，由于5G核心網(wǎng)支持邊緣計(jì)算，從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上降低時(shí)延，有可能實(shí)現(xiàn)端到端時(shí)延10ms以內(nèi)，與4G網(wǎng)絡(luò)相比明顯降低，已經(jīng)能夠滿足多數(shù)業(yè)務(wù)的需求。

從覆蓋場(chǎng)景看，光接入更適合覆蓋室內(nèi)。而5G主要覆蓋室外，目前室內(nèi)覆蓋方案需進(jìn)一步研究。對(duì)于商務(wù)樓，5G室內(nèi)分布系統(tǒng)無(wú)法重用3G/4G（模擬系統(tǒng)），需新建（數(shù)字系統(tǒng)）；而對(duì)于居民樓，建設(shè)室分系統(tǒng)成本高，室外基站覆蓋室內(nèi)效果有限。另外，國(guó)外5G發(fā)展初期應(yīng)用于光纖無(wú)法覆蓋的場(chǎng)景，提供固定無(wú)線接入，但這不適用于中國(guó)。

從發(fā)展階段的成熟度看，10G-EPON標(biāo)準(zhǔn)于2009年發(fā)布，XG-PON標(biāo)準(zhǔn)于2010年發(fā)布，設(shè)備已成熟并規(guī)模部署；而5G R15版本NSA（Option 3）于2017年12月發(fā)布，R15版本 SA（Option 2）于2018年6月發(fā)布，設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)還處于發(fā)展初期。

從目標(biāo)客戶群看，光接入的客戶以家庭為主，中小企業(yè)為輔。5G的目標(biāo)客戶重點(diǎn)是To B、To C，盈利難。

光接入與5G各有特點(diǎn)，其關(guān)系不是互相替代，而是協(xié)調(diào)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)寬帶廣覆蓋。光接入可穩(wěn)定地提供高性能，已覆蓋上億家庭用戶和大量中小企業(yè)用戶，具備提供千兆速率的能力；5G可提供遠(yuǎn)高于4G的性能，適合于室外等用戶移動(dòng)場(chǎng)景以及垂直行業(yè)難以采用有線方式的場(chǎng)景，而且能夠快速靈活地提供臨時(shí)性覆蓋需求。行業(yè)應(yīng)合理利用光接入和5G兩種手段，建設(shè)光寬+5G雙千兆網(wǎng)絡(luò)，打造智能連接基礎(chǔ)設(shè)施。光接入和5G的協(xié)調(diào)發(fā)展，需要共同促進(jìn)高帶寬業(yè)務(wù)應(yīng)用的發(fā)展，如4K/8K高清視頻、云VR、云游戲等。光接入和5G的協(xié)調(diào)發(fā)展，需要推動(dòng)固移融合的技術(shù)發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)部署，在光纜、局所、DC（邊緣DC）、承載網(wǎng)等方面充分共享資源。

PON技術(shù)對(duì)5G前傳的支撐

光接入作為一種網(wǎng)絡(luò)接入方式，與5G是協(xié)同互補(bǔ)的關(guān)系；同時(shí)，光接入作為一種承載方式，能夠在5G承載中發(fā)揮作用。其中，N×25Gbit/s WDM PON承載5G前傳的eCPRI信號(hào)（25Gbit/s）就是一個(gè)典型案例。AAU與DU之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖直連是一種簡(jiǎn)單易行的方式，但在光纜資源不足的場(chǎng)景，就需要采用基于波分復(fù)用的技術(shù)。N×25Gbit/s WDM PON系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2? N×25Gbit/s WDM PON系統(tǒng)架構(gòu)

中國(guó)電信積極推動(dòng)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定，提出了既切合網(wǎng)絡(luò)需求、產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，又能經(jīng)濟(jì)合理、易于實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)。其中，最大光纖距離為10km，鏈路預(yù)算14dB，上下行均采用C Band波長(zhǎng)（單纖雙向），系統(tǒng)包括20通道、14通道兩種規(guī)格。ONU可以是獨(dú)立設(shè)備，也可以基于SFP內(nèi)置于AAU中；其基本要求是“無(wú)色”，通?；诳烧{(diào)激光器實(shí)現(xiàn)。以20通道系統(tǒng)為例，采用一芯光纖（不考慮引入纖）即可承載6個(gè)基站/18個(gè)AAU（其余2通道備用），而點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式（一般為雙纖雙向）需要36芯光纖，因此，該系統(tǒng)能夠有效節(jié)省光纖，在光纖資源緊張的場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)快速部署。

5G驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)及對(duì)光接入的啟示

SDN、NFV技術(shù)的發(fā)展，帶來(lái)了開(kāi)放、開(kāi)源、通用、白盒、虛擬化、微服務(wù)、自動(dòng)化、智能化、迭代式開(kāi)發(fā)、灰度升級(jí)等一系列新理念、新思路、新方法，促進(jìn)了CT與IT的深度融合。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)融入了IT、NFV、SDN技術(shù)的理念和思路，與4G相比發(fā)生了根本性變革。5G網(wǎng)絡(luò)成為NFV、SDN落地和規(guī)模部署的最佳機(jī)遇、最主要場(chǎng)景，將有力推動(dòng)NFV、SDN技術(shù)的不斷成熟，推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)重構(gòu)的持續(xù)深化。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示，其主要特點(diǎn)是：第一，5G核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了控制與轉(zhuǎn)發(fā)的完全分離，用戶面網(wǎng)元為UPF，控制面的主要網(wǎng)元包括AMF、SMF、AUSF、UDM、PCF、NRF、NSSF、NEF等。第二，5G核心網(wǎng)的控制面采用服務(wù)化架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)功能（NF）細(xì)分和模塊化，可獨(dú)立演進(jìn)、按需部署、獨(dú)立擴(kuò)容，NF間以總線方式相聯(lián)系，每個(gè)NF接口以API方式呈現(xiàn)，供其它多個(gè)NF調(diào)用；“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”接口方式相比靈活性更強(qiáng)、擴(kuò)展性更好。

圖3 ?5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

轉(zhuǎn)控分離、SBA架構(gòu)有利于5GC采用NFV方式，基于NFVI提供的虛機(jī)、容器等方式部署，利用MANO實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元（網(wǎng)絡(luò)功能）的自動(dòng)化、智能化編排管理，最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能按需定制，靈活支持不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景和需求。5GC的控制面以計(jì)算功能為主，對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)性能要求不高，可以虛擬化，并基于通用服務(wù)器、采用軟件加速技術(shù)實(shí)現(xiàn)。5GC的用戶面（UPF）由于對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)性能，包括吞吐量、時(shí)延要求較高，其具體實(shí)現(xiàn)方式主要有三種：通用服務(wù)器+軟件加速方式、通用服務(wù)器＋智能網(wǎng)卡（硬件加速）方式和基于專用硬件的方式。綜合考慮性能與通用性，通用服務(wù)器＋智能網(wǎng)卡（硬件加速）方式是未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向，應(yīng)大力推動(dòng)智能網(wǎng)卡的異廠商通用。

5G無(wú)線網(wǎng)（NG-RAN）中，AAU采用專用硬件。對(duì)于CU、DU，現(xiàn)階段比較成熟的是二者合設(shè)并基于專用硬件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化部署和維護(hù)，降低時(shí)延。隨著技術(shù)的發(fā)展，CU、DU虛擬化方面也有不少研究和方案。由于無(wú)線接入網(wǎng)與光接入網(wǎng)有一定的相似性，這方面的進(jìn)展作為他山之石，值得借鑒。日本新興移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商Rakuten的4G網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)線網(wǎng)、核心網(wǎng)完全虛擬化的方式，并已規(guī)模部署，5G網(wǎng)絡(luò)也準(zhǔn)備引入虛擬化的DU、CU。由于5G DU的復(fù)雜度大大增加，基于智能網(wǎng)卡的方案是方向。當(dāng)然，這些方案都處于發(fā)展初期，后續(xù)還需對(duì)性能、功耗、成本等因素進(jìn)行綜合評(píng)估。

近年來(lái)，在國(guó)際上光接入網(wǎng)架構(gòu)的演進(jìn)方面也有很多探索。例如，BBF提出了 Cloud CO架構(gòu)（TR-384）；同時(shí)，引入BAA，并成立開(kāi)源項(xiàng)目，主要面向基于專用硬件（PNF）的設(shè)備，基于標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)接入設(shè)備進(jìn)行兩級(jí)抽象，形成技術(shù)無(wú)關(guān)、廠商無(wú)關(guān)的模型，構(gòu)建抽象業(yè)務(wù)參數(shù)與物理參數(shù)的映射。AT&T率先提出CO重構(gòu)（CORD），并以固移融合為目標(biāo)，基于同一架構(gòu)實(shí)現(xiàn)R-CORD、M-CORD和E-CORD。AT&T主導(dǎo)了OLT硬件抽象（VOLTHA），并進(jìn)行開(kāi)源，用于向上層（如SDN-C）屏蔽PON技術(shù)細(xì)節(jié)（如T-CONT、GEM port、OMCI等），將PON設(shè)備抽象為可編程的以太網(wǎng)交換機(jī)。近期ONF啟動(dòng)了固移融合的COMAC項(xiàng)目，提出PON與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的接入控制融合、固移核心網(wǎng)用戶面融合的方案。

就目前來(lái)看，光接入網(wǎng)架構(gòu)的演進(jìn)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，很可能與下一代PON技術(shù)引入相結(jié)合。

圖4是光接入網(wǎng)一種可能的演進(jìn)架構(gòu)。OLT存在無(wú)法虛擬化的部分（pOLT），包含OLT用戶面以及對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的控制功能；基于SDN的集中管理是必要的，而且是管控一體的，非實(shí)時(shí)性控制功能虛擬化實(shí)現(xiàn)（vOLT），并與SDNC結(jié)合集中部署；OLT新功能的引入可以在vOLT/SDN-C實(shí)現(xiàn)，也可能通過(guò)SDN-C北向接口在更高層面實(shí)現(xiàn)。由于OLT虛擬化還是個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，近期應(yīng)重點(diǎn)推動(dòng)PON YANG模型的標(biāo)準(zhǔn)化。中國(guó)電信積極參與BBF WT-383、WT-385項(xiàng)目，主導(dǎo)WT-431、SD-418項(xiàng)目，同時(shí)制定PON YANG模型企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)控制器和PON設(shè)備對(duì)YANG1.1版本（RFC 7950）的支持。

圖4 光接入網(wǎng)一種可能的演進(jìn)架構(gòu)

OLT哪些功能適合虛擬化，需綜合考慮性能、成本、集成度、功耗等因素，并結(jié)合機(jī)房位置、條件等因素考慮。圖5為固移融合的邊緣云的一種可能架構(gòu)，OLT在其中的作用有多種可能性，例如，專用硬件（PNF）、專用硬件+虛擬化（PNF+VNF）、專用硬件并內(nèi)置擬化基礎(chǔ)設(shè)施（PNF+NFVI）等。應(yīng)積極儲(chǔ)備接入局所作為未來(lái)超低時(shí)延、固移融合邊緣DC的能力。

圖5 OLT與固移融合的邊緣云

光接入下一步的發(fā)展

在5G等移動(dòng)通信發(fā)展的同時(shí)，光接入技術(shù)也在持續(xù)推進(jìn)中。目前，10G PON技術(shù)（含10G-EPON/XG-PON）已經(jīng)規(guī)模部署，下一步應(yīng)如何演進(jìn)？需要回答的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，采用單波長(zhǎng)還是多波長(zhǎng)？每波長(zhǎng)什么速率合適，25Gbit/s或50Gbit/s，還是100Gbit/s？這方面，產(chǎn)業(yè)界的不同國(guó)家的運(yùn)營(yíng)商、廠商、專家提出了許多不同觀點(diǎn)。

中國(guó)已成為世界上規(guī)模最大的寬帶接入市場(chǎng)，有必要也有能力提出適合國(guó)情的技術(shù)演進(jìn)路徑?？紤]到設(shè)備成本和維護(hù)難度，單波長(zhǎng)系統(tǒng)更優(yōu)。25Gbit/s對(duì)現(xiàn)有的10Gbit/s提升有限，而100Gbit/s實(shí)現(xiàn)難度太大，50Gbit/s最為合適。經(jīng)過(guò)中國(guó)電信與國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商、廠商、研究單位等聯(lián)合推動(dòng)，經(jīng)過(guò)激烈討論，50G TDM PON于2018年在ITU-T成功立項(xiàng)。

目前，下一代PON總體要求（G.hsp.req）的研究不斷推進(jìn)，也取得一些初步共識(shí)。50G TDM PON速率（DS/US）包括50G/10G，50G/25G，50G/50G三種。在波長(zhǎng)選擇方面，下行為1342nm ±2nm，上行仍然待定。其基本思路為：選擇O-band以降低ONU成本；在同一PON口下僅考慮兩代技術(shù)共存，不考慮三代共存，以節(jié)省波長(zhǎng)資源；同一代技術(shù)的不同速率以TDM方式共存，相鄰代技術(shù)以WDM方式共存；考慮到不同運(yùn)營(yíng)商的演進(jìn)路徑不同，不同代的上行波長(zhǎng)交替使用1260~1280nm、1290~1310nm窗口。對(duì)中國(guó)而言，50G TDM PON僅考慮與XG-PON（或10G-EPON）在一個(gè)PON口下共存，重用GPON上行波長(zhǎng)（1290~1310nm窗口）。

小結(jié)

5G背景下的光接入獲得了新的活力，將持續(xù)創(chuàng)新，持續(xù)發(fā)展，不斷邁上新臺(tái)階。