WDM/OTN在5G承载中的应用和关键技术探讨

　近几年来，移动网络向5G迈进成为业界焦点。5G应用场景逐渐清晰，标准制定在加速，技术研发不断取得突破，5G网络商用指日可待。5G网络的承载方案也在加紧讨论和研究。

　　5G将采用更宽的无线频谱，并通过Massive MIMO、高阶QAM等技术提升无线空口带宽，与4G网络相比，峰值带宽和用户体验带宽与4G网络相比提升了数10倍，对承载网提出了更大的带宽需求。5G时代，触觉互联网、自动驾驶等业务会逐渐引入和普及，这些uRLLC（超低时延）业务对时延要求为端到端1ms以内，分配给承载网的时延就更加苛刻，现有的承载网设备以及组网方式必须优化，满足新型业务发展需求。5G提出了网络切片，5G承载网也需要提供网络切片能力，可以将不同业务所需的网络资源灵活动态地分配和释放，并进一步动态优化网络连接，降低整网成本，提升效益。

5G网络架构变化对承载网络的影响

　　5G网络架构相对于4G有几个变化：

　　●　集中式的核心网演变成分散式核心网。将以前距终端较远的核心网用户面下沉，基于虚拟化技术将核心网物理实体分离成多个虚拟网元，分布在网络中，进行云化部署，地理位置上离终端更近，以减小时延。

　　●　无线接入网可能会看到更多的C-RAN。3G/4G时代C-RAN在降低整体成本、无线协作化抗干扰、节能降耗、简化运维等方面就已经体现出一些优势。5G阶段采用C-RAN架构更便于实现灵活的无线资源管理和功能灵活部署，满足移动边缘计算的需求，便于软硬件解耦，进一步增强无线网的软件化能力。

　　●　集站密度更大。5G会引入新的频谱，3.5GHz、6GHz+等频段比现在3G/4G的频段高，理论上覆盖距离更短，所需基站更多。对于热点高容量地区，还会采用超密集组网。

　　5G网络架构的这些变化也给承载网带来了影响：核心网业务锚点下移，回传网更加扁平化；C-RAN架构带来更多的前传网络，前传网要满足低成本、灵活组网的需求；光纤要进一步下移，需要部署更多的承载节点。

C-RAN下的前传网技术方案

　　C-RAN架构下前传网有多种技术选择，各有优缺点。

　　●　裸纤直驱。该方式在BBU和RRU间无需传输设备，时延最低，部署最简单；但是耗费大量光纤资源，在5G阶段基站密度增加时，会遇到光纤资源不足的问题。另外裸纤方案是且点到点直连，没有网络保护，不能给uRLLC业务提供高可靠性。

　　●　无源波分。该方式采用无源合分波器将多路波长复用到一根光纤传输，可以节省光纤资源，并且光器件引入的时延很小，无源设备不需加电，维护简单，设备成本低；但是需要RRU和BBU出彩光接口，增加了无线设备的成本，而且不是所有的无线设备都支持彩光，应用范围受限；在组环网或链型网时，由于中间节点的合分波器引入插损，光功率不足时传输距离会受限；没有线路的OAM和故障管理能力，一般不做保护。

　　●　WDM/OTN。该方式采用WDM/OTN实现多个站点多路前传信号的复用和透明传输，节省光纤资源，支持光层和电层的性能和故障检测等OAM功能，并能提供网络保护，保障业务的高可靠。WDM/OTN是L0/L1的传输技术，天然具有大带宽低时延的特性，可以对所有的业务同时进行低延时传输，并可以利用开销提供延时测量和补偿，在保护倒换时不会因为主备两条路由存在时延差而中断业务。该方案不要求无线设备出彩光，减少了无线设备部署的麻烦。缺点是设备成本较高，需要找到合适的解决方案。

　　●　Ethernet。目前业界也在讨论基于以太网的前传方案。该方式采用分组技术，利用统计复用特性实现流量汇聚，提高线路带宽利用率，支持点到多点传输，节省光纤资源。缺点是需要解决低时延业务的区分识别和快速转发、高精度同步等问题，并要兼容基于TDM技术的CPRI信号传输。目前IEEE已经成立了802.1 TSN任务组来研究时延敏感的以太网转发技术，成立了1914 NGFI工作组来研究CPRI over Ethernet和新的基于以太网的前传接口NGFI。

　　本文主要讨论WDM/OTN方案。

5G前传网变化和WDM/OTN承载方案

　　5G C-RAN中的BBU将被重构为CU和DU两个功能实体。CU设备主要包括非实时的无线高层协议处理功能，采用通用平台实现，也支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务的部署。DU设备主要处理物理层功能和实时HARQ流程、载波聚合等，可采用专用设备平台或“通用+专用”混合平台实现。对于大规模MIMO天线，部分物理层功能也可下移至RRU/AAU（有源天线单元）实现，以大幅减小RRU/AAU与DU之间的传输带宽，降低传输成本。CU和DU之间的带宽特性接近回传网，DU和RRU/AAU之间接口的标准化还没有达成共识，可能要等到5G新空口协议栈足够成熟和稳定后。目前业内有NGFI、eCPRI等各类方案，对于天线数不太多的RRU，也可以沿用CPRI接口。

　　根据CU、DU、RRU/AAU的放置位置不同，有不同的前传组网模式，如图1。具体采用哪种方式，要依据运营商的网络情况而定。

　　如果DU和RRU/AAU同站部署，他们之间通常以裸纤直连为主。如果DU按一定规模集中部署，DU和RRU/AAU之间对应一级前传（见图2）。由于DU实时性处理对时延的要求，一级前传距离应小于10km。这种情况下，可以采用WDM/OTN的Muxponder将多个RRU/AAU的10Gbps或25Gbps的CPRI或eCPRI信号复用到100/200Gbps高速信号后传送到DU，满足大带宽的传输需求。按照光纤路由可灵活组建点到点、链型、环形网络，节省光纤数量，在点到点组网的情况下还可采用单纤双向技术进一步减少光纤使用。可提供光通道保护，满足业务高可靠性要求。一级前传采用WDM/OTN设备成本还比较高，目前在考虑成本优化方案。

　　CU和DU之间对应二级前传，一般以环网为主（见图3）。采用WDM/OTN技术可实现波长在光层穿通中间站点一跳直达，满足大带宽低时延要求，可配置光通道保护满足高可靠业务要求。由于不同传输站点的DU容量可能不同，各传输站点的波长可配置不同的速率，以满足不同的DU容量需求，并且各接入站点可单独扩容和升级，不影响其他站点。如果OTN集成分组增强功能（E-OTN），在CU站点可实现业务汇聚和灵活转发，在DU站点可对多个DU的业务进行汇聚收敛。

　　采用相同的E-OTN设备，也可以提供100G环网方案。DU数量较少业务量小的多个站点可以用ODUflex子波长相连组成一个分组环，多站点业务统计复用，提高带宽利用率；业务量较大的站点（DU池），可以ODUflex子波长在中间站点交叉连接穿通直达CU站点。或者不同类型的业务采用不同的ODUflex分片传送，如eMBB业务采用分组环网逐点转发，uRLLC业务采用L1穿通直达，减少延时。ODUflex的带宽以1.25G为颗粒灵活可调，100G的环网总带宽可以在多个站点多个逻辑环网间灵活分配。

　　WDM/OTN设备引入的时延相对其他技术来说要低很多，但5G前传网络对时延要求非常苛刻，一级前传光纤加传输设备总的时延要求在50µs以内，二级前传的时延也是越低越好。仅在组网方式上减少光纤路径缩短时延是不够的，设备引入的时延需要从以前的几十µs减少到10µs以内。中兴通讯的WDM/OTN设备通过减少缓存时间、自动调整缓存深度、内部若干处理步骤串行转并行、提升处理时钟频率、FEC模式优选、算法优化、光模块优化等多种技术，可将设备引入的时延降到几µs量级。

　　另外，针对5G前传场景，业内也在研究新的轻量级的OTN标准，以降低设备成本，进一步降低时延，实现带宽灵活配置等。比如：优化OTN帧结构，使得线路侧接口可引入低成本的光器件；改变检错和纠错机制，缩短缓存时间降低时延；简化OTN开销，减少设备处理；在业务映射和时隙结构方面考虑兼容3G/4G前传的CPRI、5G的eCPRI和NGFI等。

固移融合统一回传和WDM/OTN承载方案

　　在移动网络向5G演进的同时，CO重构也在进行。本地网内传统的CO机房逐步改造为属地化的边缘DC，基于SDN/NFV技术，使用通用服务器取代传统网元的各类专用设备，进行云化部署。5G核心网的用户面vEPC将会下沉，与固网的vBNG、vCPE、vCDN等一起，分散部署在边缘DC。通过共同部署和资源共享，大幅减少CO机房数量，节约机房维护成本。

　　同时，运营商综合业务接入点（PoP）的建设和完善，也实现了移动业务、固网业务、专线业务的统一接入和汇聚。随着CU、MEC、OLT、CDN等网元的虚拟化，未来综合业务接入点也将演进成一个小型DC。

　　未来城域网的流量将会是以Edge DC到PoP点之间的南北向流量，以及Edge DC之间和PoP点之间的东西向流量为主。5G阶段的回传网也将会是固移业务统一承载的数据中心互联网络（见图4）。各级DC通过OTN光传送网高速互联，减少中间分组节点转发的次数，降低整网成本。光网络构建带宽资源池，根据DC间流量进行带宽按需配置和合理调整。

　　5G回传网可以通过IP网络和光网络协同来实现（见图5）。IP网络和光网络是未来承载网络最基础的设施。路由器间的大流量IP业务通过光层通道直连，减少中间路由跳数，降低了网络时延，提升了路由器的吞吐量，IP网络和光网络协同实现多层网络保护和恢复，提升业务的安全性。采用IP+光方案，路由器的业务灵活转发能力和光网络的大容量低时延传送能力都能发挥到最大，有利于IP和光各自独立演进。

　　5G回传网也可以基于E-OTN来实现。OTN集成分组功能，既可以在L2和L3实现业务的汇聚和灵活转发，又可以在L0和L1实现大容量低时延的业务传送。采用单一的传输设备，整网的建设和维护成本最低。

　　回传网拓扑复杂，OTN节点设备采用光交叉和电交叉的光电混合调度是满足高速传送、灵活调度、多样性组网的最好方式。大颗粒业务在光层调度，中小颗粒业务在电层调度，光电配合整体功耗也是最低的。网络可分层次建设，汇聚层以环网为主，线路侧单波速率100G或超100G，采用4维mini ROADM和10T级别的电交叉。核心层以Mesh网为主，线路侧单波速率超100G，采用9~20维ROADM和大容量电交叉；基于智能控制平面实现端到端业务部署、资源动态计算和调整、备用路径自动计算和故障时快速倒换；既满足业务发展的带宽需求，又保证业务调度的灵活性和网络的可靠性。

光网络SDN化支撑5G网络分片和智能化运营

　　5G网络切片是端到端的，包括无线接入网、核心网和承载网。作为承载网的一部分，WDM/OTN光网络SDN化，可以开展带宽按需配置和调整BoD、光虚拟专网OVPN等应用，可在跨域跨厂商的大网环境下实现快速业务部署，减少运营人力，可进行分组+光的跨层协同，降低整网的建设和运营成本，可对数据中心间互联带宽进行自动调度。这些都为未来融入整体的网络架构，支持端到端的5G网络分片和智能化运营做好充足的准备。

总结

　　5G给人们的工作和生活带来更多样的服务，更好的业务体验，5G网络需要以承载网为依托，并对承载网提出了更高的要求。OTN光传送网作为基础的承载技术，提供大带宽、低时延、灵活分片、高可靠性、开放协同的能力，适合在5G时代新网络架构下的前传和回传组网，并能同时支撑运营商固网等其他业务的发展，满足未来网络持续演进的述求。光与无线的结合，必将打造一个极速极致的万物互联世界。