2019年6月6日工信部正式發放5G牌照,意味著我國5G建設將進入一個快速上升期。每當新一代移動通信技術開始部署時,人們常常會有疑問:它是否會取代固定接入?從網絡接入、網絡承載和網絡架構三大角度看,光接入與5G有各自不同的特點和適用場景,光接入能夠對5G網絡提供承載,二者協同互補,提供高速率和廣覆蓋,此外,固移融合、云網融合將成為光接入與5G的共同趨勢。
光接入與5G的關系
事實上,光接入與5G有不同的特點和定位。
從速率角度看,對于光接入,10G-EPON系統下行速率10Gbit/s,上行速率10Gbit/s或1Gbit/s;XG-PON系統下行速率10Gbit/s,上行速率2.5Gbit/s;單用戶速率與ONU(家庭網關)設備接口類型、數量及設備轉發能力相關,下行具備數千兆的接入能力。反觀5G,IMT-2020提出的目標為峰值速率20Gbit/s、用戶體驗速率100Mbit/s(如圖1所示)。事實上,對于Sub 6G頻段、100MHz帶寬,無法實現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(從實際測試情況看,單小區峰值速率在8流時可接近3Gbit/s,在理想條件下實現更高流數時可達10Gbit/s;單用戶速率(2T4R終端)取決于無線環境,可達數百兆、甚至超過1Gbit/s)。
圖1? IMT-2020關鍵能力目標
從時延角度看,對于光接入(TDM PON系統),下行時延<1ms,上行時延<1.5ms。對于5G,3GPP標準(TR38.913)提出無線網用戶面單向時延(DL/UL)目標值,eMBB為4ms,uRLLC為0.5ms。基于R15標準的系統僅能實現4ms左右的時延,無法實現IMT-2020提出1ms(如圖1所示)的目標。超低時延需空口新機制,甚至新頻段(目前3.5GHz為TDD,FDD更有利于降低時延)。盡管如此,由于5G核心網支持邊緣計算,從網絡架構上降低時延,有可能實現端到端時延10ms以內,與4G網絡相比明顯降低,已經能夠滿足多數業務的需求。
從覆蓋場景看,光接入更適合覆蓋室內。而5G主要覆蓋室外,目前室內覆蓋方案需進一步研究。對于商務樓,5G室內分布系統無法重用3G/4G(模擬系統),需新建(數字系統);而對于居民樓,建設室分系統成本高,室外基站覆蓋室內效果有限。另外,國外5G發展初期應用于光纖無法覆蓋的場景,提供固定無線接入,但這不適用于中國。
從發展階段的成熟度看,10G-EPON標準于2009年發布,XG-PON標準于2010年發布,設備已成熟并規模部署;而5G R15版本NSA(Option 3)于2017年12月發布,R15版本 SA(Option 2)于2018年6月發布,設備和網絡還處于發展初期。
從目標客戶群看,光接入的客戶以家庭為主,中小企業為輔。5G的目標客戶重點是To B、To C,盈利難。
光接入與5G各有特點,其關系不是互相替代,而是協調發展、實現寬帶廣覆蓋。光接入可穩定地提供高性能,已覆蓋上億家庭用戶和大量中小企業用戶,具備提供千兆速率的能力;5G可提供遠高于4G的性能,適合于室外等用戶移動場景以及垂直行業難以采用有線方式的場景,而且能夠快速靈活地提供臨時性覆蓋需求。行業應合理利用光接入和5G兩種手段,建設光寬+5G雙千兆網絡,打造智能連接基礎設施。光接入和5G的協調發展,需要共同促進高帶寬業務應用的發展,如4K/8K高清視頻、云VR、云游戲等。光接入和5G的協調發展,需要推動固移融合的技術發展和網絡部署,在光纜、局所、DC(邊緣DC)、承載網等方面充分共享資源。
PON技術對5G前傳的支撐
光接入作為一種網絡接入方式,與5G是協同互補的關系;同時,光接入作為一種承載方式,能夠在5G承載中發揮作用。其中,N×25Gbit/s WDM PON承載5G前傳的eCPRI信號(25Gbit/s)就是一個典型案例。AAU與DU之間的點對點光纖直連是一種簡單易行的方式,但在光纜資源不足的場景,就需要采用基于波分復用的技術。N×25Gbit/s WDM PON系統架構如圖2所示。
圖2? N×25Gbit/s WDM PON系統架構
中國電信積極推動相關行業標準制定,提出了既切合網絡需求、產業現狀,又能經濟合理、易于實現的技術指標。其中,最大光纖距離為10km,鏈路預算14dB,上下行均采用C Band波長(單纖雙向),系統包括20通道、14通道兩種規格。ONU可以是獨立設備,也可以基于SFP內置于AAU中;其基本要求是“無色”,通常基于可調激光器實現。以20通道系統為例,采用一芯光纖(不考慮引入纖)即可承載6個基站/18個AAU(其余2通道備用),而點對點方式(一般為雙纖雙向)需要36芯光纖,因此,該系統能夠有效節省光纖,在光纖資源緊張的場景實現快速部署。
5G驅動網絡重構及對光接入的啟示
SDN、NFV技術的發展,帶來了開放、開源、通用、白盒、虛擬化、微服務、自動化、智能化、迭代式開發、灰度升級等一系列新理念、新思路、新方法,促進了CT與IT的深度融合。5G網絡架構的設計融入了IT、NFV、SDN技術的理念和思路,與4G相比發生了根本性變革。5G網絡成為NFV、SDN落地和規模部署的最佳機遇、最主要場景,將有力推動NFV、SDN技術的不斷成熟,推動網絡架構重構的持續深化。
5G網絡架構如圖3所示,其主要特點是:第一,5G核心網實現了控制與轉發的完全分離,用戶面網元為UPF,控制面的主要網元包括AMF、SMF、AUSF、UDM、PCF、NRF、NSSF、NEF等。第二,5G核心網的控制面采用服務化架構,網絡功能(NF)細分和模塊化,可獨立演進、按需部署、獨立擴容,NF間以總線方式相聯系,每個NF接口以API方式呈現,供其它多個NF調用;“點對點”接口方式相比靈活性更強、擴展性更好。
圖3 ?5G網絡架構
轉控分離、SBA架構有利于5GC采用NFV方式,基于NFVI提供的虛機、容器等方式部署,利用MANO實現網元(網絡功能)的自動化、智能化編排管理,最終實現網絡功能按需定制,靈活支持不同業務場景和需求。5GC的控制面以計算功能為主,對轉發性能要求不高,可以虛擬化,并基于通用服務器、采用軟件加速技術實現。5GC的用戶面(UPF)由于對轉發性能,包括吞吐量、時延要求較高,其具體實現方式主要有三種:通用服務器+軟件加速方式、通用服務器+智能網卡(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,通用服務器+智能網卡(硬件加速)方式是未來的重點發展方向,應大力推動智能網卡的異廠商通用。
5G無線網(NG-RAN)中,AAU采用專用硬件。對于CU、DU,現階段比較成熟的是二者合設并基于專用硬件實現,以簡化部署和維護,降低時延。隨著技術的發展,CU、DU虛擬化方面也有不少研究和方案。由于無線接入網與光接入網有一定的相似性,這方面的進展作為他山之石,值得借鑒。日本新興移動運營商Rakuten的4G網絡采用無線網、核心網完全虛擬化的方式,并已規模部署,5G網絡也準備引入虛擬化的DU、CU。由于5G DU的復雜度大大增加,基于智能網卡的方案是方向。當然,這些方案都處于發展初期,后續還需對性能、功耗、成本等因素進行綜合評估。
近年來,在國際上光接入網架構的演進方面也有很多探索。例如,BBF提出了 Cloud CO架構(TR-384);同時,引入BAA,并成立開源項目,主要面向基于專用硬件(PNF)的設備,基于標準模型對接入設備進行兩級抽象,形成技術無關、廠商無關的模型,構建抽象業務參數與物理參數的映射。AT&T率先提出CO重構(CORD),并以固移融合為目標,基于同一架構實現R-CORD、M-CORD和E-CORD。AT&T主導了OLT硬件抽象(VOLTHA),并進行開源,用于向上層(如SDN-C)屏蔽PON技術細節(如T-CONT、GEM port、OMCI等),將PON設備抽象為可編程的以太網交換機。近期ONF啟動了固移融合的COMAC項目,提出PON與移動網絡的接入控制融合、固移核心網用戶面融合的方案。
就目前來看,光接入網架構的演進是一個長期的過程,很可能與下一代PON技術引入相結合。
圖4是光接入網一種可能的演進架構。OLT存在無法虛擬化的部分(pOLT),包含OLT用戶面以及對實時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,非實時性控制功能虛擬化實現(vOLT),并與SDNC結合集中部署;OLT新功能的引入可以在vOLT/SDN-C實現,也可能通過SDN-C北向接口在更高層面實現。由于OLT虛擬化還是個長期的過程,近期應重點推動PON YANG模型的標準化。中國電信積極參與BBF WT-383、WT-385項目,主導WT-431、SD-418項目,同時制定PON YANG模型企業標準,推動控制器和PON設備對YANG1.1版本(RFC 7950)的支持。
圖4 光接入網一種可能的演進架構
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,并結合機房位置、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,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)、專用硬件并內置擬化基礎設施(PNF+NFVI)等。應積極儲備接入局所作為未來超低時延、固移融合邊緣DC的能力。
圖5 OLT與固移融合的邊緣云
光接入下一步的發展
在5G等移動通信發展的同時,光接入技術也在持續推進中。目前,10G PON技術(含10G-EPON/XG-PON)已經規模部署,下一步應如何演進?需要回答的兩個關鍵問題是,采用單波長還是多波長?每波長什么速率合適,25Gbit/s或50Gbit/s,還是100Gbit/s?這方面,產業界的不同國家的運營商、廠商、專家提出了許多不同觀點。
中國已成為世界上規模最大的寬帶接入市場,有必要也有能力提出適合國情的技術演進路徑。考慮到設備成本和維護難度,單波長系統更優。25Gbit/s對現有的10Gbit/s提升有限,而100Gbit/s實現難度太大,50Gbit/s最為合適。經過中國電信與國內運營商、廠商、研究單位等聯合推動,經過激烈討論,50G TDM PON于2018年在ITU-T成功立項。
目前,下一代PON總體要求(G.hsp.req)的研究不斷推進,也取得一些初步共識。50G TDM PON速率(DS/US)包括50G/10G,50G/25G,50G/50G三種。在波長選擇方面,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共存,不考慮三代共存,以節省波長資源;同一代技術的不同速率以TDM方式共存,相鄰代技術以WDM方式共存;考慮到不同運營商的演進路徑不同,不同代的上行波長交替使用1260~1280nm、1290~1310nm窗口。對中國而言,50G TDM PON僅考慮與XG-PON(或10G-EPON)在一個PON口下共存,重用GPON上行波長(1290~1310nm窗口)。
小結
5G背景下的光接入獲得了新的活力,將持續創新,持續發展,不斷邁上新臺階。
評論
查看更多