趙　鑫　中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所寬帶網(wǎng)絡(luò)研究部工程師趙文玉　中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所寬帶網(wǎng)絡(luò)研究部主任工程師湯　瑞　中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所寬帶網(wǎng)絡(luò)研究部高級工程師賴俊森　中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所寬帶網(wǎng)絡(luò)研究部高級工程師

面向5G的光傳送網(wǎng)需求及挑戰(zhàn)*

趙鑫中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所寬帶網(wǎng)絡(luò)研究部工程師
趙文玉中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所寬帶網(wǎng)絡(luò)研究部主任工程師
湯瑞中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所寬帶網(wǎng)絡(luò)研究部高級工程師
賴俊森中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所寬帶網(wǎng)絡(luò)研究部高級工程師

通過研究5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)架的特點與要求，結(jié)合光傳送網(wǎng)技術(shù)發(fā)展和演進情況，分析了面向5G的光傳送網(wǎng)需求及發(fā)展挑戰(zhàn)。

5G；光傳送網(wǎng)；需求及挑戰(zhàn)

1　引言

第五代移動通信（5G）已成為全球研發(fā)的技術(shù)熱點，“信息隨心至，萬物觸手及”的5G總體愿景時代也將逐步來臨。2012年ITU成立了2020及之后的國際移動通信（IMT）項目，為全球的5G研究和發(fā)展提供框架，并于2015年5月成立了IMT-2020（5G）焦點組，對5G技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化進行研究。另外，2016年3GPP立項RP-160671研究項目，擬目標(biāo)定義一種全新5G無線接入技術(shù)。我國也于2013年2月成立了IMT-2020 （5G）推進組，并于2014年5月發(fā)布5G愿景與需求白皮書，明確5G網(wǎng)絡(luò)的愿景和基本需求。從5G網(wǎng)絡(luò)目前擬定的發(fā)展目標(biāo)來看，5G網(wǎng)絡(luò)主要滿足未來人們超高流量密度，超高連接數(shù)密度，超高移動性的需求，以便為用戶提供高清視頻、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、云桌面、在線游戲等極致業(yè)務(wù)體驗，5G網(wǎng)絡(luò)還將進一步大幅改善網(wǎng)絡(luò)建設(shè)運營的能耗與成本效率，全面提升服務(wù)創(chuàng)新能力，拓展移動通信產(chǎn)業(yè)空間。

隨著5G業(yè)務(wù)需求及新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)架的提出，如何推動光傳送網(wǎng)技術(shù)革新以更好滿足未來5G網(wǎng)絡(luò)傳輸要求，已成為光網(wǎng)絡(luò)研究熱點。本文將圍繞5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)特性、光傳送網(wǎng)功能需求以及光傳送網(wǎng)的發(fā)展挑戰(zhàn)等幾個方面，分析面向5G網(wǎng)絡(luò)的光傳送網(wǎng)需求及面臨的挑戰(zhàn)。

2　5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)特性

5G網(wǎng)絡(luò)主要面向移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，涉及連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠等應(yīng)用場景。前兩種場景主要面向移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，后兩種場景主要面向物聯(lián)網(wǎng)及垂直行業(yè)應(yīng)用。5G網(wǎng)絡(luò)按照網(wǎng)絡(luò)功能框架劃分為接入平面、控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面3個功能層面，如圖1所示。其中，控制平面主要負責(zé)全局控制策略的生成，接入平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面主要負責(zé)策略執(zhí)行。

5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景主要包括4個方面，即連續(xù)廣域覆蓋場景、熱點高容量場景、低功耗大連接場景和低時延高可靠場景，不同應(yīng)用場景面臨的性能挑戰(zhàn)有所不同，用戶體驗速率、連接數(shù)密度、端到端時延、移動性、流量密度和用戶峰值速率都已成為不同場景的挑戰(zhàn)性指標(biāo)，5G網(wǎng)絡(luò)擬定的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)見表1。

3　光傳送網(wǎng)功能需求

從5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來看，光傳送網(wǎng)位于5G網(wǎng)絡(luò)的控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面之間，是5G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)。面對5G網(wǎng)絡(luò)更為嚴(yán)苛的傳輸性能和組網(wǎng)功能要求，光傳送網(wǎng)需要提供性能更優(yōu)質(zhì)、功能更靈活、運營更智能更友好的基礎(chǔ)帶寬承載能力，具體如下：

圖1　5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（圖片源于：5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)白皮書）

表1　5G關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

（1）大帶寬和高容量

面向2020年及未來，移動數(shù)據(jù)流量將出現(xiàn)爆炸式增長。預(yù)計2010—2020年全球移動數(shù)據(jù)流量增長將超過200倍，2010—2030年將增長近2萬倍。同時，5G網(wǎng)絡(luò)要求可提隨時隨地為用戶提供100Mbit/s以上的用戶體驗速率，局部熱點區(qū)域需要滿足1Gbit/s用戶體驗速率、數(shù)10Gbit/s峰值速率和數(shù)10Tbit/s/km2流量密度。海量數(shù)據(jù)流量需要光傳送網(wǎng)提供更大帶寬和更高容量的基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)，包括前傳網(wǎng)絡(luò)、回傳網(wǎng)絡(luò)以及核心網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)等，以滿足5G網(wǎng)絡(luò)的整體需求愿景。從光傳送網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展來看，光傳送網(wǎng)絡(luò)干線已全面進入100Gbit/s時代并向城域逐漸延伸，超100Gbit/s尤其是400Gbit/s的光傳送技術(shù)也隨著高階調(diào)制、新型超低損耗和大有效面積光纖、靈活柵格、低噪聲放大器、更高增益FEC和高效非線性補償方案等技術(shù)的研究而不斷發(fā)展成熟，面向5G的光傳送網(wǎng)在更大帶寬和更高容量的提供方面將面臨多種技術(shù)選擇。

（2）低時延

5G網(wǎng)絡(luò)在互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的實際應(yīng)用中，對低時延提出了更高、甚至苛刻的需求愿景，空口延時小于1ms，端到端時延為ms級。這種ms級的低時延應(yīng)用場景的業(yè)務(wù)需求，要求光傳送網(wǎng)既能提供極低的傳送時延，又要提供極低的處理時延。通過現(xiàn)有光傳送網(wǎng)絡(luò)的端到端傳輸時延分析驗證，光傳送網(wǎng)的端到端時延主要為光纖傳輸路徑引入的傳輸時延、FEC算法和電中繼時延，其中光傳送網(wǎng)的端到端時延大約80％以上為光纖傳輸時延，因此光傳送網(wǎng)中有效降低時延的方法之一是采用業(yè)務(wù)傳輸路徑最短方案進行業(yè)務(wù)路徑規(guī)劃和開通。除此之外，采用超低損光纖、RAMAN放大器和光電混合交叉等方式來減少電中繼站點數(shù)量，同時降低FEC算法復(fù)雜度等方法也將有更多的應(yīng)用場景和需求。

（3）高可靠

5G網(wǎng)絡(luò)要求穩(wěn)定性和可靠性高于99.999％，這就要求光傳送網(wǎng)同樣需要提供非常高的傳輸可靠性保證。目前，光傳送網(wǎng)已實現(xiàn)OLP、OMSP、OCH和ODUkSNCP等針對不同層次的業(yè)務(wù)保護方案，而且現(xiàn)網(wǎng)運行的光傳送網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型大多為環(huán)形組網(wǎng)，此種組網(wǎng)方式的主備路徑時延差往往較大，不適用于5G網(wǎng)絡(luò)對低時延的要求，同時也不適用于5G網(wǎng)絡(luò)對高可靠性的要求。因此，需要對光傳送網(wǎng)進行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級，利用光電混合交叉等技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)調(diào)整和智能控制功能的結(jié)合，有效提高光傳送網(wǎng)的可靠性和業(yè)務(wù)健壯性，結(jié)合最短傳輸路徑選擇策略，構(gòu)建低時延、高可靠的光傳送網(wǎng)絡(luò)。

（4）靈活化

5G網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)類型將更加豐富，同時更多的應(yīng)用場景要求業(yè)務(wù)開通的時效性及業(yè)務(wù)帶寬靈活可變等，這就要求光傳送網(wǎng)同樣具備靈活承載帶寬的動態(tài)指派能力。近年來，光傳送網(wǎng)為了滿足業(yè)務(wù)靈活性的需求，不斷引入了ODUflex，G.HAO和GMP等技術(shù)，同時結(jié)合已有的ROADM、靈活柵格、可變收發(fā)和電交叉等技術(shù)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的靈活映射和復(fù)用，以及光層和電層相結(jié)合的靈活調(diào)度能力，有效提高帶寬管道的靈活性。

（5）智能化

5G網(wǎng)絡(luò)將具備更加靈活、智能、高效和開放的特點，這就要求光傳送網(wǎng)需要支持軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）控制架構(gòu)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力的優(yōu)化升級。5G網(wǎng)絡(luò)將以SDN作為基礎(chǔ)技術(shù)，真正實現(xiàn)控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面的分離，使整個網(wǎng)絡(luò)變得更加靈活、智能、高效和開放。光傳送網(wǎng)引入SDN功能后在5G網(wǎng)絡(luò)中的主要優(yōu)勢包括：引入集中控制，提高控制平面智能決策能力，提升業(yè)務(wù)的部署效率和網(wǎng)絡(luò)資源利用效率；利用網(wǎng)絡(luò)虛擬化和資源抽象技術(shù)，成功完成軟硬件的解耦，通過開放和標(biāo)準(zhǔn)化接口實現(xiàn)控制器互聯(lián)，簡化運維管理；通過開放網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層接口，提供光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)可編程能力，可實現(xiàn)帶寬靈活提供、光網(wǎng)絡(luò)VPN等新型定制化、增值化的業(yè)務(wù)需求。

4　光傳送網(wǎng)發(fā)展挑戰(zhàn)

作為主要承載網(wǎng)絡(luò)的光傳送網(wǎng)，面對5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬和高容量、低時延、高可靠、靈活化和智能化等承載需求，結(jié)合光傳送網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，其未來發(fā)展將面臨如下一些挑戰(zhàn)：

（1）光傳輸技術(shù)方案選擇及實現(xiàn)

按照移動網(wǎng)絡(luò)的典型承載需求，傳送網(wǎng)絡(luò)主要由前傳網(wǎng)絡(luò)、回傳網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)等組成。按照目前5G愿景的發(fā)展目標(biāo)，無論是前傳，還是回傳和核心網(wǎng)傳輸，光傳送網(wǎng)均面臨技術(shù)方案選擇及實現(xiàn)的多樣化挑戰(zhàn)，尤其是前傳網(wǎng)絡(luò)更為明顯，典型如超大容量和高密集的無線接入已經(jīng)使得前傳網(wǎng)絡(luò)的光纖直驅(qū)模式在5G網(wǎng)絡(luò)中無法普遍應(yīng)用。選擇何種滿足前傳性能和功能要求的傳輸技術(shù)、無線前傳網(wǎng)元之間的有線接口制式等仍需進一步研究，尤其是5G網(wǎng)絡(luò)目前從整體上尚未對于端到端性能指標(biāo)的劃分、無線網(wǎng)元前傳功能的分割等進一步明確。面向5G的光傳輸方案選擇及具體實現(xiàn)仍面臨巨大的挑戰(zhàn)性和不確定性。

（2）低時延和靈活化高性能方案選擇及實現(xiàn)

端到端ms量級的超低時延是5G網(wǎng)絡(luò)典型的性能要求，而靈活化將是5G網(wǎng)絡(luò)面向用戶的基本屬性。前面已經(jīng)提及，光傳送網(wǎng)長距離組網(wǎng)時主要時延由物理光纖鏈路帶來，而光纖鏈路時延長一般除了選擇更優(yōu)的物理鏈路路由之外無其他技術(shù)解決方法，因此光傳送網(wǎng)降低時延的技術(shù)將主要聚焦于節(jié)點處理，其中最主要的是電層信號處理，譬如FEC和DSP處理技術(shù)等，由于這些技術(shù)的處理時延與傳輸性能成反比關(guān)系，如何在保證傳輸性能的同時進一步降低處理時延將面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。另外，為了適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)應(yīng)用的靈活化，光傳送網(wǎng)需要提供承載帶寬的靈活化，需要采用譬如基于電層的帶寬調(diào)整（G.HAO、FlexO/E等）、基于光層的帶寬調(diào)整（靈活柵格、可調(diào)收發(fā)等）等來實現(xiàn)，但這些帶寬的靈活調(diào)整如何與5G業(yè)務(wù)的實際應(yīng)用進行無縫的配合（同時也包括傳送網(wǎng)在前傳網(wǎng)絡(luò)、回傳網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)之間的靈活化協(xié)同等），仍然面臨很多問題需要進一步研究。

（3）與其他網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)和互通

5G網(wǎng)絡(luò)的承載網(wǎng)絡(luò)除了光傳送網(wǎng)之外，還包括IP承載網(wǎng)、以及基于其他形式（譬如無線承載）的承載網(wǎng)，在具體5G網(wǎng)絡(luò)承載中如何實現(xiàn)不同承載網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)功能的合理分配并實現(xiàn)無障礙互通，仍面臨很多需要進一步研究和探討的問題，尤其是5G網(wǎng)絡(luò)將采用SDN/NFV架構(gòu)，如何在不同層次網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)，尤其是SDN架構(gòu)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，將是SDN技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用必須解決的重要問題之一。

5　結(jié)束語

5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對現(xiàn)有光傳送網(wǎng)絡(luò)提出了大帶寬、高容量、低時延、高可靠、靈活管道和智能化等諸多新需求，同時也給光傳送網(wǎng)未來發(fā)展帶來巨大技術(shù)挑戰(zhàn)。為滿足這些傳輸需求并解決技術(shù)挑戰(zhàn)，業(yè)界需要推動光傳送網(wǎng)技術(shù)加速革新和演進，為5G網(wǎng)絡(luò)未來快速發(fā)展提供關(guān)鍵的基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)保障。

［1］IMT-2020（5G）推進組.5G愿景與需求白皮書［R/OL］.（2014-05-28）［2016-06-22］.http：//www.imt-2020.cn/zh/documents/download/1.

［2］IMT-2020（5G）推進組.5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)白皮書［R/OL］.（2015-05-28）［2016-06-22］.http：//www.imt-2020.cn/zh/documents/download/62.

［3］中國電信.低時延光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)白皮書［R］.中國電信，2016.

［4］張國穎，徐云斌，王郁.軟件定義光傳送網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及演進趨勢［J］.電信網(wǎng)技術(shù)，2014，6.

愛立信攜手韓國SK電訊和德國電信開展全球首例橫貫大陸的5G試驗

近日，愛立信與領(lǐng)先的電信運營商韓國SK電訊和德國電信攜手開展合作，共同部署全球首例橫貫大陸的5G試驗網(wǎng)絡(luò)，愛立信是本次合作的唯一基礎(chǔ)架構(gòu)提供商。

三方將采用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）、軟件定義基礎(chǔ)架構(gòu)（SDI）、分布式云及網(wǎng)絡(luò)切片等主要5G技術(shù)，在韓國和德國部署試驗網(wǎng)絡(luò)，主要目標(biāo)是通過優(yōu)化用戶漫游體驗推動高級5G用例擴展到全球。此外，三方還將共同開發(fā)5G生態(tài)合作體系，為5G進行全球性的推廣，并積極參與到標(biāo)準(zhǔn)化制定中。

愛立信首席技術(shù)官艾華信（Ulf Ewaldsson）表示：“5G將掀起覆蓋全球的創(chuàng)新浪潮。愛立信致力于生態(tài)合作體系與跨行業(yè)合作，旨在充分挖掘5G的潛力，并確保5G技術(shù)能夠盡快惠及世界各地的人、企業(yè)乃至整個社會?！?/p>

華為和愛立信、諾基亞續(xù)簽基于OSSii的諒解備忘錄

華為近日與愛立信、諾基亞在“運營支撐系統(tǒng)互操作倡議（OSSii：Operations Support Systems interoperability initiative）”框架下深化合作，簽署了新的OSS諒解備忘錄，將范圍延伸到IMS和MANO領(lǐng)域。

華為云核心網(wǎng)SingleOSS領(lǐng)域總經(jīng)理顏葉表示：“隨著LTE和VoLTE的迅猛發(fā)展與演進，IMS互操作集成的周期和成本逐漸成為運營商關(guān)注的焦點。作為OSS領(lǐng)域的主要領(lǐng)導(dǎo)者之一，華為一直致力于降低客戶網(wǎng)絡(luò)運營成本，簡化網(wǎng)絡(luò)管理，縮短新業(yè)務(wù)上市時間。OSSii將會有效驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)管理領(lǐng)域的創(chuàng)新，提高整合效率，節(jié)約客戶成本。我們非常樂意參與這樣的合作，以公開、公平、合理和非歧視的原則為指導(dǎo)，保證華為在核心網(wǎng)領(lǐng)域全面遵從OSSii倡議框架，持續(xù)為客戶創(chuàng)造更大的價值?！?/p>

Requirements and challenges of 5G network for optical transport network

ZHAO Xin，ZHAO Wenyu，TANG Rui，LAI Junsen

Through the study of the characteristics and requirements of 5G network technology architecture，combined with the technology development of optical transport network，the requirements and challenges of optical transport network for 5G network are analyzed.

5G network；optical transport network；requirements and challenges

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃“863”基金資助項目（No.2013AA013402，No.2015AA015502）、國家自然科學(xué)基金資助項目（No.61171076，No.61201260，No.61471128）資助

（2016-06-24）