5G移動業務OTN承載解決方案

孫志勇

摘要：針對5G 移動業務，光傳送網（OTN）可以實現承載移動前傳、中傳和回傳業務。認為作為基礎的承載技術，OTN可以提供大帶寬、低時延、靈活分片、高可靠性、開放協同的能力，適合在5G時代新網絡架構下的前傳和回傳組網，并能同時支撐運營商固網等其他業務的發展，滿足未來網絡持續演進的需求。

關鍵詞： 5G；OTN；前傳；中傳；回傳

Abstract： For 5G mobile services， the fronthaul， midhaul and backhaul services can be achieved by optical transport network （OTN）. As the foundation of the bearing technology， OTN can provide large bandwidth， low latency， flexible fragment， high reliability， and open collaboration capabilities， and is suitable for the fronthaul and backhaul networking in 5G era. OTN can also support the development of other services， such as fixed network， so as to meet the needs of the continuous evolution of future networks.

Key words： 5G； OTN； fronthaul； midhaul； backhaul

1 5G對承載網帶來的挑戰

5G移動新業務對承載網帶來了新的要求和挑戰[1-2]：

增強型移動寬帶（eMBB）高帶寬業務，對承載網提出了10倍以上的帶寬需求；

超可靠低時延通信（uRLLC）業務要求承載網絡支持極低的時延和極高的可靠性；

5G承載網絡需要支持高精度的時鐘和時間同步；

eMBB、uRLLC和大規模機器類通信（mMTC）等不同的業務對帶寬、時延、服務質量等不同的要求，并要求分配不同的網絡資源，這就要求承載網提供網絡切片能力。

5G網絡架構相對于3G、4G發生了如下變化，具體如圖1所示：

5G核心網云化和虛擬化部署。5G核心網引入了網絡功能虛擬化（NFV）和軟件定義網絡（SDN），不再沿襲傳統的“煙囪”架構；而是采用統一的物理基礎設施，在云數據中心間實現池化、虛擬化、容器化的資源共享。5G核心網將實現管理控制層和業務層進行了分離。

5G基站密度大幅度增加。為降低網絡綜合建設成本，無線接入網更多地采用集中式無線接入網絡（C-RAN）架構，更便于實現靈活的無線資源管理。

5G網絡架構的這些變化給承載網帶來了影響：核心網業務錨點下移，回傳網更加扁平化；C-RAN架構帶來更多的前傳網絡，前傳網要滿足低成本、靈活組網的需求；光纖進一步下移，需要部署更多的承載節點[3]。

2 C-RAN下的5G移動

前傳網技術方案

5G 承載網通常分為前傳、中傳和回傳3部分。其中C-RAN架構下4G前傳網有常見如下3種傳輸技術選擇（如圖2所示）：

（1）裸光纖直驅。該方式在基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠單元（RRU）間無需傳輸設備，時延最低，部署最簡單；但耗費光纖資源。

（2）無源波分復用（WDM）。該方式采用無源合分波器將多路波長復用到一根（或一對）光纖傳輸，可節省光纖資源，光器件引入的時延很小，無源設備不需加電，維護比較簡單，綜合成本較低；但RRU和BBU需要采用彩光接口，增加無線設備的成本，并且要求無線設備支持彩光功能，無線設備管理復雜化，增加成本。業務無保護，可靠性差。

（3）光傳送網（OTN）承載。該方式采用OTN設備實現多個站點多路前傳信號的復用和透明傳輸，可大幅度節省光纖資源，支持光層和電層的性能和故障檢測等管理維護（OAM）功能，并能提供業務保護，保障業務的高可靠。OTN采用L0/L1的傳輸，具有大帶寬、低時延的特性，可實現低延時傳輸。該方案減少了無線設備部署的復雜度，支持從非C-RAN架構向C-RAN架構遷移時，不需要替換無線設備的光接口。缺點是設備成本相對較高，需開發低成本方案。

5G的無線接入網（RAN）功能將被重新劃分，原來的BBU和RRU被重構為集中單元（CU）、分布單元（DU）、RRU/有源天線單元（AAU）3個功能實體。根據CU、DU、RRU/AAU的放置位置不同，可以有不同的中傳組網模式：

DU和RRU/AAU同站部署，它們之間通常以裸纖直連為主。

如DU按一定規模集中部署，DU和RRU/AAU之間對應前傳，由于DU實時性處理對時延的要求，前傳距離應小于10 km。這種情況下，可以采用裸纖直連，也可以采用WDM/OTN節省光纖，提供保護。

OTN承載5G前傳。OTN的Muxponder將多個RRU/AAU的10 G或25 G的通用公共無線電接口（CPRI）或標準CPRI（eCPRI）信號復用到100 G/200 G高速信號后傳送到DU，滿足了大帶寬的傳輸需求。按照光纖路由可靈活組建點到點、鏈型、環形網絡（如圖3所示），在點到點組網的情況下還可采用單纖雙向技術進一步減少光纖使用。DU集中池化節省無線設備投資，同時提供最佳的協同增益。前傳采用OTN設備成本還比較高，目前在進行成本優化。

3 5G移動中傳WDM/OTN

承載方案

CU和DU之間中傳一般以環網為主。如圖4所示，5G移動中傳業務承載，可采用WDM/OTN技術實現波長在光層穿通中間站點一跳直達，滿足大帶寬低時延要求，可配置光通道保護滿足高可靠業務要求。由于不同傳輸站點的DU容量可能不同，各傳輸站點的波長可配置不同的速率，以滿足不同的DU容量需求，并且各接入站點可單獨擴容和升級，不影響其他站點。如果OTN集成分組增強功能（E-OTN），在CU站點可實現業務匯聚和靈活轉發，在DU站點可對多個DU的業務進行匯聚收斂。endprint

采用相同的E-OTN設備，也可以提供100 G環網方案。DU數量較少業務量小的多個站點可以用靈活速率光數字單元（ODUflex）子波長相連組成一個分組環，多站點業務統計復用，提高帶寬利用率；業務量較大的站點（DU池），可以ODUflex子波長在中間站點交叉連接穿通直達CU站點。或者不同類型的業務采用不同的ODUflex分片傳送，如eMBB業務采用分組環網逐點轉發，uRLLC業務采用L1穿通直達，減少延時。ODUflex的帶寬以1.25 G為顆粒靈活可調，100 G的環網總帶寬可以在多個站點多個邏輯環網間靈活分配。

4 固移融合統一回傳和

OTN承載方案

在移動網絡向5G演進的同時，CO重構也在進行中。未來城域網的流量將會是以邊緣數字中心（DC）到網絡提供點到點（PoP）間的南北向流量，以及邊緣DC間和PoP點之間的東西向流量為主。如圖5所示，5G階段的回傳網也將會是固移業務統一承載的數據中心互聯網絡。各級DC通過OTN光傳送網高速互聯，光網絡構建帶寬資源池，根據DC間流量進行帶寬按需配置和合理調整。

如圖6所示，5G回傳網可以基于分組增強OTN（E-OTN）來實現。OTN集成分組功能，既可以在L2和L3實現業務的匯聚和靈活轉發，又可以在L0和L1實現大容量低時延的業務傳送。OTN節點之間可以根據業務需求配置IP/多協議標簽交換傳送應用（MPLS-TP）光通路數據單元（ODUk）通道，實現一跳直達從而保證5G業務的低時延和大帶寬。

回傳網拓撲復雜，OTN節點設備采用光交叉和電交叉的光電混合調度是滿足高速傳送、靈活調度、多樣性組網的最好方式。大顆粒業務在光層調度，中小顆粒業務在電層梳理調度，光電配合整體功耗也是最低的。網絡可分層次建設，匯聚層以環網為主，線路側單波速率100 G或超100 G，采用4維mini可重構光分插復用器（ROADM）和10 T級別的電交叉。核心層以無線網格網絡（Mesh）網為主，線路側單波速率超100 G，采用9～20維ROADM和大容量電交叉。基于智能控制平面實現端到端業務部署、資源動態計算和調整、備用路徑自動計算等。

5 5G承載中OTN關鍵技術

（1）高速率低成本傳送技術。5G帶來海量的帶寬增長，高速率、低成本、低功耗的業務傳送成為關鍵。100 G和超100 G速率信號的中長距離傳輸主要采用相干技術；而采用離散多載波（DMT）、4級脈沖幅度調制（PAM4）等調制技術的線路光接口，是實現低成本、低功耗、高速傳輸的新選擇[4]。

（2）大容量光電混合調度。5G業務有在城域網內網絡拓撲復雜，采用具有光電混合調度能力的OTN設備組網是較理想的方式。ROADM光交叉技術與OTN電交叉技術配合，可以實現更大的交叉容量和更靈活的調度能力，同時降低系統的成本和功耗，減少占地面積。在城域核心、匯聚層面引入光電混合交叉，實現電層業務匯聚和光層業務調度；網絡進行MESH改造，實現多路徑通達，一方面減少設備處理時延，另一方面減少網絡層次、實現網絡的扁平化，降低業務轉發時延，提升網絡安全性。

（3）分組與光傳送的融合。OTN設備支持ODUk/Packet/VC4統一交換，多業務統一傳送，避免了目前傳輸網絡技術體系多、設備種類龐雜、網絡建設運維成本高等缺點，既有小顆粒業務處理的靈活性，又有海量的傳送容量，提供剛柔并濟的傳送管道。其對IP層業務的感知，使光網絡能夠經濟高效地傳送IP業務，滿足運營商發展5G業務的需要，同時也支撐如寬帶等業務綜合承載。中興通訊E-OTN設備采用統一的硬件平臺，分組帶寬（P）與OTN（O）帶寬可任意比例配置，無縫接合，統一管控。

（4）低時延傳送和轉發。5G前傳和中傳網絡對時延要求非常苛刻，中興通訊在OTN設備通過減少緩存時間、自動調整緩存深度、內部若干處理步驟串行轉并行、提升內部處理時鐘頻率等多種技術和措施，可以將設備引入的時延降到us量級，更好地支撐業務的發展。

（5）面向前傳的輕量級OTN標準。針對5G前傳，業內也在研究新的輕量級的OTN標準，以降低設備成本，進一步降低時延，實現帶寬靈活配置。例如：對OTN幀結構進行優化，線路側接口采用n ×25 G，可以引入低成本的光器件；改變檢錯和糾錯的機制，縮短緩存時間降低時延；前傳組網通常比較簡單，可以簡化OTN開銷減少設備處理；在業務映射和時隙結構方面考慮兼容3G/4G前傳的CPRI、兼容5G的eCPRI和下一代前傳網絡接口（NGFI），以及small cell的回傳等[5]。

（6）高精度時間同步。為滿足5G高精度時間同步要求，中興通訊OTN設備基于1588（V2.1）方案，采用相位檢測技術和零延遲鎖相環（PLL）技術，在頻率同步優化基礎上進行相位同步，確保相鄰站點間同步誤差低于1個時鐘周期。同時通過復幀定位觸發、高速接口底層觸發等多種方式提升時間戳精度。針對時間源選擇、時間同步融合算法進行優化。采用單纖雙向消除時延不對稱性。綜合運用這些技術，時間同步精度大幅提升。

6 結束語

5G給用戶帶來更多樣的服務、更好的業務體驗。5G網絡以承載網為依托，并對承載網提出了更高的要求。OTN作為基礎的承載技術，提供大帶寬、低時延、靈活分片、高可靠性、開放協同的能力，適合在5G時代新網絡架構下的前傳和回傳組網，并能支撐運營商固網等其他業務的發展，滿足未來網絡持續演進的需求。

參考文獻

[1] 曾智，王泰立. OTN在5G承載中的應用和關鍵技術探討[J]. 中興通訊技術（簡訊）， 2017，（6）：29-33

[2] IMT-2020（5G）推進組. 5G概念白皮書[R]， 2015

[3] IMT-2020（5G）推進組. 5G網絡架構設計白皮書[R]， 2016

[4] IMT-2020（5G）推進組. 5G無線技術架構白皮書 [R]，2015

[5] 中興通訊.面向5G的OTN承載解決方案技術白皮書[R]， 2017endprint