基于OTN技術的5G承載網解決方案研究

晏 擘

（湖南省郵電規劃設計院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

目前，大量5G基站已建設完成，5G技術的傳輸和接收速度也不斷攀升。增強型移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、海量機器類通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）以及超可靠低時延通信（Ultra-reliable Low Latency Communications，uRLLC）3大業務作為5G網絡的靈魂，使RAN網絡從4G的BBU+RRR兩級結構演進到CU、DU以及AAU的三級結構，而且在帶寬、組網靈活性、容量以及時延等方面對承載網有了新的且更高的需求。原有的承載網絡技術已不能滿足5G的承載需求，因此需分析研究新的承載網絡技術和組網應用，提出相應的解決方案，確保傳輸承載網能夠高效穩定的發展。

1 5G承載網的關鍵需求

5G RAN的結構由CU、DU以及AAU共3個功能實體組成，承載網分為前傳（Fronthaul）、中傳（Midhaul）以及回傳（Backhaul）3部分，同時5G對承載網的帶寬、超低時延、時間同步以及靈活連接提出了更高的需求[1]。

1.1 超大帶寬及靈活連接需求

5G前傳網AAU與DU間（64T/R天線、100 MHz頻譜帶寬）前傳接口eCPRI的典型速率為25 Gb/s，相比4G有了數倍的提升。5G基站的站間協同、核心網云化部署的負載均衡、多歸屬備份以及更加復雜和動態的流量，要求承載網具備較強的帶寬擴展性，且能支持靈活的業務連接[2]。5G的大帶寬及靈活連接需求對承載網提出了很高的要求。

1.2 超低時延

5G前傳網、中傳網以及回傳網的時延要求非常高，各場景對各業務類型的時延要求如表1所示。

表1 5G前傳、中傳、回傳時延要求表

1.3 超高精度時間同步

5G超短幀、載波聚合以及COMP多點協同技術的引入，對網絡的時間同步精度有了更高的要求。3G基站間時間同步要求為±3 000 ns，4G基站間時間同步要求為±1 500 ns，而5G引入的超短幀結構，使得幀間距CP縮短，在超短幀情況下，端到端網絡時間同步需求預計在±130 ns，如再考慮5G超高精度基站定位需求，那么預計在±10 ns左右[3]。可以看出，5G的時間同步精度要求相比上一代的4G提高了10倍以上。

1.4 網絡切片

5G承載網是5G端到端業務路徑的一部分，必須滿足eMBB、uRLLC及mMTC業務的多場景需求以及垂直行業和租賃業務的需求。不同的應用場景對網絡的要求不同，如時延、峰值速率、連接密度以及服務器質量等。為了支持不同的應用，需要核心網和RAN采用基于SDN/NFV的云化切片架構，按照應用場景選擇適合自身業務的網絡切片，且每個網絡切片都可以獲得自己獨立的網絡資源和管控能力，另外還需要將物理網絡按照不同租戶需求進行切片，從而形成多個并行的虛擬網[4,5]。

2 OTN技術特點

OTN技術結合了SDH技術和WDM技術的優勢，主要技術特點如下。一是具有完善的運行標準和技術體系，二是客戶側接口具有良好的兼容性，三是傳輸距離遠，容量可擴展性強，四是具有很好的透傳能力，可以提供端到端的剛性透明管道連接及靈活分組轉發軟性管道，五是具有類似SDH的強大開銷和維護管理能力，六是異步映射對信號的結構無任何限制，且不需要全網同步，七是利用強大的FEC技術，提高了傳輸性能，簡化系統設計，降低組網成本，八是具有基于光層和電層的靈活業務保護功能和調度能力，九是具有運營和管理電信級智能化組網的能力。

綜合以上的技術特點可以看出，OTN同時具備了SDH和WDM的優點，包含了超大帶寬、硬管道、光層一跳直達、時延優化演進能力以及豐富的管理和運維機制等特點，可以完美解決5G網絡對承載網提出的超大帶寬、超低時延以及高精度時鐘同步的要求[6-8]。

3 承載網解決方案

3.1 前傳解決方案

根據5G網絡DU部署位置的不同，前傳承載網可采用無源WDM方案和有源WDM/OTN方案。

3.1.1 無源WDM方案

無源WDM方案采用WDM波分復用技術，通過在5G無線設備AAU和DU上安裝彩光模塊，再采用無源的合分波器完成波分復用功能，利用一芯或者兩芯光纜就可以實現多個AAU和DU之間的連接，網絡結構如圖1所示。

圖1 無源WDM方案網絡圖

3.1.2 有源WDM/OTN方案

有源WDM方案在遠端AAU站點和局端DU機房內配置WDM/OTN設備，多個前傳信號通過波分復用技術共用光纖資源，通過OTN強大的開銷能力實現管理和保護，為信號的傳輸提供質量保證。WDM/OTN設備可以使用粗波分CWDM和密波分DWDM兩種，并可以在兩端設備配置光放大單元OA，實現超長距離和超大容量的傳輸。

相比無源WDM方案，有源WDM/OTN方案可以支持復雜的長鏈路點對點組網和環形組網兩種方式，具備更加自由的組網方式，但是成本相對較高。適用于遠端基站和局端機房等電源條件相對較好的地方，且站址間需要有兩條不同路由光纜，同時該區域人口密度大，上網需求旺盛。

3.2 中傳和回傳解決方案

5G中傳和回傳網絡可以采用一樣的承載方案，因為中傳和回傳網絡對于承載網在組網靈活性、網絡帶寬以及網絡切片等方面的需求基本一致。

5G中傳和回傳的承載需求是與城域OTN網絡架構（包含接入層、匯聚層以及核心層）相對應的。5G的回傳網絡對應了OTN網絡的骨干層/匯聚層，中傳/前傳網絡對應了OTN網絡的接入層。目前OTN已發展到分組增強型OTN，在OTN原有的功能上新增了多協議標簽交換流量監控（Multiprotocol Label Switching Traffic Policing，MPLS-TP）和以太網等分組交換及處理能力，可以很好地匹配5G的IP化承載需求[9]。

通過分組增強型OTN強大的幀處理能力，可實現DU傳輸連接中對空口MAC層和PHY層等有極低時延要求的功能。在CU和DU之間，可通過配置分組增強型OTN設備構建超大帶寬和超低時延的連接，實現快速的信令接入和實時、高效及可靠的分組數據匯聚協議（Packet Data Convergence Protocol，PCDP）處理，且分組增強型OTN可以實現超長距離的傳輸，可按業務需求增加傳輸鏈路的帶寬容量。另外，需要考慮在分組增強型OTN現有技術的基礎上增強路由轉發功能，以實現中傳和回傳在靈活組網方面的需求，并且還需要根據業務需求配置通道，實現光層一跳直達，以此保證5G業務大帶寬和低時延的需求[10]。5G中傳和回傳承載方案包含以下兩種組網方式。

3.2.1 分組增強型OTN+IPRAN/PTN方案

此方案，中傳網絡通過配置增強路由轉發功能的分組增強型OTN設備來進行組網，OTN設備之間根據需要配置為ODUK業務穿通模式，保證5G承載對大帶寬和低時延的需求。回傳網絡則繼續沿用現有的IPRAN或者PTN承載網絡架構，具體如圖2所示。

圖2 分組增強型OTN+IPRAN/PTN方案網絡圖

為滿足5G業務對大容量和網絡切片的需求，此方案還需要IPRAN和PTN設備支持25GE、50GE以及100GE等高速接口，并考慮采用新型接口技術實現業務通道的物理隔離，以保障業務承載的質量。

3.2.2 端到端分組增強型OTN方案

端到端分組增強型OTN方案是中傳網絡和回傳網絡全部配置增強路由轉發功能的分組增強型OTN設備，實現全程分組增強型OTN設備組網。端到端分組增強型OTN方案網絡如圖3所示。

圖3 端到端分組增強型OTN方案網絡圖

與分組增強型OTN+IPRAN/PTN方案相比，此方案可以充分發放分組增強型OTN強大和靈活的組網能力以及端到端的維護管理能力，還可以避免OTN與IPRAN/PTN不同設備之間互聯互通的問題和不同專業間的協調問題。

4 結 論

5G時代各種業務和應用的出現對于傳輸承載網提出了新的且更高的需求和挑戰，需要采用新的傳輸承載體制。OTN技術作為最新的光傳送網技術，結合并加強了現有SDH和WDM的優勢，既具備了SDH的靈活可靠性，又具備了WDM大容量的特點，是面向5G的新傳送網技術體制，能夠滿足5G發展過程中對承載網的需求，是最適合5G的傳送網技術。