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料位开关:光接入与5G网络有哪些不同的特点
时间: 2019-07-09 03:15 浏览次数:
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2019年6月6日工信部正式发放5G牌照,意味着我国5G建设将进入一个快速上升期。每当新一代移动通信技术开始部署时,人们常常会有疑问:它是否会取代固定接入?从网络接入网络承载和网络架构三大角度看,光接入与5G有各自不同特点和适用场景,光接入能够对5G网络提供承载,二者协同互补,提供高速率和广覆盖,此外,固移融合、云网融合将成为光接入与5G的共同趋势。

光接入与5G的关系

事实上,光接入与5G有不同特点和定位。

从速率角度看,对于光接入,10G-EPON系统下行速率10Gbit/s,上行速率10Gbit/s或1Gbit/s;XG-PON系统下行速率10Gbit/s,上行速率2.5Gbit/s;单用户速率与ONU(家庭网关)设备接口类型、数量及设备转发能力相关,下行具备数千兆的接入能力。反观5G,IMT-2020提出的目标为峰值速率20Gbit/s、用户体验速率100Mbit/s(如图1所示)。事实上,对于Sub 6G频段、100MHz带宽,无法实现20Gbit/s的峰值速率;考虑8流,峰值频谱效率30bit/Hz,得到峰值速率理论值为3Gbit/s(从实际测试情况看,单小区峰值速率在8流时可接近3Gbit/s,在理想条件下实现更高流数时可达10Gbit/s;单用户速率(2T4R终端)取决于无线环境,可达数百兆、甚至超过1Gbit/s)。

光接入与5G网络有哪些不同的特点

图1  IMT-2020关键能力目标

从时延角度看,对于光接入(TDM PON系统),下行时延<1ms,上行时延<1.5ms。对于5G,3GPP标准(TR38.913)提出无线网用户面单向时延(DL/UL)目标值,eMBB为4ms,uRLLC为0.5ms。基于R15标准的系统仅能实现4ms左右的时延,无法实现IMT-2020提出1ms(如图1所示)的目标。超低时延需空口新机制,甚至新频段(目前3.5GHz为TDD,FDD更有利于降低时延)。尽管如此,由于5G核心网支持边缘计算,从网络架构上降低时延,有可能实现端到端时延10ms以内,与4G网络相比明显降低,已经能够满足多数业务的需求。

从覆盖场景看,光接入更适合覆盖室内。而5G主要覆盖室外,目前室内覆盖方案需进一步研究。对于商务楼,5G室内分布系统无法重用3G/4G(模拟系统),需新建(数字系统);而对于居民楼,建设室分系统成本高,室外基站覆盖室内效果有限。另外,国外5G发展初期应用于光纤无法覆盖的场景,提供固定无线接入,但这不适用于中国。

从发展阶段的成熟度看,10G-EPON标准于2009年发布,XG-PON标准于2010年发布,设备已成熟并规模部署;而5G R15版本NSA(Option 3)于2017年12月发布,R15版本 SA(OpTIon 2)于2018年6月发布,设备和网络还处于发展初期。

从目标客户群看,光接入的客户以家庭为主,中小企业为辅。5G的目标客户重点是To B、To C,盈利难。

光接入与5G各有特点,其关系不是互相替代,而是协调发展、实现宽带广覆盖。光接入可稳定地提供高性能,已覆盖上亿家庭用户和大量中小企业用户,具备提供千兆速率的能力;5G可提供远高于4G的性能,适合于室外等用户移动场景以及垂直行业难以采用有线方式的场景,而且能够快速灵活地提供临时性覆盖需求。行业应合理利用光接入和5G两种手段,建设光宽+5G双千兆网络,打造智能连接基础设施。光接入和5G的协调发展,需要共同促进高带宽业务应用的发展,如4K/8K高清视频、云VR、云游戏等。光接入和5G的协调发展,需要推动固移融合的技术发展和网络部署,在光缆、局所、DC(边缘DC)、承载网等方面充分共享资源。

PON技术对5G前传的支撑

光接入作为一种网络接入方式,与5G是协同互补的关系;同时,光接入作为一种承载方式,能够在5G承载中发挥作用。其中,N×25Gbit/s WDM PON承载5G前传的eCPRI信号(25Gbit/s)就是一个典型案例。AAU与DU之间的点对点光纤直连是一种简单易行的方式,浮球液位开关,但在光缆资源不足的场景,就需要采用基于波分复用的技术。N×25Gbit/s WDM PON系统架构如图2所示。

光接入与5G网络有哪些不同的特点

图2  N×25Gbit/s WDM PON系统架构

中国电信积极推动相关行业标准制定,提出了既切合网络需求、产业现状,又能经济合理、易于实现的技术指标。其中,最大光纤距离为10km,链路预算14dB,上下行均采用C Band波长(单纤双向),系统包括20通道、14通道两种规格。ONU可以是独立设备,也可以基于SFP内置于AAU中;其基本要求是“无色”,通常基于可调激光器实现。以20通道系统为例,采用一芯光纤(不考虑引入纤)即可承载6个基站/18个AAU(其余2通道备用),而点对点方式(一般为双纤双向)需要36芯光纤,因此,该系统能够有效节省光纤,在光纤资源紧张的场景实现快速部署。

5G驱动网络重构及对光接入的启示

SDN、NFV技术的发展,带来了开放、开源、通用、白盒、虚拟化、微服务、自动化、智能化、迭代式开发、灰度升级等一系列新理念、新思路、新方法,促进了CT与IT的深度融合。5G网络架构的设计融入了IT、NFV、SDN技术的理念和思路,与4G相比发生了根本性变革。5G网络成为NFV、SDN落地和规模部署的最佳机遇、最主要场景,将有力推动NFV、SDN技术的不断成熟,磁翻板液位计,推动网络架构重构的持续深化。

5G网络架构如图3所示,其主要特点是:第一,5G核心网实现了控制与转发的完全分离,用户面网元为UPF,控制面的主要网元包括AMF、SMF、AUSF、UDM、PCF、NRF、NSSF、NEF等。第二,5G核心网的控制面采用服务化架构,网络功能(NF)细分和模块化,可独立演进、按需部署、独立扩容,NF间以总线方式相联系,浮球液位计,每个NF接口以API方式呈现,供其它多个NF调用;“点对点”接口方式相比灵活性更强、扩展性更好。

光接入与5G网络有哪些不同的特点

图3  5G网络架构

转控分离、SBA架构有利于5GC采用NFV方式,基于NFVI提供的虚机、容器等方式部署,利用MANO实现网元(网络功能)的自动化、智能化编排管理,最终实现网络功能按需定制,灵活支持不同业务场景和需求。5GC的控制面以计算功能为主,对转发性能要求不高,可以虚拟化,并基于通用服务器、采用软件加速技术实现。5GC的用户面(UPF)由于对转发性能,包括吞吐量、时延要求较高,其具体实现方式主要有三种:通用服务器+软件加速方式、通用服务器+智能网卡(硬件加速)方式和基于专用硬件的方式。综合考虑性能与通用性,通用服务器+智能网卡(硬件加速)方式是未来的重点发展方向,应大力推动智能网卡的异厂商通用。

5G无线网(NG-RAN)中,AAU采用专用硬件。对于CU、DU,现阶段比较成熟的是二者合设并基于专用硬件实现,以简化部署和维护,磁翻板液位计,降低时延。随着技术的发展,CU、DU虚拟化方面也有不少研究和方案。由于无线接入网与光接入网有一定的相似性,这方面的进展作为他山之石,值得借鉴。日本新兴移动运营商Rakuten的4G网络采用无线网、核心网完全虚拟化的方式,并已规模部署,5G网络也准备引入虚拟化的DU、CU。由于5G DU的复杂度大大增加,基于智能网卡的方案是方向。当然,这些方案都处于发展初期,后续还需对性能、功耗、成本等因素进行综合评估。

近年来,在国际上光接入网架构的演进方面也有很多探索。例如,BBF提出了 Cloud CO架构(TR-384);同时,引入BAA,并成立开源项目,主要面向基于专用硬件(PNF)的设备,基于标准模型对接入设备进行两级抽象,形成技术无关、厂商无关的模型,构建抽象业务参数与物理参数的映射。AT&T率先提出CO重构(CORD),并以固移融合为目标,基于同一架构实现R-CORD、M-CORD和E-CORD。AT&T主导了OLT硬件抽象(VOLTHA),并进行开源,用于向上层(如SDN-C)屏蔽PON技术细节(如T-CONT、GEM port、OMCI等),将PON设备抽象为可编程的以太网交换机。近期ONF启动了固移融合的COMAC项目,提出PON与移动网络的接入控制融合、固移核心网用户面融合的方案。

就目前来看,光接入网架构的演进是一个长期的过程,很可能与下一代PON技术引入相结合。

图4是光接入网一种可能的演进架构。OLT存在无法虚拟化的部分(pOLT),包含OLT用户面以及对实时性要求较高的控制功能;基于SDN的集中管理是必要的,而且是管控一体的,料位计,非实时性控制功能虚拟化实现(vOLT),并与SDNC结合集中部署;OLT新功能的引入可以在vOLT/SDN-C实现,也可能通过SDN-C北向接口在更高层面实现。由于OLT虚拟化还是个长期的过程,近期应重点推动PON YANG模型的标准化。中国电信积极参与BBF WT-383、WT-385项目,主导WT-431、SD-418项目,同时制定PON YANG模型企业标准,推动控制器和PON设备对YANG1.1版本(RFC 7950)的支持。

光接入与5G网络有哪些不同的特点

图4 光接入网一种可能的演进架构

OLT哪些功能适合虚拟化,需综合考虑性能、成本、集成度、功耗等因素,并结合机房位置、条件等因素考虑。图5为固移融合的边缘云的一种可能架构,OLT在其中的作用有多种可能性,例如,专用硬件(PNF)、专用硬件+虚拟化(PNF+VNF)、专用硬件并内置拟化基础设施(PNF+NFVI)等。应积极储备接入局所作为未来超低时延、固移融合边缘DC的能力。

图5 OLT与固移融合的边缘云

光接入下一步的发展

在5G等移动通信发展的同时,光接入技术也在持续推进中。目前,10G PON技术(含10G-EPON/XG-PON)已经规模部署,下一步应如何演进?需要回答的两个关键问题是,采用单波长还是多波长?每波长什么速率合适,25Gbit/s或50Gbit/s,还是100Gbit/s?这方面,产业界的不同国家的运营商、厂商、专家提出了许多不同观点。

中国已成为世界上规模最大的宽带接入市场,有必要也有能力提出适合国情的技术演进路径。考虑到设备成本和维护难度,单波长系统更优。25Gbit/s对现有的10Gbit/s提升有限,而100Gbit/s实现难度太大,50Gbit/s最为合适。经过中国电信与国内运营商、厂商、研究单位等联合推动,经过激烈讨论,50G TDM PON于2018年在ITU-T成功立项。

目前,下一代PON总体要求(G.hsp.req)的研究不断推进,也取得一些初步共识。50G TDM PON速率(DS/US)包括50G/10G,50G/25G,50G/50G三种。在波长选择方面,下行为1342nm ±2nm,上行仍然待定。其基本思路为:选择O-band以降低ONU成本;在同一PON口下仅考虑两代技术共存,料位计,不考虑三代共存,以节省波长资源;同一代技术的不同速率以TDM方式共存,相邻代技术以WDM方式共存;考虑到不同运营商的演进路径不同,不同代的上行波长交替使用1260~1280nm、1290~1310nm窗口。对中国而言,50G TDM PON仅考虑与XG-PON(或10G-EPON)在一个PON口下共存,重用GPON上行波长(1290~1310nm窗口)。

小结

5G背景下的光接入获得了新的活力,将持续创新,持续发展,不断迈上新台阶。

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