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5G背景下光纖接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢_炫億時代

日期:2019-07-16 點擊: 161    關(guān)鍵詞:5G背景下光纖接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢_炫億時代

2019-07-16

2019年6月6日工信部正式發(fā)放5G牌照,意味著我國5G建設(shè)將進入一個快速上升期。每當新一代移動通信技術(shù)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(wǎng)絡(luò)接入、網(wǎng)絡(luò)承載和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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?qū)?G網(wǎng)絡(luò)提供承載,二者協(xié)同互補,提供高速率和廣覆蓋,此外,固移融合、云網(wǎng)融合將成為光接入與5G的共同趨勢。

5G背景下光纖接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢

 

光接入與5G的關(guān)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(tǒng)下行速率10Gbit/s,上行速率10Gbit/s或1Gbit/s;XG-PON系統(tǒng)下行速率10Gbit/s,上行速率2.5Gbit/s;單用戶速率與ONU(家庭網(wǎng)關(guān))設(shè)備接口類型、數(shù)量及設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)能力相關(guān),下行具備數(shù)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(xiàn)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(qū)峰值速率在8流時可接近3Gbit/s,在理想條件下實現(xiàn)更高流數(shù)時可達10Gbit/s;單用戶速率(2T4R終端)取決于無線環(huán)境,可達數(shù)百兆、甚至超過1Gbit/s)。

5G背景下光纖接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢

IMT-2020關(guān)鍵能力目標

從時延角度看,對于光接入(TDM PON系統(tǒng)),下行時延<1ms,上行時延<1.5ms。對于5G,3GPP標準(TR38.913)提出無線網(wǎng)用戶面單向時延(DL/UL)目標值,eMBB為4ms,uRLLC為0.5ms?;赗15標準的系統(tǒng)僅能實現(xiàn)4ms左右的時延,無法實現(xiàn)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,F(xiàn)DD更有利于降低時延)。盡管如此,由于5G核心網(wǎng)支持邊緣計算,從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上降低時延,有可能實現(xiàn)端到端時延10ms以內(nèi),與4G網(wǎng)絡(luò)相比明顯降低,已經(jīng)能夠滿足多數(shù)業(yè)務(wù)的需求。

從覆蓋場景看,光接入更適合覆蓋室內(nèi)。而5G主要覆蓋室外,目前室內(nèi)覆蓋方案需進一步研究。對于商務(wù)樓,5G室內(nèi)分布系統(tǒng)無法重用3G/4G(模擬系統(tǒng)),需新建(數(shù)字系統(tǒng));而對于居民樓,建設(shè)室分系統(tǒng)成本高,室外基站覆蓋室內(nèi)效果有限。另外,國外5G發(fā)展初期應(yīng)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(fā)展階段的成熟度看,10G-EPON標準于2009年發(fā)布,XG-PON標準于2010年發(fā)布,設(shè)備已成熟并規(guī)模部署;而5G R15版本NSA(Option 3)于2017年12月發(fā)布,R15版本 SA(Option 2)于2018年6月發(fā)布,設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)還處于發(fā)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(yè)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(guān)系不是互相替代,而是協(xié)調(diào)發(fā)展、實現(xiàn)寬帶廣覆蓋。光接入可穩(wěn)定地提供高性能,已覆蓋上億家庭用戶和大量中小企業(yè)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(yè)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(yè)應(yīng)合理利用光接入和5G兩種手段,建設(shè)光寬+5G雙千兆網(wǎng)絡(luò),打造智能連接基礎(chǔ)設(shè)施。光接入和5G的協(xié)調(diào)發(fā)展,需要共同促進高帶寬業(yè)務(wù)應(yīng)用的發(fā)展,如4K/8K高清視頻、云VR、云游戲等。光接入和5G的協(xié)調(diào)發(fā)展,需要推動固移融合的技術(shù)發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)部署,在光纜、局所、DC(邊緣DC)、承載網(wǎng)等方面充分共享資源。

PON技術(shù)對5G前傳的支撐

光接入作為一種網(wǎng)絡(luò)接入方式,與5G是協(xié)同互補的關(guān)系;同時,光接入作為一種承載方式,能夠在5G承載中發(fā)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(fù)用的技術(shù)。N×25Gbit/s WDM PON系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

5G背景下光纖接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢

N×25Gbit/s WDM PON系統(tǒng)架構(gòu)

中國電信積極推動相關(guān)行業(yè)標準制定,提出了既切合網(wǎng)絡(luò)需求、產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀,又能經(jīng)濟合理、易于實現(xiàn)的技術(shù)指標。其中,最大光纖距離為10km,鏈路預(yù)算14dB,上下行均采用C Band波長(單纖雙向),系統(tǒng)包括20通道、14通道兩種規(guī)格。ONU可以是獨立設(shè)備,也可以基于SFP內(nèi)置于AAU中;其基本要求是“無色”,通?;诳烧{(diào)激光器實現(xiàn)。以20通道系統(tǒng)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(tǒng)能夠有效節(jié)省光纖,在光纖資源緊張的場景實現(xiàn)快速部署。

5G驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)及對光接入的啟示

SDN、NFV技術(shù)的發(fā)展,帶來了開放、開源、通用、白盒、虛擬化、微服務(wù)、自動化、智能化、迭代式開發(fā)、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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計融入了IT、NFV、SDN技術(shù)的理念和思路,與4G相比發(fā)生了根本性變革。5G網(wǎng)絡(luò)成為NFV、SDN落地和規(guī)模部署的最佳機遇、最主要場景,將有力推動NFV、SDN技術(shù)的不斷成熟,推動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)重構(gòu)的持續(xù)深化。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示,其主要特點是:第一,5G核心網(wǎng)實現(xiàn)了控制與轉(zhuǎn)發(fā)的完全分離,用戶面網(wǎng)元為UPF,控制面的主要網(wǎng)元包括AMF、SMF、AUSF、UDM、PCF、NRF、NSSF、NEF等。第二,5G核心網(wǎng)的控制面采用服務(wù)化架構(gòu),網(wǎng)絡(luò)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(lián)系,每個NF接口以API方式呈現(xiàn),供其它多個NF調(diào)用;“點對點”接口方式相比靈活性更強、擴展性更好。

5G背景下光纖接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

轉(zhuǎn)控分離、SBA架構(gòu)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(xiàn)網(wǎng)元(網(wǎng)絡(luò)功能)的自動化、智能化編排管理,最終實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能按需定制,靈活支持不同業(yè)務(wù)場景和需求。5GC的控制面以計算功能為主,對轉(zhuǎn)發(fā)性能要求不高,可以虛擬化,并基于通用服務(wù)器、采用軟件加速技術(shù)實現(xiàn)。5GC的用戶面(UPF)由于對轉(zhuǎn)發(fā)性能,包括吞吐量、時延要求較高,其具體實現(xiàn)方式主要有三種:通用服務(wù)器+軟件加速方式、通用服務(wù)器+智能網(wǎng)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(wù)器+智能網(wǎng)卡(硬件加速)方式是未來的重點發(fā)展方向,應(yīng)大力推動智能網(wǎng)卡的異廠商通用。

5G無線網(wǎng)(NG-RAN)中,AAU采用專用硬件。對于CU、DU,現(xiàn)階段比較成熟的是二者合設(shè)并基于專用硬件實現(xiàn),以簡化部署和維護,降低時延。隨著技術(shù)的發(fā)展,CU、DU虛擬化方面也有不少研究和方案。由于無線接入網(wǎng)與光接入網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)采用無線網(wǎng)、核心網(wǎng)完全虛擬化的方式,并已規(guī)模部署,5G網(wǎng)絡(luò)也準備引入虛擬化的DU、CU。由于5G DU的復(fù)雜度大大增加,基于智能網(wǎng)卡的方案是方向。當然,這些方案都處于發(fā)展初期,后續(xù)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(wǎng)架構(gòu)的演進方面也有很多探索。例如,BBF提出了 Cloud CO架構(gòu)(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(shè)備,基于標準模型對接入設(shè)備進行兩級抽象,形成技術(shù)無關(guān)、廠商無關(guān)的模型,構(gòu)建抽象業(yè)務(wù)參數(shù)與物理參數(shù)的映射。AT&T率先提出CO重構(gòu)(CORD),并以固移融合為目標,基于同一架構(gòu)實現(xiàn)R-CORD、M-CORD和E-CORD。AT&T主導(dǎo)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(shù)細節(jié)(如T-CONT、GEM port、OMCI等),將PON設(shè)備抽象為可編程的以太網(wǎng)交換機。近期ONF啟動了固移融合的COMAC項目,提出PON與移動網(wǎng)絡(luò)的接入控制融合、固移核心網(wǎng)用戶面融合的方案。

就目前來看,光接入網(wǎng)架構(gòu)的演進是一個長期的過程,很可能與下一代PON技術(shù)引入相結(jié)合。

圖4是光接入網(wǎng)一種可能的演進架構(gòu)。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(xiàn)(vOLT),并與SDNC結(jié)合集中部署;OLT新功能的引入可以在vOLT/SDN-C實現(xiàn),也可能通過SDN-C北向接口在更高層面實現(xiàn)。由于OLT虛擬化還是個長期的過程,近期應(yīng)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(dǎo)WT-431、SD-418項目,同時制定PON YANG模型企業(yè)標準,推動控制器和PON設(shè)備對YANG1.1版本(RFC 7950)的支持。

5G背景下光纖接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢

光接入網(wǎng)一種可能的演進架構(gòu)

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(jié)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(gòu),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(nèi)置擬化基礎(chǔ)設(shè)施(PNF+NFVI)等。應(yīng)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。

5G背景下光纖接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢

OLT與固移融合的邊緣云

光接入下一步的發(fā)展

在5G等移動通信發(fā)展的同時,光接入技術(shù)也在持續(xù)推進中。目前,10G PON技術(shù)(含10G-EPON/XG-PON)已經(jīng)規(guī)模部署,下一步應(yīng)如何演進?需要回答的兩個關(guān)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(chǎn)業(yè)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(guī)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(shù)演進路徑。考慮到設(shè)備成本和維護難度,單波長系統(tǒng)更優(yōu)。25Gbit/s對現(xiàn)有的10Gbit/s提升有限,而100Gbit/s實現(xiàn)難度太大,50Gbit/s最為合適。經(jīng)過中國電信與國內(nèi)運營商、廠商、研究單位等聯(lián)合推動,經(jīng)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(shù)共存,不考慮三代共存,以節(jié)省波長資源;同一代技術(shù)的不同速率以TDM方式共存,相鄰代技術(shù)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)。

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