面向5G的光传送网需求及挑战*

赵　鑫　中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部工程师赵文玉　中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部主任工程师汤　瑞　中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部高级工程师赖俊森　中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部高级工程师

面向5G的光传送网需求及挑战*

赵鑫中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部工程师
赵文玉中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部主任工程师
汤瑞中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部高级工程师
赖俊森中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部高级工程师

通过研究5G网络技术构架的特点与要求，结合光传送网技术发展和演进情况，分析了面向5G的光传送网需求及发展挑战。

5G；光传送网；需求及挑战

1　引言

第五代移动通信（5G）已成为全球研发的技术热点，“信息随心至，万物触手及”的5G总体愿景时代也将逐步来临。2012年ITU成立了2020及之后的国际移动通信（IMT）项目，为全球的5G研究和发展提供框架，并于2015年5月成立了IMT-2020（5G）焦点组，对5G技术的网络标准化进行研究。另外，2016年3GPP立项RP-160671研究项目，拟目标定义一种全新5G无线接入技术。我国也于2013年2月成立了IMT-2020 （5G）推进组，并于2014年5月发布5G愿景与需求白皮书，明确5G网络的愿景和基本需求。从5G网络目前拟定的发展目标来看，5G网络主要满足未来人们超高流量密度，超高连接数密度，超高移动性的需求，以便为用户提供高清视频、虚拟现实、增强现实、云桌面、在线游戏等极致业务体验，5G网络还将进一步大幅改善网络建设运营的能耗与成本效率，全面提升服务创新能力，拓展移动通信产业空间。

随着5G业务需求及新型网络技术构架的提出，如何推动光传送网技术革新以更好满足未来5G网络传输要求，已成为光网络研究热点。本文将围绕5G网络关键技术特性、光传送网功能需求以及光传送网的发展挑战等几个方面，分析面向5G网络的光传送网需求及面临的挑战。

2　5G网络关键技术特性

5G网络主要面向移动互联网和物联网应用，涉及连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠等应用场景。前两种场景主要面向移动互联网应用，后两种场景主要面向物联网及垂直行业应用。5G网络按照网络功能框架划分为接入平面、控制平面和转发平面3个功能层面，如图1所示。其中，控制平面主要负责全局控制策略的生成，接入平面和转发平面主要负责策略执行。

5G网络的应用场景主要包括4个方面，即连续广域覆盖场景、热点高容量场景、低功耗大连接场景和低时延高可靠场景，不同应用场景面临的性能挑战有所不同，用户体验速率、连接数密度、端到端时延、移动性、流量密度和用户峰值速率都已成为不同场景的挑战性指标，5G网络拟定的关键技术指标见表1。

3　光传送网功能需求

从5G网络架构来看，光传送网位于5G网络的控制平面和转发平面之间，是5G网络的基础承载网络。面对5G网络更为严苛的传输性能和组网功能要求，光传送网需要提供性能更优质、功能更灵活、运营更智能更友好的基础带宽承载能力，具体如下：

图1　5G网络架构（图片源于：5G网络技术架构白皮书）

表1　5G关键技术指标

（1）大带宽和高容量

面向2020年及未来，移动数据流量将出现爆炸式增长。预计2010—2020年全球移动数据流量增长将超过200倍，2010—2030年将增长近2万倍。同时，5G网络要求可提随时随地为用户提供100Mbit/s以上的用户体验速率，局部热点区域需要满足1Gbit/s用户体验速率、数10Gbit/s峰值速率和数10Tbit/s/km2流量密度。海量数据流量需要光传送网提供更大带宽和更高容量的基础承载网络，包括前传网络、回传网络以及核心网传输网络等，以满足5G网络的整体需求愿景。从光传送网络技术发展来看，光传送网络干线已全面进入100Gbit/s时代并向城域逐渐延伸，超100Gbit/s尤其是400Gbit/s的光传送技术也随着高阶调制、新型超低损耗和大有效面积光纤、灵活栅格、低噪声放大器、更高增益FEC和高效非线性补偿方案等技术的研究而不断发展成熟，面向5G的光传送网在更大带宽和更高容量的提供方面将面临多种技术选择。

（2）低时延

5G网络在互联网和物联网等领域的实际应用中，对低时延提出了更高、甚至苛刻的需求愿景，空口延时小于1ms，端到端时延为ms级。这种ms级的低时延应用场景的业务需求，要求光传送网既能提供极低的传送时延，又要提供极低的处理时延。通过现有光传送网络的端到端传输时延分析验证，光传送网的端到端时延主要为光纤传输路径引入的传输时延、FEC算法和电中继时延，其中光传送网的端到端时延大约80％以上为光纤传输时延，因此光传送网中有效降低时延的方法之一是采用业务传输路径最短方案进行业务路径规划和开通。除此之外，采用超低损光纤、RAMAN放大器和光电混合交叉等方式来减少电中继站点数量，同时降低FEC算法复杂度等方法也将有更多的应用场景和需求。

（3）高可靠

5G网络要求稳定性和可靠性高于99.999％，这就要求光传送网同样需要提供非常高的传输可靠性保证。目前，光传送网已实现OLP、OMSP、OCH和ODUkSNCP等针对不同层次的业务保护方案，而且现网运行的光传送网网络模型大多为环形组网，此种组网方式的主备路径时延差往往较大，不适用于5G网络对低时延的要求，同时也不适用于5G网络对高可靠性的要求。因此，需要对光传送网进行网络结构的优化升级，利用光电混合交叉等技术、网络拓扑结构调整和智能控制功能的结合，有效提高光传送网的可靠性和业务健壮性，结合最短传输路径选择策略，构建低时延、高可靠的光传送网络。

（4）灵活化

5G网络的业务类型将更加丰富，同时更多的应用场景要求业务开通的时效性及业务带宽灵活可变等，这就要求光传送网同样具备灵活承载带宽的动态指派能力。近年来，光传送网为了满足业务灵活性的需求，不断引入了ODUflex，G.HAO和GMP等技术，同时结合已有的ROADM、灵活栅格、可变收发和电交叉等技术，实现业务的灵活映射和复用，以及光层和电层相结合的灵活调度能力，有效提高带宽管道的灵活性。

（5）智能化

5G网络将具备更加灵活、智能、高效和开放的特点，这就要求光传送网需要支持软件定义网络（SDN）控制架构，实现网络能力的优化升级。5G网络将以SDN作为基础技术，真正实现控制平面和转发平面的分离，使整个网络变得更加灵活、智能、高效和开放。光传送网引入SDN功能后在5G网络中的主要优势包括：引入集中控制，提高控制平面智能决策能力，提升业务的部署效率和网络资源利用效率；利用网络虚拟化和资源抽象技术，成功完成软硬件的解耦，通过开放和标准化接口实现控制器互联，简化运维管理；通过开放网络和应用层接口，提供光传送网业务可编程能力，可实现带宽灵活提供、光网络VPN等新型定制化、增值化的业务需求。

4　光传送网发展挑战

作为主要承载网络的光传送网，面对5G网络的大带宽和高容量、低时延、高可靠、灵活化和智能化等承载需求，结合光传送网技术现状及发展趋势，其未来发展将面临如下一些挑战：

（1）光传输技术方案选择及实现

按照移动网络的典型承载需求，传送网络主要由前传网络、回传网络和核心网传输网络等组成。按照目前5G愿景的发展目标，无论是前传，还是回传和核心网传输，光传送网均面临技术方案选择及实现的多样化挑战，尤其是前传网络更为明显，典型如超大容量和高密集的无线接入已经使得前传网络的光纤直驱模式在5G网络中无法普遍应用。选择何种满足前传性能和功能要求的传输技术、无线前传网元之间的有线接口制式等仍需进一步研究，尤其是5G网络目前从整体上尚未对于端到端性能指标的划分、无线网元前传功能的分割等进一步明确。面向5G的光传输方案选择及具体实现仍面临巨大的挑战性和不确定性。

（2）低时延和灵活化高性能方案选择及实现

端到端ms量级的超低时延是5G网络典型的性能要求，而灵活化将是5G网络面向用户的基本属性。前面已经提及，光传送网长距离组网时主要时延由物理光纤链路带来，而光纤链路时延长一般除了选择更优的物理链路路由之外无其他技术解决方法，因此光传送网降低时延的技术将主要聚焦于节点处理，其中最主要的是电层信号处理，譬如FEC和DSP处理技术等，由于这些技术的处理时延与传输性能成反比关系，如何在保证传输性能的同时进一步降低处理时延将面临技术挑战。另外，为了适应5G网络业务应用的灵活化，光传送网需要提供承载带宽的灵活化，需要采用譬如基于电层的带宽调整（G.HAO、FlexO/E等）、基于光层的带宽调整（灵活栅格、可调收发等）等来实现，但这些带宽的灵活调整如何与5G业务的实际应用进行无缝的配合（同时也包括传送网在前传网络、回传网络和核心网传输网络之间的灵活化协同等），仍然面临很多问题需要进一步研究。

（3）与其他网络的协调和互通

5G网络的承载网络除了光传送网之外，还包括IP承载网、以及基于其他形式（譬如无线承载）的承载网，在具体5G网络承载中如何实现不同承载网络组网功能的合理分配并实现无障碍互通，仍面临很多需要进一步研究和探讨的问题，尤其是5G网络将采用SDN/NFV架构，如何在不同层次网络中实现，尤其是SDN架构的协调统一，将是SDN技术在5G网络中应用必须解决的重要问题之一。

5　结束语

5G网络业务需求和网络架构对现有光传送网络提出了大带宽、高容量、低时延、高可靠、灵活管道和智能化等诸多新需求，同时也给光传送网未来发展带来巨大技术挑战。为满足这些传输需求并解决技术挑战，业界需要推动光传送网技术加速革新和演进，为5G网络未来快速发展提供关键的基础承载网络保障。

［1］IMT-2020（5G）推进组.5G愿景与需求白皮书［R/OL］.（2014-05-28）［2016-06-22］.http：//www.imt-2020.cn/zh/documents/download/1.

［2］IMT-2020（5G）推进组.5G网络技术架构白皮书［R/OL］.（2015-05-28）［2016-06-22］.http：//www.imt-2020.cn/zh/documents/download/62.

［3］中国电信.低时延光网络技术白皮书［R］.中国电信，2016.

［4］张国颖，徐云斌，王郁.软件定义光传送网的发展现状、挑战及演进趋势［J］.电信网技术，2014，6.

爱立信携手韩国SK电讯和德国电信开展全球首例横贯大陆的5G试验

近日，爱立信与领先的电信运营商韩国SK电讯和德国电信携手开展合作，共同部署全球首例横贯大陆的5G试验网络，爱立信是本次合作的唯一基础架构提供商。

三方将采用网络功能虚拟化（NFV）、软件定义基础架构（SDI）、分布式云及网络切片等主要5G技术，在韩国和德国部署试验网络，主要目标是通过优化用户漫游体验推动高级5G用例扩展到全球。此外，三方还将共同开发5G生态合作体系，为5G进行全球性的推广，并积极参与到标准化制定中。

爱立信首席技术官艾华信（Ulf Ewaldsson）表示：“5G将掀起覆盖全球的创新浪潮。爱立信致力于生态合作体系与跨行业合作，旨在充分挖掘5G的潜力，并确保5G技术能够尽快惠及世界各地的人、企业乃至整个社会。”

华为和爱立信、诺基亚续签基于OSSii的谅解备忘录

华为近日与爱立信、诺基亚在“运营支撑系统互操作倡议（OSSii：Operations Support Systems interoperability initiative）”框架下深化合作，签署了新的OSS谅解备忘录，将范围延伸到IMS和MANO领域。

华为云核心网SingleOSS领域总经理颜叶表示：“随着LTE和VoLTE的迅猛发展与演进，IMS互操作集成的周期和成本逐渐成为运营商关注的焦点。作为OSS领域的主要领导者之一，华为一直致力于降低客户网络运营成本，简化网络管理，缩短新业务上市时间。OSSii将会有效驱动网络管理领域的创新，提高整合效率，节约客户成本。我们非常乐意参与这样的合作，以公开、公平、合理和非歧视的原则为指导，保证华为在核心网领域全面遵从OSSii倡议框架，持续为客户创造更大的价值。”

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

国家高技术研究发展计划“863”基金资助项目（No.2013AA013402，No.2015AA015502）、国家自然科学基金资助项目（No.61171076，No.61201260，No.61471128）资助

（2016-06-24）