固网F5G接入网架构研究

张叶卓，李家京，张 岳，罗远源

(北京电信规划设计院有限公司,北京100048)

0 引言

当前,随着新一轮技术变革和行业转型的深入推动,中国信息与通讯技术正处于全面革新、深入整合和智能引领发展的重要时期。F5G是固定通信系统的新发展方式,与5G技术相辅相成互促,将成为中国新型基础设施的主要构成与支撑底座,是建设制造强国和网络强国不可缺少的关键支撑。

2021年政府工作报告中提出,“加大千兆宽带光纤网络和 5G 网络建设力度,不断丰富网络应用场景”。千兆宽带网络的建设必须满足超大带宽和确定性的业务体验,才能实现在任何时间、任何地点、任何业务的千兆接入。

在这一需求的前提下,F5G作为固定网络通信技术被提出来。中国信通院、中国联通、中国电信、华为等单位在2020年联合提出面向数字化、智能化时代的下一代固定网络技术,由欧洲电信标准化协会(ETSI)正式发布第五代固定通信网络(ETSI ISG F5G),即F5G。

图1 固定网络发展的5个阶段[1]

相比于上一代的固定网络,F5G在带宽、联接数、时延和安全性上都有很大的提升。F5G网络作为新型基础设施的重要组成部分,给行业数字化转型、城市智能化升级带来了前所未有的机遇和前景。2022年中国联通携手20多家国内外运营商和行业伙伴共同发布了《F5G Advanced产业白皮书》。提出了第五代固定网络从整体网络架构、组网方案、设备类型以及业务支撑能力等方面的演进需求,以便更好地服务经济和社会的数字化转型。

1 F5G典型应用场景分析

F5G具备全光联接(FFC)、增强型固定宽带(eFBB)、极致体验(GRE)三个关键特征,面向固定接入场景稳定可靠,被广泛应用于家庭、企业、工厂、医院等固定性、大带宽、低时延和高安全的场景,将提供更多新型的、增强型的用户服务,提供扩展性的光纤基础设施和服务,实现更加智能和快捷的管理维护和优化。下面介绍4个典型应用场景。

1) 基于家庭场景的宽带

目前智慧家庭和智慧社区业务呈现多元化、服务对象要求精准化、终端更加多样化、管理实现智能化等特征[2],随着千兆网络时代的到来,传统的家庭和社区的生活模式及观念正在加速转变,用户的业务及应用日趋丰富。后疫情时代下,家庭成员同时通过网络居家学习、居家办公、居家直播、在线会议,同时高清电视业务、移动视频业务、家庭监控、家庭物联网业务、远程医疗等超高清应用对于宽带网络的需求日益增加,大带宽、低时延、低抖动、宽窄带信号无缝覆盖等对家庭和社区的网络质量也提出了更高的要求,需要升级到以10G PON和Wi-Fi 6技术为基础的千兆网络来支撑,来提供更好的宽带网络能力和服务质量。

运营商通过使用宽带网络相关组件及嵌入式人工智能等功能,对宽带应用程序进行识别,以提供低时延、大带宽和高稳定性的网络保障,提升用户体验,所有的网络资源均由端到端的控制分析平面进行统一管理,逐步从过去的“宽带经营”向“体验经营”转型。

2) 高质量专线场景

高质量的专线网络具备高安全性和可靠性,提供端到端的用户体验保障。在智慧政务中,利用F5G全光网的超大带宽,实现政府各个部门之间数据打通、业务统一承载,利用网络的物理隔离特性保障业务数据的绝对安全,为百姓提供便捷的办事体验;在医疗场景中,2020年的新型冠状病毒肺炎疫情让每个人认识到了远程医疗的重要性,基于F5G全光网的实时化高清图像、视频交流、远程问诊、医疗影像异地同步、远程医疗教学等新型医疗服务方式将成为常态;在金融服务机构场景中,为确保交易时间内工作不间断,分支机构与总部之间需要具备冗余线路连接,在F5G支持下,金融服务安全级别、大带宽、低时延得到极大支持;随着企业数字化转型,为了减轻本地重资产配置压力,将生产服务部署到云上,基于F5G的高质量专线网络,适合为政府机构、金融企业、医疗和大型企业提供高安全性和可靠性的端到端用户体验[3]。

3) FTTR

FTTR,光纤到房间,Fiber to The Room的简称,是千兆时代下家庭以及SOHO办公网络的新型覆盖模式,在FTTH的基础上,将光纤部署到每一个房间或者办公室,让每个房间都可以满足千兆的高品质网络,实现真正的全屋Wi-Fi6的千兆无盲区覆盖的新型组网方案,确保每个地点都能享受到千兆光带带来的最佳的上网体验。自2020年ETSI发布F5G标准后,FTTR全光家庭产业发展进入了快车道。随着8K超高清视频、VR、全屋智能和在线教育等应用蓬勃发展,家宽正在向更高带宽、更多联接和更低时延的体验演进。FTTR全光家庭组网方案网速快、全屋覆盖无死角的优势,能有效保证家庭或办公场景电脑、电视、手机、平板、VR等多种全屋智能终端联网使用,解决传统组网“速率低、覆盖差”等问题,为高品质家宽业务提供高速、稳定的网络保障。

4) 云VR

VR技术是通过计算机生成的模拟环境,实现一个或多个观看者与虚拟对象和虚拟世界的交互。云VR通过将VR服务中的大量逻辑计算和图像渲染算力搬到云端,来实现在线用户交互式虚拟现实体验。现阶段影响云虚拟现实服务体验的主要因素还是带宽、网络延迟和丢包等等。随着千兆光纤网络的高速发展,可为云VR业务提供可靠的网络保障及交互体验。

2 F5G接入网网络架构

随着固定网络的发展,未来的网络一定是支持增强超宽带(eFBB)、全光联接(FFC)和极致体验(GRE)。为了实现灵活且经济高效的服务部署,保障用户的极致体验,提出F5G网络架构,基于SDN和NFV原则,将业务平面和底层平面解耦,划分为底层平面、业务平面和管理控制分析平面的三层架构。

底层平面由物理网络节点组成,包括客户驻地网(CPN)、接入网(AN)、汇聚网和核心网四个网段。依托MCA平面控制引擎提供满足用户需求的高带宽网络连接和动态可编程路径选择。

业务平面为客户提供宽带服务连接,客户通过接入网服务接入点(SAP)接入宽带服务,业务处理点(SPP)进行业务识别、添加或移除数据封装等操作,服务映射点(SMP)完成流量映射到特定的底层交换通道。通过接入网服务接入点(SAP)与汇聚网络边缘服务处理点(SMP)建立服务连接,完成特定服务处理,并且把出/入流量映射到适当的底层隧道。

管理、控制和分析(MCA)平面作为网络的智能核心,依托网络数字孪生技术、AI分析引擎,实现F5G网络的自动化管理和控制。

3 F5G关键技术

3.1 网络切片

随着宽带光纤网络的规模应用以及网络技术的不断完善,宽带接入网渐渐发展成为承载家庭网络、政企专线、基站回传等多业务的综合承载网,为了避免多业务的竞争和资源抢占,进一步提升用户体验感知,在面对不同用户、不同业务时,需要为用户提供差异化的、服务可保证的网络能力,来满足用户在不同业务场景下的网络需求[4]。网络切片作为F5G固定网络的关键技术之一,在同样的网络基础设施下,将物理网络切割成多个端到端的虚拟网络,为不同的业务、不同的需求场景提供独立的网络通道。

当前运营商的宽带切片网络主要根据B端客户(政企单位)要求的应用需求,确定切片中资源的分配。然而在切片的实际试验运营中,运营商仍以手动设置的模式,切片的划分以整个网络的资源发放给B端客户(政企单位),B端客户(政企单位)不能灵活自定义;在C端客户(个人或物联网终端)加入切片网络时,也是需要手动加入配置实现,缺乏灵活性和智能化手段。

为了更好地提供定制化、差异化的切片服务,实现切片资源动态划分,本文提出一种宽带网络切片开放的方法及系统,基于位置的信息化服务与运营商的光纤宽带位置信息匹配,向B端客户(政企单位)开放基于可视化GIS的需求自定义系统,并将B端客户(政企单位)自定义的需求映射到网络MCA层面,经网络赋能后形成B端客户(政企单位)特定的网络切片实例,并将其映射为二维码等虚拟网络身份标识,C端客户(个人或物联网终端)可通过扫码等快捷的方式获得切片网络服务,实现B端客户快捷定义自有网络,C端用户抬手扫码,即时进入专有网络服务等功能,同时保障各用户的隐私和安全,助力运营商构建B2B2C的商业模式服务。

3.2 流量映射

在F5G体系结构中,流量映射由管理、控制和分析(MCA)平面和接入汇聚网元两部分组成。通过对流量进行标识和身份验证,将具有给定标签的业务映射到与服务需求匹配的底层隧道。MCA平面对切片实例的访问进行身份验证和授权,并将流量映射功能配置为相应的网络切片实例。接入网元的流量映射实现用户流量识别、用户访问控制、QoS流量标记、流量引导、流量调度等功能;汇聚网元的流量映射实现流量引导功能、切片带宽管理、切片流量调度等功能。

3.3 业务和底层平面解耦

在F5G体系结构中,数据平面由业务平面和底层平面组成,其中服务标识和处理与网络流量转发和路由分离。底层平面主要是一个物理网络平面,由物理网络节点组成,通过分组交换和TDM交换技术实现CPN网络、接入网络、汇聚网络、核心网络互联互通,并在MCA平面中F5G控制器的控制下实现路径动态配置。业务平面为用户的网络服务提供连接。通过特定的节点处理和转发来识别应用程序,流量通过IP/以太网或底层平面中的OTN网络进行传输,来为用户提供网络服务。

3.4 结构简化的聚合网络

IP/以太网结构提供了简化的聚合网络体系结构,基于底层平面与业务平面解耦的原理,使用简化的协议栈来简化网络层,并引入SDN技术,以实现全网互联,多路径冗余保护,集中管理和控制等,确保所有节点都可以相互连接,实现直连支持高优先级服务,高可靠性,带宽利用率高,简化的网络。

4 结束语

随着万物互联时代的来临,各行各业数字化场景应用对网络连接提出了更高的要求,未来的网络体系架构必然是向大规模、更细粒度、智能管控的方向演进。本文总结了F5G千兆网络时代的典型商业应用场景,分析了当前部署的宽带网络体系架构存在的不足,提出一种更加灵活且经济高效的服务部署方式。为保障用户的极致体验,针对不同层次的技术需求,深入分析了F5G需具备的关键技术,通过对这些关键技术和相应标准的协同攻关,来满足F5G在未来业务中的应用需求。