基于OTN的5G承载网组网设计

席红雷

（山西机电职业技术学院 山西省长治市 046011）

5G 移动通信技术中承载网的组网架构是目前全球移动通信技术领域中重要的技术课题之一。光传输网简称OTN，是光传输网络的一种新组网技术，该技术保证数据的性能指标和生存性，同时可以完成业务数据的分发、重选、路由更新、网络监控的光传输网络，OTN 充分发挥了有线光域信号传输与无线电域数据处理的技术优势，新的组网技术可以为多个网元同时提供端到端所应具有的多种透明传输信道和强大的数据组网能力，还同时可以为多个接入点终端提供远距离、大容量的数据传输。

1 概述

1.1 5G组网技术

5G 组网逻辑结构由3 个功能平面构成：接入平面，控制平面和转发平面[1]。在整体组网逻辑架构上，5G 网络采用模块化组网技术来满足多样化业务应用场景，组建以核心功能为网络控制的三层网络架构。与LTE 网络相比，5G 网络的特点和优势可以体现在容量大、连续性广域覆盖、低时延、功耗低、速率快等方面，必然能够给用户带来截然不同的网络体验，也有可能推动移动网络技术和配套技术突飞猛进。

1.2 OTN技术

OTN 是一种以光传输为基础的网络类型，能够有效地实现光域内的无线信号传送、复用、路由选择及远程监控等[2]。随着光传输技术的快速发展，ITU-T 已经制定了OTN 相关标准体系，与其他一些传统的组网技术相比，OTN 技术的巨大优势主要表现为多种类型的客户信号封装及透明数据传输、小颗粒宽带重新复用、售后服务及维护管理等，并且它们具有很高应用价值和安全保障能力。

2 5G时代承载网的架构模式及业务需求分析

2.1 5G承载网的架构模式

3GPP 的5G 承载网架构[3]，从功能角度RAN 被划分为集中单元（CU）和分布单元（DU）两部分，传送网形成了前传、中传、回传三层结构，其中的传送功能和业务需求都有各自的标准。新的组网方式将传送网络变成数据中心和云端的网状网，有效提高网络的传输服务，5G 时代的网络架构转型需要新的传输技术和网络架构。由于CU 与DU 是逻辑网元，可以分开部署，以为可以一体化部署，部署方式灵活方便，导致物理界限不明显，具体部署时需统一承载。如图1所示。

2.2 5G承载网需求分析

2.2.1 5G 承载网的超带宽增长

随着高清视频、AR/VR、万物互联等业务的快速增长，数据吞吐量快速增长，承载网络带宽需要进行扩容，同时5G 基站接口速率较4G 将增长10 倍以上，峰值带宽增长10 倍左右。在接入层部分，手机的接入速率将提至1GE 以上，在5G 承载网部分，网络容量将增长到100GE/400GE，未来在超大型城市，汇聚层峰值容量可能达到1T 以上。为了满足5G 承载网的超带宽增长，关键技术是提高物理端口速率和高效的链路聚合。

2.2.2 5G 承载网中的低时延

超可靠低时延通信（uRLLC）在5G 应用场景的中支持多种服务[4]，主要实现高可靠性、超低延迟和可控性延迟等特殊业务通信。实现这类特殊业务需要移动承载网提供亚毫秒级时延。因此，5G承载网的时延要求越来越高，端到端毫秒级的时延要求，比目前的LTE 时延需降低10-100 倍。尽管通过挖掘4G 承载网中现有设备/芯片的潜力，但目前传输技术的上限还无法满足这类业务的需求。

2.2.3 5G 承载网网络切片需求

5G 承载网需要具有满足多种业务需求，例如无线终端、资源记住、大宽带连接等，5G 标准定义了三大应用场景：eMBB、mMTC 和uRLLC，这些场景中的业务具有不同需求，如：低时延、大带宽、大数量连接、高可靠等。根据不同业务的需求，网络应具有隔离、剪裁及资源分配等功能，而网络切片拥有较强的网络管控能力。

3 基于OTN的5G承载网组网设计

3.1 5G承载网前传技术

前传是指在网络的接入层将C-RAN 连接到5G 移动站点。由于C-RAN 部署不断增加，数据速率需要快速提升，光纤技术在前传通信中的应用越来越受到关注。前传技术方案的设计主要考虑AAU 站点与DU 集中点之间进行点到点连接，在5G 发展前期与后期可以分别采用100G 速率和200G 速率规格，需要充分考虑业务需求和成本问题。

3.2 有源WDM/OTN方案

在5G 承载网前传架构中，有源WDM/OTN 可以部署在AAU和DU 机柜中，WDM/OTN 设备可以把多种前传数据信号通过WDM 共享到各种光纤终端的数据库资源中，同时使用OTN 的开销来完成对环境的管理与保护，提高网络质量及安全性保障。该方案的技术优势之一是系统结构组网灵活，支持多种拓扑结构，如星型、链型、环形网络。

基于WDM/OTN的前传组网，有点对点和环形网两种拓扑结构。如图2(a)所示，基于OTN 的点到点架构图，该架构中的单光纤，与4G 中的无源波分方案相比较，需要的光纤资源一样，建网成本相同，但是可以实现单向、双向等传输方式，图2(b)所示为有源方案环形网的架构图。不仅可以降低光纤使用量，而且有源WDM/OTN 方案具有环网保护功能，网络可靠性较高。

3.3 5G承载网中/回传技术

5G 承载网的中回传组网架构模型与城域网的组网模型基本相同，组网架构中都包含接入层、汇聚层与核心层，城域网中的骨干层/汇聚层与5G 回传网络对应，接入层则与中传对应。近几年，OTN 已经具有以太网、MPLS-TP 等分组交换和处理能力，增加层间适配,形成层次化的结构，同时整合WDM、TCP/IP、MPLS-TP和SDH 等技术,新技术可以很好地满足5G 承载网的IP 化的业务发展需求。中传与回传对于传输网的容量、速率、拓扑结构等方面的组网需求是一致的，所以可以设计相同的组网架构。

3.4 OTN组网方案

基于OTN 的中传/回传组网方案，在DU 设备中，可以采用OTN 强大的帧处理能力，再引入DSP、芯片等硬件技术优势，实现数据的快速成帧、压缩和IP 转换功能，满足DU 设备的传输时延要求。在CU 设备中，首先，采用增强型OTN 构建CU 与DU之间的大带宽、低时延的连接，而快速的信令接入可以利用PDCP的处理功能，时效性、高效性与可靠性。其次，在OTN 中集成的WDM 技术，可以实现远距离传输，还可以实现按需分配传输链路的带宽及容量。以OTN 为基础的组网方案有以下两种：

3.4.1 分组增强型 OTN+IPRAN 方案

利用分组增强型OTN 设备来组建5G 承载网的中传/回传网络，可以快速完成网络中路由信息的转发。企业级的OTN 设备配置模式有ODUk 穿通模式，可以满足5G 传输网对低时延和大容量等方面的要求。在回传网络中，原有4G 的IP 化无线接入网中的组网设备可以继续使用，如图3(a)所示。增强性OTN 环网与原有的IPRAN 环网之间通过IP 网络协议中的BGP 协议，交换不同环网中的路由信息。

3.4.2 端到端分组增强型OTN 方案

为了避免OTN 与IPRAN 的互联互通、跨专业协调等方面的问题，该方案全部使用增强路由转发功能的分组增强型OTN 设备完成组网，如图3(b)所示。与分组增强型OTN+IPRAN 方案相比，实现网元和网元之间的综合管理，该方案能更好的利用OTN 组网的灵活性。

图1：5GRAN 功能模块架构

图2：OTN 在前传架构中的应用

图3：OTN 在中传/回传架构中的设计

4 结语

超大带宽方面，在承载技术的中/回传方面，可以采用基于硅光子技术、光子集成技术等相干模块，实现远距离传输，并满足大带宽和低成本的需求。在前传方面，通过非相干技术，OTN 可以实现5 倍速率扩展，而超频技术，可以实现10 倍以上的速率扩展。快速组网方面，可以利用ODUflex、FlexO、全光交叉等新技术，实现网络快速调度和灵活调整，网络综合管控方面可以采用SDN技术，实现最优网络资源配置，提高信道复用效率。低时延方面，OTN 需要在分支时隙、复用方式、开销等方面进行简化。

综上，OTN 是能充分满足5G 网络发展需求的承载网，其组网架构应当根据5G 网络实际需求进行标准化、合理化设置。随着ONT 技术的快速发展，需要进一步探索基于OTN 的5G 承载网的组网技术研究，从而推动5G 承载网的快速部署，以满足5G 多样化应用场景发展需求。