5G光傳送網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用

張軍

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)內(nèi)蒙古有限公司阿拉善分公司 內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟 750306）

光傳送網(wǎng)技術(shù)是整個(gè)5G 移動(dòng)通信技術(shù)的重要組成部分，5G 的發(fā)展也對(duì)其提出了更為嚴(yán)格的要求和挑戰(zhàn)，因此，對(duì)光傳送網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行深入的研究分析對(duì)于5G 的發(fā)展和普及具有十分強(qiáng)烈的現(xiàn)實(shí)意義。

1 5G網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

相比于4G 網(wǎng)絡(luò)，5G 通信技術(shù)要求能夠滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)覆蓋范圍、容量以及傳輸速度等多方面的需要。其中在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)中，必須要滿(mǎn)足對(duì)容量和覆蓋范圍的高要求。5G 網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)（如圖1）整體上可以分成接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，而接入網(wǎng)包含著控制平面和用戶(hù)平面，核心網(wǎng)包含著AMF、UPF 和SMF，其中AMF 的功能是訪(fǎng)問(wèn)和移動(dòng)管理，UPF 的功能是給用戶(hù)平臺(tái)提供支持，SMF 的功能是會(huì)話(huà)管理。5G 通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的服務(wù)對(duì)象有兩種，分別是互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)。應(yīng)用于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的場(chǎng)景有兩類(lèi)，首先是持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)而且覆蓋范圍比較廣的場(chǎng)景；其次是高容量的熱點(diǎn)場(chǎng)景。應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的場(chǎng)景也有兩類(lèi)，首先是連接很大并且低功耗的場(chǎng)景；其次是可靠性高并且延時(shí)比較短的場(chǎng)景。由于場(chǎng)景不同，其所面對(duì)的問(wèn)題可能也存在差異，其中主要有以下幾方面。首先是一定面積范圍之內(nèi)網(wǎng)絡(luò)所能夠支持的設(shè)備總數(shù)量；其次是在一般網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的最低傳輸速率以及數(shù)據(jù)從發(fā)出到接受所需要花費(fèi)的時(shí)間；再次是在滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)性能要求的同時(shí)，設(shè)備雙方能夠產(chǎn)生的最大傳輸速率；最后是單個(gè)用戶(hù)體驗(yàn)時(shí)的最高傳輸速率以及一定范圍內(nèi)流量總和等。這些問(wèn)題的具體標(biāo)準(zhǔn)，都要根據(jù)5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的具體場(chǎng)景進(jìn)行確定和審查[1]。

2 面向5G的光傳送網(wǎng)需求

在5G 通信網(wǎng)絡(luò)中，光傳送網(wǎng)處于控制面板和轉(zhuǎn)發(fā)面之間，發(fā)揮著重要的承載作用。5G 通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)論是對(duì)傳輸功能還是組合網(wǎng)絡(luò)的功能要求都比較苛刻，因此對(duì)傳送網(wǎng)也提出了更高的功能需求。

2.1 低延時(shí)需求

無(wú)論是在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)還是物聯(lián)網(wǎng)方面，5G 通信網(wǎng)絡(luò)都加大了對(duì)延時(shí)的要求，一般空口延時(shí)要保持在1m/以下，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收之間所經(jīng)歷的時(shí)間也要縮短。因此光傳送網(wǎng)一方面要降低傳送時(shí)間，另一方面還要縮短接收時(shí)間。根據(jù)目前的相關(guān)分析，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中之所以會(huì)出現(xiàn)延時(shí)，主要是因?yàn)楣饫w的傳輸路徑存在問(wèn)題。因此可以通過(guò)減少中繼器的方式縮短光纖路徑，滿(mǎn)足光傳送網(wǎng)的低延時(shí)要求。

2.2 高可靠性需求

5G 網(wǎng)絡(luò)對(duì)可靠性的要求較高，因此光傳送網(wǎng)也要提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。目前，光傳送網(wǎng)更多的是以環(huán)形組網(wǎng)的模型運(yùn)行，其延時(shí)性較差，因此必須要進(jìn)行升級(jí)。同時(shí)，為了提高光傳送網(wǎng)的可靠性也已經(jīng)制定了許多保護(hù)措施，對(duì)于組網(wǎng)架構(gòu)，可以把網(wǎng)絡(luò)扁平化和最優(yōu)光纖傳輸路徑進(jìn)行結(jié)合，組建出低延時(shí)且具有高可靠性的光傳送網(wǎng)。

圖1：5G 網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)圖示

圖2：5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展總體視圖

2.3 智能化需求

由于5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有靈活、開(kāi)放等特征，因此光傳送網(wǎng)也必須要能夠控制軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從而不斷優(yōu)化和升級(jí)5G 網(wǎng)絡(luò)。其中涉及到的主要技術(shù)是軟件定義網(wǎng)絡(luò)，以此分離控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更加靈活和智能。這樣一來(lái)，能夠通過(guò)對(duì)控制面的集中控制提高其智能水平，進(jìn)而提高各項(xiàng)業(yè)務(wù)的工作效率。

3 5G光傳送網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)

3.1 頻譜效率及系統(tǒng)容量

隨著信息技術(shù)水平的不斷提高，5G 網(wǎng)絡(luò)給頻率效率和系統(tǒng)容量帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。要進(jìn)一步提升用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，必須要正確面對(duì)核心網(wǎng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。因此，提高頻帶的利用率應(yīng)當(dāng)成為未來(lái)5G 發(fā)展的重要方向之一，從而不斷提升網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度，優(yōu)化用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。可以通過(guò)非授權(quán)頻段和高頻段來(lái)滿(mǎn)足5G 網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻譜資源的需求，一方面能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，另一方面也可以有效控制網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行成本。除此以外，相關(guān)人員還應(yīng)當(dāng)格外重視對(duì)拓展頻率的研發(fā)，從而不斷提升系統(tǒng)覆蓋層次。要早日實(shí)現(xiàn)5G 用戶(hù)的普及，還需要對(duì)許多技術(shù)進(jìn)行研究和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)多種通信技術(shù)的融合[2]。

3.2 成本控制與網(wǎng)絡(luò)消耗

5G 通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍越來(lái)越廣，因此必然會(huì)面對(duì)著一個(gè)成本控制和資源消耗的問(wèn)題。時(shí)至今日，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)與人們的日常生活和工作密不可分，用戶(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求量也逐漸增加。5G光傳送網(wǎng)作為一種新型的應(yīng)用技術(shù)，必須要制定合理的價(jià)格才能實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。此時(shí)，便需要充分考慮運(yùn)營(yíng)成本、用戶(hù)成本以及用戶(hù)需求等多方面的因素，從而保證基本的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 終端設(shè)備問(wèn)題

隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，用戶(hù)所使用的終端設(shè)備也更加智能化、現(xiàn)代化和多樣化。因此，智能設(shè)備問(wèn)題也成為了5G光傳送網(wǎng)所面對(duì)的一個(gè)重要問(wèn)題，對(duì)于一般的用戶(hù)而言，能否提供多樣化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是他們選擇網(wǎng)絡(luò)終端一個(gè)重要參考因素。未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)智能終端設(shè)備種類(lèi)必然會(huì)不斷增加，只有給用戶(hù)提高終端服務(wù)體驗(yàn)，才能夠提升自己核心競(jìng)爭(zhēng)力，因此不僅要適當(dāng)控制成本，同時(shí)還要進(jìn)行多模終端的研發(fā)[3]。

4 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn)生的影響及其設(shè)計(jì)

4.1 產(chǎn)生的影響

在5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的過(guò)程中，其逐漸改變了4G 的傳統(tǒng)兩級(jí)架構(gòu)，發(fā)展到了目前的CU、DU 以及AAU 三級(jí)架構(gòu)，從而更好地滿(mǎn)足5G 發(fā)展需求。CU 主要是以4G 中原有的BBU 為基礎(chǔ)，對(duì)其非時(shí)部分進(jìn)行合理地切割，并重新定義為CentralizedUnit，即集中單元，能夠在很大程度上提高處理服務(wù)和非實(shí)時(shí)協(xié)議的速度和水平。而DU 主要是把BBU 中剩余的部分功能進(jìn)行整合，一般重新定義為DistributeUnit，即分布單元，其主要功能是科學(xué)地處理實(shí)時(shí)服務(wù)和物理層協(xié)議。AAU 主要是把BBU 中的部分物理層處理功能進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，并且和RRU 進(jìn)行合并，最后定義成ActiveAntennaUnit，即有源天線(xiàn)處理單元。RAN 架構(gòu)分離之后，承載網(wǎng)相應(yīng)的也被分成了三個(gè)部分，分別是前傳、中傳和回傳，不同結(jié)構(gòu)之間有序相連，以此達(dá)到5G 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的相關(guān)需求。

除此以外，為了進(jìn)一步滿(mǎn)足相關(guān)需求，核心網(wǎng)也逐漸開(kāi)始向云化和下沉發(fā)展。5G 網(wǎng)絡(luò)要求降低回傳負(fù)擔(dān)、高靈活性以及低延時(shí)性，因此要求核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)云化和下沉處理，同時(shí)充分利用目前的MEC 移動(dòng)邊緣計(jì)算，組成合理的分布式架構(gòu)，從而更好地滿(mǎn)足5G網(wǎng)絡(luò)的需求。在利用相關(guān)技術(shù)對(duì)EPC 進(jìn)行拆分時(shí)，主要可以分成MEC 和NewCore 兩個(gè)部分，同時(shí)通過(guò)目前的DCI 數(shù)據(jù)中心互聯(lián)和Mesh，實(shí)現(xiàn)以承載網(wǎng)為基礎(chǔ)的云化互聯(lián)[4]。

4.2 承載方案設(shè)計(jì)

5G 承載網(wǎng)絡(luò)分為前傳、中傳和回傳三個(gè)部分，各部分都具有不同的特點(diǎn)。以前傳為例，其應(yīng)用場(chǎng)景主要可以分成三種，分別是小集中、大集中和環(huán)網(wǎng)大集中。對(duì)于小集中場(chǎng)景，一般DU 的部署位置比較低，和4G 中BBU 的部署位置基本一致，在實(shí)際連接時(shí)，AAU 的數(shù)量一般在30 個(gè)以下。對(duì)于大集中場(chǎng)景，DU 的部署位置通常比較高，因此和小集中場(chǎng)景之間存在較大的差別，而且其更多地位于綜合接入點(diǎn)機(jī)房，在實(shí)際連接時(shí)，AAU 的數(shù)量一般在30 個(gè)以上。最后是環(huán)網(wǎng)大集中場(chǎng)景，其大多是以目前的光纖資源和拓?fù)浞植甲鳛榛A(chǔ)，對(duì)大集中場(chǎng)景進(jìn)行科學(xué)合理地劃分，一般可以分為兩部分，一部分是P2P 大集中，另一部分是環(huán)網(wǎng)大集中。通過(guò)完整的場(chǎng)景設(shè)計(jì)和承載方案設(shè)計(jì)，能夠有效提高5G 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的整體質(zhì)量和運(yùn)行效率[5]。

在進(jìn)行無(wú)源WDM 方案的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常是利用目前的波分復(fù)技術(shù)，在無(wú)線(xiàn)設(shè)備上科學(xué)合理地安裝采光模塊，將分波板卡作為媒介，提高其波分復(fù)用能力，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)一個(gè)一根光纖連接多個(gè)無(wú)線(xiàn)設(shè)備地基本目的。在實(shí)際制定無(wú)源波方案時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮波長(zhǎng)的基本屬性，一般有兩種主要使用的方案，分別是DWDM 無(wú)源粗分方案和CWDM 無(wú)源密集方案。經(jīng)過(guò)筆者的研究對(duì)比，發(fā)現(xiàn)目前的無(wú)源波方案比光纖直驅(qū)方案性能更好，能夠在很大程度上節(jié)省光纖的材料成本，并提高網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，這種方案也存在一定的限制性，波長(zhǎng)等因素也會(huì)對(duì)通道數(shù)、規(guī)劃復(fù)雜度等產(chǎn)生較為直接的影響。CWDM 方案的波長(zhǎng)比較長(zhǎng)，但是無(wú)源DWDM 的波長(zhǎng)數(shù)量更多，能夠更好地滿(mǎn)足5G 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行需求。值得注意的是，波長(zhǎng)數(shù)量更多則意味著對(duì)波長(zhǎng)管理和控制提出了更高的要求，從而增加了整體的經(jīng)濟(jì)成本，因此相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)綜合考慮多種影響因素，不斷對(duì)承載方案進(jìn)行優(yōu)化（如圖2）。

5 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)和光傳送網(wǎng)的特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，然后對(duì)5G 時(shí)代給光傳送網(wǎng)提出的新要求和挑戰(zhàn)進(jìn)行了具體分析，最后對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn)生的影響及其設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究。然而目前5G 網(wǎng)絡(luò)僅應(yīng)用于小部分領(lǐng)域，民用5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)僅在部分地區(qū)進(jìn)行了試點(diǎn)，要盡快實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)的普及化應(yīng)用仍然需要解決許多問(wèn)題，相關(guān)研究也不會(huì)至于本文。希望相關(guān)研究者能夠在研究過(guò)程中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，大膽創(chuàng)新，爭(zhēng)取進(jìn)一步提高光傳送網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用水平，從而盡快使5G 網(wǎng)絡(luò)得到普及應(yīng)用。