基于OTN的5G承载技术和方案探讨

李俊杰 中国电信股份有限公司北京研究院网络研发与运营支持部副主任

唐建军 中国电信股份有限公司北京研究院高级工程师

1 引言

5G移动通信技术是目前通信业界最热的课题之一。5G网络拟提供业务的主要特征包括大带宽、低时延和海量连接，从而对承载网在带宽、容量、时延和组网灵活性等方面提出了新的需求。光传送网（OTN）技术结合了光域传输和电域处理的优势，不仅可以提供端到端的刚性透明管道和强大的组网能力，还可以提供长距离、大容量传输能力。光传送网如何在5G时代继续保持竞争力，实现5G的高效承载，已经成为整个光通信行业关注的热点。本文将对基于OTN的5G承载架构、技术方案和标准化情况进行介绍，并对方案涉及的相关问题进行探讨。

2 基于OTN的5G承载标准化进展

为了满足5G承载在灵活组网方面的需求，需要在分组增强型OTN（P-OTN）设备已经支持以太网和MPLS-TP分组技术的基础上，增加对IP/MPLS路由转发功能的支持。2017年年底，CCSA已经立项对行标《分组增强型光传送网（OTN）设备技术要求》进行修订。目前已完成标准修订版本的征求意见稿，计划2018年年底之前提交会议讨论。

为了满足5G的承载需求，需要对现有的OTN技术进行简化和优化，以便降低成本和简化运维。中国电信联合业界主流运营商、设备厂商和器件模块厂商提出了M-OTN的概念。M-OTN是面向移动承载优化的OTN技术，主要特征包括单级复用、更灵活的时隙结构、简化的开销等，目标是提供低成本、低时延、低功耗的移动承载方案。

在2018年2月的ITU-TSG15全会上，启动了两个M-OTN相关的标准项目：G.sup.5gotn:Application of OTN to 5G Transport（OTN在5G传送中的应用）和G.ctn5g:Characteristics of transport networks to support IMT-2020/5G（支持IMT-2020/5G的传送网特性）。在2018年6月举行的ITU-TSG15Q11中间会议上，上述两个项目取得以下进展：

（1）G.sup.5gotn：对该标准项目的提纲框架达成共识，进一步完善了采用OTN技术支撑5G承载的相关内容，包括基于OTN的5G传送网络架构、OTN保护、频率和时间同步方案。

（2）2G.ctn5g：对该标准的范围和框架达成共识，即G.ctn5g标准只定义技术无关的5G传送需求，与技术方案相关的内容不属于该标准的范围。

Q11计划于2018年10月完成G.sup.5gotn，并正式启动M-OTN的标准制定。

3 基于OTN的5G承载组网架构概述

基于OTN的5G承载组网架构如图1所示。为了便于网络维护和降低设备的复杂度，建议将IP/MPLS三层网络功能只部署到接入汇聚机房。接入层节点（M1）可通过各种方式连接到接入汇聚机房设备（M2），如L0（波长/光纤）、L1（OTN链路）、L2分组（以太网/MPLS-TP）等方式。根据不同的部署位置，将用于5G承载的OTN设备分为4种类型，分别是接入设备（M1）、汇聚设备（M2）、核心设备（M3、M4）。根据接入M2的不同方式，M1可进一步分为透传型M1和分组型M1两种形态。

图1 基于OTN的5G承载组网架构

作为城域传送网的边缘节点，M2所在的接入汇聚机房（或综合业务接入点）对于运营商具有战略性地位。基于综合业务承载需求和带宽估算（单节点100～200G），建议将WDM/OTN下沉到该节点以实现综合业务承载，设备交换容量要求在500G～1Tbit/s之间。考虑到网络规模大、带宽需求和距离等因素，建议汇聚层采用低成本WDM（如N×25G/100GWDM）技术进行组网。

接入层节点设备一般按照不同的业务类型（5G、专线、家庭宽带等）按需部署，由于地理位置在大部分情况下并不重合，因此比较难实现综合承载。

4 基于OTN的中/回传技术方案

图2 基于OTN的中/回传技术方案

5G中传和回传对于承载网在带宽、组网灵活性、网络切片等方面需求基本一致，因此可以采用统一的承载方案。基于OTN的中/回传技术方案如图2所示。如前所述，为了便于网络维护和降低设备的复杂度，建议将三层网络部署到接入汇聚节点（M2）。接入层节点（M1）可通过各种方式连接到M2节点。

4.1 L3技术方案

OTN支持L3协议的基本原则是按需选用，并尽量采用已有的标准协议，包括OSPF、IS-IS、MP-BGP、L3VPN、BFD等。OTN设备L3部分的主要功能特征包括：

（1）基础路由功能：支持OSPF和ISIS域内路由协议，支持BGP域间路由协议。

（2）SR功能（可选）：包括域内SR和跨域SR，支持SR-TE和SR-BE两种模式。

（3）VPN 功能：支持 L3VPN和L2VPN。

（4）IP/MPLS OAM 功 能 ：支 持PING、TRACE、TWAMP等OAM功能。

（5）IP/MPLS保护恢复功能：支持BFD、FRR、VRRP、VLL PW备份等保护恢复功能。

（6）网络切片功能：支持对网络切片的承载，包括硬切片和软切片两种网络切片承载方式。

4.2 L1转发和链路技术方案

OTN的L1转发采用成熟的ODU交叉技术，通过采用ODUflex技术可以提供n×1.25Gbit/s灵活带宽的ODU通道，并可实现通道带宽的无损灵活调整。ODUflex结合新增的IP/MPLS能力，可以提供对5G网络切片的承载。为了实现低成本、低时延、低功耗的5G承载目标，中国电信牵头提出了面向移动承载优化的M-OTN技术方案。M-OTN在优化现有OTN映射复用结构和简化开销的基础上，为了满足5G承载的组网需求，将在现有的OTN体系架构中引入新的25G和50GOTN接口。

4.3 L0光层组网技术方案

由于5G承载主要是在城域网/本地网的范围内，与长途传输相比距离要短很多，城域网不同层次的典型传输距离分别是接入层10～20km，汇聚层40～80km，核心层200～450km。系统容量要求也要小一些，因此OTNL0光层组网技术方案的主要目标是要降低成本，以便满足WDM/OTN部署到网络接入层的需求。

在核心层，考虑引入低成本的N×100G/200G/400G DWDM，如OIF定义的400G-ZR接口和ITU-T SG15定义的100G/200G/400GFlexO接口。在汇聚层，考虑引入低成本的N×25G/100GWDM。目前考虑以下两种组网技术方案。

方案一：汇聚层组环网

根据业务需求估算，汇聚层环网的带宽需求为500～1000G。该方案的光层采用低成本的C波段N×25G/100GDWDMROADM组网，在电层采用OTN点到点ODU通道一跳直达，如图3所示。

图3 汇聚层环网方案

该方案面临的技术挑战主要包括：

对于N×25GDWDM，超过15km需要色散补偿，工程设计复杂。目前已有厂商推出PAM4调制方案和电层的色散补偿技术，来解决色散补偿的问题。

如何降低N×100GDWDM的成本？在2018年的OFC上，多个厂商展示了低成本的单波100G技术，主要有两种调制方案：PAM4 vs.DMT。目前支持O-band，未来将支持C-band。

方案二：汇聚层链型组网

根据预测，每个接入汇聚节点（M2）的带宽需求为100～200G，因此M2和M3之间可以采用点到点的链型组网。光层可采用低成本的O-band4/8×25GWDM组网，可重用100G-Based LR-4光模块，或采用25GBasedLR光模块，如图4所示。在成本可接受的情况下，也可采用上述单波100G技术。

4.4 基于OTN的5G网络切片承载方案

OTN设备基于ODUflex进行网络资源划分，可以用不同的ODUflex来承载不同的5G网络切片，并可根据业务流量的变化动态无损调整ODUflex的带宽。OTN网络可同时支持软切片、链路级硬切片和通道级硬切片。基于OTN的5G网络切片承载方案分层架构如图5所示。

图4 汇聚层链型组网

OTN网络提供的通道级硬切片的主要特征包括：

（1）基于ODUk通道进行网络切片拓扑的创建和资源分配，不同切片在传送平面完全隔离，互不影响。

（2）OTN设备为每个通道级硬切片运行独立的路由实例，在控制平面实现隔离。

（3）一个硬切片内可提供多个MPLSVPN业务。

图6给出了一个基于OTN的网络切片示例。基于一个物理网络拓扑，根据不同的5G网络切片的需求，提供两个网络切片，如网络切片-1用于承载eMBB切片，网络切片-2用于承载uRLLC切片。由于eMBB业务对时延不敏感，因此网络切片-1与物理网络拓扑一致。网络切片-2在M2和M4之间建立直达ODUflex通道，以便满足uRLLC业务对低时延的要求。

5 基于OTN的前传技术方案

基于OTN的前传技术方案如图7所示，在一个5GAAU站点和DU集中点之间提供点到点连接。客户侧可提供3×25G eCPRI、3×6G/2.5G CPRI和 10GE/GE 等多种接口类型，支持4G/5G/专线等多业务统一承载。线路侧初期推荐采用100G速率，后期可采用200G速率以满足业务增长的需求。为了实现一个站点只需要一根光纤的目标，线路侧需要支持单纤双向（BiDi）方案。

线路侧100G目前存在以下几种技术方案：

（1）100GLR4光模块（4×25G）：技术成熟，性能好，成本较高。

（2）低成本2×50G双波长光模块：技术方案成熟，性能有保障。

（3）低成本单波长100G光模块：技术方案已明确，性能待评估。

图5 基于OTN的5G网络切片承载方案

与无线设备出彩光的无源WDM方案相比，OTN方案可以独立部署，不受无线厂商的限制。另外OTN方案可以兼容3G/4G/5G各种无线网络，并支持利旧现有3G/4G前传光纤，实现3G/4G/5G的统一承载。OTN方案网络规划简单，不同基站的部署相互独立，有利于快速部署。

图6 基于OTN的网络切片示例

图7 基于OTN的前传技术方案

6 结束语

基于OTN的5G承载方案适合运营商对综合业务承载的需求，为包括FTTx固定宽带、5G移动宽带、高品质政企专线等业务提供低成本带宽和高品质承载服务，可以简化的网络设备层级有利于降低CPAEX和OPEX。OTN方案提供的大带宽、低时延、ODU硬切片等能力可以很好地匹配5G承载的需求。为了满足5G承载的需求，需要增强OTN设备的路由转发功能，并对OTN技术进行优化（M-OTN）。因此，需要业界各方共同推动基于OTN的5G承载方案的标准化和产业链的成熟。