光接入与5G网络有哪些不同的特点

2019年6月6日工信部正式发放5G牌照，意味着我国5G建设将进入一个快速上升期。每当新一代移动通信技术开始部署时，人们常常会有疑问：它是否会取代固定接入？从网络接入、网络承载和网络架构三大角度看，光接入与5G有各自不同的特点和适用场景，光接入能够对5G网络提供承载，二者协同互补，提供高速率和广覆盖，此外，固移融合、云网融合将成为光接入与5G的共同趋势。

光接入与5G的关系

事实上，光接入与5G有不同的特点和定位。

从速率角度看，对于光接入，10G-EPON系统下行速率10Gbit/s，上行速率10Gbit/s或1Gbit/s；XG-PON系统下行速率10Gbit/s，上行速率2.5Gbit/s；单用户速率与ONU（家庭网关）设备接口类型、数量及设备转发能力相关，下行具备数千兆的接入能力。反观5G，IMT-2020提出的目标为峰值速率20Gbit/s、用户体验速率100Mbit/s（如图1所示）。事实上，对于Sub 6G频段、100MHz带宽，无法实现20Gbit/s的峰值速率；考虑8流，峰值频谱效率30bit/Hz，得到峰值速率理论值为3Gbit/s（从实际测试情况看，单小区峰值速率在8流时可接近3Gbit/s，在理想条件下实现更高流数时可达10Gbit/s；单用户速率（2T4R终端）取决于无线环境，可达数百兆、甚至超过1Gbit/s）。

图1  IMT-2020关键能力目标

从时延角度看，对于光接入（TDM PON系统），下行时延<1ms，上行时延<1.5ms。对于5G，3GPP标准（TR38.913）提出无线网用户面单向时延（DL/UL）目标值，eMBB为4ms，uRLLC为0.5ms。基于R15标准的系统仅能实现4ms左右的时延，无法实现IMT-2020提出1ms（如图1所示）的目标。超低时延需空口新机制，甚至新频段（目前3.5GHz为TDD，FDD更有利于降低时延）。尽管如此，由于5G核心网支持边缘计算，从网络架构上降低时延，有可能实现端到端时延10ms以内，与4G网络相比明显降低，已经能够满足多数业务的需求。

从覆盖场景看，光接入更适合覆盖室内。而5G主要覆盖室外，目前室内覆盖方案需进一步研究。对于商务楼，5G室内分布系统无法重用3G/4G（模拟系统），需新建（数字系统）；而对于居民楼，建设室分系统成本高，室外基站覆盖室内效果有限。另外，国外5G发展初期应用于光纤无法覆盖的场景，提供固定无线接入，但这不适用于中国。

从发展阶段的成熟度看，10G-EPON标准于2009年发布，XG-PON标准于2010年发布，设备已成熟并规模部署；而5G R15版本NSA（Option 3）于2017年12月发布，R15版本 SA（Option 2）于2018年6月发布，设备和网络还处于发展初期。

从目标客户群看，光接入的客户以家庭为主，中小企业为辅。5G的目标客户重点是To B、To C，盈利难。

光接入与5G各有特点，其关系不是互相替代，而是协调发展、实现宽带广覆盖。光接入可稳定地提供高性能，已覆盖上亿家庭用户和大量中小企业用户，具备提供千兆速率的能力；5G可提供远高于4G的性能，适合于室外等用户移动场景以及垂直行业难以采用有线方式的场景，而且能够快速灵活地提供临时性覆盖需求。行业应合理利用光接入和5G两种手段，建设光宽+5G双千兆网络，打造智能连接基础设施。光接入和5G的协调发展，需要共同促进高带宽业务应用的发展，如4K/8K高清视频、云VR、云游戏等。光接入和5G的协调发展，需要推动固移融合的技术发展和网络部署，在光缆、局所、DC（边缘DC）、承载网等方面充分共享资源。

PON技术对5G前传的支撑

光接入作为一种网络接入方式，与5G是协同互补的关系；同时，光接入作为一种承载方式，能够在5G承载中发挥作用。其中，N×25Gbit/s WDM PON承载5G前传的eCPRI信号（25Gbit/s）就是一个典型案例。AAU与DU之间的点对点光纤直连是一种简单易行的方式，但在光缆资源不足的场景，就需要采用基于波分复用的技术。N×25Gbit/s WDM PON系统架构如图2所示。

图2  N×25Gbit/s WDM PON系统架构

中国电信积极推动相关行业标准制定，提出了既切合网络需求、产业现状，又能经济合理、易于实现的技术指标。其中，最大光纤距离为10km，链路预算14dB，上下行均采用C Band波长（单纤双向），系统包括20通道、14通道两种规格。ONU可以是独立设备，也可以基于SFP内置于AAU中；其基本要求是“无色”，通常基于可调激光器实现。以20通道系统为例，采用一芯光纤（不考虑引入纤）即可承载6个基站/18个AAU（其余2通道备用），而点对点方式（一般为双纤双向）需要36芯光纤，因此，该系统能够有效节省光纤，在光纤资源紧张的场景实现快速部署。

5G驱动网络重构及对光接入的启示

SDN、NFV技术的发展，带来了开放、开源、通用、白盒、虚拟化、微服务、自动化、智能化、迭代式开发、灰度升级等一系列新理念、新思路、新方法，促进了CT与IT的深度融合。5G网络架构的设计融入了IT、NFV、SDN技术的理念和思路，与4G相比发生了根本性变革。5G网络成为NFV、SDN落地和规模部署的最佳机遇、最主要场景，将有力推动NFV、SDN技术的不断成熟，推动网络架构重构的持续深化。

5G网络架构如图3所示，其主要特点是：第一，5G核心网实现了控制与转发的完全分离，用户面网元为UPF，控制面的主要网元包括AMF、SMF、AUSF、UDM、PCF、NRF、NSSF、NEF等。第二，5G核心网的控制面采用服务化架构，网络功能（NF）细分和模块化，可独立演进、按需部署、独立扩容，NF间以总线方式相联系，每个NF接口以API方式呈现，供其它多个NF调用；“点对点”接口方式相比灵活性更强、扩展性更好。

图3  5G网络架构

转控分离、SBA架构有利于5GC采用NFV方式，基于NFVI提供的虚机、容器等方式部署，利用MANO实现网元（网络功能）的自动化、智能化编排管理，最终实现网络功能按需定制，灵活支持不同业务场景和需求。5GC的控制面以计算功能为主，对转发性能要求不高，可以虚拟化，并基于通用服务器、采用软件加速技术实现。5GC的用户面（UPF）由于对转发性能，包括吞吐量、时延要求较高，其具体实现方式主要有三种：通用服务器+软件加速方式、通用服务器＋智能网卡（硬件加速）方式和基于专用硬件的方式。综合考虑性能与通用性，通用服务器＋智能网卡（硬件加速）方式是未来的重点发展方向，应大力推动智能网卡的异厂商通用。

5G无线网（NG-RAN）中，AAU采用专用硬件。对于CU、DU，现阶段比较成熟的是二者合设并基于专用硬件实现，以简化部署和维护，降低时延。随着技术的发展，CU、DU虚拟化方面也有不少研究和方案。由于无线接入网与光接入网有一定的相似性，这方面的进展作为他山之石，值得借鉴。日本新兴移动运营商Rakuten的4G网络采用无线网、核心网完全虚拟化的方式，并已规模部署，5G网络也准备引入虚拟化的DU、CU。由于5G DU的复杂度大大增加，基于智能网卡的方案是方向。当然，这些方案都处于发展初期，后续还需对性能、功耗、成本等因素进行综合评估。

近年来，在国际上光接入网架构的演进方面也有很多探索。例如，BBF提出了 Cloud CO架构（TR-384）；同时，引入BAA，并成立开源项目，主要面向基于专用硬件（PNF）的设备，基于标准模型对接入设备进行两级抽象，形成技术无关、厂商无关的模型，构建抽象业务参数与物理参数的映射。AT&T率先提出CO重构（CORD），并以固移融合为目标，基于同一架构实现R-CORD、M-CORD和E-CORD。AT&T主导了OLT硬件抽象（VOLTHA），并进行开源，用于向上层（如SDN-C）屏蔽PON技术细节（如T-CONT、GEM port、OMCI等），将PON设备抽象为可编程的以太网交换机。近期ONF启动了固移融合的COMAC项目，提出PON与移动网络的接入控制融合、固移核心网用户面融合的方案。

就目前来看，光接入网架构的演进是一个长期的过程，很可能与下一代PON技术引入相结合。

图4是光接入网一种可能的演进架构。OLT存在无法虚拟化的部分（pOLT），包含OLT用户面以及对实时性要求较高的控制功能；基于SDN的集中管理是必要的，而且是管控一体的，非实时性控制功能虚拟化实现（vOLT），并与SDNC结合集中部署；OLT新功能的引入可以在vOLT/SDN-C实现，也可能通过SDN-C北向接口在更高层面实现。由于OLT虚拟化还是个长期的过程，近期应重点推动PON YANG模型的标准化。中国电信积极参与BBF WT-383、WT-385项目，主导WT-431、SD-418项目，同时制定PON YANG模型企业标准，推动控制器和PON设备对YANG1.1版本（RFC 7950）的支持。

图4 光接入网一种可能的演进架构

OLT哪些功能适合虚拟化，需综合考虑性能、成本、集成度、功耗等因素，并结合机房位置、条件等因素考虑。图5为固移融合的边缘云的一种可能架构，OLT在其中的作用有多种可能性，例如，专用硬件（PNF）、专用硬件+虚拟化（PNF+VNF）、专用硬件并内置拟化基础设施（PNF+NFVI）等。应积极储备接入局所作为未来超低时延、固移融合边缘DC的能力。

图5 OLT与固移融合的边缘云

光接入下一步的发展

在5G等移动通信发展的同时，光接入技术也在持续推进中。目前，10G PON技术（含10G-EPON/XG-PON）已经规模部署，下一步应如何演进？需要回答的两个关键问题是，采用单波长还是多波长？每波长什么速率合适，25Gbit/s或50Gbit/s，还是100Gbit/s？这方面，产业界的不同国家的运营商、厂商、专家提出了许多不同观点。

中国已成为世界上规模最大的宽带接入市场，有必要也有能力提出适合国情的技术演进路径。考虑到设备成本和维护难度，单波长系统更优。25Gbit/s对现有的10Gbit/s提升有限，而100Gbit/s实现难度太大，50Gbit/s最为合适。经过中国电信与国内运营商、厂商、研究单位等联合推动，经过激烈讨论，50G TDM PON于2018年在ITU-T成功立项。

目前，下一代PON总体要求（G.hsp.req）的研究不断推进，也取得一些初步共识。50G TDM PON速率（DS/US）包括50G/10G，50G/25G，50G/50G三种。在波长选择方面，下行为1342nm ±2nm，上行仍然待定。其基本思路为：选择O-band以降低ONU成本；在同一PON口下仅考虑两代技术共存，不考虑三代共存，以节省波长资源；同一代技术的不同速率以TDM方式共存，相邻代技术以WDM方式共存；考虑到不同运营商的演进路径不同，不同代的上行波长交替使用1260~1280nm、1290~1310nm窗口。对中国而言，50G TDM PON仅考虑与XG-PON（或10G-EPON）在一个PON口下共存，重用GPON上行波长（1290~1310nm窗口）。

小结

5G背景下的光接入获得了新的活力，将持续创新，持续发展，不断迈上新台阶。