1 引言
4G改变生活，5G改变社会。随着第五代移动通信技术的发展，移动终端不断涌现，创新应用也层出不穷。5G网络可以实现超大带宽、海量连接、超低时延和高可靠的信息通信。因此，5G网络不仅仅定位于面向客户（To Customer，2C）的应用模式，同时也在面向行业（To Business，2B）的市场进行全面布局[1]。5G+垂直行业为未来创新应用提供了广阔的空间，成为当下研究的热点。
2B业务结合自身行业的需求与特点，为5G承载网络提出更高的要求。例如，企业专网之间，甚至企业专网内部不同类型业务之间严格的安全隔离，超高清实时视频信号传输，海量终端接入等。目前，国内外各大运营商以及主流设备厂商纷纷开展产品或技术方案的讨论研发及测试验证，以期尽快在现网中部署应用。
海量小颗粒业务作为2B业务中一种重要的业务类型，备受行业用户、运营商及设备厂商的关注。现网中广泛存在着小颗粒业务，而随着旧的传输设备（如SDH、MSTP）逐步退网，小颗粒业务必须迁移到新的承载设备上，实现端到端的传输与业务保障，同时兼顾新的2B业务硬隔离、低时延、高可靠性等需求。
2020年1月，在瑞士日内瓦召开的ITU-T SG15全会上，中国电信主导的用于光传送网（Optical Transport Network，OTN）承载小颗粒业务的G.osu标准项目成功立项，将研究OTN设备灵活、高效承载Mbit/s~Gbit/s量级的小颗粒业务。中国移动也逐步推进基于切片分组网（Slicing Packet Network，SPN）设备的小颗粒承载方案研究。
2 5G+垂直行业承载网路中的小颗粒需求
5G通信网络引入网络切片、边缘计算、大数据、人工智能等新兴技术[2]，强化通信网络的功能，可以满足各种垂直行业的应用需求，为垂直行业提供个性化和差异化的网络连接能力和确定性体验保障。
为保障不同行业用户之间或同一用户不同类型业务之间的安全隔离和转发时延，往往通过硬管道来承载垂直行业专网业务，而硬管道的颗粒度是当前研究的热点。图1展示了5G承载网络与垂直行业相结合的应用服务场景。
垂直行业专网中重要的一种业务类型是E1业务，其带宽为2.048 Mbit/s。据统计，过去几十年来部署的E1数量已超过了全球5000 万条线路。即使考虑到用于2G移动服务的移动回程的E1已被大量废弃，每年仍需部署大量新的E1接口。大型运营商的现网中应至少拥有数十万条E1业务专线。其他的行业专线业务还包括E3（34.368 Mbit/s）、VC-12（2.240 Mbit/s）、VC-3（48.960 Mbit/s）、VC-4（150.336 Mbit/s）、快速以太网（FE，100 Mbit/s）、千兆以太网（GE，1000 Mbit/s）等。目前，现网中的行业专线以E1、FE接口为主，未来将逐步升级为GE、10GE等速率接口。虽然未来小于10 Mbit/s的专线需求增速将放缓，同时TDM接口逐渐减少，逐步被以太网接口代替，但是现网中存量占比仍很大，未来仍是长长的拖尾。除了传统行业专线遗留下来的大量E1等小颗粒业务外，新兴的垂直行业应用也要求5G承载网提供海量小颗粒的能力。例如，随着图像处理技术的发展，超高清视频（4K/8K）已不局限于视频监控等传统应用，开始向智能化方向发展，对视频流的清晰度以及流畅度提出了更高的要求。在5G+智慧港口应用中，集卡/集装箱监控与识别、自动装卸、人员智能监控，以及在5G+智能电网应用中的无人机/机器人巡检都需要高清视频的传输。为保障超高清视频的分辨率、亮度、色彩、帧率、色深、声道、采样率等指标，4K视频所需的带宽颗粒度大概是12 Mbit/s~40 Mbit/s、8K视频需要40 Mbit/s~160 Mbit/s，视频文件的回传可经过二层交换机和客户前置设备（Customer Premise Equipment，CPE）接入5G网络。行业用户除了对带宽颗粒度有要求，结合各行业自身的特点，又对承载网络提出了其他的要求。以5G+智能电网应用为例，电力网络分为生产控制大区和管理信息大区。生产控制大区又细分为控制区（I区）和非控制区（II区）；管理信息大区细分为生产管理区（III区）和管理信息区（IV区）。其中，I区、II区的业务要与III区和IV区业务进行严格的安全隔离，这就要求5G承载网络提供小颗粒硬管道。对于重要的控制类业务，如分布式能源调控、用电负荷需求响应控制等，要求可靠性高达99.999%；智能分布式配电自动化业务的端到端时延要求小于15 ms。在5G+工业互联网应用中[3]，增强现实（Augmented Reality，AR）辅助装配、无人机用于园区安防/设备巡检、远程可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制指令下达等应用都要求端到端传输时延小于10 ms；云端机器人的规模部署和应用要求可靠性高达99.9999%。例如，金融类业务中证券报盘、快速交易等应用要求超低时延；政府专线和大型企业用户要求带宽灵活扩展；中小企业用户对租用成本十分敏感。从表1可以看出，大部分垂直行业应用的带宽需求都在2 Mbit/s~1 Gbit/s，未来可能会扩容和升级，但是小颗粒业务仍然是垂直行业应用的重要组成部分。而目前5G承载网路中的硬管道的带宽远大于小颗粒需求。例如，OTN网络中最小的复用单元是光通路数据单元0（Optical Channel Data Unit-0，ODU0），其标称速率为1.244160 Gbit/s；灵活以太网（FlexE）技术支持将端口带宽划分成一系列子信道，最小的客户层带宽为10 Gbit/s，SPN设备中引入的城域传送网（MTN）技术在FlexE的基础上进行了扩展，可实现端到端基于时隙交叉的硬隔离管道，并且完善了操作维护管理（Operation Administration and Maintenance，OAM）和通道保护功能，目前最小的客户层带宽为5 Gbit/s。由此看来，为保证行业用户业务的严格安全隔离需求，需要单独划分出一个硬管道来进行承载，带宽利用率较低，具体参见表 1。传统行业用户的小颗粒业务通常采用SDH、MSTP等设备进行承载。如果继续采用SDH、MSTP设备与OTN、SPN设备混合组网的承载模式，对于运营商来说不便于运维管理和网络升级。随着SDH等设备的逐步退网，小颗粒业务迁移到OTN、SPN设备是必然趋势。因此，有必要在现有OTN、SPN设备上扩展小颗粒硬管道能力。传统OTN技术承载垂直行业小颗粒业务可以采用以下几种方式[4]。（1）根据ITU-T G.709第17.7.1条的描述，可将STM-1、STM-4、SDI和已转码的1000BASE-X客户信号通过通用映射规程（GMP）使用CBR的形式映射进ODU0。由于每个客户独占一个ODU0，因此牺牲了承载的带宽效率。（2）将E1、VC-12、VC-4、以太网等小颗粒业务通过SDH设备汇聚为STM-N信号，在映射进ODUj中采用OTN设备映射。在这种场景下，所有SDH层的业务都是点对点的，所有的OAM、交叉和保护也都是ODUk级别的。如果需要客户级别的OAM、交叉和保护则需要OTN设备内嵌SDH功能。另外，需要SDH和OTN混合组网。（3）根据ITU-T G.7041第7和第8节的描述，通过将分组流量映射到GFP，多个客户信号汇聚到同一个ODU中承载，其OAM、交叉和保护都位于ODUk层，无法支持客户级别的OAM、交叉和保护。（4）在以太网MAC层上聚合通过以太网承载的小颗粒业务，并使用VLAN标签来分隔各个客户。然后，可以按照ITU-T G.709第17.10节的描述，通过GFP将聚合的流映射到ODU。这种场景需要部分OTN节点以太网交换功能。（5）使用二层设备将小颗粒业务汇聚到GE或10GE接口，在映射到ODU中在OTN网络中承载。此方案需要二层设备和OTN设备混合组网，并且部分OTN节点要求内嵌二层交换功能。（6）将分组小颗粒业务先通过二层设备汇聚到GE或10GE接口，再映射到SDH，然后将SDH进一步映射到ODU中通过OTN设备承载。这种方案组网相对复杂，并且要求部分OTN设备内嵌以太网交换和SDH交叉功能。（7）根据IETF RFC 4553或IETF RFC 4842中的描述，将PDH或SDH信号在多协议标签交换（MultiProtocol Label Switching，MPLS）网络上进行电路仿真，再将分组信号通过OTN设备进行承载。此方案需要OTN和MPLS设备混合组网，部分OTN节点要求内嵌MPLS功能。由此可见，现有技术承载小颗粒业务或要求混合组网，或需要OTN节点内嵌以太网交换或SDH交叉功能，并不能灵活高效地承载小颗粒业务。2020年1月，ITU-T SG15全会通过了光业务单元通道层网络（Optical Service Unit path layer network，G.osu）标准立项，开展OTN承载小颗粒业务的标准研究，规范OSU通道层的帧格式、开销字段、业务映射方式、保护机制等，作为ODUk的客户层，实现对Mbit/s~Gbit/s级别的小颗粒业务的承载，计划于2021年完成标准的制定。在国内行业标准方面，也将开展《基于OSU的OTN设备技术要求》《光业务单元（OSU）技术要求》等系列标准的制定工作。未来，将广泛应用于运营商的城域OTN网络中，并在城域OTN网络中实现如下目标。（1）带宽在Mbit/s~Gbit/s级别的客户业务灵活、高效地映射与承载，包括E1、VC12、VC1、STM-N、以太网等常见的垂直行业小颗粒业务类型；特别是对于以太网业务，相比于现阶段的EOS、EOO承载方案，OSU承载可实现更高的带宽利用率，双发转发时延根据颗粒度的不同有不同程度的降低。（2）根据行业用户需求，实现管道带宽灵活、无损、精细化的调整，兼顾传统OTN网络硬隔离管道的特性。（3）统一的映射单元，无需要求OTN设备内嵌以太网交换、MPLS、SDH交叉等功能模块，可以实现客户级别的 OAM、交叉和保护；由于转发面更加扁平化，可以实现更低的转发时延。2018年10月的ITU-T SG15全会上，中国移动主导的MTN项目提案获得批准。SG15正式启动了G.mtn的标准化研究。MTN段层最大程度地重用了OIF FlexE的框架结构和实现逻辑，路径层以客户端为基本单元，并使用SE-XC（Slicing Ethernet CrossConnect）技术在PE节点之间形成端到端信道，实现低延迟转发，并支持OAM和通道保护功能。MTN技术可实现5 Gbit/s颗粒度的客户业务承载[5]。目前，中国移动在积极推进小颗粒技术方案的制定。MTN技术可继续利用时隙化的概念，将以太网PCS层的64/66B码块分配到不同小颗粒时隙中，从而实现类似TDM 技术的硬管道隔离，如图2（a）所示。MTN的转发平面可采用层次化的结构，向下兼容已有的MTN 5 Gbit/s颗粒，在5 Gbit/s颗粒内部划分小颗粒时隙；中间转发节点上支持基于 5 Gbit/s颗粒的高阶交叉和基于小颗粒的低阶交叉，在业务接入节点上支持分组业务到小颗粒管道的映射与解映射功能，如图2（b）所示。为了实现小颗粒配置信息的交互、OAM以及端到端的通道保护，还需要讨论确定开销头、OAM码块的格式与工作机制。这种基于码块时隙交叉的小颗粒方案可以提供与SDH、OTN类似的硬管道隔离特性，并且时延稳定性好，业务抖动较小。随着颗粒度的减小，交叉的实现难度也逐步增加，交叉连接的规格数也难以保证，在现网部署时也可以考虑在汇聚设备上将小颗粒管道进行汇聚，通过大颗粒交叉实现业务转发。图3给出了基于分组技术的不同粒度小颗粒的转发时延对比。小颗粒技术是5G技术在垂直行业中应用的一项重要的支撑技术。目前，相关标准化组织、大型运营商、主流设备厂商已积极就基于小颗粒技术的5G+垂直行业应用的关键需求及技术方案进行有针对性地研究和验证工作。但是仍有许多问题有待论证，比如随着颗粒度的减小，业务转发时延是否会逐渐增大。小颗粒的转发时延较大颗粒时延明显增加，理论分析当颗粒度达到10 M时，PEIP单节点的转发时延可高达300 μs。是否有技术可以进一步优化其转发时延还有待研究。另外，现网设备升级支持小颗粒功能是否需要大规模更换硬件板卡、设备成本是否显著增加、能否满足中小型行业用户的成本要求等，都需要进一步研究和论证。
参考文献
[1] 薛健. 5G+垂直行业商业模式方向浅析[J]. 通讯世界, 2020,27(6):61-62.
[2] 张朝晖. 垂直行业与5G技术融合方案的探讨[J]. 通讯世界, 2020,27(7):59-60.
[3] 工业互联网产业联盟(AII). 5G与工业互联网融合应用发展白皮书[R], 2019.
[4] ITU-T. G.709/Y. 1331. Interfaces for the optical transport network[S], 2020.
作者简介
张 萌
中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师，主要从事5G承载技术、SPN/PTN分组传送、量子信息技术和时频同步等相关领域研究工作。
论文引用格式
张萌. 面向5G+垂直行业的小颗粒业务承载技术研究[J]. 信息通信技术与政策, 2020(10): 88-92.
∗基金项目：国家重点研发计划项目（No.2018YFB2201601）资助
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