固定網(wǎng)絡具有大帶寬、低延遲、高穩(wěn)定性和靈活性等優(yōu)勢，能夠提供優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡服務，因此得到了廣泛應用。然而在固定網(wǎng)絡的發(fā)展過程中，始終沒有對其進行技術的代際劃分，這在一定程度上限制了固定網(wǎng)絡技術的發(fā)展。為此，我們根據(jù)不同發(fā)展階段的特點，將固定網(wǎng)絡的發(fā)展歷程劃分為5個階段。目前，固定網(wǎng)絡正在進入第五代固定網(wǎng)絡時代(F5G)。

如果將無線網(wǎng)絡看作是“空中一張網(wǎng)”，那么固定網(wǎng)絡就可以看作是“地上一張網(wǎng)”，無線網(wǎng)絡和固定網(wǎng)絡的協(xié)同能夠提供更好的性能與用戶體驗。相比于無線網(wǎng)絡，固定網(wǎng)絡能夠提供更大的帶寬和更高的可用性。無線網(wǎng)絡的擴展需要依托固定網(wǎng)絡，光纖是無線基站的最佳連接介質(zhì)，具有大帶寬、廣覆蓋和低延遲等特征的移動網(wǎng)絡業(yè)務需要通過光纖接入和承載。F5G能夠提高通信速度和用戶體驗，提供千兆接入，保證時延和可靠性，實現(xiàn)光纖連接任何地方和任何事物(FTTE，F(xiàn)iber-To-The-Everywhere-and-Everything)。當前固定網(wǎng)絡亟需解決的關鍵問題是如何實現(xiàn)基于更高速率和更靈活的光傳輸技術進行大規(guī)模組網(wǎng)和管控。

針對該問題，本文總結(jié)并提出了不同網(wǎng)絡層次的技術需求，其中包括數(shù)據(jù)傳輸層面、管道協(xié)議層面以及業(yè)務協(xié)議層面。

固定網(wǎng)絡的發(fā)展階段自19世紀以來，固定網(wǎng)絡已經(jīng)發(fā)展了100多年。類似無線網(wǎng)絡中的時代劃分，根據(jù)不同時期固定網(wǎng)絡的技術特征，也可以將其發(fā)展歷程劃分為5個階段，如圖1所示。

• 第一代固定網(wǎng)絡是電話網(wǎng)。該時期從電話網(wǎng)誕生一直持續(xù)到20世紀末，經(jīng)歷了一個多世紀。在該時期內(nèi)，撥號接入和ISDN發(fā)展速度非常緩慢，僅能支持音頻服務和撥號呼叫。該階段已經(jīng)形成一個較完整的電話網(wǎng)絡基礎設施，并且其網(wǎng)絡架構(gòu)以及控制信號能夠很好地適配全球網(wǎng)絡，這標志著電信全球化的開始。
• 第二代固定網(wǎng)絡是寬帶時代。該時期從20世紀末到21世紀初，隨著互聯(lián)網(wǎng)以及ADSL技術的推廣，固定網(wǎng)絡進入高速發(fā)展時期，寬帶時代正式開始。個人電腦和瀏覽器的普及推動了互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，固定網(wǎng)絡的應用由電話擴展到了電子郵件、搜索引擎以及網(wǎng)頁瀏覽等。
• 第三代固定網(wǎng)絡是下一代接入網(wǎng)(NGA)時代，由互聯(lián)網(wǎng)和寬帶網(wǎng)絡共同推進。從2005年開始，運營商提供基于寬帶網(wǎng)絡的服務，固網(wǎng)的業(yè)務和網(wǎng)絡架構(gòu)都出現(xiàn)巨大的變化。由于傳統(tǒng)ADSL技術和原有電話網(wǎng)的架構(gòu)無法支撐“寬帶”業(yè)務，因此引入VDSL技術。20世紀70年代，光纖通信技術出現(xiàn)，并且在接入網(wǎng)中得到首次應用，從而實現(xiàn)FTTx網(wǎng)絡架構(gòu)。
• 第四代固定網(wǎng)絡的標志是4K高清和光纖寬帶。2010年左右，隨著光纖取代銅纜，GPON等光寬帶接入技術得到了快速發(fā)展。2012年，4K高清信號的出現(xiàn)，需要不低于100Mbit/s的寬帶網(wǎng)絡。由于光接入網(wǎng)具有高帶寬、穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡化和能夠長期發(fā)展的優(yōu)勢，因此得到運營商的關注，從而全面展開第四代固網(wǎng)建設，促進了全球光纖網(wǎng)絡的發(fā)展。
• 第五代固定網(wǎng)絡需要上下行速率達到千兆及以上，時延降低到100μs以下。F5G率先進入國內(nèi)市場，主要的業(yè)務應用包括基于千兆網(wǎng)絡的高清視頻通信、VR服務等。其具備的千兆接入能力不僅能夠應用于家庭中，也可以延伸到各種行業(yè)，例如企業(yè)、銀行、工業(yè)等。與第四代相比，第五代光纖帶寬提高了10倍，并且具有超高可靠性、超低時延等優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

F5G的主要特征F5G的主要特征有3個，分別是超大帶寬(eFBB,Enhanced Fixed BroadBand)、全光連接(FFC,Full-Fiber Connection)和極致體驗(GRE,Guaranteed Reliable Experience)，如圖2所示。

超大帶寬(eFBB)：支持高速、大容量通信和高頻譜效率的業(yè)務需求。與F4G光纖帶寬相比，以10GPON為代表的光纖接入技術使得F5G的帶寬提高了10倍以上，網(wǎng)絡帶寬具備上下行對稱千兆寬帶能力。Wi-Fi6技術將“最后10米”進行千兆連接，用戶可以連接到數(shù)據(jù)中心，享受高帶寬體驗。全面部署200Gbit/s和400Gbit/s單波長OTN，廣泛應用C波段和L波段，不斷提高OTN容量，實現(xiàn)單光纖40Tbit/s以上高性能傳輸。OTN負責數(shù)據(jù)中心互連，甚至提供數(shù)據(jù)中心內(nèi)部服務器之間的高速連接。

全光連接(FFC)：支持高覆蓋連通性擴展和高海量密集通信的業(yè)務需求。F5G使用全覆蓋的光纖基礎設施來支持無處不在的連接。服務場景得到了擴展，連接數(shù)量增加了100倍以上，實現(xiàn)了全光纖連接的時代。在業(yè)務服務領域，OTN降低了容器粒度，提供了小至2Mbit/s的連接，引導了MSTP業(yè)務的遷移方向，解決了傳統(tǒng)以太網(wǎng)、VPN、SD-WAN專線業(yè)務的質(zhì)量弱點，能夠提供高質(zhì)量的專線服務。在許多不同的場景中，向全光纖連接過渡時，可減少所需的網(wǎng)絡聚合點數(shù)目，為運營商減少實際中心局(CO,center office)數(shù)目和簡化網(wǎng)絡。接入和傳輸之間的邊界將變得模糊，F(xiàn)5G預計將在這兩層之間實現(xiàn)更緊密的協(xié)調(diào)。

極致體驗(GRE)：支持低延遲、高可靠和高可用性通信、高運行效率的業(yè)務需求。網(wǎng)絡依托光纖獨特的高質(zhì)量傳輸能力，支持近乎零丟包、微秒級延遲和抖動，配合人工智能和大數(shù)據(jù)支持的智能運維，滿足用戶對極致服務體驗的需求。特別是對于高帶寬、延遲敏感、包丟失敏感的服務，如高清視頻、云VR和云游戲，需要在OTN、PON和Wi-Fi上進行毫秒級低延遲傳輸，需要智能實時的服務識別和高質(zhì)量的網(wǎng)絡資源分配。專線服務和其他行業(yè)應用程序服務需要穩(wěn)定可靠的帶寬、毫秒級延遲和高可用性來支持SLA承諾，網(wǎng)絡需要具有靈活的E2E容量預留和隔離能力。移動承載業(yè)務還需要高帶寬、毫秒級低延遲、高可靠性組網(wǎng)和高精度時鐘同步技術，以確保各種移動寬帶業(yè)務的質(zhì)量。

典型應用場景由于光網(wǎng)絡具有傳輸速度快、傳輸距離長等優(yōu)勢，為支撐F5G的3個特征，需要使用全光網(wǎng)絡進行業(yè)務承載。F5G能夠支持并推動一些新興應用場景，主要包括云VR、云企業(yè)、在線游戲、在線醫(yī)療、智能工廠等。下面介紹3個典型應用場景。

云VR

獨立信道的云VR傳輸如圖3所示。云VR就是在VR服務中引入云計算和云渲染技術。VR服務對帶寬、時延、丟包率等網(wǎng)絡指標敏感，云VR就是將云端的視頻和音頻進行編碼、壓縮，然后通過高速可靠的網(wǎng)絡傳送到用戶終端，用戶本地不需要具備高性能的渲染設備。為保證良好的VR體驗，VR流量需要通過專用的VR服務信道進行傳輸，因此需要進行業(yè)務識別。骨干網(wǎng)中也是通過專用的VR服務信道傳輸。

高質(zhì)量專線

高質(zhì)量專線服務如圖4所示。對于一些有特殊需求的行業(yè)或者部門，需要提供專線服務。對于證券和期貨行業(yè)，為保證交易工作的連續(xù)性，需要從營業(yè)廳到總部具有雙線冗余;對于醫(yī)療機構(gòu)，需要進行遠程醫(yī)療、移動醫(yī)療等服務，大量的醫(yī)學圖像等數(shù)據(jù)需要上傳和下載，需要穩(wěn)定的高帶寬專線;隨著企業(yè)數(shù)字化發(fā)展，企業(yè)對云化專線提出了更高的要求。云專線需要具備帶寬保證、低時延、高鏈路可用性、靈活訪問和高效管控等功能。

住宅場景寬帶應用

如圖5所示，在住宅中，寬帶網(wǎng)絡的典型應用包括在線教育、在線游戲、在線會議等。通過使用寬帶網(wǎng)絡組件對一些高需求的帶寬應用進行識別，并且為這些業(yè)務在終端和云之間提供質(zhì)量較高的網(wǎng)絡資源，以提升用戶體驗，所有的組件和網(wǎng)絡資源等都是由端到端控制平面進行統(tǒng)一管理。

F5G挑戰(zhàn)與關鍵技術隨著固定網(wǎng)絡的發(fā)展，未來的網(wǎng)絡形態(tài)一定是具有海量連接、超大帶寬特征的端到端大規(guī)模全光網(wǎng)絡。為保障用戶的極致體驗，實現(xiàn)網(wǎng)絡智能化，目前已有技術無法支撐F5G的核心需求，不同層面的關鍵技術亟需創(chuàng)新。其中，新一代管道協(xié)議尤為重要。

在F5G甚至F6G時代，在百萬級連接的場景下，業(yè)務的高動態(tài)并發(fā)是一個重要特征，由此引發(fā)業(yè)務編排、快速路由建拆、業(yè)務并發(fā)重構(gòu)等一系列問題;為保證用戶極致體驗，需要實現(xiàn)業(yè)務感知、確定性網(wǎng)絡、光網(wǎng)安全等;同時，數(shù)據(jù)層面的傳送、接入技術等也需要升級創(chuàng)新。針對不同層次的技術需求，F(xiàn)5G中關鍵技術可分為業(yè)務協(xié)議層、管道協(xié)議層、數(shù)據(jù)傳輸層，如圖6所示。

數(shù)據(jù)傳輸層關鍵技術

在數(shù)據(jù)傳輸層，針對業(yè)務流量和網(wǎng)絡帶寬持續(xù)增長帶來的運營問題，200G/400G/800G等高速線路傳輸技術在100G基礎上進一步提升網(wǎng)絡容量、降低每比特光傳輸成本和功耗，主要手段包括提高線路波特率、使用高階調(diào)制和多子載波。

傳統(tǒng)光傳送網(wǎng)(OTN)采用光層波分復用、電層時分復用的方式，具有大容量、長距離等優(yōu)勢。隨著用戶數(shù)量和業(yè)務數(shù)量的迅速增長，傳統(tǒng)OTN帶寬粒度大，難以實現(xiàn)帶寬的靈活調(diào)整。針對該問題，提出OSU靈活管道技術，在保持OTN的超低時延、超高可靠性的同時，進一步實現(xiàn)了超小帶寬粒度(2Mbit/s)、按需無級無損帶寬調(diào)整的能力，達到100%的帶寬利用率。

10GPON和Wi-Fi6是F5G的代表技術。隨著對網(wǎng)絡性能要求的提高，當前GPON技術難以實現(xiàn)未來高帶寬需求。針對該問題，10GPON技術能夠提供足夠帶寬，提高分光比和傳輸距離。已有Wi-Fi技術難以實現(xiàn)當前高速度、低延時、大容量、安全性和節(jié)能等需求。針對該問題，Wi-Fi6技術主要使用OFDMA、MU-MIMO等技術，能夠提高頻譜效率和密集用戶條件下吞吐量，最多可同時與8臺設備通信。

在光網(wǎng)絡通信速率和距離全面提升的同時，光纖防護弱和光纖竊聽技術日益成熟，使得光纖通信安全問題日益突出。針對傳統(tǒng)安全傳輸中密鑰管理復雜、線路開銷無防護、配置維護復雜等問題，面向波分和接入光內(nèi)生安全技術能夠?qū)崿F(xiàn)零密鑰管理、信號全防護以及零配置的優(yōu)勢，保證用戶的端到端安全可靠傳輸。

管道協(xié)議層關鍵技術

在管道協(xié)議層，F(xiàn)5G中的連接數(shù)量、網(wǎng)元數(shù)量都是巨大的。當前路由策略難以實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的充分利用和快速路由。針對該問題，筆者提出面向海量連接的輕量化路由協(xié)議。一種思路是結(jié)合SDN和段路由(SR,Segment Routing)的思想，區(qū)別于傳統(tǒng)路由協(xié)議中所有節(jié)點處理網(wǎng)絡拓撲信息，將集中式和分布式方法相結(jié)合，部分節(jié)點具有標識的功能，從而避免由于網(wǎng)絡波動引起的不穩(wěn)定性，適用于大規(guī)模組網(wǎng)的場景。

F5G中OSU傳輸粒度變小，單根光纖可承載的業(yè)務數(shù)量大幅增長，單次斷纖對大量業(yè)務造成影響。針對該問題，為保證用戶服務質(zhì)量盡可能不受影響，筆者提出面向海量連接的高并發(fā)業(yè)務重構(gòu)技術。研究在海量連接的場景下，如何對業(yè)務進行高并發(fā)重構(gòu)，盡可能減小網(wǎng)絡流量調(diào)度影響，在硬件一定約束下，確保多業(yè)務并發(fā)重構(gòu)的性能。探索如何降低資源沖突帶來的擁塞問題，保證帶寬資源的合理應用。

目前已有技術只能實現(xiàn)業(yè)務的透明傳輸，管道的作用僅僅停留在傳送層面，并且網(wǎng)絡中帶寬、時延、故障恢復時間等的不確定性，無法滿足用戶極致體驗的需求。針對該問題，筆者提出業(yè)務感知的多維資源確定性網(wǎng)絡。業(yè)務感知信道能夠?qū)I(yè)務進行識別，針對業(yè)務不同需求實現(xiàn)端到端管控;確定性網(wǎng)絡為用戶提供準確的業(yè)務建立時間，在故障場景下提供準確的故障恢復時間等，保障確定性連接控制。

OSU技術將ODU劃分為更小的粒度，使得連接數(shù)量增加10倍以上，隨著用戶數(shù)量增加，多顆粒業(yè)務調(diào)度可能會導致網(wǎng)絡流量不均衡、光節(jié)點容量利用率低。針對該問題，筆者提出面向OSU的多粒度流量疏導。研究小粒度傳輸對網(wǎng)絡流量帶來的影響，在虛擬拓撲和物理拓撲上設計合理的路由和波長分配方案，將多個低速業(yè)務匯聚到高速光路中，以降低網(wǎng)絡成本、提升光節(jié)點容量利用率。

F5G中設備、層次等具有多樣性，導致端到端之間不同傳輸機制、傳輸對象、網(wǎng)絡設備等無法進行適配，并且對于不同的業(yè)務，其需求(如大帶寬、低延遲、廣連接)不同，因此難以對其進行傳輸。針對該問題，筆者提出跨層域多粒度傳輸管道適配技術。將網(wǎng)絡劃分為一個個邏輯獨立的虛擬網(wǎng)絡，即網(wǎng)絡切片。使用網(wǎng)絡切片對不同業(yè)務進行傳輸，不同切片之間互相隔離，實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的按需分配，以及管道適配不同業(yè)務需求。

業(yè)務協(xié)議層關鍵技術

在業(yè)務協(xié)議層上，為保障服務質(zhì)量，需要傳送與計算、存儲資源共同作用。各類云計算平臺的分段管理使得資源協(xié)同控制困難，難以實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的智能調(diào)度和最優(yōu)化部署。如何構(gòu)建面向計算傳送資源的網(wǎng)絡智能協(xié)同控制體系，是實現(xiàn)網(wǎng)絡資源效率最優(yōu)化的關鍵問題。針對該問題，筆者提出計算存儲傳送資源融合技術。研究多維度網(wǎng)絡資源虛擬化機理及統(tǒng)一度量方法，探索面向資源融合的網(wǎng)絡資源協(xié)同控制方案，實現(xiàn)云內(nèi)和云間資源的智能協(xié)同控制。

為滿足不同業(yè)務的差異化需求，需要將物理網(wǎng)絡劃分為多個邏輯獨立的虛擬網(wǎng)絡。不同業(yè)務之間需要互相隔離且能夠獨立運維以滿足可靠性要求，如何實現(xiàn)網(wǎng)絡切片的按需分配并實現(xiàn)端到端安全承載，是實現(xiàn)網(wǎng)絡服務質(zhì)量保障的關鍵問題。針對該問題，筆者提出端到端虛擬化安全切片技術。研究網(wǎng)絡切片的可靠控制和管理方案，建立應用驅(qū)動的切片端到端安全風險評估模型，探索不同類型切片之間安全風險的相互作用，實現(xiàn)網(wǎng)絡切片的安全隔離。

5G的核心需求之一是實現(xiàn)業(yè)務的端到端部署，但5G基站依賴于固定網(wǎng)絡，僅依靠其自身無法實現(xiàn)完全的端到端部署。針對該問題，筆者提出輕量級端到端業(yè)務管理編排技術。主要功能是實現(xiàn)業(yè)務邏輯和業(yè)務自動開通，向下調(diào)用控制器和網(wǎng)絡設備，獲取全網(wǎng)絡拓撲，呈現(xiàn)所有設備狀態(tài)和網(wǎng)絡，完成業(yè)務端到端的快速部署，對于復雜業(yè)務，可對其進行分解，實現(xiàn)網(wǎng)絡向智能化和運營智慧化的方向發(fā)展。

未來發(fā)展趨勢F5G面臨的發(fā)展機遇包括相關端側(cè)的設備升級、基礎設施建設、產(chǎn)業(yè)標準化推動等。F5G能夠助力光聯(lián)萬物，支持更多新型應用場景，如智能工廠、智慧教育、智慧城市等，實現(xiàn)上千臺設備的連接、海量數(shù)據(jù)的微秒級傳輸?shù)取5G可應用于大帶寬、低時延、高安全的場景，5G可應用于高移動、多連接的場景。為構(gòu)筑“新基建”，F(xiàn)5G和5G在不同的應用場景下相互補充。F5G既能作為5G傳輸網(wǎng)中的支撐，又能與5G協(xié)同，滿足不同行業(yè)對固定網(wǎng)絡和移動網(wǎng)絡融合的需求，極大地提高用戶體驗，推動行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，促進社會經(jīng)濟高質(zhì)量增長。

同時，F(xiàn)5G的發(fā)展也面臨著許多挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

• 一是網(wǎng)絡成本高。F5G大帶寬的特征需要新建海量站點，并且從站點、接入、匯聚到核心機房需要進行設備升級，拓寬端到端管道;低時延的特征需要對網(wǎng)絡架構(gòu)進行調(diào)整，云端算力、應用等需要下沉到接入、匯聚、核心等機房以及用戶端，形成分布式邊緣節(jié)點。
• 二是運維效率低。傳統(tǒng)運維模式依賴于用戶投訴、上門維修處理，依靠人工經(jīng)驗進行故障定位處理。對于海量設備和廣連接的場景，需要將網(wǎng)絡資源可視化，進行網(wǎng)絡感知，實現(xiàn)主動運維模式，完成智能故障預測、故障定位和故障處理。
• 三是全光連接難。為實現(xiàn)全光連接、光纖到桌面和機器等，需要在現(xiàn)有設施的基礎上，對光終端、光接入、光傳送等層面進行升級，從而為個人、家庭、企業(yè)帶來智能、超寬、高速的全光網(wǎng)絡。
• 四是行業(yè)認可慢。涉及新的網(wǎng)絡架構(gòu)、新的技術解決方案等，需要提前完成知識產(chǎn)權布局;一系列關鍵技術攻關，存在巨大學術創(chuàng)新空間;行業(yè)認可需要一系列國際/國家標準制訂和產(chǎn)業(yè)鏈逐步形成，過程緩慢。

現(xiàn)階段固定網(wǎng)絡已經(jīng)進入F5G時代，業(yè)務對網(wǎng)絡的需求越來越高。針對F5G發(fā)展方向，大規(guī)模、多粒度組網(wǎng)一定是未來網(wǎng)絡體系架構(gòu)的核心特征，由此帶來不同層面的傳輸控制問題。針對F5G的核心需求，本文分析了已有技術的不足，總結(jié)了數(shù)據(jù)傳輸層面、管道協(xié)議層面以及業(yè)務協(xié)議層面的關鍵技術需求。通過這些技術的協(xié)同攻關，能夠滿足F5G的三大特征以及未來F5G應用中的業(yè)務需求。(本文作者均來自北京郵電大學電子工程學院)