固定網絡具有大帶寬、低延遲、高穩(wěn)定性和靈活性等優(yōu)勢，能夠提供優(yōu)質的網絡服務，因此得到了廣泛應用。然而在固定網絡的發(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絡技術的發(fā)展。為此，我們根據不同發(fā)展階段的特點，將固定網絡的發(fā)展歷程劃分為5個階段。目前，固定網絡正在進入第五代固定網絡時代（F5G）。

如果將無線網絡看作是“空中一張網”，那么固定網絡就可以看作是“地上一張網”，無線網絡和固定網絡的協同能夠提供更好的性能與用戶體驗。相比于無線網絡，固定網絡能夠提供更大的帶寬和更高的可用性。無線網絡的擴展需要依托固定網絡，光纖是無線基站的最佳連接介質，具有大帶寬、廣覆蓋和低延遲等特征的移動網絡業(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，實現光纖連接任何地方和任何事物（FTTE，Fiber-To-The-Everywhere-and-Everything）。當前固定網絡亟需解決的關鍵問題是如何實現基于更高速率和更靈活的光傳輸技術進行大規(guī)模組網和管控。

針對該問題，本文總結并提出了不同網絡層次的技術需求，其中包括數據傳輸層面、管道協議層面以及業(yè)務協議層面。

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

第一代固定網絡是電話網。該時期從電話網誕生一直持續(xù)到20世紀末，經歷了一個多世紀。在該時期內，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。該階段已經形成一個較完整的電話網絡基礎設施，并且其網絡架構以及控制信號能夠很好地適配全球網絡，這標志著電信全球化的開始。

第二代固定網絡是寬帶時代。該時期從20世紀末到21世紀初，隨著互聯網以及ADSL技術的推廣，固定網絡進入高速發(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網的迅速發(fā)展，固定網絡的應用由電話擴展到了電子郵件、搜索引擎以及網頁瀏覽等。

第三代固定網絡是下一代接入網（NGA）時代，由互聯網和寬帶網絡共同推進。從2005年開始，運營商提供基于寬帶網絡的服務，固網的業(yè)務和網絡架構都出現巨大的變化。由于傳統(tǒng)ADSL技術和原有電話網的架構無法支撐“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，并且在接入網中得到首次應用，從而實現FTTx網絡架構。

第四代固定網絡的標志是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，需要不低于100Mbit/s的寬帶網絡。由于光接入網具有高帶寬、穩(wěn)定、結構簡化和能夠長期發(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建設，促進了全球光纖網絡的發(fā)展。

第五代固定網絡需要上下行速率達到千兆及以上，時延降低到100μs以下。F5G率先進入國內市場，主要的業(yè)務應用包括基于千兆網絡的高清視頻通信、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，能夠實現行業(yè)的數字化轉型。

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）。

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，用戶可以連接到數據中心，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，實現單光纖40Tbit/s以上高性能傳輸。OTN負責數據中心互連，甚至提供數據中心內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，連接數量增加了100倍以上，實現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、VPN、SD-WAN專線業(yè)務的質量弱點，能夠提供高質量的專線服務。在許多不同的場景中，向全光纖連接過渡時，可減少所需的網絡聚合點數目，為運營商減少實際中心局（CO，center office）數目和簡化網絡。接入和傳輸之間的邊界將變得模糊，F5G預計將在這兩層之間實現更緊密的協調。

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。網絡依托光纖獨特的高質量傳輸能力，支持近乎零丟包、微秒級延遲和抖動，配合人工智能和大數據支持的智能運維，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量的網絡資源分配。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、高可靠性組網和高精度時鐘同步技術，以確保各種移動寬帶業(yè)務的質量。

典型應用場景由于光網絡具有傳輸速度快、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。骨干網中也是通過專用的VR服務信道傳輸。

高質量專線

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，需要進行遠程醫(yī)療、移動醫(yī)療等服務，大量的醫(yī)學圖像等數據需要上傳和下載，需要穩(wěn)定的高帶寬專線；隨著企業(yè)數字化發(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

在住宅中，寬帶網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量較高的網絡資源，以提升用戶體驗，所有的組件和網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絡的發(fā)展，未來的網絡形態(tài)一定是具有海量連接、超大帶寬特征的端到端大規(guī)模全光網絡。為保障用戶的極致體驗，實現網絡智能化，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)重構等一系列問題；為保證用戶極致體驗，需要實現業(yè)務感知、確定性網絡、光網安全等；同時，數據層面的傳送、接入技術等也需要升級創(chuàng)新。針對不同層次的技術需求，F5G中關鍵技術可分為業(yè)務協議層、管道協議層、數據傳輸層。

數據傳輸層關鍵技術

在數據傳輸層，針對業(yè)務流量和網絡帶寬持續(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、使用高階調制和多子載波。

傳統(tǒng)光傳送網（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。隨著用戶數量和業(yè)務數量的迅速增長，傳統(tǒng)OTN帶寬粒度大，難以實現帶寬的靈活調整。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，進一步實現了超小帶寬粒度（2Mbit/s）、按需無級無損帶寬調整的能力，達到100%的帶寬利用率。

10GPON和Wi-Fi6是F5G的代表技術。隨著對網絡性能要求的提高，當前GPON技術難以實現未來高帶寬需求。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生安全技術能夠實現零密鑰管理、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。

管道協議層關鍵技術

在管道協議層，F5G中的連接數量、網元數量都是巨大的。當前路由策略難以實現網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議。一種思路是結合SDN和段路由（SR，Segment Routing）的思想，區(qū)別于傳統(tǒng)路由協議中所有節(jié)點處理網絡拓撲信息，將集中式和分布式方法相結合，部分節(jié)點具有標識的功能，從而避免由于網絡波動引起的不穩(wěn)定性，適用于大規(guī)模組網的場景。

F5G中OSU傳輸粒度變小，單根光纖可承載的業(yè)務數量大幅增長，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，盡可能減小網絡流量調度影響，在硬件一定約束下，確保多業(yè)務并發(fā)重構的性能。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絡。業(yè)務感知信道能夠對業(yè)務進行識別，針對業(yè)務不同需求實現端到端管控；確定性網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，使得連接數量增加10倍以上，隨著用戶數量增加，多顆粒業(yè)務調度可能會導致網絡流量不均衡、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。將網絡劃分為一個個邏輯獨立的虛擬網絡，即網絡切片。使用網絡切片對不同業(yè)務進行傳輸，不同切片之間互相隔離，實現網絡資源的按需分配，以及管道適配不同業(yè)務需求。

業(yè)務協議層關鍵技術

在業(yè)務協議層上，為保障服務質量，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同控制困難，難以實現網絡資源的智能調度和最優(yōu)化部署。如何構建面向計算傳送資源的網絡智能協同控制體系，是實現網絡資源效率最優(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絡資源協同控制方案，實現云內和云間資源的智能協同控制。

為滿足不同業(yè)務的差異化需求，需要將物理網絡劃分為多個邏輯獨立的虛擬網絡。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，如何實現網絡切片的按需分配并實現端到端安全承載，是實現網絡服務質量保障的關鍵問題。針對該問題，提出端到端虛擬化安全切片技術。研究網絡切片的可靠控制和管理方案，建立應用驅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，實現網絡切片的安全隔離。

5G的核心需求之一是實現業(yè)務的端到端部署，但5G基站依賴于固定網絡，僅依靠其自身無法實現完全的端到端部署。針對該問題，筆者提出輕量級端到端業(yè)務管理編排技術。主要功能是實現業(yè)務邏輯和業(yè)務自動開通，向下調用控制器和網絡設備，獲取全網絡拓撲，呈現所有設備狀態(tài)和網絡，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，實現網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的設備升級、基礎設施建設、產業(yè)標準化推動等。F5G能夠助力光聯萬物，支持更多新型應用場景，如智能工廠、智慧教育、智慧城市等，實現上千臺設備的連接、海量數據的微秒級傳輸等。F5G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。為構筑“新基建”，F5G和5G在不同的應用場景下相互補充。F5G既能作為5G傳輸網中的支撐，又能與5G協同，滿足不同行業(yè)對固定網絡和移動網絡融合的需求，極大地提高用戶體驗，推動行業(yè)數字化轉型，促進社會經濟高質量增長。

同時，F5G的發(fā)展也面臨著許多挑戰(zhàn)，具體表現在以下幾個方面。

一是網絡成本高。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絡架構進行調整，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，需要將網絡資源可視化，進行網絡感知，實現主動運維模式，完成智能故障預測、故障定位和故障處理。

三是全光連接難。為實現全光連接、光纖到桌面和機器等，需要在現有設施的基礎上，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、高速的全光網絡。

四是行業(yè)認可慢。涉及新的網絡架構、新的技術解決方案等，需要提前完成知識產權布局；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/國家標準制訂和產業(yè)鏈逐步形成，過程緩慢。

現階段固定網絡已經進入F5G時代，業(yè)務對網絡的需求越來越高。針對F5G發(fā)展方向，大規(guī)模、多粒度組網一定是未來網絡體系架構的核心特征，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，總結了數據傳輸層面、管道協議層面以及業(yè)務協議層面的關鍵技術需求。通過這些技術的協同攻關，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）
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