面向5G發展的城域傳輸PTN網絡演進探討

湯進凱　徐昕

摘要：為了分析移動通信在未來幾年向5G演進過程對傳輸尤其是PTN網絡的影響，基于無線網向5G發展將產生三種典型應用以及技術發展的特征，探討了5G發展對傳輸網絡的關鍵需求：超高帶寬需求、低時延需求、網絡切片需求和東西向流量需求。基于以上需求，考慮未來面向5G的城域傳輸PTN網絡會逐步向三層下移，架構向大容量、扁平化和靈活組網的方向發展，并且在實驗室測試5G吞吐量的基礎上，通過建立模型對城域傳輸網內帶寬進行了測算，提出了城域傳輸網核心層、匯聚層、接入層的演進方向和技術特征。

關鍵詞：分組傳送網 軟件定義網絡 三層網絡 超高帶寬需求 低時延需求 網絡切片需求 東西向流量需求

1 引言

隨著移動通信從技術到帶寬都呈現愈來愈快的發展趨勢，站在5G愈發臨近的時代，對通信網絡尤其是傳輸網絡如何演進發展的討論逐步成為技術熱點。本文希望通過分析5G的典型應用場景和對傳輸網絡的關鍵需求，探討城域傳輸PTN網絡的發展方向，通過模型測算分析網絡不同層面的網絡特征與演進，而這些分析的基礎則是探討5G到底有哪些技術特征和應用場景。

2 5G演進發展的應用場景與技術特點

移動通信從GSM到3G、從3G到4G的網絡發展有逐步加快的趨勢，其服務對象和內涵也越來越廣泛，2G/3G/4G主要服務于通信，5G則不僅是下一代移動通信網絡基礎設施或者技術的升級換代，而是未來數字世界的驅動平臺，是物聯網發展的基礎設施，將真正創建一個全聯接的世界。5G顯著的網絡能力將使其成為一個強大的平臺，進而催生出內容廣泛的新應用、新商業模式，甚至新的產業，5G將成為很多顛覆式創新的使能技術。

2.1 5G的典型應用場景

5G技術的應用將帶來非常豐富、真實的溝通與體驗，成為諸多應用的智能連接。參照目前的研究，可以從速率、時延、聯接三個維度對場景進行界定，甄選和日常工作生活緊密相關的場景來進行歸納，比如海量聯接的物聯網、垂直產業場景（汽車、醫療、工業自動化機器人）、終端用戶的自組網、自動駕駛、超高清視頻、虛擬現實、醫療保健、智能家居、全聯接的智能傳感器等。5G的三類典型應用場景如圖1所示：

基于速率、時延、聯接三個維度，明確出三種典型的應用場景，即：

◆eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增強型移動寬帶）應用場景：如隨時隨地高清視頻直播和分享、虛擬現實、隨時隨地云存取、高速移動上網（高鐵）、人工智能等；

◆mMTC（massive Machine Type Communication，大規模機器通信）應用場景：如智能抄表、車聯網、自動停車、智能交通、智能制造、智能物流、資產管理等；

◆uRLLC（ultra Reliable & Low Latency Communication，高可靠低時延通信）應用場景：如自動駕駛汽車、遠程機械作業控制、工業互聯等。

2.2 5G發展的幾大關鍵技術

5G發展的三大關鍵技術分別為：新切片網絡架構、新統一空口和全頻譜。

（1）新切片網絡架構是指面對成百上千的行業，對物理網絡通過網絡切片實現每個商業網絡之間的隔離。

eMBB、uRLLC和mMTC不同應用場景對網絡要求差異明顯。例如，不同的應用場景對網絡節點訪問、資源使用、速率、頻譜效率、移動性、時延、聯接密度、峰值速率、流量分布、QoS等要求都不一樣，為了更好地支持不同的應用，相關標準組織建議5G網絡支持網絡切片，使網絡邏輯化，邏輯上可以分成若干分立的虛擬網絡，這些分立網絡可以擁有自己獨立的網絡資源，管理、控制、轉發都可以相應的分立。

（2）新統一空口指通過統一的空口技術，滿足不同的商用應用需求，如圖2所示：

（3）全頻譜是指5G網絡頻譜既有低頻又有高頻，目前5G網絡頻譜以6 GHz以下低頻為主，高頻為輔。6 GHz以下，WRC-15分配了C波段3.3 GHz—3.8 GHz 500 MHz的頻譜資源，主要面向聯接性、覆蓋、移動性、基礎容量。6 GHz以上，提供更高速率，主要在厘米波（10 GHz—30 GHz）和毫米波（30 GHz—100 GHz），將在WRC-19討論分配使用。5G頻譜劃分的情況如圖3所示：

3 5G發展對傳輸網絡的關鍵需求

3.1 超高帶寬需求

帶寬是5G網絡最重要的需求，按照相關組織的標準定義，6 GHz以下的頻譜將會有500 MHz帶寬（不同區域可用范圍有所區別，可以保證所有區域有200 MHz帶寬可用，即3400 MHz—3600 MHz）。6 GHz以上，則頻譜資源更豐富，可獲得的頻譜資源將高達45 GHz。目前實驗室測試高頻基站吞吐量達到115 Gbps。因此，對傳輸網來說，對更大帶寬的支持顯得較為迫切。當然，在2018年前，可獲得的頻譜在6 GHz以下頻段。

目前部分實驗室測試宣布的吞吐量和單基站上行帶寬預算參見表1、表2：

據此推算，100 MHz頻譜、64T64R、三小區S1接口上行帶寬預估為平均值3 Gbps，峰值10 Gbps；X2/eX2接口帶寬預估為600 Mbps。

3.2 低時延需求

5G典型應用場景中有一類為高可靠低時延通信（uRLLC）應用場景，部分應用對低時延的要求越來越高。對于S1接口單向時延大約10 ms，分解到傳輸網的時延不超過2 ms，X2/ex2接口單向時延大約為20 ms，分解到傳輸網的時延不超過4 ms。

3.3 網絡切片的需求

與新切片網絡架構的介紹類似，網絡切片其實是基于5G網絡應用商業模式而導出的一個需求，設想是，不同的商業應用因為使用了不同的網絡節點和資源，可能會在不同的商業機構進行維護和使用，而這些都基于同一個物理網絡，因此需要運營商的基礎網絡具有網絡切片的能力。網絡切片能力要求包含如下：

轉發切片：物理轉發層面，對不同的應用網絡支持使用不同的轉發機制和轉發資源，相互之間完全隔離，互不影響。對各自的商業應用來說，轉發互不可見。

管理切片：因為不同的應用可能是由不同的商業運營者在操作和維護，因此，在管理上需要實現分片，各自管理自己的網絡和業務。

控制切片：基于不同的商業模式，例如虛擬運營商，需要控制他所租用的這一部分網絡，基于這一分片網絡進行運營和維護。此外，轉發切片和管理切片后，一個潛在的可能需求就是控制切片。

網絡切片需要網絡設備硬件和軟件平臺的支持，將與SDN（Software Defined Networking，軟件定義網絡）結合緊密。

3.4 東西向流量的需求

由于在5G階段將采用超密集組網，5G的站間協同比4G更為密切，站間流量不能再如同4G X2流量一樣被忽略，而是與S1流量具有可比性。無論是基于站間流量的傳輸時延考慮，還是基于站間流量的帶寬考慮，都需要承載網將站間的流量就近轉發，這對于三層網絡的下移提出了一定的需求。

4 面向5G發展的傳輸PTN網絡演進探討

4.1 三層網絡下移的探討

目前面向4G的PTN網為小三層的網絡，三層設備一般在城域傳輸網的核心層，以成對的方式進行L2/L3橋接設置。對站間流量等X2業務，其路徑為接入-匯聚-橋接-匯聚-接入，X2業務所經過的跳數多、距離遠，時延往往較大，在對時延不敏感且流量占比不到5%的4G時代這種方式較為合理，小三層網絡通過靜態配置，對維護的要求相對簡單。

但5G時代的一些應用對時延較為敏感，站間流量所占比例越來越高，可能達到20%～30%，這就要求三層網絡逐步下移，形成大三層網絡。

初期，三層網絡可下沉到核心節點的骨干匯聚設備，將骨干匯聚設備作為L2/L3橋接設備，減少了專門的橋接這一層，但位置依然較高，到橋接的距離仍較長。

后期，三層網絡可下沉到普通匯聚設備，將普通匯聚點作為L2/L3橋接設備，其路徑為接入-匯聚-接入，則跳數少、橋接距離接入較近，由于普通匯聚點相比核心節點數大為增加，逐步形成大三層的網絡。

4.2 城域傳輸網網絡架構演進的探討

（1）城域傳輸網內帶寬測算

每基站上行平均帶寬按3G考慮（100 MHz，64T64R），每接入環6個節點，接入環帶寬不收斂，每節點帶基站數目2個，則接入環帶寬約為30～40G，接入層設備需考慮10G疊加組網或組40GE的環。

對于匯聚層，假定一個匯聚環帶150個節點，并考慮4：3的收斂，上行帶寬按80%考慮，則匯聚層帶寬約為540 G，匯聚層設備需逐步考慮組400GE的環。

對于核心層，假定一對L2/L3橋接設備帶3000個節點，并考慮4：2的收斂，上行帶寬按80%考慮，則核心層上行帶寬約為7 T，核心層需采用大容量設備。

（2）城域傳輸網網絡架構演進探討

結合三層網絡下移和帶寬的測算，城域傳輸網的網絡架構將向大容量、扁平化和靈活組網的方向發展。

三層網絡逐步下移到匯聚層，減少專門橋接層的網絡層級，實現大三層的網絡；網絡組網在匯聚層以上逐步采用直達或口字型組網，減少跳數；逐步采用單端口400 G以上的大容量設備，滿足5G帶寬陡增的需求。PTN網絡架構演進如圖4所示。

核心層需進行大容量核心調度層的部署，以三層網絡為主進行架構搭建，設備板卡全面升級到單槽位400GE，支持ETH大端口。

匯聚層可考慮由環網逐步改為口字型上聯，減少逐跳轉發的過程并充分利用口字型的帶寬；骨干匯聚和L2/L3合一，減少網絡層級；逐步下沉三層網絡到匯聚層，滿足5G部分對時延敏感業務的場景；板卡升級到400GE，同時支持FlexE流量切片和大端口擴容。

接入層可仍以環網形式接入，帶寬支持單環40 G或100 G。

5 結束語

傳統的移動通信主要支持話音、短信、視頻等通信服務，5G則不僅是下一代移動通信網絡的基礎設施，還是面向未來數字世界的強大平臺。本文從未來的5G將產生增強版的移動寬帶、大規模機器通信、高可靠低時延通信三種典型應用的角度切入，論述了無線的三大關鍵技術是新切片網絡架構、新統一空口和全頻譜。在此基礎上分析了5G發展對傳輸網絡的關鍵需求是超高帶寬需求、低時延需求、網絡切片需求和東西向流量需求。通過實驗室測試5G的吞吐量，對流量進行了推算，建立了帶寬測算模型，對城域傳輸網內帶寬進行了測算，提出了城域傳輸網核心層、匯聚層、接入層的演進方向和技術特征，并探討了未來面向5G的城域傳輸PTN網絡會逐步將三層下移，網絡組網上也會逐步采用直達或口字型來減少跳數，網絡架構向大容量、扁平化和靈活組網的方向發展。

參考文獻：

[1] GSA. Evolution to LTE Report， GSA Evolution to LTE Report： 422 LTE Networks Launched， Cat 6 LTE-Advanced Gaining Share[R]. 2015.

[2] 尤肖虎，潘志文，高西奇，等. 5G移動通信發展趨勢與若干關鍵技術[J]. 中國科學： 信息科學， 2014，18（5）： 551-563.

[3] 湯進凱，張奇，徐昕. SDN在傳送網絡的引入與應用分析[J]. 中興通訊技術， 2015（4）： 25-29.

[4] 湯進凱，張奇，王健. 下一代光傳送網技術發展與應用探討[J]. 電信科學， 2009（10A）： 192-195.

[5] 方箭，李景春，黃標，等. 5G頻譜研究現狀及展望[J]. 電信科學， 2015（12）： 103-110.

[6] 中國移動通信集團有限公司上海分公司. 2014年上海移動傳送網絡管理與發展演進規劃研究[Z]. 2014.

[7] Wang C X， Haider F， Gao X， et al. Cellular architecture and key technologies for 5G wireless communication networks[J]. IEEE Communications Magazine， 2014，52（2）： 122-130.

[8] 電信工程技術與標準化編輯部. 國際電聯公布5G時間表[J]. 電信工程技術與標準化， 2015（7）： 67.

[9] IMT-2020推進組. 5G愿景與需求[Z]. 2014.

[10] IMT-2020推進組. 5G無線技術架構白皮書[Z]. 2014.

[11] ITU， Document 5D/TEMP/625-E. IMT Vision-Frame

work and Overall Objectives of the Future Development of IMT for 2020 and Beyond[S]. 2015.

[12] IMT-2020推進組. 5G概念白皮書[Z]. 2015. ★