物聯(lián)網(wǎng)迅猛發(fā)展城域傳輸網(wǎng)絡(luò)如何應(yīng)對？

中國移動通信集團(tuán)浙江有限公司杭州分公司|胡昱

L2/L3設(shè)備下沉一方面可以減輕核心機(jī)房的壓力，另一方面可以減少業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)過程中經(jīng)過的設(shè)備數(shù)量和光纜長度，降低E2E時延，帶來更好的用戶體驗(yàn)。

物聯(lián)網(wǎng)即連接物與物之間的互聯(lián)網(wǎng)。一方面，互聯(lián)網(wǎng)仍然是物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；另一方面，物聯(lián)網(wǎng)將其用戶端延伸和擴(kuò)展到了物品與物品之間，實(shí)現(xiàn)物品之間的信息交換和通信。近年來，隨著芯片、傳感器等硬件價格的不斷下降，以及通信網(wǎng)絡(luò)、云計算和智能處理技術(shù)的革新和進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)迎來了快速發(fā)展期。

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將從接入階段（末端設(shè)備、子系統(tǒng)等）、數(shù)據(jù)分享階段（有線、無線通信連接系統(tǒng)）、互聯(lián)與智能處理（總控系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)）3個階段逐步推進(jìn)，遞次發(fā)揮主要作用。物聯(lián)網(wǎng)在這3個階段的發(fā)展無疑都將為城域傳輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展帶來影響，而城域傳輸網(wǎng)絡(luò)不斷走向智能化也將助力物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)不斷前行。

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的需求預(yù)測

目前授權(quán)頻段的廣域物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)以NB-IoT（基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)）和eMTC（LTE演進(jìn)技術(shù)增強(qiáng)機(jī)器類通信）為代表。三大運(yùn)營商對于以后規(guī)模化商用基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)均已展開了相關(guān)部署。NB-IoT可基于GSM升級，是為滿足低速率、廣覆蓋、低功耗需求量身打造的；eMTC可基于TD-LTE升級，可滿足強(qiáng)覆蓋、大容量、低功耗和低成本的網(wǎng)絡(luò)需求。目前物聯(lián)網(wǎng)在電力、智慧城市、交通、能源、工業(yè)控制等多個領(lǐng)域均有應(yīng)用，不同的應(yīng)用類型和場景對帶寬、時延、速度、可靠性有不同需求。新興的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用如表1所示，主要可以分屬以下3類。

對于mMTC場景（低速率、大連接）應(yīng)用，NB-IoT是首選技術(shù)，以智能停車為例，通過部署NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)停車車位狀態(tài)監(jiān)控、車位預(yù)約、取車引導(dǎo)等多項服務(wù)，打通了收費(fèi)和管理渠道，解決了私家車數(shù)量增多導(dǎo)致的停車難、找車難、通行速度緩滯、繳費(fèi)方式單一等問題。類似智能停車的mMTC場景應(yīng)用雖然單體接入流量不大（單站總帶寬640kHz），時延要求低（秒級），但是會帶來海量連接（單站需支持上萬連接數(shù)）。對于自動駕駛、公共安全等對移動性和定位性要求較高的場景，eMTC技術(shù)可以發(fā)揮其特點(diǎn)。但是eMTC對傳輸網(wǎng)的時延要求苛刻，需要達(dá)到10ms甚至1ms級別。

物聯(lián)網(wǎng)對城域傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬及時延均提出新要求

由表1所示的物聯(lián)網(wǎng)各類應(yīng)用特點(diǎn)可見，物聯(lián)網(wǎng)需要城域傳輸網(wǎng)具備海量的接入、大帶寬提供、超低時延和高可靠性保障等四大能力，下面將以車聯(lián)網(wǎng)為例進(jìn)行分析。

表1 物聯(lián)網(wǎng)各類應(yīng)用特點(diǎn)

車聯(lián)網(wǎng)是由車輛位置、速度和路線等信息構(gòu)成的巨大交互網(wǎng)絡(luò)，通過GPS、RFID、傳感器、攝像頭等信息采集裝置，將車輛的各種自身信息經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)傳送到中央處理器，計算出不同車輛的最佳路線、及時匯報路況和安排信號燈周期。

車聯(lián)網(wǎng)帶寬需求計算模型由下面兩個公式所示。

車均帶寬需求=單輛車帶寬需求×峰值并發(fā)率

帶寬總需求=汽車保有量×滲透率×車均帶寬需求

杭州統(tǒng)計年鑒顯示，2016年杭州市汽車保有量為230萬，并保持每年2.5%的速度增長。2016年杭州車聯(lián)網(wǎng)滲透率為8%，未來預(yù)計年均增幅達(dá)到21%，到2021年行業(yè)滲透率超過20%，杭州車聯(lián)網(wǎng)滲透率預(yù)測如圖1所示。2016年車聯(lián)網(wǎng)峰值并發(fā)率為0.57%，按照汽車及車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)滲透率增長，預(yù)計2021年峰值并發(fā)率將達(dá)到3.75%，杭州車聯(lián)網(wǎng)并發(fā)率預(yù)測如圖2所示。

由上述兩個公式可測算杭州市車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的帶寬需求如表2所示。

由此可看出，杭州車聯(lián)網(wǎng)的總帶寬需求由2016年的10.5G增長到2021年的404G，增長了近40倍。而車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)只占整個物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的小部分，因而傳輸網(wǎng)帶寬資源將面臨巨大挑戰(zhàn)。

在時延方面，車聯(lián)網(wǎng)對時延敏感，自動駕駛中的V2X通信對E2E時延要求達(dá)到1ms。從網(wǎng)絡(luò)角度來看，時延的產(chǎn)生主要來源于兩個方面：一是由于距離產(chǎn)生的信息在光纖傳輸產(chǎn)生的時延；二是設(shè)備在轉(zhuǎn)發(fā)引入的轉(zhuǎn)發(fā)時延。

業(yè)務(wù)E2E時延計算公式如下：E2E時延=兩端應(yīng)用時延+兩端設(shè)備時延×2+光纖時延×2。

當(dāng)L2/L3設(shè)備位于骨干匯聚層時，經(jīng)過的設(shè)備數(shù)量多，光纜的距離長，根據(jù)業(yè)務(wù)E2E時延所示，導(dǎo)致時延不滿足需求。當(dāng)L2/L3設(shè)備下沉至普通匯聚層甚至下沉至邊緣后，可以減少途經(jīng)的設(shè)備數(shù)量和光纜長度，顯著降低時延。具體比較如表3所示。

從表3可以看出，L2/L3設(shè)備部署在骨干匯聚機(jī)房時，時延為1.3ms，無法滿足車聯(lián)網(wǎng)1ms的時延要求，需要下沉到普通匯聚機(jī)房或者邊緣。

圖1 杭州車聯(lián)網(wǎng)滲透率預(yù)測

圖2 杭州車聯(lián)網(wǎng)并發(fā)率預(yù)測

表2 杭州市車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)帶寬需求測算

表3 L2/L3設(shè)備部署位置對于時延的影響

城域傳輸網(wǎng)絡(luò)的三大應(yīng)對舉措

對于物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展帶來的海量接入以及帶寬、時延和業(yè)務(wù)保障方面的需求，城域傳輸網(wǎng)絡(luò)將從以下幾個方面進(jìn)行應(yīng)對。

●L2/L3設(shè)備下沉。智能抄表、智能停車等大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)通信具有單點(diǎn)帶寬需求小、數(shù)量巨大的特點(diǎn)。這些業(yè)務(wù)需要新建NB-IoT站點(diǎn)或者與GSM共站滿足接入需求。為了匹配這些大量新增的業(yè)務(wù)與站點(diǎn)，L2/L3設(shè)備需要預(yù)留IP與VLAN。這導(dǎo)致L2/L3設(shè)備數(shù)量增加。L2/L3設(shè)備下沉一方面可以減輕核心機(jī)房的壓力，另一方面可以減少業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)過程中經(jīng)過的設(shè)備數(shù)量和光纜長度，降低E2E時延，帶來更好的用戶體驗(yàn)。

● 傳輸網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來的是接入基站數(shù)量增加，單站接入帶寬增大。為應(yīng)對變化，城域傳輸網(wǎng)PTN接入層可以考慮提高10GE/40GE接入環(huán)比例，引入10G PON技術(shù)，OTN逐漸下沉；匯聚層環(huán)網(wǎng)升級至100G/200G；核心層環(huán)網(wǎng)升級至400G，以此滿足大帶寬需求。

● 傳輸網(wǎng)結(jié)構(gòu)扁平化，應(yīng)用下移。對于車聯(lián)網(wǎng)、AR/VR等業(yè)務(wù)，時延將是影響用戶體驗(yàn)的重要因素。下個階段，物聯(lián)網(wǎng)將搭上5G應(yīng)用的快車，eX 2橫向流量顯著增加，MEC下沉可以實(shí)現(xiàn)eX2就近轉(zhuǎn)發(fā)，降低碰撞概率，顯著降低eX2流量時延。傳輸網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過MESH化、扁平化后，能夠更加靈活地實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)和調(diào)度，應(yīng)對eX2橫向流量的增加，減少業(yè)務(wù)的時延。

小結(jié)

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)與移動通信的蓬勃發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)將滲透到未來社會的各個領(lǐng)域，以用戶為中心構(gòu)建全方位的信息生態(tài)系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)物物相息的愿景。城域傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)緊跟新技術(shù)的腳步，朝著大帶寬、低時延、精細(xì)化運(yùn)營的方向發(fā)展，滿足物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需求。