從PTN承載網演進到SPN的策略研究

程德懌，喬 健，包文卿

（1.上海市信息網絡有限公司，上海 200081；2.中國移動通信集團上海有限公司，上海 200060）

0 引 言

隨著5G在國內的大規模推廣，對5G承載提出了更高的要求。目前在5G使用的Sub-6G頻段內，手機實際下載速度達到了2 Gb/s，高頻毫米波頻段中實驗下載速率是Sub-6G頻段的數倍。5G的3大應用場景增強移動帶寬（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、低時延高可靠連接（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）以及大規模物體通信（massive Machnice Type Communication，mMTC）對承載網絡提出了一系列的挑戰。大流量、海量連接、低時延、靈活調度、按需組網、硬隔離以及智能化等技術要求，是目前中國移動4G使用的PTN承載網難以滿足的，因此承載網如何滿足5G需求亟待運營商解決。

1 5G承載概述

當前大多數運營商5G部署選擇了非獨立組網（Non-Standalone，NSA）3x標準，方案特點是分離5G的控制信令和用戶數據，4G基站錨定5G控制信令，同站址的5G基站負責傳輸用戶數據，并作為分流控制點分離控制信令和用戶數據，基站可以通過4G承載網和核心網互通。NSA方案充分利用了4G現網，結合5G基站速度快能力強的優勢滿足了大帶寬eMBB的要求，可以快速實現5G部署。但uRLLC業務、網絡切片、QoS新機制以及邊緣計算等技術應用則是NSA難以提供的，都需要在獨立組網（Standalone，SA）標準下實現。如果從NSA直接轉向SA，則會導致已經發售的大量NSA終端無法在SA網絡中使用。NSA/SA雙模網絡較好地解決了這個問題。如圖1所示，NSA/SA雙模網絡能同時支持4G、NSA以及SA多種模式的終端，可以向各種終端提供服務，而且能幫助運營商實現NSA向SA的平滑過渡，又兼顧了5G應用快速發展的需求。5G從NSA和NSA/SA逐漸向SA演進路線的確定，也意味著4G的PTN承載網依然能在演進過程中發揮作用[1]。

圖1 NSA/SA向SA發展演進

為滿足5G對承載網絡提出的革命性跨越需求，中國移動提出了切片分組網（Slicing Packet Network，SPN）技術體系。中國運營商和設備商在ITU-T SG15研究組內持續推動5G傳送網相關標準的研究工作，其中和SPN相關的接口、架構以及遷移3項核心標準已經經過ITU-T批準通過，成為下一代傳送網技術標準。SPN是基于PTN演進的技術路線，對PTN架構中的的物理層、數據鏈路層以及網絡層做了全面的技術創新。它將網絡邏輯分為切片分組層（Slicing Packet Layer，SPL）、切片通道層（Slicing Channel Layer，SCL）以及切片傳送層（Slicing Transport Layer，STL）3層，引入了靈活以太網FlexE接口、網絡切片以及分段路由等多種新技術。此外，SPN實現了業務與網絡解耦，如不同業務間的隔離、結合高精度時鐘同步以及管理/控制功能，可以實現大帶寬、低時延以及高效率的綜合業務承載，能滿足5G中3大應用場景業務對承載網絡的需求。

“5G商用，承載先行。”無論是采用SA、NSA還是NSA/SA雙模，都離不開承載網的支撐。如何充分利用目前的4G PTN承載網并向5G承載演進，是一個值得關注的問題。目前，5G承載網絡的建設方向有新建SPN網絡、PTN現網擴容以及PTN網絡升級3種不同的技術路線。新建SPN網絡方案是采用全新SPN設備建設一張獨立的物理傳輸網絡，形成新的SPN網絡承載平面，主要用于承載新建的4G和5G基站業務，具備端到端獨立的組網和連續覆蓋能力，并可實現綜合業務承載。新建的SPN網絡與PTN現網是兩張獨立網絡，擁有各自的業務開通和運維管理系統，可在匯聚層或者核心層通過UNI-UNI的方式在3層實現互聯互通。對于PTN網內的4G基站和SPN網內的5G基站而言，基站之間產生的協同流量需要穿過不同的傳輸網，存在繞行過遠問題。PTN網絡擴容是指在現有PTN網絡基礎上，通過帶寬擴容來滿足5G初期eMBB業務的快速開通。但是，該方案難以支持uRLLC和mMTC業務，不能滿足完整5G后續發展的需求，是一種短期臨時過渡性方案。PTN網絡升級是指在現有PTN網絡基礎上，通過軟硬件升級的方式提供SPN網絡的能力，滿足5G全部業務場景的開通需求。PTN網絡設備升級后，可以保留原有的PTN平面。利用PTN和SPN的雙平面開展業務，也可以在升級到SPN網絡后在同一張物理網內開展4G和5G業務并進行統一運維管理，可以實現業務之間的軟隔離和硬隔離。基于從NSA逐漸過渡到SA的技術路線，5G承載網建設方向主要是對PTN現網進行升級和新建SPN網絡。

2 PTN升級演進能力分析

PTN承載網設備在技術和功能上可以分為接入設備和匯聚/核心設備。接入設備普遍采用集中式設計，由主控板進行業務處理。升級SPN需要替換主控板。由于主控板占整機大部分成本，接入層設備還存在背板能力受限問題，因此即使更換主控板后具備SPN能力，也難以滿足5G業務后續發展的需求，而且在成本效益上沒有優勢。匯聚/核心設備采用分布式架構，由線卡提供業務處理能力，但升級SPN需要替換或新增線卡。匯聚/核心網絡設備的上線時間短，路由和轉發性能很強，而且采用框式結構，槽位數量充足。通過新增線卡可支持完整的SPN能力，某些型號的PTN線卡可通過軟件升級支持部分SPN功能。對于不具備升級能力的PTN線卡，可保留用于2G/4G/政企專線等業務的承載，降低整機升級成本。PTN匯聚/核心設備通過升級支持SPN的能力已經在廠商實驗室和試點網絡中得到了充分驗證，具備推廣應用條件。通過調研各廠商如華為、烽火以及中興在各個運營商的PTN部署情況，可知大部分小型匯聚設備由于本身槽位數量較少，升級潛力量有限，在網數量也很少，而大、中型匯聚/核心設備的能力較強，并擁有足夠的空閑槽位，其總數的85%以上均具備升級條件，能夠通過升級滿足5G承載組網需求[2]。因此，升級現網PTN使其具備SPN網絡能力，將大大提高它的商業價值。

3 現網PTN升級演進方案

從PTN升級到SPN，可以在匯聚/核心層網絡設備上采用同槽位1:1替換PTN線卡，或者是在空槽位上新增SPN線卡兩種方式。同槽位替換是指將PTN線卡拆除替換為SPN線卡，并在SPN線卡上啟用分組切片、靈活以太網以及分段路由等功能。通過線卡替換，原PTN平面消失，PTN線卡承載的業務改由SPN線卡承載。同時，由于需要將原有2G/3G/4G/專線等業務從PTN割接調整到SPN網內，因此網絡業務會有中斷。完成升級后，5G業務與原2G/3G/4G/專線等業務之間可以使用切片通道層（SCL）實現硬隔離，也可通過切片分組層（SPL）實現軟隔離。

新增SPN線卡方案通過在匯聚/核心層設備空閑槽位新插SPN線卡，并增加對應光纖連接，即可在原PTN網絡設備基礎上形成新的SPN網絡平面，并和原有的PTN平面共存。原PTN平面承載的2G/4G/專線業務不需要進行割接調整，新增加的SPN網絡平面可用于承載5G業務也可以用于承載新增的4G或其他綜合業務。對于接入層設備，可按需新建SPN接入環，或將PTN接入環設備替換為SPN設備。PTN接入環和SPN接入環可以同時掛接在匯聚核心層的PTN平面或SPN平面下，5G基站可靈活地掛接在原PTN接入環或新的SPN接入環。該方案PTN網絡升級后整體組網架構如圖2所示。

圖2 PTN新增SPN線卡升級后的組網架構

新增SPN線卡升級相關各種業務部署方案及應用場景如表1所示。

表1 PTN升級方案應用場景及業務部署方案

PTN承載網升級演進過程中業務邏輯在不斷變化。5G發展的初期階段，當采用利舊模式將接5G基站的PTN/SPN環接入PTN平面，或者將接5G基站的PTN環接入SPN平面時，將繼續沿用原有的PTN業務方案。外層隧道采用MPLS-TP，接入設備和匯聚設備之間采用PW（偽線）+核心網L3VPN方式。東西向流量上行匯聚設備進行轉發，再匯聚到核心的邊緣PE設備通過橋接功能進入核心層L3VPN。此時，如原PTN網絡接入層已經是10GE環，且帶寬利用率較低，可以暫不升級，用于承載5G初期eMBB業務，待后續5G業務發展后再按需替換為SPN設備。例如，原PTN網絡接入層為GE環，則應采用SPN設備建設新的接入環，或直接采用SPN設備替代原PTN接入環設備[3]。SPN接入環可采用50GE或者100GE組環，若對應為熱點區域，則應考慮采用100GE組環。

隨著時間推移，5G基站將大量部署，PTN原有的匯聚/核心設備經過逐漸升級也將具備SPN功能，此時基站之間數據協同需求和核心網功能云化，將會使基站之間和云數據中心之間的東西向流量迅速增加，流量模型也將從南北向的樹狀匯聚變成南北向和東西向的網狀互通[4]。為了減少東西向流量迂回繞行，承載網的L3功能需要從匯聚層下沉到邊緣接入層，通過在SPN的接入層、匯聚層以及核心層上全面啟用IGP路由協議和SR隧道，將L3VPN擴展到接入層。SR隧道包括分段路由最優路徑（Segment Routing-Best Effort，SR-BE）和分段路由流量工程（Segment Routing-Traffic Engineering，SR-TE）兩種隧道類型。其中，SR-BE不需要配置可以自動在網絡內所有節點之間建立全網狀的SR-BE隧道，適合東西向業務承載，面向無連接能滿足大連接需求；SR-TE可以利用SDN控制器指定隧道的路徑，通過在隧道源節點壓入路徑標簽棧信息，實現隧道路徑的可規劃性，達到流量工程管理的目的，并在其基礎上提供了面向連接的點對點業務，適合于南北向承載[5]。分段路由傳輸概況（Segment Routing Transport Profile，SR-TP）提升了SR通道的管控能力，能實現端到端監控運維以及電信級的操作維護管理和保護。為了減少路由條目，降低核心節點隧道數量，保證SPN網絡的L3性能和可擴展性，防止某個局部問題影響全網，L3VPN還需要進行層次化處理。它可以選擇SPN的匯聚節點或者骨干節點通過IGP多進程對路由分域。發生故障時，它可以將故障隔離在域內避免互相影響。層次化VPN有利于網絡大規模部署，相關的PTN升級方案業務邏輯如圖3所示。

圖3 PTN升級方案業務邏輯架構

4 PTN升級方案的特點

PTN升級方案有以下3個特點。一是現網PTN匯聚/核心設備通過新增卡板可以具備完整的SPN能力，并滿足5G全生命周期對承載網絡的需求，工程建設量小、資源需求少且設備新增功耗低。二是5G建設初期對于5G優先覆蓋的熱點區域可先投資建設基站和SPN網絡形成局部覆蓋，其他區域可利用PTN承載網的接入環實現5G基站業務的快速開通，待后續業務需要時再逐步完成全網連續覆蓋，按需分批投資，減少流動資金占用。三是對現網業務影響小，現網PTN承載的2G/4G/專線業務無需進行割接調整。

5 結 論

當前5G部署和商業應用正在快速發展，從PTN承載網絡升級到SPN的方案需立足4G承載，引入SR/EVPN、FlexE以及SDN等新技術和功能，全面支持5G網絡架構和演進。通過現有PTN設備的升級，可以為5G業務提供靈活、超寬、智能以及可持續演進的承載網絡，實現4G/5G的基站共站址和統一承載。此外，PTN升級演進方案可以幫助運營商保護投資，并以最低的成本和最快的速度為用戶提供5G服務。