5G網絡對傳輸組網的挑戰分析和應對探討

［黃小東］

1 引言

我們的傳送網經歷了2G的PDH/SDH時代，3G的MSTP時代，4G的PTN/GPON時代，還有5G的PTN/SPN網絡。傳送網技術在不斷的革新，傳輸網絡架構也在不斷的調整。針對5G網絡的各種應用場景，未來的通信網絡將要實現真正的“萬物互聯”。5G網絡將對應用、速率、帶寬和時延提出更加嚴格的需求。在當下的4G組網架構已經無法滿足5G的新業務需求，也迫使傳送網要進行深入的分析和細化。5G無線網絡不同的組網結構，對傳送網的組建架構帶來較大的影響。

2 5G網絡的業務需求

相比4G，5G追求更強性能，對帶寬、時延、連接密度關鍵指標要求更高；同時追求更多場景，不僅考慮人與人、還考慮人與物、物與物連接。

（1）大帶寬，即增強型移動寬帶（eMBB）：面向大帶寬應用，提出即時即連的超大帶寬接入回傳需求。5G采用成倍提升頻譜效率多址技術（SCMA多址技術），在頻域、時域基礎上，增加碼域的復用，實現3倍的網絡帶寬提升；另外5G通過多天線的空分復用優勢，成倍提升系統容量，采用MIMO復用從4G的4＊4提升至64＊64，帶寬提升16倍。預計單站均值帶寬在3.6～6.0 Gbit/s，峰值帶寬在6.4～12 Gbit/s。5G低頻站理論峰值帶寬達到5.28 Gbit/s，均值2.97 Gbit/s；高頻站理論峰值帶寬19.8 Gbit/s，均值9.9 Gbit/s，是4G基站的15倍左右，單站帶寬增長明顯，是5G時代初期最主要的挑戰。

（2）超可靠低時延通信（uRLLC）：主要面向VR/AR、車聯網、自動駕駛、智能制造的應用。uRLLC業務對遠程醫療、自動駕駛等有極苛刻的時延要求，端到端500 μs～1 ms。

（3）網絡靈活，大規模機器類通信（mMTC）：面向物聯網、萬物互聯的海量連接需求，提出多連接通道、高精度時鐘同步。5G承載網連接趨向于Full Mesh全連接，網絡需要支持的連接數呈指數級增加。

（4）網絡切片：連續大覆蓋、熱點高容量、高可靠低時延、低功耗大連接等場景差異巨大，需要按業務場景進行網絡分片。

3 5G承載網關鍵能力挑戰和分析

5G無線網絡由4G網絡的BBU/RRU將重構為CU/DU/AAU，傳輸網將對應演變為回傳+中傳+前傳的網絡新架構。按照5G組網情況，CU/DU分離場景多樣復雜，增加中傳時延，網絡部署和運維管理復雜度提升。如圖1所示。

圖1 4G/5G網絡架構

5G帶寬需求巨大，尤其是在NSA組網情況下，5G部分下行流量可能由現網PTN網絡承載，未來可能面臨4G/5G競爭現網的環網帶寬及接口帶寬滿足能力較差，應對5G前期大流量沖擊壓力較大的問題。在5G建設的同時應同步加大對原有PTN網絡的帶寬管理，及時擴容，避免4G/5G競爭造成現網業務的影響。在5G網絡建網初期，5G下行部分流量可能會由原有承載4G的PTN網絡繞行，然后到5G基站落地。

針對5G的關鍵業務需求，總結傳輸承載網絡在帶寬、時延、靈活連接、網絡分片能力等方面的關鍵指標能力。如表1所示。

表1 關鍵指標能力需求

傳輸采用基于PAM4的高性價比的50GE/200GE組網，設備單跳轉發時延要達到15 μs以內，引入FlexE技術實現多業務的高可靠、硬隔離，采用基于SDN的SR+EVPN等技術實現靈活承載、降低網絡協議復雜度、加快業務發放速度。

針對5G承載網，對傳輸設備、網絡架構、機房容量和光纜資源都有比較大的挑戰。設備方面要求具備切片、大帶寬能力。網絡架構方面要求具備低時延、快回傳能力。機房容量方面要求具備大的外電容量和使用面積，統一、完備的使用規劃。光纜資源方面要求更緊湊的覆蓋密度，更大的纖芯能力，同時要求同層級機房間要有連接資源。

4 傳輸設備組網的挑戰和應對探討

4.1 運營商的設備組網方案現狀

4.1.1 當前環路帶寬難于有效突破

現網接入層、匯聚層環路帶寬以N＊10GE的上聯能力為主，難于支撐未來5G的需求。首先，接入層環路帶寬無法滿足5G需求。現網接入層帶寬均為10GE及以下，其中10GE環路平均設備點8.1個，GE環路平均設備點5個。而面向5G接入層設備客戶接口需10GE/25GE，網絡接口需50GE以上，現網設備難以支持。其次，匯聚層與核心層良莠不齊，具備升級的設備，可以全面進行升級，對于不具備升級的設備，可采用全面疊加支撐SPN的設備。當前配置上聯帶寬以10GE為主，擴容能力不足。面向5G部署時，目前約26%傳輸設備可升級支持。環路帶寬情況如圖2所示。

圖2 現網環路帶寬和5G需求對比圖

4.1.2 設備支持網絡演進能力弱

現網設備能力有限，充分利舊當前資源，或升級或替換提升傳送網設備能力。首先，接入層設備擴展能力有限，充分利舊具備升級能力的設備，在接入層采用D-RAN與C-RAN相結合方式，逐步提升傳送網設備的承載能力，按業務需求，逐環升級。其次，骨干、匯聚層當前已有較大的站點負載，且設備能力有限，需全面提升設備能力。經現網數據分析，可得出如下結論：接入層方面，現網中接入層設備具備50 Gbit/s以上能力的設備僅為26%；具備升級50GE SPN設備占全網設備的26%（目前，PTN960占了絕大部分，需要綜合考慮960更換主控、線路板以及其擴展能力）；10GE PTN設備占全網設備的16%；具備10GE能力的PTN設備占全網設備的26%。不具備10GE能力的PTN設備占全網設備的29%。匯聚層方面，匯聚層站點僅30%具備100 Gbit/s以上帶寬能力，但支持SPN的僅12%。骨干層方面，骨干層站點僅50%具備SPN能力。現網中常用的設備型號如表2所示。

表2 現網常用傳輸設備支持SPN情況

4.2 現有LTE傳輸設備組網的挑戰

現有的4G LTE傳輸PTN架構網絡在滿足當前的需求時，是有冗余的，但在面向5G的大網絡帶寬則無法滿足5G網絡需求。首先，從調度結構分析上，當前PTN架構環網環路帶寬不足，如果要滿足單點均值4.8 Gbit/s、峰值10 Gbit/s的需求，需要單點組網，對光纜和匯聚設備的端口造成大的困難。其次，從設備能力上分析，當前設備僅具備最大N＊10GE的上聯能力，不具備切片能力，對5G的承載能力不足。在5G建網初期，如果采用現有LTE傳輸設備組網下，保持當前的網絡架構穩定，做好應對無限流量套餐的流量增長預測，全面監控前傳、中傳及回傳各層級流量，按需擴容網絡資源。

4.3 承載設備組網的建議

搭建網絡新架構（CU/DU/AAU），在原有“機樓-機房-基站”層級基礎上，原有核心機樓在面積、空間、資源、容量都基本飽和，新建重要匯聚機房，作為核心機樓的延伸，主要用于大區域業務的匯聚以及BNG、CDN等設備的下沉，并實現與核心機樓互聯，管理范圍考慮以行政區作為劃分。部署大容量OTN、SPN/PTN、BNG、CDN等設備，作為MEC及電信云下沉部署節點。針對重要匯聚機房的兩點建議：（1）組建通信機樓新組團，確定整體格局，為機樓減負，在組團劃分上要防止單點失效，提高網絡的安全性。（2）借此搭建網絡新架構的契機，重構波分平臺，保護機樓。如何構建波分系統，可以通過對現網業務流量和需求預測進行分析。為了滿足調度需求，電交叉向全光交換網絡演進的策略減低時延。采用波分系統破環插點和新建波分系統等兩種方式來構建網絡容量超200G的新調度傳輸平臺。

新架構采用“1+1”承載設備網，即PTN+SPN，研討架構的搭建方式。需重點分析下列3項指標：各層級的帶寬測算；SPN成環與SPN+OTN的結構對比；匯聚層以上，節點互聯實現eX2電路的需求。

接入層組網結構研討，對比D-RAN與C-RAN，明確建設方式。通過在經濟和技術上對機房規模、配套容量、光纜覆蓋和纖芯的橫向和縱向維度對比D-RAN與C-RAN優缺點。經綜合分析現網數據和5G需求，得出結論：應該推行以C-RAN為主線的建設方式，D-RAN為特殊區域的解決方案。CRAN組網方案，采用CU+DU分離，用光纖直連方式建設5G，從而達到節省基站傳輸設備、空調功耗、配套的目標。另外需要劃分C-RAN無線覆蓋網格，指導傳輸后續方案制作。

考慮現網設備演進能力，建議5G建網初期新建匯聚和接入層設備，中期的目標要根據帶寬需求，將核心層獨立出來，最終平滑為一張網綜合承載5G業務。

4.4 新建部署SPN網絡方案

搭建全新的傳輸城域骨干、匯聚、接入層端到端的SPN網絡，三層到邊緣，全網啟用動態三層電路，IGP分域節點設置在重要匯聚機房。不局限于當前業務需求，以城市布局、人口分布等作為基礎，搭建具備充足彈性和長期穩定性的網絡架構。同區域重要匯聚機房未完成建設情況下，優先選取物業穩定，空間、動力、波分資源等條件好的普通匯聚機房替代。規劃SPN匯聚環時，環與環盡量相切（即兩個環具有共同的站點）或相交，避免匯聚環與匯聚環之間出現真空地帶，導致業務無法接入。

4.5 推進基于OXC技術的OTN系統落地

（1）對于波分系統網絡，打造一個穩定、可靠、完善的OTN傳送網，全面滿足接入和承載需求。推進基于OXC技術的OTN系統落地，探索OXC技術新應用；提升帶寬承載能力，以優先滿足BNG、OLT、SPN、CDN等重點設備覆蓋；逐步推進OTN平臺由100G平臺向N＊100G平臺演進；盤活利舊現有波道，按需調整波道部署。

（2）完善OTN系統的覆蓋。對于波分未覆蓋區域，結合SPN及未有一級波分環覆蓋的BNG機房進行補點覆蓋，解決SPN、BNG及三級CDN上聯問題；對光纜建設黑點段落擴容波道。

（3）提升傳輸系統容量。OTN系統容量要滿足BNG上聯鏈路擴容、新建BNG及新建OLT的100GE、10G、GE上聯鏈路需求；同時也要滿足SPN、CDN、核心網業務帶寬需求。

（4）清退老舊OTN資源。針對老舊同機樓的10G波分平臺設備分階段逐步進行割接退網下電，針對SDH的高價值集客業務逐步割接到智能OTN政企精品網，為機樓騰出空間動力資源。

5 傳輸光纜組網的挑戰和建議

5.1 傳輸光纜組網的挑戰

5G更高密度組網以及規模C-RAN的建設，將導致接入光纜纖芯消耗可能增長3倍以上。現網主干光纜纖芯144芯占比相對較少，綜合業務接入區微網格對于無線纖芯預留明顯不足，難以支撐5G時代前傳需求。

5.2 搭建一張光纜網

面向未來RAN型云化組網架構，遵循微格化原則，豐富末端管線資源；同時，整合已有“基站光纜網”和“綜合業務接入區光纜網”資源，合并打造成統一的“一張光纜網”。“一張光纜網”，即整個綜合業務接入區統一業務接入模式，實現一體化接入，即家寬、集客、基站等全業務都是接入最近的光交箱或分纖箱，通過配線纜跳纖，收斂至綜合接入機房。“一張光纜網”主要包括以下三層結構：骨干光纜網絡、匯聚光纜網絡和接入光纜網絡。

（1）針對骨干光纜網絡，搭建以環形為主的新層級，構建跨區域的調度架構。并能從層級上向下收斂普通匯聚機房的光纜。

（2）對于匯聚光纜網絡，要構建配對機房間的光纜通路。

（3）接入光纜網，構建一張光纜網：從光纜規劃的角度上，可選取相對獨立的街道或網格作為分析基礎。從面光纜的覆蓋度和纖芯容量上，分析C-RAN和D-RAN兩種方式一張光纜網的滿足度。對于光纜連通或成環，在使用中逐步補充和完善（通過業務反向推動連通和成環）。對于當前相對獨立的機房，通過構建融合模型，如通過構建的接入主干光纜和通過新建配線光纜至配線光交，把機房融入一張光纜網中。對于纖芯或光交容量不足的優化和擴容，建議重定義末梢光纜的在二級光交的成端方式。另外，為了規范光交箱的后期使用，在跳纖中，嚴格定義尾纖長度。

加快機房投產，以機房為基點，推動相應的光交、光纜、管道等基礎資源，“一網打盡”接入區內各類業務，由一張光纜網統一承載，統籌管理。實現快速接入、快速開通、高效維護。

6 結論

5G由CU/DU/AAU組建的無線網絡將構建CRAN模式新架構，以及5G在SPN網絡切片、萬物互聯、靈活調度、高速率、大帶寬、低時延、應用廣等方面的諸多新需求，都促使傳輸技術向新一代演進。當前，針對5G網絡傳輸架構的新搭建，設備上采用“1+1”的PTN+SPN承載設備網，光纜組網上通過完善一張光纜網的的架構，構建一張面向未來、架構合理、高效智能、穩定安全的全光SPN新網絡。