面向5G業務的鄉鎮SPN規劃及組網架構

鄧旭，陳騁

（1.中國移動通信集團廣西有限公司，廣西 南寧 530028；2. 華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

1 引言

目前，中國大中型城市的市區、縣城均已部署切片分組網（slicing packet network，SPN）系統用于承載5G業務。面向未來“5G+垂直”行業的多種新場景[1]的差異化發展需求，對承載網提出了多維度的挑戰[2]。

SPN系統具備FlexE切片、SR等新功能，并在落地組網和業務開通方面具備新的特點。

切片技術因其具備靈活調度、個性化資源分配等特點在5G中占用重要地位。文獻[1-3]分別采用混合線性整數規劃（MILP）優化算法、基于VIKOR的啟發式切片算法、基于兩層激勵切片資源分配算法，提供不同角度的5G核心網絡切片的最優分配策略，既滿足端到端時延也保證切片之間的隔離度。文獻[4]提出光底層虛擬化框架，就實現光底層網絡切片和E2E切片進行分析。

針對垂直行業的業務需求，基于切片技術發展的“5G+垂直行業”能夠滿足垂直行業差異化需求。文獻[5]從垂直行業出發，分析“5G+垂直”行業的切片技術應用和服務類。文獻[6]提出了5G-QoE框架解決5G網絡中超高清視頻流的QoE建模問題。通過搭建準確、低復雜度的QoE預測模型，為5G移動邊緣網絡的超清視頻應用場景提供主要感知質量指標。

為實現網絡平滑演進，文獻[7-9]通過探討分析PTN/SPN承載網絡演進方式，探討網絡融合演進的具體實施策略。文獻[10-11]對面向5G承載的系統選型進行探討對比分析，獲得不同系統均可滿足的5G未來業務需求。

進一步，未來6G網絡需要通信、計算和緩存（3C）的融合，基于3C的頻譜管理、無線信道構建、時延感知傳輸、無線分布式計算和網絡自進化[12]。切片技術在面向未來的6G發展需求，存在繼承和開拓的關系，且因為6G需要相對于5G更加靈活的調度能力和資源分配，對切片技術更加依賴。

現階段，已實現部署市區縣城節點的SPN系統，目前鄉鎮仍舊采用PTN系統，僅適用于5G初期eMBB場景的業務承載，伴隨5G業務范圍的不斷擴大，現有鄉鎮傳輸網絡難以滿足5G業務大帶寬、低時延、高可靠等承載需求，以及基于切片技術等新興技術的“5G+垂直行業”各類型差異化需求，需進一步考慮關于鄉鎮SPN的部署策略。

本文基于某省5G無線網絡發展規劃，對鄉鎮SPN系統網絡架構、組網拓撲、配置方式進行詳細分析對比，并結合實際情況綜合光纜資源、容量獲得最佳方案。

2 系統架構及承載需求

城域網SPN系統架構分為4個層級，即市區核心層、縣城層、鄉鎮層、農村層。目前，縣城層及以上層級已全面部署SPN系統，結合5G基站部署節奏，分場景推進鄉鎮SPN建設[4]，2022年主要部署鄉鎮層，2023年重點部署農村層。

結合5G前期計劃建設基站總數量M及該地市鄉鎮站點總數量M0，可以獲得5G前期的平均每鄉鎮單站帶寬S0C，如式（1）所示。

其中，ε為5G單基站帶寬，ω為冗余系數。冗余系數ω需綜合考慮各站點之間的平均流量偏差及冗余流量，一般取ω=0.7。帶入某省前期規劃約1.6萬個5G基站、合計1 080個鄉鎮站點及5G單基站帶寬約為1 Gbit/s，可以得出該省平均每鄉鎮單站帶寬即平均每個鄉鎮站點需配置至少21 Gbit/s帶寬才能滿足5G前期流量需求。

3 組網分析

基于各鄉鎮5G流量測算結果，結合基站帶寬、收斂比、冗余系數等因素，可深入分析鄉鎮5G組網架構。

3.1 理論分析

鄉鎮SPN組網架構受多方面因素影響，其中，鄉鎮SPN組網的約束條件如下。

（1）網絡拓撲

鄉鎮SPN優先考慮環形組網[13]。環網的拓撲結構對資源的消耗較星型、樹形要小。且在距離遠、節點多的鄉鎮場景下，環網對資源利用優勢更加明顯。但每個環的規模需要結合地理位置、業務量等方面綜合評估進行設計。

（2）業務歸屬

為面向5G商業化后的低時延場景業務，移動邊緣計算（mobile edge computing，MEC）技術的下沉勢在必行[9]，從而鄉鎮SPN組網優先考慮本縣城歸屬的組網架構。

（3）環網容量

基于鄉鎮5G業務流量測算結果，環網容量需根據廠商設備型號及適用環境擇優選型。

為深入分析各因素對限制條件下的鄉鎮SPN組網架構的影響。本文搭建同縣城條件下鄉鎮SPN組網典型模型。搭建的鄉鎮SPN組網模型如圖1所示。

圖1 鄉鎮SPN組網模型

為進一步分析鄉鎮SPN模型，需重點考慮以下主要影響因素。

（1）單節點帶寬及環路帶寬

鄉鎮的5G業務流量程逐年上升趨勢，結合收斂比、冗余系數等因素，可知5G前期平均各鄉鎮節點需具備約21 Gbit/s帶寬資源。并進一步根據實際組網情況選定環路帶寬。

（2）光纜距離

鄉鎮之間及鄉鎮－縣城的光纜距離影響組網后信號的傳輸質量，針對城域光纜需建設規模可參考文獻[14]的光纜規劃模型，理論上光纜距離≥80 km需考慮采用中繼節點或OTN承載等方式傳輸。

（3）纖芯等啞資源條件

作為“一帶一路”戰略建設的重要人力資源支撐，高等教育要圍繞“一帶一路”辦學和開展各類培訓，培養既了解沿線國家國情又接受過我國高等教育培訓的本土專業骨干人才，滿足重大工程項目對高素質勞動者的迫切需求，提高沿線國家和地區青年人的就業和創業水平。這既是機遇也是挑戰。

SPN組網架構各環路中各節點間纖芯均采用單纖單向，需2芯纖芯資源。

假設本縣城內N個鄉鎮節點下，組k個環的鄉鎮SPN組網的全量組網模式數Xk如式（2）所示：

則環路帶寬為C，鄉鎮節點為N條件下的纖芯需求總量S（fN，k）、節點間距離≥80 km的段落 數S（ON，k）以 及 各 鄉 鎮 節 點 平 均 容 量S（CN，k）等信息，如式（3）～式（5）所示。

其中，O(Xi(N，σ))為第i環路、第N個節點在第σ個組網模式下的節點間距離>80 km段落數，1

3.2 實際場景應用分析

為面向實際組網中鄉鎮SPN場景應用，以某業務區為例，根據該業務區實際組網因素調整組網模型并詳細分析，該業務區組網主要條件見表1。

表1 鄉鎮SPN組網模型參數

其中，鄉鎮SPN環的光纜距離為鄉鎮間或鄉鎮縣城間距離，縣城兩節點間距離均默認≤10 km，且站點之間僅物理位置上存在差別。可以知道，具備k個環路的鄉鎮SPN組網具有種組網模式，且第k個環組網模式滿足Xk=X7?k=k×(k+1)/2，纖芯需求總量S（f7，k）=2×（7+k），各鄉鎮節點平均容量S（C7，k,100）=7×100/k，該業務區鄉鎮SPN組網性能如圖2和圖3所示。

圖2 組網模式數量及各節點平均容量

圖3 纖芯光纜情況及下掛節點數為1的數量

根據圖2可以知道，隨下掛環數增加，各節點平均容量隨之增大，當下掛環數≥21時即可滿足5G初期流量需求，常規場景無須考慮更高平均單節點流量。隨下掛環路增加，組網模式數量呈先增高后降低的趨勢。組網模式一定程度標志著組網的靈活性，理論上更多的組網模式意味著可用于更多實際復雜場景組網。

在組網環數>4時，隨下掛環路增加，組網模式數量為先增高后降低的趨勢。當組網環數分別為5、6、7時，其所在環上分別至少有3、5、7個環，僅有1個節點，對應環上節點可具備的帶寬為100 Gbit/s。一般情況下，在涉及鄉鎮節點僅為7的系統內，該3類組網環數對纖芯、中繼設備等提出更多需求，且針對鄉鎮場景下為半數鄉鎮提供5G初期預估的約5倍帶寬容量，效益低下。常規場景中，不具備現網建設指導意義，僅作為全面分析數據參考。

鄉鎮SPN組網常規條件考慮下掛環路≤4的情況。

由圖3可知，隨著下掛環路的增加，Sf、SO以及S（Oσ=1）均隨之增長。當k≥5時，SO斜率進一步增大；當k≥3時，S（Oσ=1）斜率進一步增大。結合系統分析，上述3項均對鄉鎮SPN組網有負面影響，理論上3項的系數參數應當越低越好。綜合組網實際情況分析，優先考慮環路數k≤3，SO以及S（Oσ=1）均最小的場景。

結合上述實際場景組網應用分析，某業務區大部分常規場景可參考表2建設。其中，場景1各鄉鎮節點容量僅能滿足測算的鄉鎮5G流量初期需求，后期需對整環擴容。場景2各節點流量均基本滿足5G中后期需求，且各節點流量相對分布均勻便于后期管理維護。但場景2由于SO=1，為保證數據傳輸質量，需考慮采用中繼設備或OTN承載等方式組網。此外，少量鄉鎮節點由于物理位置及光纜條件等因素，適當采用“2+5”“2+2+3”等組網模式靈活組網。

表2 常規場景下建設參考模型

4 結束語

鄉鎮SPN建設規劃需結合對應各省份的5G基站建設規劃分析，通過流量測算獲得的單節點容量，并結合鄉鎮不同

場景推導優化后的組網方案。

綜合分析可知，鄉鎮SPN組網綜合性能受單節點帶寬及環路帶寬因素積極影響，受光纜距離纖芯資源等因素負面影響。綜合考慮組網模型，面向某業務區的鄉鎮SPN組網，優先采用“3+4”“2+3+2”等組網模式方案，根據鄉鎮節點實際情況靈活采用其他組網模式方案。

基于本文分析的結論，鄉鎮SPN系統需因地制宜的建設，帶寬測算模型不同、應用場景不同，會造成鄉鎮SPN系統完全不同的組網架構及配置。本文構建綜合模型分析，并針對某業務區進行詳細分析并提出一種通用型的分析思路和組網方案，不同省份可參考本文分析思路并基于自身實際情況調整參數進行分析。