第四代通信傳送網的組網研究

向 峰

（武警廣西總隊作戰勤務指揮中心，廣西 南寧 530031）

0 引 言

根據有關數據統計，2021年全國網民人數為9.89億，視頻用戶為8.09億，人均每周上網時間為30.8 h，利用網絡進行購物累計7.49億人次。隨著4G技術的廣泛應用，各國都在加速傳送網的建設，原來的傳送網以同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）光傳輸為主，雖然形成了比較完善的傳送網絡結構，但是SDH的剛性帶寬需求降低了網絡資源的使用效率，對于承載類業務的帶寬提速及后期維護工作十分不方便，已無法更好地滿足傳送網的業務發展需求[1]。傳送網就是傳送某種東西的網絡，而這種東西就是信息。傳送網發展至今已經具有了許多優點，如告別以前傳送信息的不確定性，組建網絡方面十分靈活。承載傳統時分復用模式（Testing Date Management，TDM）語音業務，但是配備傳統技術的傳送網不能辦理寬帶業務和數據業務，在一定程度上限制了帶寬的種類，降低了帶寬的利用率，而且對外提供的標準接口種類也較少，不能夠滿足多種多樣的寬帶業務需求。為了能更好地承載IP類的數據業務，光傳送網（Optical Transport Network，OTN）和分組傳送網（Packet Transport Network，PTN）在此背景下誕生。OTN是一種把波分復用當作基礎技術，網絡在光層得到相關處理的傳送網，因其穩定可靠已經成為下一代骨干傳送網的熱門選擇。

1 第四代移動通信技術

長久以來，傳送網絡被拿來當作基礎網絡，到現在也已經成為可以承載多種業務的傳送網絡。隨著技術的發展，更高層面上的承載網是通過原來的傳送網加上承載網之后融合而成的。現在，傳送網和IP承載網都具備了提高業務實用性的基礎功能，甚至可以局部重疊，而且隨著技術的發展，這種情況肯定會越來越明顯[2]。

1.1 技術特點

基于正交頻分復用技術（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM），具備較好的抗干擾性和較高的信息傳輸速率。基于軟件無線電技術，編解碼和射頻通信模塊可根據需要通過定制軟件來靈活設置，因此可支持多頻段、多模式信號傳輸，大幅度提高頻譜利用效率。基于智能天線技術，能精準控制無線電波束，將主瓣對準用戶天線，旁瓣對準干擾信號傳來方向，有效抑制或消除干擾信號，同時大幅提高天線能量利用效率。基于多進多出（MultiInput Multiple Output，MIMO）技術，可將信道鏈路分解為大量并行的子信道，以大幅度提高系統的通信容量。

1.2 應用情況

截止目前，全球一共有300多家運營商在百余個國家部署了第四代移動通信網絡，大型4G網絡（用戶數量）主要集中在中國、美國、日本、韓國和歐洲。國際上的4G通信標準分為分時長期演進（Time Division-Long Term Evolution，TD-LTE）和頻分雙工長期演進（Frequency Division Duplex-Long Term Evolution，FDD-LTE）兩種，全球大部分運營商采用的網絡頻譜模式為頻分雙工（Frequency Division Duplex，FDD），但時分雙工（Time Division Duplex，TDD）模式也逐漸被認可[3]。當前，全球大部分國家均對長期演進技術（Long Term Evolution，LTE）網絡進行頻譜重整，特別是1 800 MHz和900 MHz頻段。運營商可以在此基礎上充分使用現有頻段而無需考慮具體的技術，總體上看，1 800 MHz是全球最為普遍使用的頻段，其在商用FDD-LTE網絡中的使用率為43%。

2 組網技術原理

2.1 OTN技術原理

OTN技術的來源并沒有想象中那么復雜，其實就是傳統的SDH/同步光纖網絡（Synchronous Optical Network，SONET）技術。其思路主要是通過對映射、復用、交叉連接、嵌入式開銷、FEC等相關具體技術進行分析，采用這些技術中的優點，傳統SDH/SONET技術具有極強的運營管理能力，后來人們將其應用到波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）系統中，并且把WDM技術的優點容量大和SDH/SONET技術的優點靈活、安全、可靠一并吸收形成OTN技術。OTN技術的優點有很多，具體分為以下5個方面：

（1）具有透明傳送的能力；

（2）可以支持封裝傳送多種客戶信號；

（3）具備交叉連接的可升級性；

（4）強大安全可靠的帶外前向糾錯（Forward Error Correction，FEC）功能；

（5）串聯監控功能。

和其他技術一樣，OTN技術也存在短板，為了避免在OTN技術里重蹈覆轍、削弱OTN技術的可靠性，OTN技術也要對網絡進行分層。OTN網絡結構示意如圖1所示。

圖1 OTN網絡結構

和其他相關技術相同，OTN也對自身功能單元進行了分類。

（1）光通道凈荷單元（Optical Channel Payload Unit，OPU）：用來適配業務信號，使其適合在光通道上傳輸。

（2）光通道數據單元（Optical Channel Data Unit，ODU）：以OPU為凈負荷，增加相應開銷，提供端到端光通道的性能監測。

（3）光通道傳輸單元（Optical Channel Transport Unit，OTU）：以ODU為凈負荷，增加相應開銷，提供FEC功能和對OTU段的性能監測。

OTN常見單板有光轉發單板、電交叉類單板、合波/分波單板和光放大單板。電交叉類單板可以分為客戶側的單板、線路側的單板和電交叉單板。光放大單板又可以分為光前置放大板、光功率放大板和光線路放大板。正是因為光轉發單板的內部擁有激光器，能夠穩定的發出光，這種光滿足波分系統標準的波長，所以光轉發單板能提供線路側光模塊[4]。并且光轉發單板能把來自客戶側的信息封裝到與信息類別相匹配的OTN幀里面，然后傳送到線路側輸出。

2.2 承載網原理

傳送網發展到今天，概念上和承載網幾乎已經沒有差別，在某種意義上傳送網就是承載網。承載網由傳統的傳送網加上IP承載網，一起統稱為“大承載網”，也就是現在說的承載網。其中IP承載網包括路由器、交換機、PTN等設備，用于進行IP分組的快速路由與交換；而光傳輸網包括SDH、密集型光波復用（Dense Wavelenght Division Multiplexing，DWDM）、OTN等，用于遠距離、大容量的數據傳送。現在，SDH/多業務傳送平臺（Multi-Service Transport Platform，MSTP）、PTN、無線接入網IP化（IP Radio Access Network，IPRAN）和WDM/OTN等傳輸技術的優勢已經被人們探知清楚，所以承載網吸收結合這些技術，在邏輯上分為了4層，即接入層、匯聚層、核心層和骨干層。

從邏輯上來講，承載網4層里面距離人們最近的是接入層，如果以從上往下的邏輯，它連接的是基站和其他接入設備。接入層的速率都比較低，大概范圍通常在155 Mb/s～1 Gb/s。在接入層上面的是匯聚層，所以匯聚層的速率普遍比接入層要高，通常在622 Mb/s～10 Gb/s。而核心層的速率通常在1～10 Gb/s。骨干層位于核心層的上面，只能處理跨省級的電話信號傳輸，范圍位于市內的電話信號是不需要進入骨干層傳輸處理的，骨干層的速率范圍為10 Gb/s～T b/s。承載網的層次如圖2所示。

圖2 承載網的層次

2.3 PTN技術

以前老舊的交換機在進行承載相關業務時往往會產生許許多多的問題，其安全可靠性能受到了相當大的質疑，有時候還不能快速地完成業務承載。在接入業務和同步時間時也顯得有心無力，還不能夠對故障點進行維護修正，這時PTN技術應運而生。PTN技術的核心就是分組架構，吸收了Ethernet技術和MPLS技術的優點，已經成為了下一代分組承載的主要技術[5]。PTN技術增加了網絡管理特色功能，能對網絡進行控制，演變為一種面向連接的分組傳送技術。

通過PTN組建的網絡人們對其進行了分層，一共3層，對PTN的功能平面也進行了分層，同樣一共3層。綜合看來，PTN技術在某種意義上就是對先前技術的優點進行整合與吸納，但是再完美的技術也會存在缺陷，要用發展的眼光看待這些技術。

2.4 PTN+OTN混合組網技術

在當前的PTN網絡中，國內的網絡運營商經常采用大量的SDH網絡和一部分PTN網絡，主要包含鏈狀系統和環形系統等，PTN網絡和OTN網絡目前的組合方式主要有相互獨立和承載互通兩種。相互獨立形式是PTN網絡和OTN網絡承載的業務類型不同，相互獨立運行，PTN網絡承載GE以下小顆粒業務，OTN承載GE以上大顆粒業務；承載互通形式是指在PTN系統的運行速率低于OTN系統時，OTN網絡也能夠承載PTN網絡，因此較大幅度地提高了鏈路資源的利用率，并充分發揮OTN網絡的調度和保護功能，使PTN系統的生存性得到提高。如果OTN網絡也具有智能控制平面，則應將兩方的智能控制平面進行互通，并在模型再運用跨層次的保護回復功能協調機制[6]。

3 網絡拓撲規劃

3.1 星型拓撲

星型拓撲的優點有：（1）安裝比較方便；（2）控制也比較簡單；（3）好操作。缺點是中心節點的壓力大，發生故障時全網都會癱瘓。為了處理這個問題，有些網絡采用雙星型拓撲，網絡中配置兩個中心節點。

3.2 環形拓撲

環形拓撲的優點有：（1）當信號在環形拓撲上傳輸時是單方向的，時延相對來講比較一致；（2）環形拓撲規劃節約光纜的成本；（3）環形拓撲穩定安全可靠；（4）環形拓撲上的各個節點負載相同。

環形拓撲的缺點是在運行業務時增加環上的節點會產生延時或者中斷現象，進而影響信息的傳輸。

4 容量規劃

各地區國家的傳送網都可以分為接入層、匯聚層和核心層，再加上省骨干網，每個層次的重要設備容量參數也大為不同。每一個層次涉及到相應的計算方法也大不相同，重點在于對每一個層次設備數量、設備類型以及每一層次特點優勢的把握。國內外的城市，其涉及到的參數無一例外相對較多，所以需要有統一標準的算法。國內某城市的承載網參數規劃如表1所示。

表1 國內某城市的承載網參數規劃

5 硬件設備選型規劃

依據網絡的實際需求來規劃每個機房的具體設備性能和類型，因為拓撲規劃里已經選擇好了設備類型，在設備配置時，選擇性能方面相匹配的設備型號就相對簡單。依據容量計算得出的結果從兩個方面去選型，第一方面是設備本身吞吐量，第二方面是接口帶寬[7]。

傳輸速率在1 Gb/s以上的接口都是高速線卡。接入層的相關設備和匯聚層的相關設備，接口帶寬能否滿足鏈路帶寬的要求是需要關注的。核心層的相關設備和骨干網的相關設備，設備的整體吞吐量能否承載數量較多的基站也是需要關注的，比如通過計算得到核心層設備的吞吐量為500 Gb/s，就要選擇使用大型的PTN或者大型的路由器。傳送網絡所有設備型號及性能如表2所示。

表2 傳送網絡所有設備型號及性能

OTN設備的選擇應該考慮兩個方面因素的影響。第一個因素是接口容量大小，這里的接口主要是指客戶側的；第二個因素是本機房連接其他機房的數量。例如，如果連接核心層的路由器與骨干網的路由器是用100GE標準的接口，則OTN設備需要選擇對應100GE的設備。大中型城市的承載中心機房與其他幾個機房是用OTN連接的，所以就要配置3對以上OMU或ODU單板的OTN設備[8,9]。OTN所有設備型號及性能如表3所示。

表3 OTN所有設備型號及性能

6 結 論

4G傳送網需要不斷優化升級，進行技術方面的革新，不斷利用相關新型技術來提高4G傳送網傳輸質量，使5G傳輸網絡能夠更快普及和發展是時代的需要。考慮到5G通信系統未來的業務需要以及對網絡架構的前瞻設計，光傳送網需要在智能化、巨連接、大容量等方面做出進一步改進，設計理念和技術實現上面臨較大挑戰。對此，不僅需要持續關注業務和需求發生的變化，切片網絡帶來的流量流向變化，也同樣應該關注傳送網技術的不斷發展，傳送網建設規劃思路和運營工作方法的變化。目前，5G標準技術已經日趨成熟，5G會以前所未有的速度發展，而5G的飛快發展對新一代移動通信技術的研發與應用將產生巨大影響，同時對傳送網提出新的要求。對4G傳送網的應用現狀和業務需求的分析，可為5G網絡的發展和應用提供借鑒，在兼顧現有傳送網的同時，聯合各方力量推動5G傳送網的技術和產品向著更新、更安全、更經濟的方向前進。