基于微波傳輸?shù)暮Ｃ嫘畔⒏咚俾方ㄔO(shè)研究

摘要：本文通過對(duì)煙臺(tái)移動(dòng)在蓬萊外島間部署的微波鏈路所使用的先進(jìn)技術(shù)介紹，說(shuō)明了微波鏈路高帶寬傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方案，重點(diǎn)介紹了鏈路聚合技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理和兩種實(shí)現(xiàn)方式，并且對(duì)比了傳統(tǒng)鏈路聚合技術(shù)和NEC RTA鏈路聚合引擎技術(shù)的異同及優(yōu)缺點(diǎn)。經(jīng)過測(cè)試驗(yàn)證，證明了該方案的實(shí)用性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：RTA聚合算法； 高調(diào)制技術(shù)；鏈路聚合；QOS

隨著國(guó)家鼓勵(lì)對(duì)海洋資源的深度開發(fā)和利用，在海面和海島上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋是為實(shí)現(xiàn)國(guó)家這個(gè)戰(zhàn)略目標(biāo)首當(dāng)其沖需要解決的問題。目前為了實(shí)現(xiàn)大容量的信息傳輸，海底光纜是各家運(yùn)營(yíng)商普遍使用的通信手段。但海底光纜存在著投資巨大，安裝困難，建設(shè)周期長(zhǎng)，船舶航行易于造成光纜中斷等問題。為了解決這些問題微波傳輸就成了該方案有益的補(bǔ)充。目前的微波傳輸系統(tǒng)，通過壓縮技術(shù)，高階調(diào)制技術(shù)和鏈路聚合技術(shù)解決了傳統(tǒng)微波傳輸容量有限的問題，這些技術(shù)在地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。但是海面?zhèn)鬏敆l件對(duì)于微波傳播來(lái)說(shuō)非常惡劣，這些先進(jìn)的技術(shù)是否能夠在海面?zhèn)鬏敪h(huán)境里得到穩(wěn)定應(yīng)用還未得到實(shí)際的驗(yàn)證，煙臺(tái)移動(dòng)在這一課題上進(jìn)行了大膽的嘗試，并收到了非常好的效果。

一、煙臺(tái)移動(dòng)跨海微波項(xiàng)目建設(shè)背景

隨著國(guó)家鼓勵(lì)對(duì)海洋資源的深度開發(fā)和利用，在海面和海島上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋是首先需要解決的問題。煙臺(tái)長(zhǎng)島自建第二路由海纜經(jīng)估算每公里需80萬(wàn)-100萬(wàn)元成本，并且后期維護(hù)難度和成本都較高。經(jīng)綜合評(píng)估傳輸?shù)陌踩裕?0GE微波設(shè)備作為PTN環(huán)網(wǎng)保護(hù)，形成OTN+微波的組網(wǎng)方式，其中海纜段落實(shí)現(xiàn)OTN鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)、微波段落為業(yè)務(wù)的保護(hù)路由。微波路由在海纜正常的情況下只承載少量的業(yè)務(wù)，一旦海纜發(fā)生中斷，海纜路由的全部業(yè)務(wù)將通過微波路由進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)海島5G和家寬業(yè)務(wù)雙重保護(hù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)無(wú)感知切換。

二、煙臺(tái)移動(dòng)跨海微波項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案及先進(jìn)技術(shù)

本方案充分利用微波4096QAM的調(diào)制方式和鏈路聚合技術(shù)、華為PTN設(shè)備的環(huán)網(wǎng)層級(jí)保護(hù)。結(jié)合長(zhǎng)島的特殊地理位置，在OTN+微波組網(wǎng)、帶寬使用評(píng)估、網(wǎng)絡(luò)整體組網(wǎng)架構(gòu)和后期演進(jìn)支撐等方面具有較高自主性，并在山東省內(nèi)唯一海島縣業(yè)務(wù)保護(hù)和提升客戶感知方面積累了經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了海面信息高速公路。

此方案主要涉及的傳輸設(shè)備包括華為PTN設(shè)備和大容量IP數(shù)字微波，通過這兩款設(shè)備的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)海底光纜與IP微波互相結(jié)合，各取所長(zhǎng)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定高效的傳輸。

（一）華為PTN環(huán)網(wǎng)保護(hù)技術(shù)

煙臺(tái)PTN網(wǎng)絡(luò)作為省內(nèi)首個(gè)加載環(huán)網(wǎng)保護(hù)地市，本成果中利用PTN環(huán)網(wǎng)保護(hù)將OTN和微波技術(shù)充分融合。既實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)島本島和北五島業(yè)務(wù)保護(hù)，又實(shí)現(xiàn)了上行至兩處核心機(jī)房市到縣業(yè)務(wù)保護(hù)，雙重保護(hù)讓傳輸業(yè)務(wù)更加穩(wěn)定、可靠。

（二）大容量IP數(shù)字微波

利用某公司的7000IP型微波設(shè)備為各島嶼間提供達(dá)高度4Gbps的傳輸帶寬。在方案設(shè)計(jì)時(shí)，煙臺(tái)移動(dòng)課題小組已經(jīng)預(yù)見到此方案需要解決的關(guān)鍵問題，包括以下幾個(gè)方面：

保證微波的穩(wěn)定傳輸，鏈路的年可用度需要達(dá)到99.99%；

保證微波容量達(dá)到4Gbps；

由于基礎(chǔ)設(shè)施的限制，天線口徑不能過大；

微波設(shè)備需要提供嚴(yán)格的QOS功能，在鏈路出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況下保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的穩(wěn)定傳輸。

基于以上考慮，在設(shè)計(jì)時(shí)采用了高級(jí)鏈路壓縮技術(shù)、高級(jí)QOS技術(shù)、高調(diào)制技術(shù)、自動(dòng)調(diào)制模式控制技術(shù)和微波鏈路聚合技術(shù)。其中，高調(diào)制技術(shù)和鏈路聚合技術(shù)是保證微波鏈路高容量的關(guān)鍵技術(shù)。

1.高調(diào)制技術(shù)

某公司7000IP微波的調(diào)制解調(diào)器可以支持高達(dá)4096QAM的調(diào)制方式。在這種調(diào)制方式下，單波導(dǎo)微波帶寬在理想環(huán)境最大可達(dá)到1Gbps，在實(shí)際使用中也可以實(shí)現(xiàn)600Mbps的穩(wěn)定傳輸。由于是在海面上進(jìn)行傳輸，海面反射強(qiáng)烈，對(duì)微波傳輸會(huì)造成很大干擾。同時(shí)，由于潮汐作用，海面反射情況隨時(shí)變化，因此很難通過工程手段克服這個(gè)困難。NEC微波提供了特有的前向糾錯(cuò)和高靈敏度的調(diào)制解調(diào)器，為解決這個(gè)問題提供了技術(shù)保證。盡管在鏈路部署初期，針對(duì)這些困難已進(jìn)行了反復(fù)的勘測(cè)和細(xì)致的規(guī)劃設(shè)計(jì)，但大家對(duì)這樣的技術(shù)在實(shí)際使用中能在多大程度上解決這個(gè)難題心存疑慮。而在部署后經(jīng)過半年的實(shí)際運(yùn)行，鏈路保持穩(wěn)定，運(yùn)行指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.鏈路聚合技術(shù)

除了高調(diào)制技術(shù)外，鏈路聚合技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)高帶寬的重要技術(shù)手段。目前，鏈路聚合技術(shù)在交換網(wǎng)絡(luò)里已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用，并獲得主流廠家的支持。鏈路聚合技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是將不同的物理鏈路在邏輯上捆綁成一條鏈路，從而實(shí)現(xiàn)微波鏈路容量的擴(kuò)充。

（1）傳統(tǒng)的鏈路聚合技術(shù)

傳統(tǒng)鏈路聚合技術(shù)是通過HASH算法，根據(jù)不同數(shù)據(jù)流中攜帶的諸如IP地址、MAC地址、端口號(hào)等參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果把不同的數(shù)據(jù)流分配到不同的微波鏈路上，從而實(shí)現(xiàn)大容量的數(shù)據(jù)傳輸；如果其中一條鏈路出現(xiàn)故障，業(yè)務(wù)還可以自動(dòng)倒換到其他無(wú)故障的鏈路上。因此，鏈路聚合技術(shù)除了實(shí)現(xiàn)微波鏈路容量的擴(kuò)充，還在一定程度上實(shí)現(xiàn)了不同鏈路之間的業(yè)務(wù)保護(hù)。

然而，傳統(tǒng)的鏈路聚合技術(shù)數(shù)據(jù)流和微波鏈路之間存在著嚴(yán)格的關(guān)系。這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn) Hashing算法利用不同的計(jì)算參數(shù)來(lái)將不同的數(shù)據(jù)流映射到物理鏈路中，如果這些參數(shù)的值相差不大，就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)流被分配到一條微波鏈路里的情況。這樣會(huì)導(dǎo)致某些鏈路出現(xiàn)擁塞，而某些鏈路始終空閑的問題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)負(fù)載的優(yōu)化分布。結(jié)果是邏輯鏈路里的一些鏈路始終被選中，而其他鏈路則未被充分利用。

NEC微波設(shè)備在鏈路聚合技術(shù)上除了支持傳統(tǒng)的鏈路聚合技術(shù)，還研發(fā)了獨(dú)有的射頻RTA聚合算法，用于實(shí)現(xiàn)微波鏈路的聚合。該算法不再以數(shù)據(jù)流為單位進(jìn)行業(yè)務(wù)分配，而是以數(shù)據(jù)包為單位進(jìn)行負(fù)載的均衡分布。這樣充分利用了鏈路資源，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際意義上的鏈路擴(kuò)容。

（2）多鏈路射頻RTA聚合算法

射頻RTA聚合算法是把數(shù)據(jù)包在邏輯鏈路里進(jìn)行均衡分配，確保每個(gè)數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)包保持正確的序列。每個(gè)流的分配情況取決于當(dāng)時(shí)的鏈路容量水平。

在圖1中，鏈路數(shù)量N最大可以支持到8個(gè)鏈路，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)流時(shí)，RTA聚合算法可以根據(jù)數(shù)據(jù)包到來(lái)的時(shí)間將數(shù)據(jù)包按順序進(jìn)行標(biāo)記并依次分配到8個(gè)鏈路中，在接收端再根據(jù)標(biāo)記將不同鏈路上接收到的數(shù)據(jù)包按順序組合成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)流。這樣就可以把八個(gè)物理鏈路在邏輯上當(dāng)作一條邏輯鏈路使用，從而實(shí)現(xiàn)微波鏈路容量的增加，與傳統(tǒng)的鏈路聚合技術(shù)相比，均衡算法射頻RTA聚合算法技術(shù)不再對(duì)數(shù)據(jù)流有限制。即使是大業(yè)務(wù)量的數(shù)據(jù)流，也可以平均地分配到不同的微波通道上進(jìn)行傳輸。而且，由于是均衡負(fù)載分配，用戶可以隨時(shí)掌握各鏈路的利用率。這大大提高了鏈路聚合技術(shù)的實(shí)用性。

另外，多鏈路引擎能感知流量的QoS要求，以確保服務(wù)等級(jí)協(xié)議（SLA）的有效性。當(dāng)多鏈路的容量發(fā)生變化時(shí)，多鏈路引擎使用整條虛擬鏈路的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息來(lái)調(diào)整整個(gè)邏輯鏈路中的流量分配，從而改善頻譜效率。多鏈路系統(tǒng)不要求有冗余的保護(hù)鏈路來(lái)保護(hù)鏈路容量。相反，多鏈路系統(tǒng)使用鏈路束中活躍鏈路的冗余容量的概念。

當(dāng)使用自適應(yīng)調(diào)制時(shí)，極少情況下，多鏈路束中的可用容量小于需求容量，此時(shí)承諾的高優(yōu)先級(jí)流量被保障傳輸，而最大限度流量則被舍棄，從而實(shí)現(xiàn)了鏈路容量降低時(shí)保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

對(duì)于業(yè)務(wù)保護(hù)，RTA聚合算法同樣可以輕松實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。 當(dāng)一條鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，如果其余鏈路還有冗余，故障鏈路上的數(shù)據(jù)包可以再重新分配到其他鏈路上，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的穩(wěn)定傳輸。在這種情況下，RTA聚合算法可以比起傳統(tǒng)微波的N+1保護(hù)方式提供保護(hù)性能更強(qiáng)的N+N保護(hù)。鏈路可用度成倍增加。

三、煙臺(tái)移動(dòng)跨海微波實(shí)際使用情況

煙臺(tái)移動(dòng)在蓬萊及外島之間部署微波鏈路完成后，單跳設(shè)計(jì)傳輸容量按4Gbps進(jìn)行部署。安裝完畢后，對(duì)鏈路性能和傳輸容量進(jìn)行了測(cè)試：

使用以太網(wǎng)分析儀進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示微波鏈路傳輸容量完全可以達(dá)到4Gbps的設(shè)計(jì)要求。在4096QAM調(diào)試方式下的傳輸中，連續(xù)24小時(shí)零誤碼。

經(jīng)過六個(gè)月的長(zhǎng)期觀察，部署的微波均能保持穩(wěn)定的傳輸，為海島5G站點(diǎn)開通提供了穩(wěn)定的傳輸帶寬。運(yùn)行結(jié)果表明，該方案具有較強(qiáng)的實(shí)用性，針對(duì)長(zhǎng)島特殊地理環(huán)境，維護(hù)受限于船只通航情況，下島處理故障短則1天，遇惡劣天氣，會(huì)出現(xiàn)連續(xù)半月無(wú)船通航的情況。在前期海纜中斷情況下，面臨大量用戶投訴和無(wú)網(wǎng)絡(luò)可用的情況下，只能等待海纜維修以恢復(fù)業(yè)務(wù)。隨著長(zhǎng)島公司業(yè)務(wù)量的發(fā)展，家寬、2G/4G/5G和集客業(yè)務(wù)普及，以及5G-2.6G和700M基站深度覆蓋，業(yè)務(wù)復(fù)雜性和多樣性對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全提出更高要求。實(shí)踐證明，本方案有效解決了這些問題，為整個(gè)長(zhǎng)島居民的業(yè)務(wù)需求提供了強(qiáng)有力的保障。

本方案完成后主要解決以下問題：

1.海纜可用率較低：根據(jù)故障統(tǒng)計(jì)，2017年至2021年8月，長(zhǎng)島多次出現(xiàn)海纜中斷。平均每年中斷15.7次，共計(jì)37天，海纜的可用率為89.8%。本成果解決海纜頻繁中斷對(duì)業(yè)務(wù)的影響。

2.提升網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性：通過此成果，大幅提升了長(zhǎng)島業(yè)務(wù)穩(wěn)定性。相較之前，全部業(yè)務(wù)依托于海纜承載，現(xiàn)在業(yè)務(wù)增加了雙重保護(hù)，有利于提升客戶滿意度。

3.提升惡劣天氣網(wǎng)絡(luò)安全：由于光纜損耗較大，傳輸層面容易產(chǎn)生較多的誤碼，之前出現(xiàn)的問題都需要緊急前往下島處理，受制于惡劣天氣船只通航的問題。而通過本方案，可以通過遠(yuǎn)程關(guān)斷誤碼較大的端口，強(qiáng)制將傳輸切換至微波鏈路，恢復(fù)正常傳輸。待通航后再切換回光纜。

4.性能可視化監(jiān)測(cè)：原先的OMC網(wǎng)管只能監(jiān)測(cè)邏輯線路光功率，無(wú)法準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)微波實(shí)時(shí)性能。本次改造實(shí)現(xiàn)微波網(wǎng)管動(dòng)態(tài)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)分析、參數(shù)緊急調(diào)整等功能。這減少了現(xiàn)場(chǎng)人工處理時(shí)間和提高了響應(yīng)效率。

四、煙臺(tái)移動(dòng)跨海微波方案總結(jié)

該項(xiàng)目方案具有較強(qiáng)的可推廣性和可復(fù)制性。特別是在海島路由受限的情況下，可參考此方案。后期非陸連島以及省內(nèi)外沿海城市，對(duì)業(yè)務(wù)接入可用此方式進(jìn)行業(yè)務(wù)保護(hù)。

微波組網(wǎng)：適用于光纜布放存在困難的山區(qū)、河流、跨海、海上牧場(chǎng)、鉆井平臺(tái)等應(yīng)用場(chǎng)景。隨著傳輸帶寬需求增加，對(duì)10GE微波的需求也增加。本成果主要通過10GE跨海微波方式，經(jīng)過測(cè)試，傳輸帶寬可滿足4Gbps傳輸需求（跨海距離較遠(yuǎn)），短距離傳輸帶寬更大。

環(huán)網(wǎng)保護(hù)：PTN環(huán)網(wǎng)保護(hù)可通過軟件升級(jí)實(shí)現(xiàn)。適用于業(yè)務(wù)要求級(jí)別較高，骨干、匯聚、接入層存在異側(cè)業(yè)務(wù)同路由場(chǎng)景下的保護(hù)?？蓪?shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)分環(huán)網(wǎng)級(jí)別保護(hù)，有效抗兩點(diǎn)斷。

海纜+微波搭建承載平臺(tái)：受限海纜成本，海纜一般租用或共建兩芯作為OTN的載體，可最大限度地?cái)U(kuò)展業(yè)務(wù)帶寬，開通大容量業(yè)務(wù)，節(jié)省投資成本。而微波起到了業(yè)務(wù)保護(hù)的作用，在海纜搶修受阻、周期較長(zhǎng)等因素的影響下，有效保障用戶的正常使用。

作者單位：林曉波 陳曉偉 胡鵬飛 煙臺(tái)移動(dòng)公司網(wǎng)絡(luò)部

郭冰 海軍航空大學(xué)

馮華偉 煙臺(tái)移動(dòng)公司工程建設(shè)中心

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