面向5G的傳送網(wǎng)承載方案研究

王迎春，高軍詩，李勇，陳曉明

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

面向5G的傳送網(wǎng)承載方案研究

王迎春，高軍詩，李勇，陳曉明

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

首先介紹了中國移動TD-LTE回傳網(wǎng)現(xiàn)狀，隨后分析了5G對傳送網(wǎng)的需求，探討了傳輸承載技術(shù)未來的發(fā)展趨勢，最后提出了5G承載傳送網(wǎng)技術(shù)及其組網(wǎng)方案?！娟P(guān)鍵詞】5G 傳送網(wǎng) 組網(wǎng)方案

1 引言

隨著5G技術(shù)的飛速發(fā)展，和TD-LTE相比，5G對承載網(wǎng)絡(luò)的要求已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化，原有的承載技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)不能適應(yīng)5G的承載需求，因此針對即將商用的5G技術(shù)，有必要提前研究應(yīng)對5G的承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和組網(wǎng)應(yīng)用。

2 中國移動TD-LTE回傳網(wǎng)現(xiàn)狀

中國移動TD-LTE的核心網(wǎng)設(shè)備EPC一般集中放置在省會城市，TD-LTE業(yè)務(wù)通過城域傳送網(wǎng)和省干連接至EPC，全網(wǎng)通過PTN進(jìn)行承載。

城域傳送網(wǎng)仍按照核心、匯聚和接入三層架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，其中接入層和匯聚層一般采用環(huán)網(wǎng)架構(gòu)，核心層一般采用口字型組網(wǎng)。城域網(wǎng)內(nèi)部同一廠家設(shè)備采用NNI方式組網(wǎng)，不同廠家間采用UNI方式對接。

在省干層面，每個地市出口業(yè)務(wù)量較大，因此省干一般也采用口字型組網(wǎng)方式。同時為了確保TD-LTE回傳業(yè)務(wù)的安全，省干均設(shè)置了2個節(jié)點，分別部署在兩個不同物理位置機房，采用PTN over OTN方式承載。地市城域PTN與省干PTN節(jié)點間采用UNI對接。

TD-LTE業(yè)務(wù)采用L2+L3組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，接入層和匯聚層采用L2組網(wǎng)，在地市核心層匯聚樞紐節(jié)點配置L2/L3橋接功能，完成業(yè)務(wù)的三層轉(zhuǎn)發(fā)。一些發(fā)達(dá)省份隨著業(yè)務(wù)量的增大，已將L2/L3節(jié)點下沉至匯聚節(jié)點。

TD-LTE回傳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 TD-LTE回傳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

3 5G對傳送網(wǎng)的需求

5G無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋將比TD-LTE更密、更廣、更深，其對承載網(wǎng)的需求也發(fā)生了很大變化，具體體現(xiàn)在：

（1）高容量

5G時代將以用戶體驗為中心，需要隨時隨地為用戶提供100 Mb/s以上的用戶體驗速率，熱點高容量地區(qū)甚至需要提供1 Gb/s用戶體驗速率和單基站幾十Gb/s的峰值速率，相比TD-LTE網(wǎng)絡(luò)容量有1 000倍的提升，這對移動回傳網(wǎng)的容量帶來了很大的挑戰(zhàn)。

（2）低時延

根據(jù)3GPP的定義，高可靠低時延業(yè)務(wù)（URLLC）場景下空口時延低至1 m s，而單向端到端時延為2 ms～5 ms，時延相對TD-LTE降低了一個數(shù)量級。

（3）高可靠性

核心網(wǎng)的云化和池化對承載網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求有所提高，部分業(yè)務(wù)要求幾乎100%的可靠性，這方面相較于TD-LTE有很大的提升。

（4）靈活性高

為滿足業(yè)務(wù)的快速變化需求和適應(yīng)業(yè)務(wù)量的潮汐效應(yīng)，5G承載網(wǎng)需支持靈活轉(zhuǎn)發(fā)，支撐全網(wǎng)資源靈活調(diào)度，其對承載網(wǎng)的靈活性要求顯著增加。

（5）差異化

5G多樣化場景提出了“網(wǎng)絡(luò)切片”的需求，針對具體場景需求進(jìn)行功能剪裁及資源分片，并在其上進(jìn)行各自的業(yè)務(wù)應(yīng)用、業(yè)務(wù)控制，實現(xiàn)面向業(yè)務(wù)場景的按需適配的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從而滿足5G多樣化場景的差異化需求。

（6）結(jié)構(gòu)變化

基站間協(xié)同引入東西向流量，回傳網(wǎng)結(jié)構(gòu)面臨變化。5G無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變，前傳網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)為兩級；基站間的深度協(xié)同將引入東西向流量，其流量帶寬顯著提升，同時對時延提出了1 ms的要求。諸多因素將引起承載網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的改變。

4 新技術(shù)及展望

對于5G承載來說，現(xiàn)有技術(shù)很難同時滿足以上諸多需求，為此需探討新的傳輸承載技術(shù)。

4.1 WDM/OTN

（1）超高速傳輸

持續(xù)提升單通道速率和單纖傳輸總?cè)萘渴枪鈧鬏敿夹g(shù)永恒的目標(biāo)。目前，100G OTN已開始大范圍部署，400G OTN已開啟商用步伐。在未來，一方面深入研究高階調(diào)制等新型編碼方式以實現(xiàn)1T速率的傳輸；另一方面提升光器件性能，改進(jìn)前向糾錯的算法，以實現(xiàn)更長的傳輸距離和傳輸質(zhì)量。

（2）超大容量分組OTN交叉

網(wǎng)絡(luò)流量的激增需要核心站點具備更強大的業(yè)務(wù)調(diào)度能力，目前業(yè)界已經(jīng)實現(xiàn)10T+級別大容量產(chǎn)品的規(guī)模商用，后續(xù)將向更大的容量邁進(jìn)。為實現(xiàn)對業(yè)務(wù)“剛?cè)岵钡某休d，可充分利用OTN的剛性管道和大容量調(diào)度功能。

（3）光電芯片/器件/模塊

提升設(shè)備能耗與集成度是設(shè)備發(fā)展的一個重要方向。近期主要通過自研光模塊和系統(tǒng)級的設(shè)計與優(yōu)化提升集成度降低單位比特的能耗，遠(yuǎn)期將研發(fā)高集成度光/電芯片，大幅提升系統(tǒng)的集成度并降低能耗。

4.2 PTN

PTN是目前承載分組業(yè)務(wù)的一種主要技術(shù)，其發(fā)展方向主要有：

（1）POTN：集成了分組傳送和光傳送的特征，即可實現(xiàn)分組的統(tǒng)計復(fù)用特性又可實現(xiàn)光層大帶寬硬管道特性；可實現(xiàn)對分組和光分別處理，也可相互轉(zhuǎn)換，以完成整網(wǎng)端到端的統(tǒng)一配置、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一運維。

（2）FlexE技術(shù)：通過將變長包轉(zhuǎn)化為定長塊，完成100GE物理通道的綁定組合和拆分，實現(xiàn)軟管道的“硬分離”，滿足網(wǎng)絡(luò)切片需求。但目前的FlexE技術(shù)仍是一種接口技術(shù)，未來若廣泛應(yīng)用于分組傳送網(wǎng)中，需要支持網(wǎng)絡(luò)層的相應(yīng)功能：如通道的OAM、時隙交叉等，但目前關(guān)于網(wǎng)絡(luò)層的標(biāo)準(zhǔn)仍未制定，商用情況不明朗。

（3）超100G接口技術(shù)：目前的技術(shù)可支持到200 G/400 G，但傳輸距離有限，不能滿足80 km的組網(wǎng)需求。200 GE可以和100 GE共產(chǎn)業(yè)鏈，400 GE依賴50 G光器件產(chǎn)業(yè)鏈突破。

（4）50G接口技術(shù)：目前25 G是光器件最高速率，50 GE是10 GE/25 GE速率向上的一個自然延伸，目前標(biāo)準(zhǔn)尚未完善，是未來接口技術(shù)的趨勢之一。

4.3 PON

5G前傳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和PON類似，目前移動主要采用GPON，同時部署了少量的10G PON，但其兩種技術(shù)均不能滿足5G前傳帶寬需求。相對應(yīng)的WDM-PON可能存在一定機會，但其技術(shù)成熟和標(biāo)準(zhǔn)化仍有一定距離，無法預(yù)期其商用化時間。

4.4 SDN

SDN（Software Defined Network）通過將網(wǎng)絡(luò)的控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由的集中計算和開放網(wǎng)絡(luò)資源，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能調(diào)度以及網(wǎng)絡(luò)能力的開放和可編程，滿足業(yè)務(wù)快速部署需求和網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新，滿足5G體驗型網(wǎng)絡(luò)需求。目前在PTN上已有少量現(xiàn)網(wǎng)在進(jìn)行試點，OTN剛開始啟動研究。

5 5G承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及組網(wǎng)方案

5G前傳部分重構(gòu)為RRU、DU和CU三部分，將TD-LTE時代前傳+回傳的架構(gòu)調(diào)整為：

（1）RRU-DU：定義為前傳，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為星狀連接，目前暫時確定為N×25G帶寬需求，單點失效對業(yè)務(wù)影響較小。

（2）DU-CU：為新增段落，定義為中傳，其單節(jié)點速率在幾百兆至G級別，單點失效影響一定的業(yè)務(wù)量，可靠性要求較高。

（3）CU-核心網(wǎng)CN：即原來的回傳網(wǎng)絡(luò)，帶寬要求相比TD-LTE有極大提升，可靠性要求最高。

其中，中傳和回傳對承載網(wǎng)的需求類似，本文將解決方案統(tǒng)一為前傳（RRU-DU）和回傳（包括DU-CU和CU-核心網(wǎng)段）兩部分。

5.1 前傳

5G前傳速率的提升為傳輸承載網(wǎng)絡(luò)帶來了挑戰(zhàn)，其組網(wǎng)模式適宜采用點到多點的星狀組網(wǎng)，具體來說有下面幾種解決方案。

（1）光纖直驅(qū)。在DU與每個RRU的端口間全部采用光纖直連，點到點組網(wǎng)，可實現(xiàn)快速低成本的部署，但光纖資源消耗大，DU側(cè)光纖管理要求高，適用于光纖資源豐富和DU小規(guī)模集中場景。也可以通過RRU級聯(lián)來減少光纖資源的消耗，即在無線側(cè)設(shè)備通過前傳信號自身可完成光纖直驅(qū)線路的保護(hù)、OAM和網(wǎng)絡(luò)管理。這種方案最大的特點是部署成本比較低，但受限于末端光纖資源。未來，5G網(wǎng)絡(luò)采用超密集組網(wǎng)，接入的基站數(shù)倍增加，光纖直驅(qū)方案會遇到光纖資源不足的挑戰(zhàn)。

（2）WDM方案。采用無源合分波+彩光直驅(qū)方案，DU和RRU上的光模塊分別采用帶波長的彩光模塊，在DU池配置光合分波器OMD，RRU節(jié)點配置光分插復(fù)用器OAD，該方式可大幅節(jié)約光纖資源的消耗，但需考慮傳輸距離和波長分配的問題。

（3）OTN方案。RRU和DU提供白光接口，通過OTN承載前傳業(yè)務(wù)?？刹捎铆h(huán)形、樹形和MESH型等多種方式組織網(wǎng)絡(luò)。其方案具有組網(wǎng)靈活、可管可維性強、安全可靠性高等特點，但也帶來了成本的增加，部署地點條件要求高等問題，需要研發(fā)新型設(shè)備形態(tài)來滿足5G前傳需求。

（4）WDM PON技術(shù)。WDM PON提供了豐富的帶寬、時延小并且安全性好，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)適配性強，但目前業(yè)界WDM-PON尚缺成熟的商用技術(shù)，器件成本高，大規(guī)模應(yīng)用需要降低系統(tǒng)成本和無色ONU技術(shù)。

以上方案各有其優(yōu)缺點：

（1）從滿足前傳的需求方面看：光纖直驅(qū)、WDM、OTN、WDM-PON方案適合于前傳Option6～7的劃分場景；另外，以上方案均能滿足前傳的時延要求，由于方案不同，時延會稍有差異，但總體上來說都在一個數(shù)量級。

（2）從組網(wǎng)靈活性上來看，光纖直驅(qū)、WDMPON方案適合點到多點組網(wǎng)、鏈型組網(wǎng)，而WDM、OTN方案適合點到點組網(wǎng)、鏈型組網(wǎng)和環(huán)型組網(wǎng)等多種組網(wǎng)方式，同時還支持單纖雙向和雙纖雙向等多種傳輸方式，也可實現(xiàn)線路側(cè)1+1保護(hù)，提高了業(yè)務(wù)的安全性。

（3）從光纖資源消耗上來看，直驅(qū)光纖消耗資源最多，WDM-PON其次、WDM和OTN最少。但對于規(guī)模部署了FTTH的區(qū)域，合理利用現(xiàn)網(wǎng)的資源加以改造，WDM-PON也是一個很好的選擇。而對規(guī)模部署了CRAN的區(qū)域來說，結(jié)合當(dāng)前的CRAN方案開展5G前傳的規(guī)劃則是更加明智的選擇。

（4）從前傳網(wǎng)絡(luò)管理上看，直驅(qū)光纖和WDM方案的前傳管理只能依賴RRU和DU單元本身，相關(guān)的故障檢測也只能依賴于RRU和DU有限的監(jiān)控管理字段，其它幾種方案在網(wǎng)絡(luò)管理方面的能力則較強。

總之，以上方案需結(jié)合實際網(wǎng)絡(luò)情況、技術(shù)發(fā)展和設(shè)備商用化情況等來選擇合適的方案。

5.2 回傳

為應(yīng)對5G回傳傳輸壓力，可從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、技術(shù)融合、設(shè)備形態(tài)等方面進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

（1）分組+光融合的設(shè)備形態(tài)。一方面，5G對超大帶寬、超低時延提出了要求，另一方面，更為突出的潮汐效應(yīng)與東西向流量承載，亟需統(tǒng)計復(fù)用、靈活路由等分組技術(shù)。尤其在接入層，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量多，因此成為運營商的投資重點，分組與光的深度融合成為降低建網(wǎng)成本的關(guān)鍵，既滿足大帶寬、低時延（轉(zhuǎn)發(fā)層面僅做光層處理減少傳輸時延），也降低了機房空間占用和功耗。

（2）降低時延。影響時延的因素主要有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)路徑和設(shè)備處理。第一，可通過減少轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)量，可以有效降低整體網(wǎng)絡(luò)時延，因此可通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，減少網(wǎng)絡(luò)層次和節(jié)點數(shù)量，達(dá)到降低時延的目的。第二，選擇短距離的傳輸路徑，并將時延敏感業(yè)務(wù)的核心網(wǎng)元下沉，以減少業(yè)務(wù)傳輸距離，降低業(yè)務(wù)時延。第三，在設(shè)備層面，可引入設(shè)備級超低時延轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)來降低時延。

（3）L3下沉。站間協(xié)同和核心節(jié)點下沉均導(dǎo)致傳輸節(jié)點橫向流量增加，基站通信模式從點到點變成點到多點，相應(yīng)地要求承載網(wǎng)L3下沉，則PTN的L3域增大，采用傳統(tǒng)的PTN靜態(tài)三層方式將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)配置和管理的復(fù)雜化，該問題可通過SDN來解決，通過SDN控制器高效快捷地實現(xiàn)三層的配置和維護(hù)管理。

（4）滿足網(wǎng)絡(luò)切片的需求。網(wǎng)絡(luò)切片可通過信道化接口或FlexE接口技術(shù)實現(xiàn)，但FlexE技術(shù)尚未商用化，短期內(nèi)無法部署。信道化接口的POTN技術(shù)相對成熟，但其技術(shù)復(fù)雜，配置和維護(hù)管理困難，仍需謹(jǐn)慎使用。

綜上，可通過以下方案來滿足未來5G的承載需求：

（1）設(shè)備形態(tài)：接入層采用分組+光融合一體設(shè)備，匯聚層和核心層沿用現(xiàn)有分組網(wǎng)絡(luò)與光網(wǎng)絡(luò)雙平面組網(wǎng)架構(gòu)。業(yè)務(wù)流量經(jīng)過接入傳輸設(shè)備時，僅對需要接入或落地的業(yè)務(wù)波長進(jìn)行電層處理，其它業(yè)務(wù)波長直接在光層穿通，實現(xiàn)業(yè)務(wù)一跳直達(dá)，可在滿足大容量需求的同時，有效降低傳輸時延。

（2）業(yè)務(wù)配置優(yōu)先級。對于低時延業(yè)務(wù)，在配置承載轉(zhuǎn)發(fā)路徑時可以采用低時延選路策略，優(yōu)選最小轉(zhuǎn)發(fā)時延路徑來承載低時延業(yè)務(wù)，每一段光纖的時延可以通過發(fā)送檢測報文預(yù)先測量得知以供最小時延路徑的選路策略使用。

（3）充分利用光網(wǎng)絡(luò)硬管道特性，滿足隔離不同業(yè)務(wù)QoS等級要求。通過不同波長實現(xiàn)針對多種業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片，如移動增強寬帶eMBB、超低時延可靠業(yè)務(wù)uRLLC和海量物聯(lián)網(wǎng)mMTC等。

（4）部署SDN控制器和編排器。實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)端到端的協(xié)同和配置，協(xié)同多個系統(tǒng)和平面，包括拓?fù)渥詣影l(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)自動建立、帶寬動態(tài)調(diào)整、跨域協(xié)同，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一維護(hù)和管理等。

但目前融合光的分組設(shè)備和SDN技術(shù)尚未成熟，離現(xiàn)網(wǎng)部署仍有一定距離，近期可通過提升系統(tǒng)帶寬和采用OTN+PTN方式滿足帶寬和切片需求，未來再根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展，適時引入以上技術(shù)。

6 結(jié)束語

5G時代是一個萬物互聯(lián)的時代，也是一個變革的時代，將給承載傳送網(wǎng)帶來巨大的挑戰(zhàn)，也是更新?lián)Q代的機遇，面向5G傳送網(wǎng)的技術(shù)、產(chǎn)品形態(tài)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將會發(fā)生大的變革，其網(wǎng)絡(luò)建設(shè)思路和規(guī)劃運維方式也面臨著突破與創(chuàng)新，但相信通過業(yè)界多方面的努力，5G的美好愿景一定能早日實現(xiàn)。

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Research on 5G Transport Network Bearing Solution

WANG Yingchun, GAO Junshi, LI Yong, CHEN Xiaoming
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

The status of TD-LTE backhaul networks of China Mobile was introduced firstly. Then, the requirements of 5G for backhaul networks were addressed and the future development trend of transport and bearing technology was discussed. Finally, 5G bearing transport network technology and the networking solution were discussed.

5G transport network networking solution

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.20.014

TN913.7

A

1006-1010(2017)20-0080-05

王迎春,高軍詩,李勇,等. 面向5G的傳送網(wǎng)承載方案研究[J]. 移動通信, 2017,41(20)： 80-84.

2017-06-28

責(zé)任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

王迎春：教授級高級工程師，畢業(yè)于南京郵電學(xué)院，中國移動通信集團設(shè)計院有限公司有線所資深專家，主要從事有線傳輸專業(yè)方面的技術(shù)研究、規(guī)劃設(shè)計等方面的工作，目前主要負(fù)責(zé)城域傳送網(wǎng)方面的技術(shù)方案研究、建設(shè)指導(dǎo)意見編制和相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)制定等工作。

高軍詩：教授級高級工程師，碩士畢業(yè)于郵電大學(xué)，現(xiàn)任中國移動通信集團設(shè)計院有限公司有線所副所長，主導(dǎo)過多個城域光傳送網(wǎng)、國內(nèi)干線光傳送網(wǎng)以及國際海底光纜網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計，發(fā)表傳輸技術(shù)文章多篇。

李勇：教授級高級工程師，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，中國移動通信集團設(shè)計院有限公司有線所咨詢設(shè)計總監(jiān)。主要從事有線傳輸專業(yè)方面的規(guī)劃設(shè)計工作，目前主要負(fù)責(zé)省內(nèi)干線、城域傳送網(wǎng)方面的規(guī)劃設(shè)計工作。

陳曉明：教授級高級工程師，畢業(yè)于南京郵電大學(xué)，中國移動通信集團設(shè)計院有限公司有線所高級專家，多年來主要從事國際、省際干線傳送網(wǎng)、LTE傳輸網(wǎng)的規(guī)劃和設(shè)計工作，承擔(dān)過中國移動國際和省際傳送網(wǎng)、LTE網(wǎng)絡(luò)等重大項目的工程建設(shè)咨詢工作，負(fù)責(zé)中國移動LTE傳輸網(wǎng)的建設(shè)指導(dǎo)意見等的編寫工作。