基于STN的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方法研究

李 鍇，岳磊磊

（中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

4G移動技術(shù)的引入，提高了圖像、信息的傳輸速度，深刻地改變了人們的生活方式，在此基礎(chǔ)上5G新技術(shù)的出現(xiàn)，帶來更大的寬帶、以及更低的時延，而正是由于5G新技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，對于承載網(wǎng)絡(luò)的指標(biāo)要求也隨之增加，部分運(yùn)營商通過同步傳輸網(wǎng)絡(luò)（Synchronous Transmission Network，STN）技術(shù)進(jìn)行承載網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，但是基于STN的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方法目前還有欠缺，因此通過對STN組網(wǎng)的架構(gòu)、流量測算、共享策略、前傳方案以及提高靈活性的方式進(jìn)行研究，可為利用STN建網(wǎng)提供一定的幫助。

1 STN建網(wǎng)模型探索

基于STN的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)應(yīng)根據(jù)不同的建網(wǎng)時段、業(yè)務(wù)特點(diǎn)，對STN架構(gòu)進(jìn)行演進(jìn)、并結(jié)合流量測算、共建共享的方式，并結(jié)合新技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與組建。

1.1 STN架構(gòu)演進(jìn)模型

目前5G的承載網(wǎng)以無線接入網(wǎng)IP化（IP Radio Access Network，IPRAN）為主，在此基礎(chǔ)上向STN轉(zhuǎn)變時，應(yīng)充分明確5G承載網(wǎng)不同時段的發(fā)展方向、匹配5G的特點(diǎn)，按照需要逐步升級、引入STN設(shè)備，提高對網(wǎng)絡(luò)流量的疏導(dǎo)，并利用新技術(shù)提升服務(wù)能力，不同時段的5G建設(shè)特點(diǎn)不同，在5G建網(wǎng)前期，4G普及的時代傳統(tǒng)使用的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式是以寬帶為主[1]。而在5G提出后，增強(qiáng)型移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）概念也隨之提出和使用，因此在5G的建設(shè)初期以及中期承載網(wǎng)絡(luò)的作用主要是滿足eMBB的使用[2]。在5G建設(shè)的組網(wǎng)過程中，接入層根據(jù)使用頻次等因素會分為熱點(diǎn)區(qū)域接入場景、郊區(qū)接入場景，隨著場景的接入構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，初期和中期的主要區(qū)別為eMBB商用程度的不同，隨著商用程度的提高，環(huán)網(wǎng)速率也在提高。在初期環(huán)網(wǎng)速率50 GE主要集中熱點(diǎn)區(qū)域，郊區(qū)區(qū)域場景而以10 GE為主，而在中期則提高郊區(qū)區(qū)域場景的環(huán)網(wǎng)速率，使其達(dá)到50 GE。隨著初期向著中期發(fā)展，流量也發(fā)生增長，進(jìn)而會導(dǎo)致鏈路的變化，在初期1×100 GE的鏈路集中在熱點(diǎn)區(qū)域的匯聚層設(shè)備連接中，郊區(qū)場景則以N×10 GE的鏈路為主，到達(dá)中期后熱點(diǎn)區(qū)域鏈路則引入為200GE端口、郊區(qū)場景升級為100GE端口[3]。在建網(wǎng)初期、中期主要以核心層以下即接入層、匯聚層的建設(shè)、升級為主，而在5G建網(wǎng)后期，隨著新興技術(shù)的大規(guī)模商用，大連接物聯(lián)網(wǎng)和低延時高可靠通信推動全網(wǎng)流量的增長，該時期的主要變化為核心層的升級，具體變現(xiàn)為升級接口的容量、應(yīng)用靈活以太網(wǎng)（Flexible Ethernet，F(xiàn)lexE）、分段路由（Segment Routing，SR）等。

1.2 流量測算模型

流量測算的原則是保證初期的使用且不產(chǎn)生浪費(fèi)，且滿足中長期的使用拓展。因此，STN承載網(wǎng)絡(luò)流量測算應(yīng)以基站的實(shí)際業(yè)務(wù)流量為依據(jù)，充分考慮用戶數(shù)量、不同業(yè)務(wù)用戶的并發(fā)比以及單用戶的業(yè)務(wù)寬帶，基于進(jìn)行分析預(yù)測，取基站的上、下行流量較大值作為規(guī)劃建設(shè)的基礎(chǔ)。基站上行均值流量的計(jì)算公式為

基站下行均值流量與上行均值流量類似，計(jì)算公式為

在5G建設(shè)的初期對于5G的流量預(yù)測，應(yīng)結(jié)合業(yè)務(wù)發(fā)展等因素預(yù)測5G的實(shí)際峰值與均值流量的比。實(shí)際峰值流量可根據(jù)4G基站的峰值計(jì)算，或者根據(jù)4G基站的理論值進(jìn)行評估?；镜膶?shí)際均值流量，可根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)4G實(shí)際流量進(jìn)行預(yù)測，為保證預(yù)測的結(jié)果，現(xiàn)網(wǎng)4G實(shí)際流量應(yīng)取忙時的均值流量。根據(jù)5G網(wǎng)的層級結(jié)構(gòu)不同，各層級的5G均值流量測算方式為

1.3 共建共享組網(wǎng)模型

運(yùn)營商一同建造共享的5G網(wǎng)絡(luò)，可利于運(yùn)營商之間網(wǎng)絡(luò)資源的共享，通過資源的共享，可減少投資、建設(shè)、運(yùn)維的成本，并且有利于提高5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋程度，根據(jù)階段的不同，以STN作為5G承載的組網(wǎng)模式略有不同，在非獨(dú)立組網(wǎng)（Non-Stand Alone，NSA）階段，即4G基站與5G基站在無線端共存的組網(wǎng)架構(gòu)階段，STN組網(wǎng)時共享方僅需建設(shè)城域ER，實(shí)現(xiàn)域ER層面上的流量互聯(lián)、互通，進(jìn)而使基站在STN接入環(huán)上實(shí)現(xiàn)寬帶共享、流量匯聚[4]。而核心層則通過FlexE技術(shù)完成承載，進(jìn)而在承建方與共享方的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)營商間的業(yè)務(wù)和寬帶隔離以及流量統(tǒng)計(jì)。而在獨(dú)立組網(wǎng)（Stand Alone，NSA）階段，即無線段采用5G基站，且核心網(wǎng)的組網(wǎng)構(gòu)架采用5G核心網(wǎng)的構(gòu)架階段，要保持NSA階段城域ER互通對接的模式上，將移動邊緣計(jì)算（Multi-Access Edge Computing，MEC）即在網(wǎng)絡(luò)邊緣提供云計(jì)算、IT服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下沉到本地的匯集機(jī)房[5]。而對MEC的建設(shè)，根據(jù)MEC的部署方式可分為3種方式。第1種方式由MEC接入的承接建設(shè)方進(jìn)行B設(shè)備的建設(shè)，而共享方不參與B設(shè)備的建設(shè)，此時MEC的部署位置可根據(jù)承建方與共享方共同商量的結(jié)果，建至承建方或者共享方的機(jī)房中即可。第2種方式為在明確MEC需求區(qū)域的基礎(chǔ)上，由共享方按照需求建設(shè)B設(shè)備對，此時MEC接入承建、共享雙方的B設(shè)備對中，此時MEC可布置在共享方的機(jī)房中。第3種方式為在明確MEC需求區(qū)域的基礎(chǔ)上，由共享方按照需求建設(shè)B設(shè)備對，此時MEC僅接入共享方的B設(shè)備對中，承建方B設(shè)備與共享方的B設(shè)備進(jìn)行連接，連接時采用就近口字形連接，此時MEC布置在共享方的機(jī)房。而在NA階段之后低時延階段隨之到來，相較于4G業(yè)務(wù)，5G業(yè)務(wù)最明顯的性能體現(xiàn)在超低時延，因此對現(xiàn)網(wǎng)時延的研究，有利于應(yīng)用5G技術(shù)打造低時延承載網(wǎng)絡(luò)，4G承載網(wǎng)低時延分析如表1所示。

表1 典型4G時延分析

由表1可知，光纖時延因素占比過大，是主要的技術(shù)瓶頸，其次為設(shè)備時延，因此實(shí)現(xiàn)5G業(yè)務(wù)的超低時延最有效的措施是通過MEC下沉到本地網(wǎng)減少光纖的距離，進(jìn)而降低光纖距離時延。

1.4 基于FlexE技術(shù)的STN承載網(wǎng)架構(gòu)

FlexE技術(shù)即靈活以太通道技術(shù)，在STN承載網(wǎng)架構(gòu)中，通過切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不同F(xiàn)lexE Client之間接口級別的物理硬切分以及使其互相隔離，從而與路由器中的數(shù)據(jù)面轉(zhuǎn)發(fā)、流量的管理以及調(diào)度相結(jié)合，進(jìn)而構(gòu)建滿足5G超低時延的要求。通過將1個物理以太網(wǎng)端口劃分為多個通道形成子通道，并在子通道內(nèi)利用網(wǎng)際互連協(xié)議/多協(xié)議標(biāo)簽交換（Internet Protocol/Multi-Protocol Label Switching，IP/MPLS） 技術(shù)形成流量管制，在報(bào)文調(diào)度上采用層次化服務(wù)質(zhì)量（Hierarchical Quality of Service，HQoS）技術(shù)，可以先消除在傳輸時引起的報(bào)文抖動，解決區(qū)分服務(wù)模型下的多用戶、多業(yè)務(wù)帶寬保證問題，精細(xì)化劃分業(yè)務(wù)和用戶的流量，并在此基礎(chǔ)上通過解決隊(duì)列緩存時延和調(diào)度響應(yīng)時延，從而達(dá)到5G網(wǎng)絡(luò)端到端的低時延的效果。

2 STN 前傳模型分析

2.1 方式對比

在無線網(wǎng)絡(luò)功能建設(shè)中，根據(jù)射頻收發(fā)模塊（Raio Remote Unit，RRU）、基帶處理模塊（Building Baseband Unit，BBU）在物理上布局的不同，可分為CRAN、DRAN、Cloud RAN等方式，現(xiàn)網(wǎng)5G采用CRAN方式，即對BBU集中部署，集中部署的數(shù)量在30個以上，則有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）與BBU通過裸纖承載時，會較大程度地占用主干光纜以及接入光纜，因此應(yīng)根據(jù)使用的場景有計(jì)劃地選擇前傳方式。目前，可供選擇的前傳方式為光纖直連方案以及無源波分復(fù)用技術(shù)（Wavelength Division Multiplexing，WDM），光纖直連方案中又可分為單纖雙向直連方案、雙纖雙向直連方案[6]。

基于單站進(jìn)行對比，現(xiàn)網(wǎng)單5G基站在帶寬為100M時，扇區(qū)需要1路25 GE的通用公共接口，因此，對于單纖雙向的方案來說需要3根光纖，纖芯占用情況為3芯，對于雙纖雙向的方案需要6根光纖，而對于無源WDM方案則僅需占用1芯的纖芯，無源WDM方案對于光纖數(shù)量的依賴性較小。在后期的維護(hù)上，無論是單纖雙向還是雙纖雙向的光纖直連方案，對比無源WDM方案均較為便利，雖然2者均可利用無線網(wǎng)管實(shí)現(xiàn)告警的監(jiān)控，但是采用無源WDM方案時備件的種類、數(shù)量較多，會導(dǎo)致產(chǎn)生故障的點(diǎn)位增多，并且由于備件、單元較多，其方案的維護(hù)界面不清晰，也是導(dǎo)致便利性較差的原因?；诋a(chǎn)業(yè)成熟程度來考慮，光線直連中的雙向單纖、雙向雙纖產(chǎn)業(yè)較為成熟可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，而無源WDM方案中僅6波波分復(fù)用較為成熟可量產(chǎn)，但是無源WDM方案的開通周期較短，可實(shí)現(xiàn)快速開通，而光纖直連方案受到光纜資源的影響較大。

2.2 造價(jià)分析

在對前傳方案進(jìn)行造價(jià)分析時，應(yīng)結(jié)合各設(shè)備的費(fèi)用以及各方案的光纜造價(jià)綜合考慮，因此前傳造價(jià)的計(jì)算方式為

式中：E總為前傳方案的總造價(jià)；E設(shè)備為前傳方案的設(shè)備造價(jià)，在光纖直連方案中主要為光模塊的造價(jià)，在無源WDM方案中主要是無源WDM設(shè)備的造價(jià)；E光纜為方案使用的光纜造價(jià)，主要為主干光纜、接入光纜的纖芯造價(jià)。

為實(shí)現(xiàn)對于3種前傳方案造價(jià)的對比，收集了部分運(yùn)營商集中采集時設(shè)備的招標(biāo)單價(jià)以及運(yùn)營商的光纜平均造價(jià)，在單站情況下，單位造價(jià)如表2所示。

表2 單位造價(jià)情況表

根據(jù)2.1節(jié)及表2可知，不同方案的單位造價(jià)計(jì)算方式為

式中：x為主干光纜的距離；y為接入光纜的距離。

在光纜的敷設(shè)中，接入光纜為主干光纜分支處的光纜，一般控制距離在1 km以內(nèi)。當(dāng)應(yīng)用3種方案時，接入光纜的距離≥1 km，此時接入光纜的距離取1 km 3 種方案的造價(jià)情況為

此時，經(jīng)對比可知，當(dāng)主干光纜的長度大于0.14 km時，無源WDM的方案造價(jià)低于其他2種，而在實(shí)際建設(shè)中主干光纜的距離一般要超過0.14 km。當(dāng)主干光纜的距離越大，無源WDM方案造價(jià)的優(yōu)勢越明顯，因此當(dāng)接入光纜在1 km以上時，可選用無源WDM方案。

為探究接入光纜距離小于1 km時，3種方案造價(jià)的優(yōu)勢情況，將接入光纜的距離情境分為0.3 km、0.5 km、0.7 km進(jìn)行對比，3種情境下，3種方案的造價(jià)情況如圖1所示。

圖1 不同接入線纜情境下工程造價(jià)對比圖

由圖1（a）可知，光纖直線的方式由于其設(shè)備的造價(jià)較低，在短距離傳輸中，投入的主干光纜距離較短，在造價(jià)方面具有較高的優(yōu)勢，當(dāng)其主干光纜距離的增加，造價(jià)也隨之增加，對比圖1（a）、圖1（ b）可知，當(dāng)接入光纜的距離增加時，3種方案的造價(jià)變化較為明顯，當(dāng)接入光纜為0.3 km時，主干光纜距離小于1 km時，光纖直連更加造價(jià)優(yōu)勢，而當(dāng)接入光纜提升至0.5 km，光纖直連造價(jià)優(yōu)勢包含的主干光纜距離逐漸減少，結(jié)合圖1（c）可知，當(dāng)提升至0.7 km，采用光纖直連的主干光纜造價(jià)優(yōu)勢距離進(jìn)一步被壓縮，且隨著距離的增大，光纖直線的造價(jià)逐漸增大，且明顯高于無源WDM方案。因此，在AAU-BBU連接時，當(dāng)其連接距離較短，且光纜資源相對豐富時，選用光纖直連的方式成本較低。

綜上，在選擇前傳方案時，應(yīng)根據(jù)AAU-BBU的連接距離進(jìn)行選擇，當(dāng)距離較短時，使用光纖直連的方案具有一定的成本優(yōu)勢，當(dāng)距離較長時，尤其在接入光纜長度大于1 km時，選用無源WDM方案更加具有成本上的優(yōu)勢，能夠降低工程造價(jià)的成本。

3 結(jié) 論

綜上所述，通過對STN組網(wǎng)建設(shè)的多方面進(jìn)行分析與研究，可以深化技術(shù)的應(yīng)用程度以及完善產(chǎn)業(yè)鏈，為相關(guān)技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用提供引導(dǎo)，促使STN技術(shù)發(fā)展，而隨著STN技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，也會提高5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的成熟和完善，進(jìn)而增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全性以及部署、維護(hù)的便利性。