面向5G发展的城域传输PTN网络演进探讨

汤进凯　徐昕

摘要：为了分析移动通信在未来几年向5G演进过程对传输尤其是PTN网络的影响，基于无线网向5G发展将产生三种典型应用以及技术发展的特征，探讨了5G发展对传输网络的关键需求：超高带宽需求、低时延需求、网络切片需求和东西向流量需求。基于以上需求，考虑未来面向5G的城域传输PTN网络会逐步向三层下移，架构向大容量、扁平化和灵活组网的方向发展，并且在实验室测试5G吞吐量的基础上，通过建立模型对城域传输网内带宽进行了测算，提出了城域传输网核心层、汇聚层、接入层的演进方向和技术特征。

关键词：分组传送网 软件定义网络 三层网络 超高带宽需求 低时延需求 网络切片需求 东西向流量需求

1 引言

随着移动通信从技术到带宽都呈现愈来愈快的发展趋势，站在5G愈发临近的时代，对通信网络尤其是传输网络如何演进发展的讨论逐步成为技术热点。本文希望通过分析5G的典型应用场景和对传输网络的关键需求，探讨城域传输PTN网络的发展方向，通过模型测算分析网络不同层面的网络特征与演进，而这些分析的基础则是探讨5G到底有哪些技术特征和应用场景。

2 5G演进发展的应用场景与技术特点

移动通信从GSM到3G、从3G到4G的网络发展有逐步加快的趋势，其服务对象和内涵也越来越广泛，2G/3G/4G主要服务于通信，5G则不仅是下一代移动通信网络基础设施或者技术的升级换代，而是未来数字世界的驱动平台，是物联网发展的基础设施，将真正创建一个全联接的世界。5G显著的网络能力将使其成为一个强大的平台，进而催生出内容广泛的新应用、新商业模式，甚至新的产业，5G将成为很多颠覆式创新的使能技术。

2.1 5G的典型应用场景

5G技术的应用将带来非常丰富、真实的沟通与体验，成为诸多应用的智能连接。参照目前的研究，可以从速率、时延、联接三个维度对场景进行界定，甄选和日常工作生活紧密相关的场景来进行归纳，比如海量联接的物联网、垂直产业场景（汽车、医疗、工业自动化机器人）、终端用户的自组网、自动驾驶、超高清视频、虚拟现实、医疗保健、智能家居、全联接的智能传感器等。5G的三类典型应用场景如图1所示：

基于速率、时延、联接三个维度，明确出三种典型的应用场景，即：

◆eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增强型移动宽带）应用场景：如随时随地高清视频直播和分享、虚拟现实、随时随地云存取、高速移动上网（高铁）、人工智能等；

◆mMTC（massive Machine Type Communication，大规模机器通信）应用场景：如智能抄表、车联网、自动停车、智能交通、智能制造、智能物流、资产管理等；

◆uRLLC（ultra Reliable & Low Latency Communication，高可靠低时延通信）应用场景：如自动驾驶汽车、远程机械作业控制、工业互联等。

2.2 5G发展的几大关键技术

5G发展的三大关键技术分别为：新切片网络架构、新统一空口和全频谱。

（1）新切片网络架构是指面对成百上千的行业，对物理网络通过网络切片实现每个商业网络之间的隔离。

eMBB、uRLLC和mMTC不同应用场景对网络要求差异明显。例如，不同的应用场景对网络节点访问、资源使用、速率、频谱效率、移动性、时延、联接密度、峰值速率、流量分布、QoS等要求都不一样，为了更好地支持不同的应用，相关标准组织建议5G网络支持网络切片，使网络逻辑化，逻辑上可以分成若干分立的虚拟网络，这些分立网络可以拥有自己独立的网络资源，管理、控制、转发都可以相应的分立。

（2）新统一空口指通过统一的空口技术，满足不同的商用应用需求，如图2所示：

（3）全频谱是指5G网络频谱既有低频又有高频，目前5G网络频谱以6 GHz以下低频为主，高频为辅。6 GHz以下，WRC-15分配了C波段3.3 GHz—3.8 GHz 500 MHz的频谱资源，主要面向联接性、覆盖、移动性、基础容量。6 GHz以上，提供更高速率，主要在厘米波（10 GHz—30 GHz）和毫米波（30 GHz—100 GHz），將在WRC-19讨论分配使用。5G频谱划分的情况如图3所示：

3 5G发展对传输网络的关键需求

3.1 超高带宽需求

带宽是5G网络最重要的需求，按照相关组织的标准定义，6 GHz以下的频谱将会有500 MHz带宽（不同区域可用范围有所区别，可以保证所有区域有200 MHz带宽可用，即3400 MHz—3600 MHz）。6 GHz以上，则频谱资源更丰富，可获得的频谱资源将高达45 GHz。目前实验室测试高频基站吞吐量达到115 Gbps。因此，对传输网来说，对更大带宽的支持显得较为迫切。当然，在2018年前，可获得的频谱在6 GHz以下频段。

目前部分实验室测试宣布的吞吐量和单基站上行带宽预算参见表1、表2：

据此推算，100 MHz频谱、64T64R、三小区S1接口上行带宽预估为平均值3 Gbps，峰值10 Gbps；X2/eX2接口带宽预估为600 Mbps。

3.2 低时延需求

5G典型应用场景中有一类为高可靠低时延通信（uRLLC）应用场景，部分应用对低时延的要求越来越高。对于S1接口单向时延大约10 ms，分解到传输网的时延不超过2 ms，X2/ex2接口单向时延大约为20 ms，分解到传输网的时延不超过4 ms。

3.3 网络切片的需求

与新切片网络架构的介绍类似，网络切片其实是基于5G网络应用商业模式而导出的一个需求，设想是，不同的商业应用因为使用了不同的网络节点和资源，可能会在不同的商业机构进行维护和使用，而这些都基于同一个物理网络，因此需要运营商的基础网络具有网络切片的能力。网络切片能力要求包含如下：

转发切片：物理转发层面，对不同的应用网络支持使用不同的转发机制和转发资源，相互之间完全隔离，互不影响。对各自的商业应用来说，转发互不可见。

管理切片：因为不同的应用可能是由不同的商业运营者在操作和维护，因此，在管理上需要实现分片，各自管理自己的网络和业务。

控制切片：基于不同的商业模式，例如虚拟运营商，需要控制他所租用的这一部分网络，基于这一分片网络进行运营和维护。此外，转发切片和管理切片后，一个潜在的可能需求就是控制切片。

网络切片需要网络设备硬件和软件平台的支持，将与SDN（Software Defined Networking，软件定义网络）结合紧密。

3.4 东西向流量的需求

由于在5G阶段将采用超密集组网，5G的站间协同比4G更为密切，站间流量不能再如同4G X2流量一样被忽略，而是与S1流量具有可比性。无论是基于站间流量的传输时延考虑，还是基于站间流量的带宽考虑，都需要承载网将站间的流量就近转发，这对于三层网络的下移提出了一定的需求。

4 面向5G发展的传输PTN网络演进探讨

4.1 三层网络下移的探讨

目前面向4G的PTN网为小三层的网络，三层设备一般在城域传输网的核心层，以成对的方式进行L2/L3桥接设置。对站间流量等X2业务，其路径为接入-汇聚-桥接-汇聚-接入，X2业务所经过的跳数多、距离远，时延往往较大，在对时延不敏感且流量占比不到5%的4G时代这种方式较为合理，小三层网络通过静态配置，对维护的要求相对简单。

但5G时代的一些应用对时延较为敏感，站间流量所占比例越来越高，可能达到20%～30%，这就要求三层网络逐步下移，形成大三层网络。

初期，三层网络可下沉到核心节点的骨干汇聚设备，将骨干汇聚设备作为L2/L3桥接设备，减少了专门的桥接这一层，但位置依然较高，到桥接的距离仍较长。

后期，三层网络可下沉到普通汇聚设备，将普通汇聚点作为L2/L3桥接设备，其路径为接入-汇聚-接入，则跳数少、桥接距离接入较近，由于普通汇聚点相比核心节点数大为增加，逐步形成大三层的网络。

4.2 城域传输网网络架构演进的探讨

（1）城域传输网内带宽测算

每基站上行平均带宽按3G考虑（100 MHz，64T64R），每接入环6个节点，接入环带宽不收敛，每节点带基站数目2个，则接入环带宽约为30～40G，接入层设备需考虑10G叠加组网或组40GE的环。

对于汇聚层，假定一个汇聚环带150个节点，并考虑4：3的收敛，上行带宽按80%考虑，则汇聚层带宽约为540 G，汇聚层设备需逐步考虑组400GE的环。

对于核心层，假定一对L2/L3桥接设备带3000个节点，并考虑4：2的收敛，上行带宽按80%考虑，则核心层上行带宽约为7 T，核心层需采用大容量设备。

（2）城域传输网网络架构演进探讨

结合三层网络下移和带宽的测算，城域传输网的网络架构将向大容量、扁平化和灵活组网的方向发展。

三层网络逐步下移到汇聚层，减少专门桥接层的网络层级，实现大三层的网络；网络组网在汇聚层以上逐步采用直达或口字型组网，减少跳数；逐步采用单端口400 G以上的大容量设备，满足5G带宽陡增的需求。PTN网络架构演进如图4所示。

核心层需进行大容量核心调度层的部署，以三层网络为主进行架构搭建，设备板卡全面升级到单槽位400GE，支持ETH大端口。

汇聚层可考虑由环网逐步改为口字型上联，减少逐跳转发的过程并充分利用口字型的带宽；骨干汇聚和L2/L3合一，减少网络层级；逐步下沉三层网络到汇聚层，满足5G部分对时延敏感业务的场景；板卡升级到400GE，同时支持FlexE流量切片和大端口扩容。

接入層可仍以环网形式接入，带宽支持单环40 G或100 G。

5 结束语

传统的移动通信主要支持话音、短信、视频等通信服务，5G则不仅是下一代移动通信网络的基础设施，还是面向未来数字世界的强大平台。本文从未来的5G将产生增强版的移动宽带、大规模机器通信、高可靠低时延通信三种典型应用的角度切入，论述了无线的三大关键技术是新切片网络架构、新统一空口和全频谱。在此基础上分析了5G发展对传输网络的关键需求是超高带宽需求、低时延需求、网络切片需求和东西向流量需求。通过实验室测试5G的吞吐量，对流量进行了推算，建立了带宽测算模型，对城域传输网内带宽进行了测算，提出了城域传输网核心层、汇聚层、接入层的演进方向和技术特征，并探讨了未来面向5G的城域传输PTN网络会逐步将三层下移，网络组网上也会逐步采用直达或口字型来减少跳数，网络架构向大容量、扁平化和灵活组网的方向发展。

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