关于面向中长期的本地传送网系统演进的研究

陈晓东，白杨鹏程，武英

(1 中国移动通信集团设计院有限公司新疆分公司，乌鲁木齐 830011；2 中国移动通信集团新疆有限公司，乌鲁木齐 830028)

关于面向中长期的本地传送网系统演进的研究

陈晓东1，白杨鹏程2，武英1

(1 中国移动通信集团设计院有限公司新疆分公司，乌鲁木齐 830011；2 中国移动通信集团新疆有限公司，乌鲁木齐 830028)

随着宽带、移动数据、专线、IPTV等业务快速发展，现有本地传送网设备类型和平面过多、功能简单，需要多种传输设备叠加、组合才能承载各类业务。全光传送网作为本地传送网远期发展的终极目标，是一个具备多种功能、大容量、扁平化、高可靠性、更加智能统一的全光传送网。本文通过分析中长期业务发展、现有不同类型传输设备的优劣势，研究分析两条传送网演进路线，分别由OTN向全光传送网演进和PTN over OTN向全光传送网演进。

本地传送网；全光传送网络；OTN；PTN over OTN

1 研究背景

近年来，随着宽带、移动数据、专线、IPTV以及未来5G业务的快速发展，本地传送网将承受着流量高速增长带来的巨大压力。本地传送网作为各个业务网的传输平台，是中国移动网络和业务发展的基础保障，承载着所有末端业务，而各类业务都朝着大容量、高速率方向发展。因此，如何结合传送网现状，在充分利用现有资源的基础上，实现高效率低成本的全业务运营，是移动本地传送网建设的重要问题。

2 各业务网络业务需求分析

各类业务的迅猛发展和应用的变化驱动着本地传送网不断地调整和演进，由最初的PDH、SDH、DWDM发展到了PTN、OTN、GPON，传送网也在经历着不断的发展和变革。本节将根据不同的业务特点，阐述如何承载各类业务。

2.1 2G/3G业务

根据2G/3G业务特点，要求移动通信网从TDM和ATM网络向IP网络演进，从而PTN网络应运而生，PTN分组传送网技术具有更高的网络效率，灵活的调整能力，更好的可扩展性。伴随通信4G业务的发展2G/3G将慢慢退出历史舞台，因此不作为研究重点。

2.2 4G业务

业务提供从侧重语音向侧重数据转变，数据带宽需求成倍增长，在这种形势下，大力推进4G发展是各个运营商面向未来实现可持续发展的重要战略举措。

中国移动TD-LTE基站接入采用PTN技术，并充分考虑PTN网络的整体部署策略，兼顾TD-SCDMA、GSM等接入需求。

伴随用户数据业务体验的不断升级，LTE技术的不断发展，4.5G时代，无线通过CA、MIMO和CoMP协同技术提升基站吞吐量，基站峰值容量由最初的330 Mbit/s将达3.5 Gbit/s，无线回传网络带宽将有10倍的增长。

LTE相比2G/3G组网，减少了BSC/RNC一层网络，流量需集中汇聚到SGW/MME，这些核心网元均集中放置在省会城市，LTE将基站控制器功能下移至eNode B，实现了网络的扁平化。

4G业务发展可分为3个阶段：

近期（前1～2年）：4G基站采用GE接口，单基站带宽为60～160 Mbit/s。

中期（LTE+）：LTE规模进一步扩大，基站采用GE/10 GE出口，基站峰值带宽达1 Gbit/s以上。

未来（LTE+及5G阶段）：传送网络演变为全光网络架构，基站采用10GE接口，峰值带宽可达数10 Gbit/s以上。

2.3 5G业务

5G面向的业务形态已经发生了巨大变化：传统的话音、短信业务逐步被移动互联网业务所取代，云计算的发展，使得业务的核心放在云端，终端和网络之间主要传输控制信息，带来的海量数据连接，超低时延业务，超高清、虚拟现实业务带来了远超Gbit/s的速率需求，到了面向M2M互联网络的5G时代，无线网络将对传送网带来更多挑战。

2.3.1 带宽需求

连续广域覆盖场景是移动通信最基本的覆盖方式，需要随时随地为用户提供100 Mbit/s以上的用户体验速率；热点高容量场景面向局部热点区域，需要满足用户极高的数据传输速率和区域范围内极高的数据流量需求，包括1 Gbit/s用户体验速率、数10 Gbit/s峰值速率和数10 Tbit/s/km2流量密度。

2.3.2 低时延、高可靠性需求

车联网、工业控制等垂直行业对时延、可靠性要求苛刻， 需要实现毫秒级端到端时延和几乎100%的可靠性。这要求承载网既能提供极低的传送时延、极低的处理时延、严格的频率同步和时间同步能力，又能提供极强的故障恢复能力。

2.3.3 低成本需求

5G网络广域覆盖、高密度、大容量、大带宽，势必对承载网元有海量需求，承载网规模将非常庞大，这就要求承载网元低成本、低功耗、易维护，最大限度降低TCO。

2.3.4 智能化需求

5G网络以SDN作为基础技术，控制面和转发面分离，整个网络会更加灵活、智能、高效和开放。作为5G转发面的一部分，承载网也必须具备SDN功能，从而构建面向业务的网络能力开放接口，支持多域协同、网络分片，满足业务的差异化需求，提升业务的部署效率。

2.3.5 设备大容量、大带宽、接口数量多需求

5G时代，承载网设备数量大，Mesh拓扑结构场景多，带宽、接口消耗大，要求设备具备大容量、大带宽、接口数量多的特点。

2.4 基于GPON的宽带接入网

针对中国移动集团对于宽带业务的发展思路：50 Mbit/s占市场，100 Mbit/s见优势，1 GE是未来。由此对GPON网络OLT上联带宽流量进行了测算，按照单OLT用户数估算，2016年流量模型的忙时户均流量为4.5 Mbit/s (考虑百兆和4K视频)，按照每年40%的速率增长，至2020年，OLT上联带宽测算的忙时户均流量为17.29 Mbit/s。以单台OLT实装1 000户进行计算，2016年的忙时流量达到4.5 Gbit/s，上联端口为1×10 Gbit/s， 2020年的忙时流量可达17.3 Gbit/s，上联端口为2×10 Gbit/s。

至2020年，OLT上联流量已达到N×10 Gbit/s级别，带宽如此之大，需要大颗粒的OTN设备进行承载，OTN设备将伴随OLT的部署，进一步下沉至除汇聚机房外的基站、商业密集区、农村等有业务需求的地方。同样，伴随用户视频点播、4K甚至更高清业务，用户的100 Mbit/s接入已不能满足需求，1 GE接入是未来，在此情况下，需引入10 GE GPON甚至更高速率的技术来解决接入带宽持续增长的需求。

3 现阶段本地传送网的突出问题

目前，本地传送网由OTN、PTN、GPON及SDH设备组成。其中OTN设备新建以80×100 Gbit/s系统为主，用于承载大带宽、长距离的业务；PTN设备分为核心汇聚型、接入型两种类型，设备带宽以10 GE和GE为主，用于承载3G/4G基站等小颗粒业务；GPON设备用于承载家客等末端用户接入，现网带宽主要采用GE为主，后期将采用10 GE设备；SDH设备属于上一代传输设备，用于承载2G基站及少量的集客TDM电路，已经开始逐步退网。

本地传送网的总体网络架构采用核心层、汇聚层和接入层的三层体系架构。其中核心层设备主要用于汇聚、分类各种业务，并且与各类业务控制层设备（BSC、RNC等）或省内二干设备对接；汇聚层主要用于汇聚接入层业务并将业务转接至核心层，通过PTN +OTN方式组网；接入层用于接入末端业务，由接入层PTN和GPON设备组成。

3.1 OTN网络存在的不足

（1）不具备统计复用功能，不适应业务IP化、突发性的需求。

（2）任然需逐点配置，未实现自动端到端调度。（3）不具备分组交换，QoS等IP主流技术。

（4）设备功耗大：华为公司OSN8800-T64设备满配功耗为6 500 W，中兴公司ZXONE 9700 S6设备功耗为7 850 W，由此可见PTN设备的大功耗必将给机房的直流系统带来了巨大压力。

3.2 PTN网络存在的不足

3.2.1 系统带宽不足

PTN核心、汇聚层设备的线路带宽主要采用10 GE，虽然部分本地网使用了40 GE的PTN技术，但40 GE速率属于过度产品同时与100 Gbit/s的OTN设备对接存在不匹配的问题，100 Gbit/s的PTN设备标准在2016年才商用。

随着4G业务的发展，以及载波聚合技术的推广使用，单个10 GE的汇聚环能承载的4G基站越来越少，而且新建接入层已经逐步开始部署10 GE。因此，在现有10 GE速率的基础上提高带宽，只能通过叠加10 GE汇聚环路，在叠加的过程将增加纤芯及OTN波道的使用量。

3.2.2 标准滞后、开放性不足

目前，从全球来看只有中国移动及日本软银为主的少数几个运营商采用PTN作为传输接入技术，全球通用性不强，标准滞后、开放性不足；对于厂家而言，由于出货量有限，其研发投入成本的回收期较长，设备单价下降缓慢，制造成本高，导致PTN设备的性价比偏底。

3.3 GPON网络存在的不足

GPON作为末端接入的主要设备，已经大规模部署，早期采取“大容量、少局所”原则部署。目前，随着家客业务量的增大，OLT设备正在逐步向客户侧下沉，使其更加靠近用户，OLT上行带宽逐步提升，未来将会出现N×10 GE的上行。

GPON设备只能完成末端接入，大多数情况无法独立传送至BRAS设备，需要PTN或OTN设备配合。

3.4 本地传送网存在问题小结

现有传输设备作为网络功能中的物理层，仅完成信号传输功能，目前主要投入使用OTN、PTN、GPON 3个平台，还不算每一种平台的针对特定业务建设的多个平面，而且每一种平台只能完成某一种特定的功能或者完成传输的部分功能，因此，如果需要完成传输功能需要将3个平台和多个平面组合起来才能完成。所以，现有的传送网络设备功能单一，作用有限，未来传输设备将是一个具备多种功能、大容量、扁平化、高可靠性、更加智能的统一的全光传送网设备。

4 中长期传送网络构架设想及分析

为了实现远期的全光传送网络，根据现有设备的特性，提出两种中长期传送网演进路径设想：

路径1：由OTN演变而来的全光传送网。

由OTN叠加L2、L3数据交换功能，借鉴现有的PTN相关的MPLS及IP技术，并继承OTN天然的WDM超大带宽特性，后期逐渐加入SDN等功能，最终形成全光传送网。

路径2：由PTN over OTN演变而来的全光传送网。

现阶段PTN已经具备了MPLS及IP技术相关特性，同时具备L2、L3数据交换功能，从功能来说已经具备分组网络的核心功能。由于技术限制，现阶段业界最大线路处理能力也只有100 Gbit/s，400 Gbit/s技术的基本上已经是近5年的极限。如继续提升只能等待PO及IC芯片技术的较大突破，如可以将端口带宽做到至1T以上，PTN over OTN演变而来的全光传送网是与现网最接近的演进路径。

4.1 由OTN演变而来的全光传送网

从OTN向“全光传送网”演进就是在结合现网OTN单波带宽（100 Gbit/s到1 Tbit/s）逐步扩展的基础上，在系统功能内加入分组交换功能、更多的IP协议栈、SDN等功能，最终形成由分组OTN承载所有业务的“全光传送网”。由于产品标准还未成熟，因此演进分为3个阶段：

(1) 第一阶段（2016-2017年)：OTN系统提升至80× 100 Gbit/s的承载能力，系统平台应该具备80×400 Gbit/s的平滑升级能力。

将小型OTN下沉至边缘汇聚层（更加靠近末端接入的汇聚节点，如市区、乡镇团场的小型汇聚节点）。

OTN仍然承担着PTN组网功能，PTN组网使用端口速率可根据需求扩容至N×10 GE或40 GE。这个阶段4G基站仍然挂接至PTN网络上。

(2) 第二阶段（2018-2020年）：随着4G+的开通，同时5G站点开始试点，超过GE带宽需求的基站陆续产生。

此阶段核心汇聚层升级为80×400 Gbit/s的能力，将边缘汇聚层（更加靠近末端接入的汇聚节点，如市区、乡镇团场的小型汇聚节点）升级至80×100 Gbit/s系统容量， 4G+、5G可试点开通在“分组OTN全光传送网”上。

在OTN网络上全面引入L2、L3、MPLS VPN的功能。

SDH开始大面积退网。

(3) 第三阶段（2021-2025年）：随着5G站点开始正式建设，1-10 GE的基站将成为主流。

图1 路径1的目标组网图

新开通5G节点全面承载在“分组OTN全光网络”，将L3交换节点下沉至县城汇聚节点，核心汇聚层升级至80×1 Tbit/s以上带宽，边缘汇聚提升至80×400 Gbit/s，接入层向40×100 Gbit/s方向演进。

在这个长期演进过程中，2G/3G预计将在2018年以后逐渐转为“自然死亡”阶段，4G预计在2020年5G启用也将进入后“退网”状态。PTN网络将在2022-2025年进入自然退网的状态，该演进目标为一张“分组OTN全光承载网”，具体网络结构及速率详见图1所示。

路径1中3个阶段中存在主要业务、传输设备类型、以及具体对应的承载方式可详见图2所示。

4.2 由PTN over OTN演变至“全光传送网”演进

PTN技术先天具备的L2、L3、MPLS的处理机制，如果可以摆脱OTN，最终PTN可以独立组网是最理想的。但是通过对各厂商的研发情况分析得出：PTN单端口突破400 Gbit/s以上速率难度很大。同时PO及IC技术由于器件集成度及算法的原因，短期无法突破100 km的限制，因此由PTN演进的POTN只能解决城域网传送，仅能够完成短距POTN网络组网，不适用于大型本地网未来独立组网，需要OTN作为长距离的承载介质。

第一阶段（2016-2017年)：OTN部分：总体保持现网OTN架构，将OTN下沉至边缘汇聚层（更加靠近末端接入的汇聚节点，如市区、乡镇团场的小型汇聚节点）。

PTN部分：总体保持现网PTN架构，根据业务需求提升网络容量，部分中心城市核心汇聚可探索100 GE的POTN。

第二阶段（2018-2020年）：随着4G+的开通，同时5G站点开始试点，超过GE带宽需求的基站陆续产生。

OTN部分：OTN必须完成整个POTN本地网的链路承载工作，并启用分组OTN的相关功能。该阶段OTN应升级至80×400 Gbit/s系统，并与POTN联合组网。

POTN部分：核心汇聚层面的PTN全面启用100 Gbit/s的技术，接入层全面提升至10 GE，部分接入层面的PTN也可探索100 GE的POTN。

SDH开始彻底退网。

第三阶段（2021-2025年）：随着5G站点开始正式建设，1-10 GE的基站将成为主流。

POTN部分：将在核心、汇聚、接入层面全面部署，核心汇聚层面的POTN全面启用400 Gbit/s技术，接入层全面提升至10-100 GE。最终形成POTN over 分组OTN本地网承载网络。

分组OTN部分： OTN仍然作为POTN本地网的链路承载平台，该阶段OTN应升级至80×1 Tbit/s系统，并与POTN联合组网。

图2 路径1的3个阶段业务承载示意图

因此，路径2的演进最终形成了两张网络，分别是POTN和分组OTN。两张网络目标结构以及两张网络相互关系详见图3所示。

图3 路径2目标组网

路径2中不同阶段存在主要业务、传输设备类型、以及具体对应的承载方式可详见图4所示。

5 方案对比

两种路径演进的最终目标均是全光传送网，实现平台统一、传输高效、功能多样的目的。但是，从演进的出发点来看，路径1是在OTN大带宽的基础上增加PTN设备对信号的处理功能；路径2是在PTN对信号处理的基础上，融合OTN大带宽的功能。因此，两种演进路径存在以下6个方面的差异。

5.1 演进难度

路径1是在OTN的基础上增加现有增加L2、L3、MPLS等成熟的处理机制，理论较易实施，仅受限于厂商的研发策略。

路径2增加了PO技术的线路侧技术，但受限于芯片集成度技术，短时间内无法达到OTN的大带宽传输。

5.2 组网方式

路径1继承了先天的WDM技术，总体容量巨大，可实现独立组网。

路径2受限PO及IC技术，容量一般，组网如果需要满足大带宽时，则需要OTN设备配合组网。

5.3 投入方面

由以上两条差异可以得出，路径1在演进的过程中仅需要对分组OTN进行投资，而路径2则需要同时对OTN和POTN进行投入。因此，路径1在投入方面更加集中，效率更高。

5.4 技术标准统一化

OTN设备在全球主要的运营商中均有使用，标准程度高，技术推进驱动力较强，技术标准较容易进行统一。

PTN设备仅在中国移动、日本软银等少数几个运营商中使用，标准推出驱动力较弱。

5.5 保护现有投资方面

路径1可在现网OTN基础上新建支持分组交换的电子框即可完成升级；但是最终现网PTN将退网，投资保护性较差。

由于现有传送网采用PTN+OTN方式组网，路径2可以通过对现网PTN、OTN逐步升级，具有较高投资保护性。

5.6 现网推进难度

各厂商还未推出完整功能的分组OTN，因此，路径1不具备近期实施能力。

现阶段各厂商已经推出100 GE POTN，现阶段即可实现部分功能的目标。

6 结束语

两种演进路径各有优势，“由OTN演变而来的全光传送网”具有更多的优势，更加符合高容量、扁平化、高可靠性的要求，可做到一步到位部署网络，是一种推荐的组网方式。

Research on the evolution of the local transport network system in the medium and long term

CHEN Xiao-dong1, BAI Yang-peng-cheng2, WU Ying1
(1 China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Xinjiang Branch,Wulumuqi 830011, China; 2 China Mobile Group Xinjiang Co., Ltd.,Wulumuqi 830028, China)

With the rapid development of broadband, mobile data, special line, IPTV and other services, the existing local transport network equipment type and plane is too much, the function is simple, the need for a variety of transport equipment stack, combined to carry various types of services. As the ultimate goal of the long-term development of the local delivery network, all optical transport network is a unified all optical transmission network with multiple functions, large capacity, flat, high reliability, and more intelligent. The through the advantages and disadvantages of the analysis of long-term business development, the existing of different types of transmission equipment, research and analysis two transport network evolution route, evolution from OTN to all optical transport network and evolution of over OTN PTN to all optical transport network.

local transport network; all optical transport network; OTN; PTN over OTN

TN915

A

1008-5599（2017）03-0024-07

2016-07-20