面向LTE—A Pro及5G承载的城域传送网演进

王健+汤进凯+梁灿

【摘 要】为了研究在LTE-A Pro及5G业务场景下，城域传送网的网络技术及组网应用等演进策略，首先从带宽、流向、时延、控制管理等方面，分析了LTE-A Pro、5G对承载网提出的要求和挑战，分析了承载网的发展演进思路，给出了端到端组网架构及系统搭建方面的建议，最后对城域传送网演进路线进行了总结和展望。

【关键词】城域传送网；LTE-A Pro；5G端到端承载

Evolution of Metropolitan Area Network Oriented to LTE-A Pro and 5G

WANG Jian， TANG Jinkai， LIANG Can

（China Mobile Group Design Institute Co.， Ltd.， Shanghai 200060， China）

[Abstract] In order to investigate the evolution strategies such as network technology and networking application for MAN in the service scenarios of LTE-A Pro and 5G， the requirement and challenge posed by LTE-A Pro and 5G for the carrying network were analyzed firstly in the light of bandwidth， delay， direction， control and management. Then， the development and evolution idea of the carrying network were analyzed to present the suggestions on end-to-end networking architecture and system establishment. Finally， the evolution route of MAN was summarized and outlined.

[Key words]metropolitan area network； LTE-A Pro； 5G end-to-end carrying

1 引言

面向LTE/LTE-A的承載网络发展建设至今，形成了以刚性管道OTN（Optical Transport Network，光传送网）为高速基础通道、以PTN（Packet Transport Network，分组传送网）等为主力承载的网络格局，网络应用带动了城域传送网设备和技术在带宽、容量、处理能力、网络安全、QoS、时间同步、智能化等方面的发展。另一方面，关于LTE后续的标准化研究也在不断推进。2015年10月，3GPP组织正式公布了基于Rel-13规范的LTE-Advanced Pro，简称LTE-A Pro，作为当前LTE、LTE-A的延续。此外，尽管5G标准大约要在2020年成熟，但业界对于5G的目标已达成一些共识，在IMT-2020（5G）推进组发布的《5G愿景与需求白皮书》、《5G网络架构设计白皮书》中，对5G提出了关键能力指标和整体网络架构。

本文接下来将分析未来LTE-A Pro、5G对城域传送网的需求和挑战，以现有网络为基础，研究城域传送网的发展演进。

2 LTE-A Pro及5G对城域传送网的需求

和挑战

2.1 LTE-A Pro的需求和挑战

（1）单站带宽

随着移动互联网业务的发展，单个基站吞吐量和传输带宽相应提升，满足业务需求。基站单小区峰值带宽与该基站的频谱带宽和频谱效率成正比关系。频谱效率主要通过最大流数进行量化，流数与基站的天线数有一定关系，天线数量越多，基站支持的最大流数也会相应增加。

目前阶段，以中国移动而言，主要采用F频段及D频段进行覆盖，考虑到频段资源的不确定性及无线技术的发展，单个基站最大均值带宽约为1.3 Gbit·s-1～1.5 Gbit·s-1，最大峰值带宽约为4.5 Gbit·s-1～

5.3 Gbit·s-1。实际部署中，热点区域单基站均值带宽约为0.6 Gbit·s-1，峰值带宽约为2 Gbit·s-1。

（2）窄带物联网

LPWA（Low Power Wide Area，低功耗广域技术）是符合低带宽、低功耗、远距离通信、广覆盖、海量连接要求的，适合近阶段运营商部署的一种物联网技术，包括NB-IoT、LoRa及Sigfox等技术，3GPP选择了NB-IoT技术（Narrow Band-IoT，窄带物联网）并在Rel-13冻结了标准。

为支持NB-IoT，一般需建设专用MME、SGW，区别于4G的S1接口，基站到IoT专用EPC接口为S1*接口，另外，NB-IoT系统没有X2这一类接口，单站带宽需求较小，为百k级别，时延为秒级。

对传输而言，如上分析，带宽和时延较小，此外，其覆盖范围相对GSM大，承载网需要提供的电路连接数总体较少，因此总体没有大的挑战，由于需要新增一定量的S1*电路（约几千到一万），桥接设备的带站能力方面需做好预留。端到端业务路径和主要接口如图1所示。

（3）站间协同

3GPP在Rel-12标准中，对基站间的CoMP（Coordinated Multi-Point Operation，多点协作传输）作了增强，CoMP作为一种多小区协作传输的通信技术，能够提高小区边缘用户的信号质量，具有改善网络覆盖、提高小区边缘吞吐率的效果。endprint

站间协同的方式可以是简单规避干扰的CS/CB（Coordinated Scheduling/Coordinated Beamforming，协同调度/协同波束赋形），也可以是复杂的多小区联合处理数据的JT/JR（Joint Transmission/Joint Reception，联合发送/联合接收）。

CS/CB就是通过基站间传递一些信令，使得处于基站重叠覆盖区域的用户，在同时接收多个基站的信号时，避免受到信号干扰，而JT/JR则通过多个基站的协作，同时向小区边缘用户发送或接收数据，使得小区边缘用户的信号获得更多的增益。CS/CB仅需要在基站间传递一些信令，对承载的带宽和时延要求较低，JT/JR则对承载提出了更高的要求。以S111型8天线宏基站为例，各协同技术对传输的带宽及时延需求如表1所示。

由于CoMP针对的是小区重叠区域的用户，从实际网络应用来看，引入CoMP增加的带宽需求应计入峰值带宽，通过统计复用可以减少对网络建设的冲击。可以看出，相对于带宽而言，站间CoMP的时延对承载网提出了更高要求，承载网络目前仅能满足4 ms的时延要求。

2.2 5G的需求和挑战

（1）5G概念

根据IMT2020 5G概念白皮书，5G概念可由“标志性能力指标”和“一组关键技术”来共同定义。5G设计目标主要是广覆盖、高容量、低功耗、大连接、低时延、高可靠，根据IMT-2020的5G概念白皮书：广覆盖、高容量主要满足未来移动互联网业务；低功耗、大连接、低时延、高可靠主要面向新拓展的物联网业务领域。

（2）5G对城域传送网的需求和挑战

带宽方面，5G单站回传峰值带宽为4G的10倍到数10倍，站址密度为4G的数倍到10倍。

网络架构和流向方面，5G场景下UDN（Ultra Dense Network，超密集网络）要求深度的站间协同，移动承载流量模型向MESH化、横向化发展，综合考虑Inter CA、UL_CoMP、DL_CoMP、CSPC（Coordinated Scheduling based Power Control，基于功控的联合调度）等因素，基站横向流量占比一般为S1接口的10%～20%。由于CRAN模式逐步成为主流建站方式，一方面，集中机房前传接口的增加，带来了纤芯或波分设备集中部署的需求，BBU的堆叠带来了回传接口带宽进一步提升的需求；另一方面，站间流量在同个集中机房内可直接处理，这为减少横向流量带来了对承载网的带宽、时延等方面的挑战，可能会扩大集中机房的覆盖面积，形成BBU高度集中的网络结构。此外，EPC/DC/MEC存在逐步下沉的可能性，也可能带来一部分横向流量的需求。

时延方面，部分业务端到端的时延最高要求为1 ms量级，分给承载网的时延只有100 μs量级，而前传接口时延最高要求可能只有50 μs。

SDN与网络切片方面，承载网需要平滑升级支持SDN、支持网络切片，以满足不同场景对带宽、时延、服务质量等差异化要求。

3 城域传送网各阶段部署及演进建议

3.1 近期网络部署建议

根据3GPP标准制定的进度，预计至2017～2018年，标准演进到Rel-14版本。单站最大带宽为Gbit·s-1量级，端到端时延在10 ms级别，站间时延在1 ms～4 ms。

该阶段城域传送网主要围绕4G及部分LTE-A Pro基站需求，设备网络重点围绕PTN、OTN网络，以提升系统容量为主，适度优化结构或新建承载网络；网络管理方面应加快智能化、信息化部署，推进SPTN、智能ODN等建设。

对于设备网络，仍采用核心、汇聚、接入三层组网结构：

（1）核心层面应兼顾物联网需求，满足连接电路数的需求，考虑到单站带宽和站点规模的提升，线路侧应支持N×100 G或200 G的连接速率，核心节点单设备容量应达到6.4 T甚至更高。考虑到CoMP功能部署后对承载网时延的需求，目前光纤时延典型值为5μs/ km，设备时延典型值为20 μs～50 μs/节点，对于部分郊县，如果时延超出业务需求，可适当扩大L3网络部署范围，下沉L3网络至郊县的核心业务收敛节点。架构的演进如图2所示。

（2）汇聚、接入層面考虑到无线基站带宽需求，应综合提升网络容量和设备处理能力，汇聚层面应提升设备端口集成度能力至40 G/100 G，接入层面应以10 G组网为主，按需叠加10 GE/40 GE/50 GE扩容，实现基站回传，随着单站载频增加，集中-拉远建站模式下，CPRI接口带宽不断增长，应视光缆纤芯资源情况，适度扩大有源、无源波分部署规模。

网络管理方面应在PTN网络中引入并应用SDN，重点解决L3 VPN部署优化、业务快速调整等功能，如图3所示。

3.2 远期网络演进设想

根据3GPP标准制定的进度，预计至2020～2022年，5G标准将发展到Rel-16版本。单站最大带宽为10 Gbit·s-1量级，端到端最低时延为1 ms级别。

远期网络将面向5G、LTE-A Pro为主进行承载。从演进思路来看，主要方向有：网络系统容量提升、网络扁平化、前传承载方式演进、L3网络下沉、网络智能化及网络切片等。

网络容量方面，核心层单链路速率达到400 G/1 T级别，系统配置容量达到几十T级别；汇聚层单链路速率达到400 G/1 T级别，系统配置容量达到100 T级别；接入层单链路速率达到40 G/100 G级别。

网络结构方面，将向扁平化方向进一步演进。核心层逐步简化结构，采用Mesh结构，可考虑骨干汇聚点和L2/L3桥接设备合一设置，其优点主要在于：1）减少网络层级；2）减少一跳设备时延；3）节省同机房空间和电源等配套资源。汇聚层综合考虑到容量和演进等需求，可考虑优先采用双上联结构。endprint

前传承载方式的演进主要是基于NGFI（Next Generation Fronthaul Interface，下一代前传接口）标准的实现。当前CPRI接口被认为无法支持5G网络，主要原因在带宽太大，将达到100 G，这会带来巨大的成本压力，因此需要重新定义BBU和RRU之间的接口，将BBU和RRU的逻辑功能重新划分，目标是将其分组化，从根本上改变CPRI接口结构，减少BBU和RRU之间带宽。

与之相关的是L3网络下沉。不考虑L3网络下沉到接入层，未来网络演进可能方向主要有两种：

（1）L3下沉到汇聚点。汇聚点内X2通过其转发；汇聚点间X2通过桥接设备转发；桥接设备间X2通过L3落地设备转发。

（2）L3不下沉，仍维持在核心层面，采用集中机房+CRAN（NGFI）方式建站。X2主要通过同集中机房跨设备转发；拉远方式建站；前传通过NGFI压缩带宽，这种方案要求以NGFI的实现为前提条件。

L3网络在哪个位置取决于网络建设、工程投资等多方面因素，但三层域越大，配置维护工作量越大，可结合核心网网元EPC下沉策略同步考虑L3网络下沉。

网络智能化方面，要能够基于5G应用场景自动做网络资源的适配，通过网络切片，实现“一个逻辑架构、多种组网架构”的形态。在部署角度上，网络分片包括两个阶段，第一阶段主要实现管理平面和转发平面切片，第二阶段主要实现控制平面切片。

3.3 分阶段演进建议和设想

受网络、终端、业务、市场及各技术发展的影响，未来4G网络与5G网络两者会在较长的生命周期内共存，部分4G基站会向LTE-A Pro演进，LTE-A Pro、5G初期可能只是在4G网络基础上进行补充，比如先实现热点区域覆盖等。

但无论是LTE-A Pro承载还是5G承载，在SPTN部署、大容量大带宽设备需求、基础资源部署等方面的演进趋势是一致的，传送网络演进应基于可持续发展的原则进行。因此，传送网应适度超前建设，首先满足近中期的需求，同时做好储备，判断明确的发展趋势，通过建设补齐短板，适应未来网络变革。

近期阶段网络以维持架构稳定为主，在满足4G基站承载的基础上，按需提升系统容量和设备能力；远期阶段，由于带宽、业务流向模型、时延、智能化管理要求的变化，承载网络可视业务发展考虑架构整合或新建平面。

4 结束语

本文基于PTN+OTN为主的技术，着重对回传承载网络进行了组网架构及演进的分析，尚未涉及基于IP RAN等承载方案。此外，从承载网络可能的演进方向看，还包括IP和光融合承载、前传回传统一承载等其他技术路线，应结合现有网络以及技术发展成熟度进行灵活选择。同时，SPN技术的成熟将为5G承载演进进一步提供新的选择。

总体来说，随着移动互联网不断发展，移动数据流量呈爆炸式发展趋势，而LTE-A Pro及5G的标准研究也在同步推进，承载网络应积极应对，适度超前谋划布局，适应业务发展的新需求。

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