5G网络对传输组网的挑战分析和应对探讨

［黄小东］

1 引言

我们的传送网经历了2G的PDH/SDH时代，3G的MSTP时代，4G的PTN/GPON时代，还有5G的PTN/SPN网络。传送网技术在不断的革新，传输网络架构也在不断的调整。针对5G网络的各种应用场景，未来的通信网络将要实现真正的“万物互联”。5G网络将对应用、速率、带宽和时延提出更加严格的需求。在当下的4G组网架构已经无法满足5G的新业务需求，也迫使传送网要进行深入的分析和细化。5G无线网络不同的组网结构，对传送网的组建架构带来较大的影响。

2 5G网络的业务需求

相比4G，5G追求更强性能，对带宽、时延、连接密度关键指标要求更高；同时追求更多场景，不仅考虑人与人、还考虑人与物、物与物连接。

（1）大带宽，即增强型移动宽带（eMBB）：面向大带宽应用，提出即时即连的超大带宽接入回传需求。5G采用成倍提升频谱效率多址技术（SCMA多址技术），在频域、时域基础上，增加码域的复用，实现3倍的网络带宽提升；另外5G通过多天线的空分复用优势，成倍提升系统容量，采用MIMO复用从4G的4＊4提升至64＊64，带宽提升16倍。预计单站均值带宽在3.6～6.0 Gbit/s，峰值带宽在6.4～12 Gbit/s。5G低频站理论峰值带宽达到5.28 Gbit/s，均值2.97 Gbit/s；高频站理论峰值带宽19.8 Gbit/s，均值9.9 Gbit/s，是4G基站的15倍左右，单站带宽增长明显，是5G时代初期最主要的挑战。

（2）超可靠低时延通信（uRLLC）：主要面向VR/AR、车联网、自动驾驶、智能制造的应用。uRLLC业务对远程医疗、自动驾驶等有极苛刻的时延要求，端到端500 μs～1 ms。

（3）网络灵活，大规模机器类通信（mMTC）：面向物联网、万物互联的海量连接需求，提出多连接通道、高精度时钟同步。5G承载网连接趋向于Full Mesh全连接，网络需要支持的连接数呈指数级增加。

（4）网络切片：连续大覆盖、热点高容量、高可靠低时延、低功耗大连接等场景差异巨大，需要按业务场景进行网络分片。

3 5G承载网关键能力挑战和分析

5G无线网络由4G网络的BBU/RRU将重构为CU/DU/AAU，传输网将对应演变为回传+中传+前传的网络新架构。按照5G组网情况，CU/DU分离场景多样复杂，增加中传时延，网络部署和运维管理复杂度提升。如图1所示。

图1 4G/5G网络架构

5G带宽需求巨大，尤其是在NSA组网情况下，5G部分下行流量可能由现网PTN网络承载，未来可能面临4G/5G竞争现网的环网带宽及接口带宽满足能力较差，应对5G前期大流量冲击压力较大的问题。在5G建设的同时应同步加大对原有PTN网络的带宽管理，及时扩容，避免4G/5G竞争造成现网业务的影响。在5G网络建网初期，5G下行部分流量可能会由原有承载4G的PTN网络绕行，然后到5G基站落地。

针对5G的关键业务需求，总结传输承载网络在带宽、时延、灵活连接、网络分片能力等方面的关键指标能力。如表1所示。

表1 关键指标能力需求

传输采用基于PAM4的高性价比的50GE/200GE组网，设备单跳转发时延要达到15 μs以内，引入FlexE技术实现多业务的高可靠、硬隔离，采用基于SDN的SR+EVPN等技术实现灵活承载、降低网络协议复杂度、加快业务发放速度。

针对5G承载网，对传输设备、网络架构、机房容量和光缆资源都有比较大的挑战。设备方面要求具备切片、大带宽能力。网络架构方面要求具备低时延、快回传能力。机房容量方面要求具备大的外电容量和使用面积，统一、完备的使用规划。光缆资源方面要求更紧凑的覆盖密度，更大的纤芯能力，同时要求同层级机房间要有连接资源。

4 传输设备组网的挑战和应对探讨

4.1 运营商的设备组网方案现状

4.1.1 当前环路带宽难于有效突破

现网接入层、汇聚层环路带宽以N＊10GE的上联能力为主，难于支撑未来5G的需求。首先，接入层环路带宽无法满足5G需求。现网接入层带宽均为10GE及以下，其中10GE环路平均设备点8.1个，GE环路平均设备点5个。而面向5G接入层设备客户接口需10GE/25GE，网络接口需50GE以上，现网设备难以支持。其次，汇聚层与核心层良莠不齐，具备升级的设备，可以全面进行升级，对于不具备升级的设备，可采用全面叠加支撑SPN的设备。当前配置上联带宽以10GE为主，扩容能力不足。面向5G部署时，目前约26%传输设备可升级支持。环路带宽情况如图2所示。

图2 现网环路带宽和5G需求对比图

4.1.2 设备支持网络演进能力弱

现网设备能力有限，充分利旧当前资源，或升级或替换提升传送网设备能力。首先，接入层设备扩展能力有限，充分利旧具备升级能力的设备，在接入层采用D-RAN与C-RAN相结合方式，逐步提升传送网设备的承载能力，按业务需求，逐环升级。其次，骨干、汇聚层当前已有较大的站点负载，且设备能力有限，需全面提升设备能力。经现网数据分析，可得出如下结论：接入层方面，现网中接入层设备具备50 Gbit/s以上能力的设备仅为26%；具备升级50GE SPN设备占全网设备的26%（目前，PTN960占了绝大部分，需要综合考虑960更换主控、线路板以及其扩展能力）；10GE PTN设备占全网设备的16%；具备10GE能力的PTN设备占全网设备的26%。不具备10GE能力的PTN设备占全网设备的29%。汇聚层方面，汇聚层站点仅30%具备100 Gbit/s以上带宽能力，但支持SPN的仅12%。骨干层方面，骨干层站点仅50%具备SPN能力。现网中常用的设备型号如表2所示。

表2 现网常用传输设备支持SPN情况

4.2 现有LTE传输设备组网的挑战

现有的4G LTE传输PTN架构网络在满足当前的需求时，是有冗余的，但在面向5G的大网络带宽则无法满足5G网络需求。首先，从调度结构分析上，当前PTN架构环网环路带宽不足，如果要满足单点均值4.8 Gbit/s、峰值10 Gbit/s的需求，需要单点组网，对光缆和汇聚设备的端口造成大的困难。其次，从设备能力上分析，当前设备仅具备最大N＊10GE的上联能力，不具备切片能力，对5G的承载能力不足。在5G建网初期，如果采用现有LTE传输设备组网下，保持当前的网络架构稳定，做好应对无限流量套餐的流量增长预测，全面监控前传、中传及回传各层级流量，按需扩容网络资源。

4.3 承载设备组网的建议

搭建网络新架构（CU/DU/AAU），在原有“机楼-机房-基站”层级基础上，原有核心机楼在面积、空间、资源、容量都基本饱和，新建重要汇聚机房，作为核心机楼的延伸，主要用于大区域业务的汇聚以及BNG、CDN等设备的下沉，并实现与核心机楼互联，管理范围考虑以行政区作为划分。部署大容量OTN、SPN/PTN、BNG、CDN等设备，作为MEC及电信云下沉部署节点。针对重要汇聚机房的两点建议：（1）组建通信机楼新组团，确定整体格局，为机楼减负，在组团划分上要防止单点失效，提高网络的安全性。（2）借此搭建网络新架构的契机，重构波分平台，保护机楼。如何构建波分系统，可以通过对现网业务流量和需求预测进行分析。为了满足调度需求，电交叉向全光交换网络演进的策略减低时延。采用波分系统破环插点和新建波分系统等两种方式来构建网络容量超200G的新调度传输平台。

新架构采用“1+1”承载设备网，即PTN+SPN，研讨架构的搭建方式。需重点分析下列3项指标：各层级的带宽测算；SPN成环与SPN+OTN的结构对比；汇聚层以上，节点互联实现eX2电路的需求。

接入层组网结构研讨，对比D-RAN与C-RAN，明确建设方式。通过在经济和技术上对机房规模、配套容量、光缆覆盖和纤芯的横向和纵向维度对比D-RAN与C-RAN优缺点。经综合分析现网数据和5G需求，得出结论：应该推行以C-RAN为主线的建设方式，D-RAN为特殊区域的解决方案。CRAN组网方案，采用CU+DU分离，用光纤直连方式建设5G，从而达到节省基站传输设备、空调功耗、配套的目标。另外需要划分C-RAN无线覆盖网格，指导传输后续方案制作。

考虑现网设备演进能力，建议5G建网初期新建汇聚和接入层设备，中期的目标要根据带宽需求，将核心层独立出来，最终平滑为一张网综合承载5G业务。

4.4 新建部署SPN网络方案

搭建全新的传输城域骨干、汇聚、接入层端到端的SPN网络，三层到边缘，全网启用动态三层电路，IGP分域节点设置在重要汇聚机房。不局限于当前业务需求，以城市布局、人口分布等作为基础，搭建具备充足弹性和长期稳定性的网络架构。同区域重要汇聚机房未完成建设情况下，优先选取物业稳定，空间、动力、波分资源等条件好的普通汇聚机房替代。规划SPN汇聚环时，环与环尽量相切（即两个环具有共同的站点）或相交，避免汇聚环与汇聚环之间出现真空地带，导致业务无法接入。

4.5 推进基于OXC技术的OTN系统落地

（1）对于波分系统网络，打造一个稳定、可靠、完善的OTN传送网，全面满足接入和承载需求。推进基于OXC技术的OTN系统落地，探索OXC技术新应用；提升带宽承载能力，以优先满足BNG、OLT、SPN、CDN等重点设备覆盖；逐步推进OTN平台由100G平台向N＊100G平台演进；盘活利旧现有波道，按需调整波道部署。

（2）完善OTN系统的覆盖。对于波分未覆盖区域，结合SPN及未有一级波分环覆盖的BNG机房进行补点覆盖，解决SPN、BNG及三级CDN上联问题；对光缆建设黑点段落扩容波道。

（3）提升传输系统容量。OTN系统容量要满足BNG上联链路扩容、新建BNG及新建OLT的100GE、10G、GE上联链路需求；同时也要满足SPN、CDN、核心网业务带宽需求。

（4）清退老旧OTN资源。针对老旧同机楼的10G波分平台设备分阶段逐步进行割接退网下电，针对SDH的高价值集客业务逐步割接到智能OTN政企精品网，为机楼腾出空间动力资源。

5 传输光缆组网的挑战和建议

5.1 传输光缆组网的挑战

5G更高密度组网以及规模C-RAN的建设，将导致接入光缆纤芯消耗可能增长3倍以上。现网主干光缆纤芯144芯占比相对较少，综合业务接入区微网格对于无线纤芯预留明显不足，难以支撑5G时代前传需求。

5.2 搭建一张光缆网

面向未来RAN型云化组网架构，遵循微格化原则，丰富末端管线资源；同时，整合已有“基站光缆网”和“综合业务接入区光缆网”资源，合并打造成统一的“一张光缆网”。“一张光缆网”，即整个综合业务接入区统一业务接入模式，实现一体化接入，即家宽、集客、基站等全业务都是接入最近的光交箱或分纤箱，通过配线缆跳纤，收敛至综合接入机房。“一张光缆网”主要包括以下三层结构：骨干光缆网络、汇聚光缆网络和接入光缆网络。

（1）针对骨干光缆网络，搭建以环形为主的新层级，构建跨区域的调度架构。并能从层级上向下收敛普通汇聚机房的光缆。

（2）对于汇聚光缆网络，要构建配对机房间的光缆通路。

（3）接入光缆网，构建一张光缆网：从光缆规划的角度上，可选取相对独立的街道或网格作为分析基础。从面光缆的覆盖度和纤芯容量上，分析C-RAN和D-RAN两种方式一张光缆网的满足度。对于光缆连通或成环，在使用中逐步补充和完善（通过业务反向推动连通和成环）。对于当前相对独立的机房，通过构建融合模型，如通过构建的接入主干光缆和通过新建配线光缆至配线光交，把机房融入一张光缆网中。对于纤芯或光交容量不足的优化和扩容，建议重定义末梢光缆的在二级光交的成端方式。另外，为了规范光交箱的后期使用，在跳纤中，严格定义尾纤长度。

加快机房投产，以机房为基点，推动相应的光交、光缆、管道等基础资源，“一网打尽”接入区内各类业务，由一张光缆网统一承载，统筹管理。实现快速接入、快速开通、高效维护。

6 结论

5G由CU/DU/AAU组建的无线网络将构建CRAN模式新架构，以及5G在SPN网络切片、万物互联、灵活调度、高速率、大带宽、低时延、应用广等方面的诸多新需求，都促使传输技术向新一代演进。当前，针对5G网络传输架构的新搭建，设备上采用“1+1”的PTN+SPN承载设备网，光缆组网上通过完善一张光缆网的的架构，构建一张面向未来、架构合理、高效智能、稳定安全的全光SPN新网络。