5G物联网场景下的SPN网络建设策略探讨

2021-07-01王磊

物联网技术 2021年6期

王磊

（中国移动通信集团广东有限公司广州分公司，广东广州 510000）

0 引言

5G商用在国内蓬勃发展，极大地促进了不同行业的升级和产业变革[1-3]。其中以智能穿戴、智慧工厂为代表的新型mMTC应用场景得到了快速发展，并全面影响和推动社会发展[4-7]。随着5G建设的发展，现有PTN网络已无法满足当下旺盛的物联网业务需求。一些5G场景，如网络切片、吞吐量等需求也超出了早期的5G建设规划，这将限制物联网业务的进一步发展[8]。为了更好地顺应mMTC应用场景的发展，SPN网络虽被应用，但受运营商投资回报需求和现有SPN网络建设规模的约束，PTN网络和SPN网络将长期共同存在。如何保持运营商的竞争力，提高和完善现有网络性能是本文研究的重点。本文围绕业务需求、SPN网络建设等展开研究，探索适合今后SPN网络发展的建设规划。

1 应用场景

SPN网络是现行5G网络的主要承载网，为用户提供优质廉价的数据业务。mMTC应用场景主要以节点多、分布范围广及低数据业务为主。如何结合SPN网络满足面向大带宽、低延时、网络切片、灵活连接等需求是当前面临的难题。在现有基础上，可动态调整上述内容，优化网络性能[8]。

1.1 大带宽

结合不同城区用户业务需求，合理布置低成本的单路网络设计和高性能多路网络设计，通过以太网实现最优的业务服务质量。考虑到物联网业务场景特点，在用户业务密集区域采用光纤组网方式提供高质量数据业务。同时可以采用灵活组网方式动态调整，结合FEC 和PAM4等技术提高速率，降低传输成本。为满足低速率、小业务需求的地区需要，可采用FlexE技术实现子速率带宽分配，充分利用带宽资源灵活、动态地满足不同业务需求。大带宽配置方案如图1所示。

图1 大带宽配置方案

1.2 低时延

随着物联网的兴起，物与物间通信、物与基站间通信、物与移动终端间通信已成为主要的通信业务，对于低时延提出了极高的要求。基于IP/MPLS的传统分组网络采用逐跳转发策略将导致网络节点间的转发时延过长。为满足新型要求的实时大数据业务，将低时延作为重要指标。FlexE技术可有效降低网络的转发时延，提高网络数据交换速率。同时也需要优化网络调度策略，在保证数据业务需求的前提下降低网络传输成本，进而降低传输时延。FlexE架构如图2所示。

图2 FlexE架构

1.3 网络切片

结合PTN网络特点，传统物联网通信网络架构很难应对突发情况。且HQoS不能满足当前业务软隔离的需求，需做进一步改进。受限于知识产权和工程实践等因素，DUK+OCH不支持以太网统计复用，将限制其在今后网络中的应用。

对于高层网络可以采用FlexE切片方式来增强以太网功能。SPN网络引入网络切片，将组网从L2扩展到L1，以满足差异化业务需求。对于高质量数据业务采用端到端透明承载；对于分组业务采用合适的分组调度实现带宽利用；引入码块交叉实现网络内的低时延快速转发。以上方案可有效提高物联网系统的网络传输性能。切片以太网应用如图3所示。

图3 切片以太网应用

1.4 灵活连接

考虑到物联网在多种场景下的不同业务需求，加之基站间数据流量急剧增加，均加重了网络设计的难度[9-10]。为了满足不同层次、不同业务场景的需求，网络高层采用扁平化设计，以提升承载网的数据传输能力，降低网络时延；在接入网处部署Full Mesh，可在有效满足连接数量需求的同时保障网络边缘处的业务需求。这些措施可以极大地满足物联网对于组网灵活性的要求。同时还需注意的是，在不同的应用场景下需要灵活调整网络连接，以降低组网成本。

2 SPN网络建设

SPN网络是5G网络建设的核心，是今后5G网络的演化方向。考虑到当前运营商在前期投入的成本，现有PTN网络很难在短时间内被SPN网络取代。可以预见的是，PTN网络与SPN网络共存的情况将长期存在。因此，合理运用现有网络配置资源，将物联网网络建设推向更高水平将是一项非常重要的研究内容[4]。

2.1 现网演进

在政府的大力扶持下，运营商已在5G网络建设方面取得了长足的发展。在大中型城市的核心区域，SPN网络建设规模现已超过先前PTN网络建设规模。但在一些城市郊区和农村地区，资金投入短缺和设备升级困难等问题严重制约了SPN网络的发展。随着时代的发展，SPN网络必然完全取代PTN网络，成为5G承载的核心网络。结合现网特点，如何合理配置4G/5G业务部署将是一个开放问题。从运营商角度出发，以满足更多用户需求为目标，将设置动态自适应网络。因此，物联网高层网络建设也要结合现网网络演进策略做进一步调整和改进。现网演化模型如图4所示。

图4 现网演化模型

2.2 建设规划

考虑5G网络的发展趋势，其业务场景由现有单一的数据业务扩展至更多的新兴业务，使得今后的物联网业务需求变得更加多元且差异明显，尤其是新技术的加入可能使其变得更加复杂。例如5G无线接入网的扁平化设计要求5G核心网趋于分布式部署架构，导致物联网高层网络的网络结构和功能改变。5G网络建设应考虑今后新业务产生和潜在的风险。因此物联网在不同建设期间应结合实际SPN网络需要，分阶段、分场景进行相应建设现网建设规划如图5所示。