第四代通信传送网的组网研究

向 峰

（武警广西总队作战勤务指挥中心，广西 南宁 530031）

0 引 言

根据有关数据统计，2021年全国网民人数为9.89亿，视频用户为8.09亿，人均每周上网时间为30.8 h，利用网络进行购物累计7.49亿人次。随着4G技术的广泛应用，各国都在加速传送网的建设，原来的传送网以同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）光传输为主，虽然形成了比较完善的传送网络结构，但是SDH的刚性带宽需求降低了网络资源的使用效率，对于承载类业务的带宽提速及后期维护工作十分不方便，已无法更好地满足传送网的业务发展需求[1]。传送网就是传送某种东西的网络，而这种东西就是信息。传送网发展至今已经具有了许多优点，如告别以前传送信息的不确定性，组建网络方面十分灵活。承载传统时分复用模式（Testing Date Management，TDM）语音业务，但是配备传统技术的传送网不能办理宽带业务和数据业务，在一定程度上限制了带宽的种类，降低了带宽的利用率，而且对外提供的标准接口种类也较少，不能够满足多种多样的宽带业务需求。为了能更好地承载IP类的数据业务，光传送网（Optical Transport Network，OTN）和分组传送网（Packet Transport Network，PTN）在此背景下诞生。OTN是一种把波分复用当作基础技术，网络在光层得到相关处理的传送网，因其稳定可靠已经成为下一代骨干传送网的热门选择。

1 第四代移动通信技术

长久以来，传送网络被拿来当作基础网络，到现在也已经成为可以承载多种业务的传送网络。随着技术的发展，更高层面上的承载网是通过原来的传送网加上承载网之后融合而成的。现在，传送网和IP承载网都具备了提高业务实用性的基础功能，甚至可以局部重叠，而且随着技术的发展，这种情况肯定会越来越明显[2]。

1.1 技术特点

基于正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM），具备较好的抗干扰性和较高的信息传输速率。基于软件无线电技术，编解码和射频通信模块可根据需要通过定制软件来灵活设置，因此可支持多频段、多模式信号传输，大幅度提高频谱利用效率。基于智能天线技术，能精准控制无线电波束，将主瓣对准用户天线，旁瓣对准干扰信号传来方向，有效抑制或消除干扰信号，同时大幅提高天线能量利用效率。基于多进多出（MultiInput Multiple Output，MIMO）技术，可将信道链路分解为大量并行的子信道，以大幅度提高系统的通信容量。

1.2 应用情况

截止目前，全球一共有300多家运营商在百余个国家部署了第四代移动通信网络，大型4G网络（用户数量）主要集中在中国、美国、日本、韩国和欧洲。国际上的4G通信标准分为分时长期演进（Time Division-Long Term Evolution，TD-LTE）和频分双工长期演进（Frequency Division Duplex-Long Term Evolution，FDD-LTE）两种，全球大部分运营商采用的网络频谱模式为频分双工（Frequency Division Duplex，FDD），但时分双工（Time Division Duplex，TDD）模式也逐渐被认可[3]。当前，全球大部分国家均对长期演进技术（Long Term Evolution，LTE）网络进行频谱重整，特别是1 800 MHz和900 MHz频段。运营商可以在此基础上充分使用现有频段而无需考虑具体的技术，总体上看，1 800 MHz是全球最为普遍使用的频段，其在商用FDD-LTE网络中的使用率为43%。

2 组网技术原理

2.1 OTN技术原理

OTN技术的来源并没有想象中那么复杂，其实就是传统的SDH/同步光纤网络（Synchronous Optical Network，SONET）技术。其思路主要是通过对映射、复用、交叉连接、嵌入式开销、FEC等相关具体技术进行分析，采用这些技术中的优点，传统SDH/SONET技术具有极强的运营管理能力，后来人们将其应用到波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）系统中，并且把WDM技术的优点容量大和SDH/SONET技术的优点灵活、安全、可靠一并吸收形成OTN技术。OTN技术的优点有很多，具体分为以下5个方面：

（1）具有透明传送的能力；

（2）可以支持封装传送多种客户信号；

（3）具备交叉连接的可升级性；

（4）强大安全可靠的带外前向纠错（Forward Error Correction，FEC）功能；

（5）串联监控功能。

和其他技术一样，OTN技术也存在短板，为了避免在OTN技术里重蹈覆辙、削弱OTN技术的可靠性，OTN技术也要对网络进行分层。OTN网络结构示意如图1所示。

图1 OTN网络结构

和其他相关技术相同，OTN也对自身功能单元进行了分类。

（1）光通道净荷单元（Optical Channel Payload Unit，OPU）：用来适配业务信号，使其适合在光通道上传输。

（2）光通道数据单元（Optical Channel Data Unit，ODU）：以OPU为净负荷，增加相应开销，提供端到端光通道的性能监测。

（3）光通道传输单元（Optical Channel Transport Unit，OTU）：以ODU为净负荷，增加相应开销，提供FEC功能和对OTU段的性能监测。

OTN常见单板有光转发单板、电交叉类单板、合波/分波单板和光放大单板。电交叉类单板可以分为客户侧的单板、线路侧的单板和电交叉单板。光放大单板又可以分为光前置放大板、光功率放大板和光线路放大板。正是因为光转发单板的内部拥有激光器，能够稳定的发出光，这种光满足波分系统标准的波长，所以光转发单板能提供线路侧光模块[4]。并且光转发单板能把来自客户侧的信息封装到与信息类别相匹配的OTN帧里面，然后传送到线路侧输出。

2.2 承载网原理

传送网发展到今天，概念上和承载网几乎已经没有差别，在某种意义上传送网就是承载网。承载网由传统的传送网加上IP承载网，一起统称为“大承载网”，也就是现在说的承载网。其中IP承载网包括路由器、交换机、PTN等设备，用于进行IP分组的快速路由与交换；而光传输网包括SDH、密集型光波复用（Dense Wavelenght Division Multiplexing，DWDM）、OTN等，用于远距离、大容量的数据传送。现在，SDH/多业务传送平台（Multi-Service Transport Platform，MSTP）、PTN、无线接入网IP化（IP Radio Access Network，IPRAN）和WDM/OTN等传输技术的优势已经被人们探知清楚，所以承载网吸收结合这些技术，在逻辑上分为了4层，即接入层、汇聚层、核心层和骨干层。

从逻辑上来讲，承载网4层里面距离人们最近的是接入层，如果以从上往下的逻辑，它连接的是基站和其他接入设备。接入层的速率都比较低，大概范围通常在155 Mb/s～1 Gb/s。在接入层上面的是汇聚层，所以汇聚层的速率普遍比接入层要高，通常在622 Mb/s～10 Gb/s。而核心层的速率通常在1～10 Gb/s。骨干层位于核心层的上面，只能处理跨省级的电话信号传输，范围位于市内的电话信号是不需要进入骨干层传输处理的，骨干层的速率范围为10 Gb/s～T b/s。承载网的层次如图2所示。

图2 承载网的层次

2.3 PTN技术

以前老旧的交换机在进行承载相关业务时往往会产生许许多多的问题，其安全可靠性能受到了相当大的质疑，有时候还不能快速地完成业务承载。在接入业务和同步时间时也显得有心无力，还不能够对故障点进行维护修正，这时PTN技术应运而生。PTN技术的核心就是分组架构，吸收了Ethernet技术和MPLS技术的优点，已经成为了下一代分组承载的主要技术[5]。PTN技术增加了网络管理特色功能，能对网络进行控制，演变为一种面向连接的分组传送技术。

通过PTN组建的网络人们对其进行了分层，一共3层，对PTN的功能平面也进行了分层，同样一共3层。综合看来，PTN技术在某种意义上就是对先前技术的优点进行整合与吸纳，但是再完美的技术也会存在缺陷，要用发展的眼光看待这些技术。

2.4 PTN+OTN混合组网技术

在当前的PTN网络中，国内的网络运营商经常采用大量的SDH网络和一部分PTN网络，主要包含链状系统和环形系统等，PTN网络和OTN网络目前的组合方式主要有相互独立和承载互通两种。相互独立形式是PTN网络和OTN网络承载的业务类型不同，相互独立运行，PTN网络承载GE以下小颗粒业务，OTN承载GE以上大颗粒业务；承载互通形式是指在PTN系统的运行速率低于OTN系统时，OTN网络也能够承载PTN网络，因此较大幅度地提高了链路资源的利用率，并充分发挥OTN网络的调度和保护功能，使PTN系统的生存性得到提高。如果OTN网络也具有智能控制平面，则应将两方的智能控制平面进行互通，并在模型再运用跨层次的保护回复功能协调机制[6]。

3 网络拓扑规划

3.1 星型拓扑

星型拓扑的优点有：（1）安装比较方便；（2）控制也比较简单；（3）好操作。缺点是中心节点的压力大，发生故障时全网都会瘫痪。为了处理这个问题，有些网络采用双星型拓扑，网络中配置两个中心节点。

3.2 环形拓扑

环形拓扑的优点有：（1）当信号在环形拓扑上传输时是单方向的，时延相对来讲比较一致；（2）环形拓扑规划节约光缆的成本；（3）环形拓扑稳定安全可靠；（4）环形拓扑上的各个节点负载相同。

环形拓扑的缺点是在运行业务时增加环上的节点会产生延时或者中断现象，进而影响信息的传输。

4 容量规划

各地区国家的传送网都可以分为接入层、汇聚层和核心层，再加上省骨干网，每个层次的重要设备容量参数也大为不同。每一个层次涉及到相应的计算方法也大不相同，重点在于对每一个层次设备数量、设备类型以及每一层次特点优势的把握。国内外的城市，其涉及到的参数无一例外相对较多，所以需要有统一标准的算法。国内某城市的承载网参数规划如表1所示。

表1 国内某城市的承载网参数规划

5 硬件设备选型规划

依据网络的实际需求来规划每个机房的具体设备性能和类型，因为拓扑规划里已经选择好了设备类型，在设备配置时，选择性能方面相匹配的设备型号就相对简单。依据容量计算得出的结果从两个方面去选型，第一方面是设备本身吞吐量，第二方面是接口带宽[7]。

传输速率在1 Gb/s以上的接口都是高速线卡。接入层的相关设备和汇聚层的相关设备，接口带宽能否满足链路带宽的要求是需要关注的。核心层的相关设备和骨干网的相关设备，设备的整体吞吐量能否承载数量较多的基站也是需要关注的，比如通过计算得到核心层设备的吞吐量为500 Gb/s，就要选择使用大型的PTN或者大型的路由器。传送网络所有设备型号及性能如表2所示。

表2 传送网络所有设备型号及性能

OTN设备的选择应该考虑两个方面因素的影响。第一个因素是接口容量大小，这里的接口主要是指客户侧的；第二个因素是本机房连接其他机房的数量。例如，如果连接核心层的路由器与骨干网的路由器是用100GE标准的接口，则OTN设备需要选择对应100GE的设备。大中型城市的承载中心机房与其他几个机房是用OTN连接的，所以就要配置3对以上OMU或ODU单板的OTN设备[8,9]。OTN所有设备型号及性能如表3所示。

表3 OTN所有设备型号及性能

6 结 论

4G传送网需要不断优化升级，进行技术方面的革新，不断利用相关新型技术来提高4G传送网传输质量，使5G传输网络能够更快普及和发展是时代的需要。考虑到5G通信系统未来的业务需要以及对网络架构的前瞻设计，光传送网需要在智能化、巨连接、大容量等方面做出进一步改进，设计理念和技术实现上面临较大挑战。对此，不仅需要持续关注业务和需求发生的变化，切片网络带来的流量流向变化，也同样应该关注传送网技术的不断发展，传送网建设规划思路和运营工作方法的变化。目前，5G标准技术已经日趋成熟，5G会以前所未有的速度发展，而5G的飞快发展对新一代移动通信技术的研发与应用将产生巨大影响，同时对传送网提出新的要求。对4G传送网的应用现状和业务需求的分析，可为5G网络的发展和应用提供借鉴，在兼顾现有传送网的同时，联合各方力量推动5G传送网的技术和产品向着更新、更安全、更经济的方向前进。