面向LTE-A Pro及5G承載的城域傳送網(wǎng)演進(jìn)

【摘要】為了研究在LTE-A Pro及5G業(yè)務(wù)場景下，城域傳送網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及組網(wǎng)應(yīng)用等演進(jìn)策略，首先從帶寬、流向、時(shí)延、控制管理等方面，分析了LTE-A Pro、5G對承載網(wǎng)提出的要求和挑戰(zhàn)，分析了承載網(wǎng)的發(fā)展演進(jìn)思路，給出了端到端組網(wǎng)架構(gòu)、系統(tǒng)搭建方面的建議，最后對城域傳送網(wǎng)演進(jìn)路線進(jìn)行了總結(jié)和展望。

【關(guān)鍵詞】城域傳送網(wǎng) LTE-A Pro 5G端到端承載

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.01.000 中圖分類號：TN929.53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-1010(2018)01-0000-00

引用格式：王健,湯進(jìn)凱,梁燦. 面向LTE-A Pro及5G承載的城域傳送網(wǎng)演進(jìn)戰(zhàn)[J]. 移動通信, 2017,42(1): 00-00.

Evolution of LTE-A Pro and 5G Oriented Metro Transmission Network

WANG Jian, TANG Jinkai, LIANG Can

(China Mobile Design Institution, Shanghai 200060, China)

[Abstract] The purpose of this paper is to study the evolution strategy of network technology and network application in the metro transmission network under the LTE-A Pro and 5G service scenes. First, from the aspect of bandwidth, delay, direction, control and management of LTE-A Pro, 5G of the carrier network requirements and challenges, analyzes the evolution of the network load. Then, gives the end-to-end network architecture, system construction suggestions, finally, summaries and prospects the metro transport network evolution route.

[Key words] metro area network LTE-A Pro 5G end to end bearing

1 引言

面向LTE/LTE-A的承載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展建設(shè)至今，形成了以剛性管道OTN（Optical Transport Network，光傳送網(wǎng)）為高速基礎(chǔ)通道、以PTN（Packet Transport Network，分組傳送網(wǎng)）等為主力承載的網(wǎng)絡(luò)格局，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用帶動了城域傳送網(wǎng)設(shè)備和技術(shù)在帶寬、容量、處理能力、網(wǎng)絡(luò)安全、QoS、時(shí)間同步、智能化等方面的發(fā)展。另一方面，關(guān)于LTE后續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究也在不斷推進(jìn)。2015年10月，3GPP組織正式公布了基于Rel-13規(guī)范的LTE-Advanced Pro，簡稱LTE-A Pro，作為當(dāng)前LTE、LTE-A的延續(xù)。此外，盡管5G標(biāo)準(zhǔn)大約要在2020年成熟，但業(yè)界對于5G的目標(biāo)已達(dá)成一些共識，在IMT-2020(5G)推進(jìn)組發(fā)布的《5G愿景與需求白皮書》、《5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)白皮書》中，對5G提出了關(guān)鍵能力指標(biāo)和整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

本文接下來將分析未來LTE-A Pro、5G對城域傳送網(wǎng)的需求和挑戰(zhàn)，以現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，研究城域傳送網(wǎng)的發(fā)展演進(jìn)。

2 LTE-A Pro及5G對城域傳送網(wǎng)的需求和挑戰(zhàn)

2.1 LTE-A Pro的需求和挑戰(zhàn)

（1）單站帶寬

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，單個(gè)基站吞吐量和傳輸帶寬相應(yīng)提升，滿足業(yè)務(wù)需求�；�站單小區(qū)峰值帶寬與該基站的頻譜帶寬和頻譜效率成正比關(guān)系。頻譜效率主要通過最大流數(shù)進(jìn)行量化，流數(shù)與基站的天線數(shù)有一定關(guān)系，天線數(shù)量越多，基站支持的最大流數(shù)也會相應(yīng)增加。

目前階段，以中國移動而言，主要采用F頻段及D頻段進(jìn)行覆蓋，考慮到頻段資源的不確定性及無線技術(shù)的發(fā)展，單個(gè)基站最大均值帶寬約為1.3 Gbit·s-1~1.5 Gbit·s-1，最大峰值帶寬約為4.5 Gbit·s-1~5.3 Gbit·s-1。實(shí)際部署中，熱點(diǎn)區(qū)域單基站均值帶寬約為0.6 Gbit·s-1，峰值帶寬約為2 Gbit·s-1。

（2）窄帶物聯(lián)網(wǎng)

LPWA（Low Power Wide Area）是符合低帶寬、低功耗、遠(yuǎn)距離通信、廣覆蓋、海量連接要求的，適合近階段運(yùn)營商部署的一種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，包括NB-IoT，LoRa，Sigfox等技術(shù)，3GPP選擇了NB-IoT技術(shù)（Narrow Band-IoT，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）并在Rel13凍結(jié)了標(biāo)準(zhǔn)。

為支持NB-IoT，一般需建設(shè)專用MME、SGW，區(qū)別于4G的S1接口，基站到IoT專用EPC接口為S1*接口，另外，NB-IoT系統(tǒng)沒有X2這一類接口，單站帶寬需求較小，為百k級別，時(shí)延為秒級。

對傳輸而言，如上分析，帶寬和時(shí)延較小，此外，其覆蓋范圍相對GSM大，承載網(wǎng)需要提供的電路連接數(shù)總體較少，因此總體沒有大的挑戰(zhàn)，由于需要新增一定量的S1*電路（約幾千到一萬），橋接設(shè)備的帶站能力方面需作好預(yù)留。端到端業(yè)務(wù)路徑和主要接口如圖1所示：

圖1 NB-IoT主要接口

（3）站間協(xié)同

3GPP在Rel-12標(biāo)準(zhǔn)中，對基站間的CoMP（Coordinated Multi-Point Operation，多點(diǎn)協(xié)作傳輸）作了增強(qiáng)，CoMP作為一種多小區(qū)協(xié)作傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)，能夠提高小區(qū)邊緣用戶的信號質(zhì)量，具有改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋、提高小區(qū)邊緣吞吐率的效果。

站間協(xié)同的方式可以是簡單規(guī)避干擾的CS/CB（Coordinated scheduling/Coordinated Beamforming，協(xié)同調(diào)度/協(xié)同波束賦形），也可以是復(fù)雜的多小區(qū)聯(lián)合處理數(shù)據(jù)的JT/JR(Joint Transmission/Joint Reception，聯(lián)合發(fā)送/聯(lián)合接收)。

CS/CB就是通過基站間傳遞一些信令，使得處于基站重疊覆蓋區(qū)域的用戶，在同時(shí)接收多個(gè)基站的信號時(shí)，避免受到信號干擾，而JT/JR則通過多個(gè)基站的協(xié)作，同時(shí)向小區(qū)邊緣用戶發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，使得小區(qū)邊緣用戶的信號獲得更多的增益。CS/CB僅需要在基站間傳遞一些信令，對承載的帶寬和時(shí)延要求較低，JT/JR則對承載提出了更高的要求。以S111型8天線宏基站為例，各協(xié)同技術(shù)對傳輸?shù)膸�寬及時(shí)延需求如表1所示：

表1 協(xié)同技術(shù)對傳輸帶寬和時(shí)延需求

由于CoMP針對的是小區(qū)重疊區(qū)域的用戶，從實(shí)際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來看，引入CoMP增加的帶寬需求應(yīng)計(jì)入峰值帶寬，通過統(tǒng)計(jì)復(fù)用可以減少對網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的沖擊�？梢钥闯�，相對于帶寬而言，站間CoMP的時(shí)延對承載網(wǎng)提出了更高要求，承載網(wǎng)絡(luò)目前僅能滿足4 ms的時(shí)延要求。

2.2 5G的需求和挑戰(zhàn)

（1）5G概念

根據(jù)IMT2020 5G概念白皮書，5G概念可由“標(biāo)志性能力指標(biāo)”和“一組關(guān)鍵技術(shù)”來共同定義。5G設(shè)計(jì)目標(biāo)主要是廣覆蓋、高容量、低功耗、大連接、低時(shí)延、高可靠，根據(jù)IMT-2020的5G概念白皮書：廣覆蓋、高容量主要滿足未來移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)；低功耗、大連接、低時(shí)延、高可靠主要面向新拓展的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)領(lǐng)域。

（2）5G對城域傳送網(wǎng)的需求和挑戰(zhàn)

帶寬方面，5G單站回傳峰值帶寬為4G的10倍到數(shù)10倍，站址密度為4G的數(shù)倍到10倍。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和流向方面，5G場景下UDN（Ultra Dense Network，超密集網(wǎng)絡(luò)）要求深度的站間協(xié)同，移動承載流量模型向MESH化、橫向化發(fā)展，綜合考慮Inter CA、UL_CoMP、DL_CoMP、CSPC（Coordinated Scheduling based Power Control，基于功控的聯(lián)合調(diào)度）等因素，基站橫向流量占比一般為S1接口的10%~20%。由于CRAN模式逐步成為主流建站方式，一方面，集中機(jī)房前傳接口的增加，帶來了纖芯或波分設(shè)備集中部署的需求，BBU的堆疊，帶來了回傳接口帶寬進(jìn)一步提升的需求；另一方面，站間流量在同個(gè)集中機(jī)房內(nèi)可直接處理，這為減少橫向流量帶來了對承載網(wǎng)的帶寬、時(shí)延等方面的挑戰(zhàn)，可能會擴(kuò)大集中機(jī)房的覆蓋面積，形成BBU高度集中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外，EPC/DC/MEC存在逐步下沉的可能性，也可能帶來一部分橫向流量的需求。

時(shí)延方面，部分業(yè)務(wù)端到端的時(shí)延最高要求為1 ms量級，分給承載網(wǎng)的時(shí)延只有100 μs量級，而前傳接口時(shí)延最高要求可能只有50 μs。

SDN與網(wǎng)絡(luò)切片方面，承載網(wǎng)需要平滑升級支持SDN、支持網(wǎng)絡(luò)切片，以滿足不同場景對帶寬、時(shí)延、服務(wù)質(zhì)量等差異化要求。

3 城域傳送網(wǎng)各階段部署及演進(jìn)建議

3.1 近期網(wǎng)絡(luò)部署建議

根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)制定的進(jìn)度，預(yù)計(jì)至2017~2018年，標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)到Rel-14版本。單站最大帶寬為Gbit·s-量級，端到端時(shí)延在10 ms級別，站間時(shí)延在1 ms~4 ms。

該階段城域傳送網(wǎng)主要圍繞4G及部分LTE-A Pro基站需求，設(shè)備網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)圍繞PTN、OTN網(wǎng)絡(luò)，以提升系統(tǒng)容量為主，適度優(yōu)化結(jié)構(gòu)或新建承載網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)管理方面應(yīng)加快智能化、信息化部署，推進(jìn)SPTN、智能ODN等建設(shè)。

對于設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，仍采用核心、匯聚、接入三層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)：

（1）核心層面應(yīng)兼顧物聯(lián)網(wǎng)需求，滿足連接電路數(shù)的需求，考慮到單站帶寬和站點(diǎn)規(guī)模的提升，線路側(cè)應(yīng)支持N×100 G或200 G的連接速率，核心節(jié)點(diǎn)單設(shè)備容量應(yīng)達(dá)到6.4 T甚至更高�？紤]到CoMP功能部署后對承載網(wǎng)時(shí)延的需求，目前光纖時(shí)延典型值為5 μs/km，設(shè)備時(shí)延典型值為20 μs~50 μs/節(jié)點(diǎn)，對于部分郊縣，如果時(shí)延超出業(yè)務(wù)需求，可適當(dāng)擴(kuò)大L3網(wǎng)絡(luò)部署范圍，下沉L3網(wǎng)絡(luò)至郊縣的核心業(yè)務(wù)收斂節(jié)點(diǎn)。架構(gòu)的演進(jìn)如圖2所示：

圖2 近期網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)示意

（2）匯聚、接入層面考慮到無線基站帶寬需求，應(yīng)綜合提升網(wǎng)絡(luò)容量和設(shè)備處理能力，匯聚層面應(yīng)提升設(shè)備端口集成度能力至40 G/100 G，接入層面應(yīng)以10 G組網(wǎng)為主，按需疊加10 GE/40 GE/50 GE擴(kuò)容，實(shí)現(xiàn)基站回傳，隨著單站載頻增加，集中-拉遠(yuǎn)建站模式下，CPRI接口帶寬不斷增長，應(yīng)視光纜纖芯資源情況，適度擴(kuò)大有源、無源波分部署規(guī)模。

網(wǎng)絡(luò)管理方面應(yīng)在PTN網(wǎng)絡(luò)中引入并應(yīng)用SDN，重點(diǎn)解決L3 VPN部署優(yōu)化、業(yè)務(wù)快速調(diào)整等功能，如圖3所示：

圖3 SDN功能部署示意

3.2 遠(yuǎn)期網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)設(shè)想

根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)制定的進(jìn)度，預(yù)計(jì)至2020~2022年，5G標(biāo)準(zhǔn)將發(fā)展到Rel-16版本。單站最大帶寬為10 Gbit·s-1量級，端到端最低時(shí)延為1 ms級別。

遠(yuǎn)期網(wǎng)絡(luò)將面向5G、LTE-A Pro為主進(jìn)行承載。從演進(jìn)思路來看，主要方向有：網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量提升、網(wǎng)絡(luò)扁平化、前傳承載方式演進(jìn)、L3網(wǎng)絡(luò)下沉、網(wǎng)絡(luò)智能化，網(wǎng)絡(luò)切片等。

網(wǎng)絡(luò)容量方面，核心層單鏈路速率達(dá)到400 G/1 T級別，系統(tǒng)配置容量達(dá)到幾十T級別；匯聚層單鏈路速率達(dá)到400 G/1 T級別，系統(tǒng)配置容量達(dá)到100 T級別；接入層單鏈路速率達(dá)到40 G/100 G級別。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，將向扁平化方向進(jìn)一步演進(jìn)。核心層逐步簡化結(jié)構(gòu)，采用Mesh結(jié)構(gòu)，可考慮骨干匯聚點(diǎn)和L2/L3橋接設(shè)備合一設(shè)置，其優(yōu)點(diǎn)主要在于：1）減少網(wǎng)絡(luò)層級；2）減少一跳設(shè)備時(shí)延；3）節(jié)省同機(jī)房空間和電源等配套資源。匯聚層綜合考慮到容量和演進(jìn)等需求，可考慮優(yōu)先采用雙上聯(lián)結(jié)構(gòu)。

前傳承載方式的演進(jìn)主要是基于NGFI（Next Generation Fronthaul Interface，下一代前傳接口）標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前CPRI接口被認(rèn)為無法支持5G網(wǎng)絡(luò)，主要原因在帶寬太大，將達(dá)到100 G，這會帶來巨大的成本壓力，因此需要重新定義BBU和RRU之間的接口，將BBU和RRU的邏輯功能重新劃分，目標(biāo)是將其分組化，從根本上改變CPRI接口結(jié)構(gòu)，減少BBU和RRU之間帶寬。

與之相關(guān)的是L3網(wǎng)絡(luò)下沉。不考慮L3網(wǎng)絡(luò)下沉到接入層，未來網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)可能方向主要有兩種：

（1）L3下沉到匯聚點(diǎn)。匯聚點(diǎn)內(nèi)X2通過其轉(zhuǎn)發(fā)；匯聚點(diǎn)間X2通過橋接設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)；橋接設(shè)備間X2通過L3落地設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）L3不下沉，仍維持在核心層面，采用集中機(jī)房+CRAN（NGFI）方式建站。X2主要通過同集中機(jī)房跨設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)；拉遠(yuǎn)方式建站；前傳通過NGFI壓縮帶寬，這種方案要求以NGFI的實(shí)現(xiàn)為前提條件。

L3網(wǎng)絡(luò)在哪個(gè)位置取決于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、工程投資等多方面因素，但三層域越大，配置維護(hù)工作量越大，可結(jié)合核心網(wǎng)網(wǎng)元EPC下沉策略同步考慮L3網(wǎng)絡(luò)下沉。

網(wǎng)絡(luò)智能化方面，要能夠基于5G應(yīng)用場景自動做網(wǎng)絡(luò)資源的適配，通過網(wǎng)絡(luò)切片，實(shí)現(xiàn)“一個(gè)邏輯架構(gòu)、多種組網(wǎng)架構(gòu)”的形態(tài)。在部署角度上，網(wǎng)絡(luò)分片包括兩個(gè)階段，第一階段主要實(shí)現(xiàn)管理平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面切片，第二階段主要實(shí)現(xiàn)控制平面切片。

3.3 分階段演進(jìn)建議和設(shè)想

受網(wǎng)絡(luò)、終端、業(yè)務(wù)、市場及各技術(shù)發(fā)展的影響，未來4G網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)兩者會在較長的生命周期內(nèi)共存，部分4G基站會向LTE-A Pro演進(jìn)，LTE-A Pro、5G初期可能只是在4G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充，比如先實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋等。

但無論是LTE-A Pro承載還是5G承載，在SPTN部署、大容量大帶寬設(shè)備需求、基礎(chǔ)資源部署等方面的演進(jìn)趨勢是一致的，傳送網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)應(yīng)基于可持續(xù)發(fā)展的原則進(jìn)行。因此，傳送網(wǎng)應(yīng)適度超前建設(shè)，首先滿足近中期的需求，同時(shí)做好儲備，對于判斷明確的發(fā)展趨勢，通過建設(shè)補(bǔ)齊短板，適應(yīng)未來網(wǎng)絡(luò)變革。

近期階段網(wǎng)絡(luò)以維持架構(gòu)穩(wěn)定為主，在滿足4G基站承載的基礎(chǔ)上，按需提升系統(tǒng)容量和設(shè)備能力；遠(yuǎn)期階段，由于帶寬、業(yè)務(wù)流向模型、時(shí)延、智能化管理要求的變化，承載網(wǎng)絡(luò)可視業(yè)務(wù)發(fā)展考慮架構(gòu)整合或新建平面。

4 結(jié)束語

本文基于PTN+OTN為主的技術(shù)，著重對回傳承載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了組網(wǎng)架構(gòu)及演進(jìn)的分析，尚未涉及基于IP RAN等承載方案。此外，從承載網(wǎng)絡(luò)可能的演進(jìn)方向看，還包括IP和光融合承載、前傳回傳統(tǒng)一承載等其他技術(shù)路線，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)以及技術(shù)發(fā)展成熟度進(jìn)行靈活選擇。同時(shí)，SPN技術(shù)的成熟將為5G承載演進(jìn)進(jìn)一步提供新的選擇。

總體來說，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展，移動數(shù)據(jù)流量呈爆炸式發(fā)展趨勢，而LTE-A Pro及5G的標(biāo)準(zhǔn)研究也在同步推進(jìn)，承載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)積極應(yīng)對，適度超前謀劃布局，適應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展的新需求。

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作者簡介

王健：碩士，現(xiàn)任職于中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司上海分公司，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ拧?/p>

湯進(jìn)凱：碩士，現(xiàn)任職于中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司上海分公司，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ拧?/p>

梁燦：本科，現(xiàn)任職于中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司上海分公司，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ拧?/p>

作者：王健 湯進(jìn)凱 梁燦 來源：《移動通信》2018年1月