移动网络承载网的改造和升级方案

文/张森洪 章伟飞

随着LTE网络的成熟和5G时代的到来，中国通信面临着各种机遇和挑战，承载网作为网络建设的重要部分，也将面临技术的升级换代，PTN、IPRAN将面临升级、OTN网络将下沉，承载网将提供更大的带宽、更小的时延、更灵活的配置。

1 LTE网络建设及承载网方案

LTE是由3GPP组织制定的UMTS技术标准的长期演进，于2004年12月在3GPP多伦多会议上正式立项并启动。LTE系统引入了OFDM和MIMO等关键技术，显著提升了频谱效率和数据传输速率，下行峰值速率约100M-150Mbps，上行为50Mbps，并支持多种带宽分配：1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz等，系统容量和网络覆盖也显著提升。

2013年12月4日，工信部分别向三大运营商颁发了4G运营牌照，拉开了我国4G建设运营的序幕。2013年-2017年中国移动新建LTE基站150万个，TD-LTE用户规模也超过7亿。2019年，随着5G建设初期开启，运营商无线网投资重新进入增量周期。运营商将增设5G无线端，叠加做厚4G网络，依托现有的站址资源、做厚网络容量层。

当前传输网络实现LTE承载主要有两种方式：PTN以及IPRAN。PTN依赖的是MPLS技术，MPLS技术可以提供二层业务，并对三层协议进行支持。而IPRAN则更多地偏向于对用户IP和个性化的满足，IPRAN路由器直接承载各类IP业务，通过伪线仿真技术的鉴别，保证用户信息和数据传输的安全性。

TD-LTE中的E-NodeB基站总传输带宽需求具体计算公式为：E-NodeB总带宽需求=（S1用户平面带宽需求+X2用户平面带宽需求）×扇区数+S1控制平面带宽需求+X2控制平面带宽需求+其他开销带宽。

如表1所示计算的是一个TD-LTE基站的峰值传输带宽需求，实际规划中一般计算基站的保证带宽需求。保证带宽的计算有采用多种方式，可根据平均值和峰值配比进行计算。表1单扇区的3:1时隙时用户面的峰值为104.5Mbps，平均值为26Mbps。按峰值、平均值1:2进行计算，S111基站需要的带宽为：(104Mbps+2×26Mbps+3+1)×1.05=168Mbps。

中国移动城域传送网建设指导意见中对于接入层的规范如下：城区PTN接入环应以单层环或环带短支链结构为主，单个接入环上的基站站址数建议为6-8个，最大不超过10个；乡镇农村区域，PTN接入环还可采用2级接入环带短支链的结构，单个接入环上的基站站址数建议为6-10个，最大不超过15个。

表1：TD-LTE基站传输带宽需求

2 5G网络及承载的挑战

5G网络是指在移动通信网络发展中的第五代网络，与之前的四代移动网络相比较而言，5g网络在实际应用过程中表现出更强的功能，并且理论上其传输速度能够达到数十Gbps，这种速度是4G移动网络的几十倍。

5G承载网的建设任务将面临巨大的挑战，它要把地域分布非常广泛的宏站，以及和DU、CU分离的无线网元与5G核心网连接起来，由于5G核心网常位于省干或城域核心机房，因此5G承载分成了省内干线、城域核心层、汇聚层和接入层等。

5G第一个挑战就是带宽需求，根据5G低频站和高频站的典型配置参数，按照NGMN的基站带宽计算方法，5G低频站的峰值带宽是4.6Gb，均值带宽是2Gb；5G高频站的峰值带宽是13Gb，均值带宽是5Gb[3]。5G低频站将需用1个10GE接口，高频站需要2个10GE接口或1个25GE接口。为了承载5G，接入环的线路速率将达到25G/50G/100G，汇聚核心层的带宽需求将超过100G，汇聚核心层设备之间需多个100G/200G/400G链路互连。

第二个挑战就是时延，3GPP要求eMBB业务用户面时延小于4ms，控制面时延小于10ms；uRLLC业务用户面时延小于0.5ms，控制面时延小于10ms。4G、5G前传将采用光纤直驱，承载节点的处理时延20us～50us量级，要尽可能降低承载节点的时延。

第三个挑战是高精度时间同步，5G 基本业务同步需求与4G相当，均为3us；5G协同业务需求指标：65ns/130ns/260ns/3us；少量百纳秒量级的时间同步要求需基于前传网实现网同步。

3 移动网络承载网的改造和升级方案

5G承载网将需要带宽、时延、同步三大性能指标支撑，大带宽主要体现在5G前传、中传、回传三部分，超低时延的需求主要集中在前传、中传部分，对高精度时间同步，特别是基站间协同如载波聚合，主要集中在前传和中传部分。

对于5G承载网来说，灵活路由是基本要求。网络中南北向流量为主，东西向流量较少，无需建立全mesh连接，带宽、时延是核心竞争力，光层提升核心性能，增强路由转发功能满足灵活性需求。

5G中回传承载方案，主要包括对PTN、OTN、IPRAN等现有技术框架的改造。从宏观上来说，5G承载网是在4G承载网现有技术框架的基础上，通过“技术升级、设备改造”的方式，通过新技术实现能力的全面强化。

OTN是以波分复用技术为基础、在光层组织网络的传送网，是通过G.872、G.709、G.798等一系列ITU-T的建议所规范的新一代“数字传送体系”。OTN在光网络中一直扮演着重要的角色，它的透明传送、完善的OAM、保护等功能，可以满足新型业务对于业务质量的要求。随着5G新业务的发展，接入业务带宽需求飞速增长，OTN下沉部署成为大势所趋，构建一个涵盖城域接入层、汇聚层、核心层以及长途干线层的端到端OTN网络，是未来网络发展的必然趋势。

以国内三大运营商的5G中回传承载网方案为例，基本上都是在现有方案上进行加强和改良，同时实现OTN下沉，从而实现对5G的支持。

首先看实力最强的中国移动，移动提出了自主创新的SPN解决方案。SPN就是Slicing Packet Network，切片分组网。中国移动的4G承载网是基于PTN的，而SPN基于以太网传输架构，继承了PTN传输方案的功能特性，并在此基础上进行了增强和创新。

SPN可以认为是在以太网上“升级”一个光接口，充分利用现在成熟的以太网生态链，实现比较高的性价比。移动竭力推动SPN的标准立项，还大力扶持SPN上下游产业链的发展。在它的努力下，SPN技术发展很快，产业链也日趋完整。

中国电信在5G承载领域主推M-OTN方案。M-OTN（Mobile-optimized OTN）是面向移动承载优化的OTN技术。电信拥有非常完善和强大的OTN光传送网络，它在光传输网基础设施方面还是很有优势的，带宽资源也非常充足。

中国联通由于传输资源和建设资金的缺陷，希望利旧IPRAN系统，节约投资。但现有IPRAN技术是不可能满足5G要求的，仅带宽就无法承载5G网络，所以联通就研究起IPRAN2.0。IPRAN2.0在端口接入能力、交换容量方面有了明显的提升。此外，该标准在切片承载技术、隧道技术、智能维护技术方面也有很大的改进和创新。中国联通一直都在做IPRAN 2.0规范的功能验证和性能测试，目前进展较为顺利，正在稳步推进中。

随着5G时代的到来，中国通信面临着各种机遇和挑战，承载网建设作为网络建设的重要部分，也将面临着技术的升级换代，各运营商将结合各种的优势，部署各种新技术迎接新通信时代。