面向5G的IPRAN网络规划方法探讨

黄铭锋（中讯邮电咨询设计院有限公司上海分公司，上海 200050）

0 前言

进入2019 年，5G 已经从研究开发，逐步迈入规模建设的门槛，几大运营商经过前期的5G 试点，对不同的传输方案进行了相应的验证，这些传输方案包括IPRAN、IPRAN+PeOTN、SPN、MOTN 等，其中IPRAN 传输网络技术成熟、成本较低，在5G 传输上都具有较大的优势，但是IPRAN 传输网现有网络结构复杂、设备规模庞大、设备型号各异。因此，非常有必要对5G 传输特性进行分析，针对现有网络情况，提出具体的规划方法。

1 5G传输需求

5G 三大主要应用方向是超大带宽（eMBB）、超低时延（uRLLC）、超大连接（mMTC），结合5G频谱频率较高的现实情况，5G 站点将会出现密度高、容量大等特点，这就要求传输网必须具备灵活、高效、智能的特性。

1.1 传输协议

5G 传输的三大主要技术包括EVPN（Ethernet VPN）、SR（Segment Routing）、Flex-E。

EVPN 技术是下一代的Ethernet L2 VPN 解决方案，通过引入BGP 协议承载MAC 可达信息，从控制平面学习远端MAC 地址，将IP VPN 的技术优势运用到以太网络中，实现控制和转发平面分离的目标。EVPN 技术从业务层面区分，包括EVPN L2 VPN、EVPN L3 VPN。在IPRAN 承载网络中，建议采用EVPN L2 VPN 替代传统的L2 VPN 专线。采用EVPN L3 VPN替代HoVPN 技术，实现各承载协议向EVPN统一，简化运维。

SR 技术目前包括SR-BE 与SR-TE 2 种。对于5G S1 业务，属于确定性路径业务，可部署端到端的SRTE 隧道，在IPRAN 网络接入、汇聚、核心层级设备之间，部署分段SR-TE 隧道。对于5G eX2 业务，存在路径不确定性，建议部署SR-BE 隧道，IPRAN 网络接入、核心汇聚层分属不同的IGP 域，域内节点间自动生成Full-mesh的SR-BE隧道。

Flex-E 技术是实现5G 网络硬切片的技术方案之一，通过建立端到端的Flex-E 硬管道，提供低时延、低抖动、实时业务的承载网络，由于Flex-E 技术存在设备硬件要求，标准化工作尚在完善，在IPRAN 承载网络初期可采用VPN+DSCP 方式实现网络软切片，在Flex-E技术条件具备后，按需部署硬切片特性。

1.2 传输带宽

根据典型的站点配置分析，提取分析单站流量峰值和均值。站点理论流量模型分析如表1所示。

5G 前期采用NSA 建设方案，4G/5G 基站共站址建设，共站均值3.21G（3.09G+0.12G），共站峰值6.075G（5.77G+0.305G）。

表1 4G/5G站点理论流量模型分析

目前基站承载方案主要分为C-RAN 和D-RAN 方式，下面针对不同承载方式，按照接入环下挂基站的均值站∶峰值站=7∶1，考虑30%的站点容量负荷比，接入层∶汇聚层∶核心层带宽收敛比为8∶2∶1，接入环、汇聚环、核心环的典型容量需求如表2所示。

1.3 传输时延

5G 低时延特性，主要为满足特殊场景下的用户体验需求。现有4G网络平均端到端时延约为几十毫秒，5G 提出了端到端的毫秒级时延要求，5G 低时延技术的实现，需要通过承载网络架构扁平、控制转发分离、核心网功能下沉、移动边缘计算、网络切片等手段对时延进行优化，以灵活应对不同业务的时延要求。

IPRAN 承载网络的时延特性，主要和业务端到端转发处理设备数量、光缆传输距离有关，通过采用低时延业务直通调度和抢占转发资源的技术，可以大大减少IPRAN 设备时延，达到几十μs，光缆传输时延为5 μs/km。因此为达到5G 毫秒级的时延需求，需要减少网络层级，从而尽可能减少端到端经过的设备数量，同时减少光缆传输距离。

表2 IPRAN承载网理论流量模型分析

综上所述，5G 承载网络指标需求主要包括带宽、时延、三层灵活部署、时间同步、网络切片、智能运维等方面。在IPRAN 规划过程中，需要制定IPRAN 承载5G的目标网络结构，对现有IPRAN网络和设备进行分析，从而制定最优的方案。

2 IPRAN规划方法

按照问题导向、目标引领、具体规划的总体思路，下面具体介绍面向5G的IPRAN网络规划方法。

2.1 现状问题概述

现有IPRAN 承载网络结构，由于建网初期的机房、光缆资源受限，部分区域延续了MSTP 的组网特性，以核心、汇聚、接入构建大环为主，典型拓扑结构如图1 所示。图1 所示的网络结构在面向5G 承载时，存在以下突出问题。

核心层：核心设备较多，双节点双平面结构，汇聚环挂接核心设备不统一，影响业务转发效率。

汇聚层：未实现分汇聚区“口字型”组网结构，存在较多跨汇聚区的大汇聚环，环路整环扩容成本较高。

图1 IPRAN网络现状拓扑示意图

接入层：未实现综合业务接入区内综合业务接入节点设备独立组网，接入大环较为普遍，难以满足后续BBU集中后的接入环路容量要求。

此外，IPRAN1.0 设备型号还存在无法满足5G 特性的情况，需要进行升级替换，主要表现为：

a）设备硬件端口能力或软件无法升级支持5G 特性，需整机替换。

b）设备硬件端口能力和软件可升级支持5G 特性，需替换交换板，现有部分业务板卡无法继续使用，需要进行替换。

2.2 规划思路和目标

通过对5G 需求和IPRAN 现状分析，制定了IPRAN 承载网络目标结构，即基于现有基础架构，以垂直分层、水平分区为基本思路，在汇聚区、综合业务接入区内，以汇聚机房、综合业务接入机房为网络支点，充分利旧和优化现有IPRAN1.0 网络，对无法支持5G的设备采用新建IPRAN2.0（下一代IPRAN）或替换的方式，形成面向5G的IPRAN承载拓扑如图2所示。

为满足5G技术协议、带宽、时延要求，根据前文的需求测算，对网络结构和环路节点规模予以确定，同时基于TCO 最优目标，在充分利用现网可用资源情况下，考虑满足目标网络的优化和新建方法，归纳为3类较为典型的组网情况。

a）区内没有二级汇聚1.0 设备，CRAN 点2.0 设备独立组环，DRAN 站点2.0 设备组环或零星单链挂接，环上设备节点不超过4 个，DRAN 站点2.0 设备环上节点不超过8个。

b）区内有二级汇聚1.0 设备，充分利旧用于5G，CRAN 点2.0 设备独立组环，DRAN 站点2.0 设备和接入1.0设备零星单链挂接。

2.3 具体规划方法

5G 应用的场景主要分为面向企业（2B）和面向用户（2C）。其中2B 业务，业务需求节点在地理上较为分散，呈现多片区分布特点。2C 业务，业界已经发布多款5G 手机，但是整体数量较少，价格偏高，预计5G手机在2020 年才会规模出货。因此5G 规模建网存在时间节点的不确定性，IPRAN规划务必结合5G建网规模节奏，建议针对不同地区不同场景，制定相适应的策略。下面通过各步骤描述，详细阐述规划方法。

图2 5G承载网络目标拓扑图

2.3.1 点面匹配，按区归类

第1 步：通过获取5G 站点的站址经纬度，与基础架构的汇聚区、综合业务接入区的图层进行匹配，展示地图如图3所示。

图3 5G站点的站址展示地图

第2 步：分析5G 站点归属汇聚区、综合业务接入区情况，如表3所示。

第3 步：以汇聚区、综合业务接入区为单元，分区进行5G站点规模分布统计分析，如表4所示。

2.3.2 分层分区，量身规划

2.3.2.1 接入层规划

股骨颈骨折术后要恢复患者髋关节功能，需配合有效的功能锻炼。常规功能康复训练对于老年术后患者应用效果有限［1］。并且大多数老年患者术前多合并糖尿病、高血压等疾病，长期卧床更易导致肌肉萎缩、下肢深静脉血栓等并发症发生。所以，在本研究中，针对手术治疗的股骨颈骨折患者应用阶段性康复功能训练，以期提高患者预后，现报告如下。

5G 站点主流传输接入接口为10GE 端口，现网IPRAN 接入设备的业务端口一般以GE/10GE 接口为主，但是10GE 端口能力提供较弱，一般用于5G 小规模站点按照DRAN 模式建设。因此，需对现网IPRAN 接入设备能力进行分析，统计模板如表5所示。

表3 归属汇聚区、综合业务接入区情况

表4 5G站点规模分布统计

现阶段IPRAN2.0 接入设备的业务端口可支持到更多的10GE，每端设备可接入5G 站点规模超过10个，能够满足5G 大规模站点按照CRAN 模式建设的需要，但是从建设成本考虑，一般建议在充分利旧现有设备基础上，对无法满足需求的区域才进行新建或替换。

按照基础架构规划，如某综合业务接入区内平均有A个综合业务接入点，区内有S个5G 站点，5G 站点平均流量为LGbit/s，综合业务接入机房每端接入设备经过升级后支持N个5G 站点接入。当5G 站点规模超过综合业务接入点内IPRAN1.0 设备的接入能力时（5G 站点＞A×N个），选取新建IPRAN2.0 接入环的模式。当综合业务接入区内5G 站点规模不超过综合业务接入点内IPRAN1.0设备的接入能力时（5G站点≤A×N个），选取现网综合业务接入点内的IPRAN1.0 设备进行5G接入，当5G流量（S×L）超过传输接入环剩余容量门限时，首先通过裂环方式对现网结构进行优化，如仍然无法满足需求，需新建IPRAN2.0 接入环，以满足5G传输带宽需求。

表5 现网IPRAN接入设备能力统计

因此，通过分析现网IPRAN1.0 设备能力和规划5G 站点规模情况，从网络架构和建设成本上考虑，总体上按照度超前、TCO成本最优目标承载的原则，选取合适的方案，形成方案表格模板（见表6）。

2.3.2.2 汇聚层规划

对于5G传输接入环的上联汇聚需求，在汇聚层同样也有采用现网IPRAN1.0 设备扩容结构优化或新建IPRAN2.0 接入环的方式。具体需从以下2 方面综合考虑。

a）网络结构：根据围绕基础架构进行建网的规划思路，网络汇聚层需要以汇聚区为单位，形成汇聚区内2 端汇聚设备的“口”字型双上联至核心，从而实现垂直分层，水平分区的网络目标结构，最大化发挥汇聚效率。因此，规划需对现网保留汇聚设备未满足的网络结构进行优化，对新增汇聚设备按照目标结构进行组网。

b）设备性能：采用现网设备扩容的方式，首先需要进行设备硬件和软件能力分析，判断是否可以支持5G 传输。硬件上要求物理端口支持100G，对于端口支持最大速率仅10G 难以满足规划建网需求的设备，需要新增IPRAN2.0设备予以替换；对于软件无法支持5G传输协议新特性，可以满足5G初期eMBB大带宽传输需求，但是无法满足长远的5G 传输网络要求的设备，可以根据业务需求采用现有设备软件升级或新增IPRAN2.0设备予以替换，其中软件升级需考虑由于现有设备的部分老型号板卡无法适配而需进行替换的情况。

在规划前，需要对网络结构和设备情况进行调研分析，展示汇聚层拓扑结构，同时形成方案表格模板（见表7）。

表6 方案表格模板

表7 汇聚层方案表格模板

按照基础架构规划，如某汇聚区内规划5G 站点M个，平均5G 站点流量为LGbit/s，汇聚区内有Z个综合业务接入区，接入层规划方案有X个综合业务接入区新增IPRAN2.0接入环。每个扩容IPRAN1.0接入环的综合业务接入区，会有10GE 端口上联汇聚需求；每个新增IPRAN2.0接入环的综合业务接入区，初期通过10GE 端口上联汇聚，中期升级至25GE/50GE，远期升级至100GE。因此，汇聚层的规划，需要从设备性能、传输流量和剩余端口进行分析。

a）设备性能：建议对无法支持100GE 端口或无法支持软件升级5G 特性的现有设备进行新增IPRAN2.0设备替换，避免后续对业务进行大规模割接调整。

b）传输流量：在汇聚设备可支持100GE 端口的情况下，建议初期5G汇聚流量（M×L÷收敛比4）与其他业务流量之和不超过40GE 时，从建设成本考虑，可继续采用多条10GE 链路捆绑方式；当汇聚流量超过40GE时，采用扩容100GE链路方式。

c）剩余端口：汇聚设备剩余可扩容端口能力需满足新增接入环上联、汇聚互联以及汇聚上联的总需求。其中新增IPRAN2.0 接入环上联端口需求为X 个（匹配具体接入环上联端口类型），汇聚流量不超过40GE 情况下，汇聚互联和上联采用10GE 端口需求为M×L÷收敛比4÷10 个，汇聚流量超过40GE 情况下，汇聚互联和上联采用100GE 端口需求为M×L÷收敛比4÷100 个。当设备端口无法满足需求时，首先采用高密度端口板卡对原有低密度端口板卡进行替换，从而释放出槽位，当仍然无法满足需求时，需升级或新增能力更强的设备。

通过以上分析，形成汇聚层方案表格模板（见表8）。

2.3.2.3 核心层规划

从流量转发效率考虑，核心层一般采用双核心结构，当双核心设备无法满足目标汇聚上联、核心互联、核心上联端口需求时，采用多核心结构。核心设备的性能同样从硬件和软件2 方面考虑，物理端口需要支持100GE 且后续可升级为400GE，剩余槽位的端口能力至少可满足3年规划期内的汇聚上联、核心互联、核心上联端口需求，同时要求支持5G特性。

规划前，需对网络结构和设备情况进行调研分析，展示核心层拓扑结构，同时形成方案表格模板（见表9）。

核心层的规划方法，同汇聚层规划一样，从设备性能、传输流量和剩余端口进行分析，对模型参数进行一定修改，此处不再赘述。

通过分析，形成核心层方案表格模板，如表10 所示。

表8 汇聚层方案表格模板

表9 核心层网络结构和设备情况

表10 核心层方案表格模板

3 结束语

面向5G 的IPRAN 承载网是智能、高效、简化等特点相结合的目标网络，并全面支撑5G各个阶段的业务特性，同时能够兼顾现有业务，避免烟囱式建网，因此，在5G建设前需确定合理的网络目标，根据5G部署的总体节奏，总体规划、适度超前、落地实施。