云南移动SPN系统建设研究

段 勇

（中国移动通信集团云南有限公司，云南 昆明 650028）

0 引 言

云南移动传送网主要包括光传送网（Optical Transport Network，OTN）和分组传送网（Packet Transport Network，PTN）两套系统，分别负责大颗粒业务的传送和小颗粒业务的收敛。CMNET及IP承载网的业务主要由OTN系统承载，基站业务及部分集客业务由PTN结合OTN系统共同承载。5G对传送网提出了更高要求，承载基站业务的PTN系统面临着巨大压力，需结合现网情况，平稳、有序向切片分组网（Slicing Packet Network，SPN）系统进行演进。

1 5G对传送网的关键需求

2G、3G、4G逐步实现了语音、短信、低速数据业务、中高速数据业务服务。5G需要实现的不仅仅是人与人之间的连接，更重要的是“万物互联”。通过速率、时延、连接三个维度进行界定，5G应用场景被分为增强型移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、高可靠低时延通信（Ultra-reliable and Low Latency Communications，uRLLC）、大规模机器通信场景（Massive Machine Type Communication，mMTC）3大典型应用场景，如图1所示。

eMBB场景目标是增加网络容量和业务带宽，用于高清直播、VR/AR、云存储及高速上网等。

uRLLC场景具有小数据包、低功耗、低成本、海量连接的特点，用于车联网、工业控制、智能制造及智能交通物流等。

mMTC场景以传感和数据采集为目标，用于环境监测、智能抄表及智能农业等。

不同场景对于带宽、时延及质量保障等都有不同的需求，然而对于传送网而言，必须同时兼顾所有不同的需求，以实现最大程度上的统一承载。

1.1 大带宽需求

带宽仍然是5G时代传送网必须重视的关键需求。初期的5G网络频谱以6 GHz之内低频为主；后期，对于超出6 GHz则应当确保可以达到更高速率，通过10～30 GHz厘米波以及30～100 GHz毫米波实现。根据NGMN带宽测算方法，5G基站单小区峰值带宽、均值带宽以及单站峰值带宽、均值带宽分别可通过式（1）～式（4）进行计算。

如表1所示，以低频5G基站为例，单站均值约为2 Gb/s，而峰值带宽需求接近5 Gb/s。单个接入环网在仅接入4个5G基站的情况下，假设其中1个基站达到峰值带宽，其余基站保持在在均值带宽附近，环网总带宽将超过11 Gb/s，已经超过了目前云南移动PTN接入环遍布最大的承载能力。

真实的带宽需求还需要考虑两个因素。一个是基站的忙闲比、占空比，瞬时负载一般并不会达到100%的理论值；另一个是5G高频基站以及部分专线仍不断加入环网。故5G传送网一方面要提供足够多大容量的业务侧端口，以满足10GE/25GE大颗粒业务接入的需求；另一方面，线路侧支持50GE/100GE/200GE等高速接口，在满足近期带宽需求的基础上作出适当冗余。

1.2 低时延需求

5G需要支持的最低单向端到端时延不超过1 ms，因此低时延是5G传送网需要更加关注。从实际情况来看，影响传输时延的主要因素包括传输设备转发时延和光纤传导时延两个方面。大中型传输设备转发时延＜25 μs，小型传输设备转发时延＜20 μs，光纤传导时延约为5 μs/km。假设全网无非拥塞，波分传输设备转发时延忽略不计，则典型传输时延=设备转发时延+光纤传导时延=20×4+25×2+25×4+500×5=2 500 μs=230 μs+2 500 μs≈ 2.8 ms。图 2 为典型的传输延模型。

显然，影响传送网时延的主要因素是光纤传导时延，降低此类时延的思路是拉近源宿节点的距离，推动以往集中式的核心网演变成为分散式的核心网。关键措施为将用户面、CDN以及L3功能下沉。

1.3 灵活路由需求

5G基站较4G基站数量将进一步增加，IP地址数量随之增加。路由转发是解决大量设备跨地域互联最常用和成熟的方案，5G传送网应当支持强大IP路由转发能力，具备常用路由协议OSPF/ISIS。CU/核心网云化涉及动态迁移、动态扩容，eX2涉及东西向流量，因此5G传送网还需要支持动态路由和路由信息交换协议BGP。

图1 5G典型应用场景

1.4 时钟同步需求

5G同步业务需求包括基础业务同步需求和协同性业务同步需求两部分。基础业务同步需求与4G TDD相当，均为3 μs（±1.5 μs），同步精度主要取决于协同性业务需求。5G空口帧长度1 ms比4G空口帧10 ms小10倍，要求±390 ns时间同步准度；inter-site CA和基站联合发送对同步提出更高要求，要求±130 ns时间同步准度，此时对承载单节点精度要求达到±5 ns；同时，高精度定位视定位精准而言对同步亦有要求。5G传送网需要支持时钟随业务一跳直达，减少中间节点处理，单节点时钟满足纳秒级精度（1588v2.1）。

1.5 切片需求

切片是传送网进行统一承载的本质需求，其中包括硬切片和软切片两种。硬切片可以基于不同时隙、不同波长、不同光纤完成，软切片可以基于不同数据包、不同隧道及不同伪线完成。由于5G的应用场景、运用的商业模式将大相径庭，需要在统一的物理网络分立为若干虚拟分立的网络，确保自己有独立的网络资源、管理及控制、转发。

表1 5G基站带宽需求

图2 典型的传输时延模型

2 SPN是对PTN的继承与发展

路由器与SDH的结合催生了PTN技术，支撑了移动3G/4G无线网以及4G反向支持2G的建设。为承载5G无线网，SPN应运而生，它是对PTN的继承与发展。

在L3层，引入了新型分段路由（Segment Routing，SR）隧道。SR-TP（SR-Transport Profile）隧道通过在SR-TE邻接标签的栈底增加一层标志业务连接的通路标识（Path SID），实现双向隧道能力，支持基于MPLS-TP的端到端OAM和保护能力，适用于面向连接的南北向业务；SR-BE（SR-Best Effort）隧道通过IGP协议自动扩散SR节点标签生成，可在IGP域内生成全互联的隧道连接，适用于面向无连接的东西向业务。

在L2层和L1层之间引入了FlexE 垫片（Shim），Shim基于时分复用分发机制，通过时隙方式将不同业务端口的数据分配给各种子通道，将分组交换与TDM融合一体。沿用PTN封装结构，向下兼容原生以太网模块产业链，向上兼容L3层协议栈。采用统一信元交叉单元，实现分组与TDM共享交换空间，硬件上不用额外的交换容量。

此外，在L0层实现光接口以太网化。接入PAM4灰光模块，汇聚核心相干以太网彩光DWDM组网。这为简化网络层次，降低建网复杂度创造了条件。

在管控层，通过引入SDN，使得传送网设备增加了路由计算、重路由、私网路由发布等功能。通过SDN控制器可以实现对业务的管理和部署，实现新业务的快速部署和运维自动化。在继承PTN运维和电信级保护优势的基础上，使得传送网敏捷、开放、智能[1-2]。

值得注意的是，5G传送网技术方案上融合趋势日益明显。中国电信力主的智能传送网（Smart Transport Network，STN）与SPN主要差异是SR协议选择和SDN管控方式。

3 云南移动融合组网与独立组网对比

由于与PTN系统一脉相承，搭建SPN系统有两套方案。第一套方案是在PTN系统基础上进行按需扩容，逐步演进，融合组网；第二套方案是另起炉灶，重新搭建，独立组网。

3.1 融合组网

由于在5G发展初期，基站不成规模，分布不集中，用户数量少，仅需满足开通eMBB业务的大带宽需求，可以利旧PTN系统与4G/2G共平面。保证接入层PTN有10GE UNI接口，PTN汇聚层、核心层要达到N×10GE以上带宽。不引入FLexE、SR等SPN设备的特性，仍采用L2+静态L3 VPN方式承载5G基站业务。

随着5G网络逐渐形成规模，按需将接入层、汇聚层、核心层PTN设备进行板卡的替换、扩容或者SPN设备的整机替换，在完整完成SPN系统的搭建后，开启所有SPN功能，已满足各种场景业务的开通需求。

融合组网方案在5G试点城市应用较多，但在推广时至少需考量两个方面因素。

第一，要考量现有PTN系统部署合理度。早在2009年，集团公司就已经明确提出了C-RAN概念，2016年发布的《中国移动5G C-RAN白皮书》再次明确了无线网建设方略。部分发达省份早在4G时代就应经开始部署C-RAN建站，对于庞大的PTN网络，特别是臃肿的接入层进行了大力的“瘦身”。精简的PTN系统架构是PTN/SPN联合组网的重要基础。

第二，现网PTN设备对于SPN板卡替换、扩容的支持度。以两个主流厂家产品为例，华为PTN6900、PTN3900、PTN960， 中 兴 PTN6500、PTN6300及PTN6150系列的产品均不支持向SPN平滑升级。若现网以华为PTN7900、PTN970或中兴PTN6700、PTN6180H为主体，利旧PTN系统才有意义。

3.2 独立组网

综合分析，云南移动并不具备大规模推行融合组网的条件，因进行SPN独立组网。

一方面，PTN系统极为臃肿，结构不尽合理。PTN数量总量超过9万端，居全国第三的高位。特别是接入层PTN设备占比接近90%，超过了物理基站总量。另一方面，PTN设备老旧，95%的设备不具备平滑升级条件——仅有不足20%的PTN设备支持SPN功能，其中，近80%设备需要还需要先进行主控板的替换。

第一阶段是对现有机房、光缆筛查。设备的部署需要置放于机房，而连接设备需要光缆。对于机房的空间和动力情况，光缆的路由和纤芯剩余情况，应提前掌握。满足需求时，应提前进行预占用；不满足需求时，应结合城域网总体规划进行提前储备。

第二阶段是从下到上规划，从上到下搭建SPN网络。按照省干核心-地市核心-重要汇聚-普通汇聚-业务汇集及接入机房的顺序，分别部署SPN设备，最终实现与5G基站的接入。

第三阶段是深化与核心网、数据网的配合。对所辖区域内4G基站，由PTN网络接入并搬迁至承载SPN网络，实现了4G、5G由SPN系统统一承载。全面开启SPN功能，应对MEC下沉、CU云化部署，形成南北向、东西向互联互通的网络结构。

4 基于“一张光缆网”的SPN系统新建

新建SPN系统需要紧紧依托基于全业务的“一张光缆网”。需充分利旧现网骨干汇聚光缆、核心光缆，进行SPN骨干汇聚层、核心层的搭建。更重要的是优化现有综合业务接入区，合理部署SPN普通汇聚层、接入层。

4.1 城区SPN系统新建

4.1.1 确定综合业务接入区的“面”

将综合业务接入区从下到上调整为微网格、网格、业务汇聚区、综合业务接入区、大汇聚区五层逐级嵌套结构。

其中，业务汇聚区主要是为了适应5G C-RAN/Cloud-RAN建设而特别设置的，面积控制在0.5～1.5 km2范围，所包含的物理站控制在15个之内。原则上，业务汇聚区内所有RRU/AAU所属BBU/DU相对集中于业务汇聚机房，接入于一端SPN设备。

大汇聚区将纳入同一个汇聚环的几个（≤4）相邻的综合业务接入区。

4.1.2 部署综合业务接入区的“点”

确定“面”的主要作用是辅助部署好“点”。在综合业务接入区、业务汇聚区内、网格、微网格内分别部署好普通汇聚机房、业务汇聚机房、一级分纤点及二级分纤点[3]。与SPN新建直接相关的是普通汇聚机房和业务汇聚机房的部署，新建标准建议如表2所示。

新建是对机房做“加法”。应按照普通汇聚“大容量、少局所”、业务汇聚达标配备的原则，下发机房蓝本库，通过减少审批流程、奖励等手段加快建、购、租速度。此外，面对大量存在的机房也需要做好梳理，做好其他三则运算。

（1）做好“减法”就是要对存量机房重新归类，去劣存优。不达标普通汇聚机房、业务汇聚机房分别降级使用。可达标为普通汇聚、业务汇聚机房之外的所有非目标机房的统称为接入机房。其一般特征是曾作为PTN/SDH/OLT等设备节点使用，存量进出光缆多，后续设备节点功能将逐渐弱化，至多只保留线路节点的功能。

根据产权归属的不同，接入机房有自有接入和铁塔接入两类。需要加速将铁塔接入机房设备的迁移，自有接入机房逐步降至传送网的末端。

（2）做好“乘法”就是按照中远期需求配置新增机房，以自建模板化、购租规范化为目标，完善建设标准；逐步改造存量机房。

（3）做好“减法”就是做到“两分离”——核心机房等重要节点机房与业务汇聚机房功能分离，汇聚机房与基站（AAU/RRU部分）功能分离；老旧设备，逐步拆除。

核心/重要汇聚/普通汇聚机房和业务汇聚/接入机房分别部署机架式SPN设备和盒式SPN设备。需要注意的是，在接入机房，SPN的部署务必十分慎重，总体的原则是能少部署尽量少部署，能不部署尽量不部署[4-6]。

4.1.3 连通综合业务接入区的“线”

综合业务接入区的光缆分为三类——纳入城域骨干网统筹管理的普通汇聚光缆，涉及综合业务接入区内部的主干光缆、配线光缆，以及涉及综合业务接入区之间的联络光缆。

（1）普通汇聚光缆用于连接普通汇聚机房与普通汇聚机房、重要汇聚机房与普通汇聚机房。与接入光缆有本质区别，需要短路由、少跳点，以实现大颗粒业务快速、安全转发。能利旧尽量利旧，新建普通汇聚光缆应不低于48芯。为适应叠加环网、口字型、V字型、MESH等组网需要（见图3）以及OLT/BRAS、OTN-HUB/PTN-HUB/SSAP-HUB等设备裸纤回传需要，城区新建普通汇聚光缆以96芯、点到点直达为主。

表2 新建普通汇聚机房、业务汇聚机房标准建议

（2）主干光缆、配线光缆分别被定义为同一综合业务接入区内，普通汇聚/业务汇聚机房与一级分纤点或两个一级分纤点之间的光缆，以及一级分纤点与二级分纤点或两个二级分纤点之间的光缆；拓扑结构分别为环型为主，以及链型、树型为主，环型为辅。这与传统的建设方式相比有显著区别。

一是业务汇聚机房被视为了一级分纤点，被纳入到了主干光缆。这是基于“一张光缆网”构建SPN的关键。它把大量的基站光缆“带入”到了ODN，在存量站址新增的基站业务、专线业务时，可以充分利旧现网纤芯资源进行开通。对于SPN接入层的组网，也可以基于ODN光缆，而非所谓的SPN接入层光缆。

二是接入机房被视为二级分纤点，因此配线光缆的环型拓扑结构显得理所应当。

图3 普通汇聚光缆组网方式

（3）联络光缆被定义为不同综合业务接入区之间通汇聚/业务汇聚机房与一级分纤点或两个一级分纤点之间的光缆。城区SPN接入环网应严格双归至普通汇聚SPN设备，因此需要通过联络光缆进行跨区搭建。

4.2 非城区SPN系统新建

近年来，云南移动非城区汇聚机房储备充足，空间、动力条件较城区有过之无不及，实际上从5G BBU/DU集中部署的角度来说，比部分城区更适宜。目前短板依然在于综合业务区接入区。为了后期SPN系统的部署，应该按“中心地带+外围地带”的模式对综合业务接入区进行预规划。

所谓中心地带主要是指在处于非城区但又有明显城区特征的场景，如高等院校、工业园区、乡镇中心、异地扶贫搬迁点及旅游度假区。在中心地带内，按照微格-网格-综合业务接入区-大汇聚区四层进行综合业务区接入区的设计。外围地带为扣除中心地带后广茂的农村区域。

一个中心地带有且仅有一个普通汇聚机房，部署普通汇聚SPN设备；接入机房作为中心地带或外围地带的分纤点，与普通汇聚SPN设备通过主干光缆、配线光缆或联络光缆进行组网，形成SPN接入环/接入链。

5 云南移动SPN系统的组网原则

5.1 基本组网原则

云南移动结合5G覆盖步伐，适度超前部署SPN系统。2020年覆盖全省城区，2021年延伸至县城，2022年延伸至乡镇。组网基本原则如表3所示。

原则上要求100%成环。接入环、普通汇聚环节点数分别控制在6个、4个之内，避免跨“汇聚区”组建接入环，便于业务配置。

同时，为避免后期更多业务接入后，流量迅速提升，环网反复割接，在接入环、普通汇聚环直接使用了50GE、200GE端口进行了组网；由于OTN集采框架暂无200GE支路板卡，通过n×100GE端口进行骨干汇聚/核心层组网。

5.2 业务配置

5G核心网云化后，控制面将在大区或省集中，用户面将部署到更低层次。对于mMTC业务，UPF可以可部署在大区或省DC；对于eMBB业务，UPF和CDN可分布式部署在省DC或城域DC；对于uRLLC业务，UPF和MEC可以下沉到普通汇聚机房节。L3 VPN功能将下沉到接入层。新建SPN系统核心层、骨干汇聚层、普通汇聚层、接入层需要采用SR隧道和L3 VPN。为了隔离故障、提高收敛速度，IGP需要层次化部署，需要通过分域方式隔离接入环和汇聚网络，不同域之间路由完全隔离，互不引入。表4为IGP分域点设置对比。

如表4所示，将IGP分域点设置在普通汇聚层，云南移动SPN组网要求、设备性能要求均能满足要求，故障隔离、路由扩散表现更好。但任意汇聚区内业务汇聚/接入机房都不能与重要汇聚设备直接进行接入环的组网，需要以汇聚区为单位增设独立于汇聚区的普通汇聚SPN设备在重要汇聚机房，这将造成大量普通汇聚SPN设备的浪费。因此，建议暂将IGP分域点设置在骨干汇聚层。对于跨汇聚区的接入环，所跨汇聚环及下挂接入环划分独立的IGP域，如图4所示。

5.3 控制信息

省内集中控制平台位于省干核心机房。省干核心机房、地市核心机房均需新增一套CE设备。省干核心CE与地市核心CE，地市核心CE与地市核心SPN以及骨干汇聚SPN通过10GE端口进行口字型连接，在“带外”传送SPN系统控制信息。

5.4 时钟同步

由于大楼综合定时供给系统（Building Integrated Timing Supply，BITS）一般只存在于地市核心机房及以上级别的机房，一般不能直接通过TODU网口经过网线向SPN CLK网口发送时钟同步信息（核心层SPN设备除外）。更通行的方法是以县-市OTN系统为中介，将BITS时钟先发送至骨干汇聚SPN设备，普通汇聚层、接入层再通过BIDI模块发送时钟同步信息。由于目前BIDI模块所支持最高速率为50GE，接入层直接使用50GE BIDI模块进行组网，普通汇聚层则需要使用10GE BIDI模块在200GE环网的基础上叠加一个时钟同步环。

5.5 软硬切片

SPN系统切片方式根据业务需求的变化确定。初期的SPN系统主要承载5G eMBB业务，可以只采用软切片，如基于MPLS、SR、VXLAN的隧道技术，基于VPN、VLAN等的虚拟化技术。随着SPN系统逐步接管4G/2G基站、部分集客甚至家宽业务，可进一步结合硬切片的方式，如FlexE、WDM等。目前，FlexE硬切片的颗粒度已经从最初的25GE、5GE精细到GE，可以更好支撑业务网采用不同商业模式，开展网络的“经营”。

表4 IGP分域点设置对比

图4 IGP分域点设置方案对比

6 结 论

SPN系统的建设将不同于PTN系统的建设，特别是接入层的搭建，需从跟随基站动态扩建向依托基于“一张光缆网”的综合业务接入区进行建设转变，以严格控制系统的规模，真正实现统一承载。大多数SPN设备都将一次部署到位，接口卡、光模块按需扩容，以最大程度避免沉没成本的发生。SPN与OTN系统深度结合全新传送网构架将助力云南移动开启千兆5G、千兆宽带的“双千”时代。