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技术与标准丨5G时代SPN与PTN融合组网建设

2021-09-08 18:46
※  信息社会政策探究的思想库  ※
※  信息通信技术前沿的风向标  ※


作者简介


林 炎  

中通服咨询设计研究院有限公司高级工程师,主要从事传输网络规划设计等方面的研究工作。

石启良  

中通服咨询设计研究院有限公司研究员级高级工程师,长期从事数据通信网络规划设计咨询工作。


论文引用格式:

林炎, 石启良. 5G时代SPN与PTN融合组网建设[J]. 信息通信技术与政策, 2021, 47(8):81-85.


5G时代SPN与PTN融合组网建设


林炎  石启良


(中通服咨询设计研究院有限公司,南京 210019)


摘要:SPN与PTN融合组网是5G时代城域传送网核心课题。首先对比了利旧PTN和新建SPN两种5G基站承载方式,再分城区和非城区两种场景对SPN与PTN融合组网策略进行了论述,并针对SPN与PTN互联等问题进行了探讨,强调了SPN与PTN融合组网对于当前5G建设及未来城域传送网建设的重要意义。

关键词:5G;SPN;PTN;C-RAN;回传;城域传送网

中图分类号:TP393.0    文献标识码:A

引用格式:林炎, 石启良. 5G时代SPN与PTN融合组网建设[J]. 信息通信技术与政策, 2021, 47(8):81-85.

doi:10.12267/j.issn.2096-5931.2021.08.013


0  引言


中国移动无线数字通信经历了2G、3G、4G、5G四代变迁,与之相对应的有线回传技术也经过了同步数字体系(Synchronous Digital Hierarchy,SDH)、多业务传送平台(Multi-Service Transport Platform,MSTP)、分组传送网(Packet Transport Network,PTN)、切片分组网(Slicing Packet Network,SPN)4个发展阶段。从本质上看,MSTP设备是增加了以太网、ATM等UNI接口的SDH;而SPN是对PTN设备接口速率、时延、灵活连接、切片、管理控制等方面功能的升级[1],如表1所示。当前,MSTP/SDH网络基本完成了其历史使命,正逐步退网。如何有步骤地建设SPN网络,做好SPN与PTN融合组网已经成为5G时代城域传送网核心课题。

表1  PTN与SPN主要功能指标对比


1  5G基站承载方式分析

5G试点阶段,移动集团公司提出的5G基站承载方式主要有PTN扩容、PTN升级和新建SPN[2]。其中,PTN扩容和PTN升级又可总结为利旧PTN的方式,即将5G业务直接部署在现有PTN网络,通过局部的板卡扩容或设备替换满足与5G核心网对接以及5G基站接入需求,新增5G业务与原有4G/2G等业务共平面。

5G的业务场景主要包括增强移动宽带(eMBB)、超高可靠超低时延通信(uRLLC)、大规模物联网(mMTC)3类。现有PTN网络可以勉强应对分别由3D-MIMO和NB-IoT演进而来的eMBB和mMTC业务场景,而URLLC业务场景对回传网时延、抖动、丢包等有更高要求,还存在核心网用户面下沉的需求,PTN网络难以满足。因此,近中期具有完整5G业务场景的区域,应根据5G基站规划以及用户面下沉计划,选择新建SPN承载5G基站及用户面流量,同时兼顾4G/2G等重要的中小颗粒以太网业务。

2  城区SPN/PTN融合组网策略

城市和县城的城区具有完整的5G业务场景,是5G建设的主攻方向。受SPN设备集采较PTN设备集采区域变化的影响,根据网络层次的顺序,先接入后骨干汇聚地进行SPN网络建设[3]通常并不可行。应基于“新型综合业务接入区”[4],从下至上进行规划设计,从上到下新建SPN网络。与此同时,逐步腾退PTN设备,精简PTN网络。

2.1  建设新型综合业务接入区
传统综合业务接入区主要用于宽带业务的承载[4],新型综合业务接入区以真正的全业务接入为宗旨,从跟随宽带业务被动蔓延,变为了主动覆盖区域,满足各类业务接入及传送需求。

2.1.1  面
现有综合业务接入区和微网格的面积往往都较大,应做必要的裁剪和整合,优化调整为综合业务接入区、业务汇聚区以及网格、微格逐级嵌套的4层结构,面积分别控制到2 km2~4 km2、0.5 km2~1.5 km2、小于0.5 km2和0.1 km2~0.15 km2左右,更有效地完成对业务的传送及接入。其中,业务汇聚区的设置尤为关键。不同于采用无源光网络(Passive Optical Network,PON)技术的宽带业务在整个综合业务接入区内仅需要部署1台机架式光线路终端(Optical Line Terminal,OLT)便可依托于光分配网(Optical Distribution Network,ODN)完成对末端光网络单元(Optical Network Unit,ONU)业务的聚合。现阶段的基站C-RAN后,需要在局端堆叠集中相应物理基站数量的盒式室内基带处理单元(Building Base band Unite,BBU)才能完成对末端有源天线处理单元(Active Antenna Unit,AAU)/射频拉远单元(Remote Radio Unit,RRU)业务的聚合。综合考虑动力保障、网络安全等因素,单个业务汇聚区管辖物理基站数应控制在15个以内。部分热点区域,单个网格便需要对应一个业务汇聚区。

2.1.2  节点机房
在传统综合业务接入区,仅有汇聚和接入两类机房。若将BBU大规模堆叠于汇聚机房,会造成局部区域基站业务过于集中,造成较大的通信安全风险;若小规模堆叠于接入机房,并不能达到C-RAN建站方式应对基站能耗、频谱资源、建维成本等挑战的初衷。在新型综合业务接入区中,为了分别对应综合业务接入区和业务汇聚区,汇聚机房被细分为了普通汇聚机房与业务汇聚机房两类。其中,业务汇聚机房是在接入机房之上,普通汇聚机房之下,为顺应BBU集中放置的需求,兼顾宽带等业务发展需要而设置的一类机房。通过降级不达标的普通汇聚机房,升级部分条件较好的自有接入机房或购建租新机房等方式增补业务汇聚机房对于基站的C-RAN集中、接入层SPN部署极为重要。

2.1.3  分纤点
一级分纤点(First-class Point,FP)和二级分纤点(Distributed Point,DP)分别对应于网格和微格进行设置,允许有室外光交箱和或室内ODF架两种形态。普通汇聚机房、业务汇聚机房、FP及DP均可向下兼作一级机房或分纤点——普通汇聚机房可兼作其所属业务汇聚区的业务汇聚机房,业务汇聚机房可兼作其所属网格的FP,FP可兼作所属微格的DP,而DP可以以业务需求为导向,按需增补。

2.1.4  光缆
新型综合业务接入区光缆包括主干、配线及联络3类。其中,主干光缆的定义为同一综合业务接入区内,普通汇聚/业务汇聚机房以及FP之间的光缆。这样一来,末端业务经过DP、FP后可直接在业务汇聚机房落地。而联络光缆是指不同综合业务接入区之间,普通汇聚/业务汇聚机房以及FP之间的光缆。在SPN网络搭建过程中,业务汇聚/接入机房可以通过联络光缆,上联至不同综合业务接入区普通汇聚机房。

2.2  全面新建SPN
PTN乃至更早的MSTP/SDH组网均采用的是核心—骨干—汇聚—接入4层架构。对于SPN组网而言,在业务量较少城区可以取消接入层,直接采用核心—骨干—汇聚3层架构,以获得更小的时延[5];而在一般城区,推荐采用核心—骨干—汇聚—接入—辅助接入的4.5层架构。在核心、重要汇聚、普通汇聚、业务汇聚机房分别部署NPE、SPE、P、UPE设备。其中,SPE和UPE设备一般为超大规模SPN设备,P和UPE设备分为大、中型SPN设备。依托于核心光缆、骨干汇聚光缆、汇聚光缆、主干及联络光缆分别搭建SPN网络核心层、骨干汇聚层、汇聚层、接入层。其中,骨干汇聚层继续采用口字型组网,具备物理条件的汇聚层、接入层可以逐步由环型向半MESH,甚至全MESH型进行演进。

工业和信息化部在《“双千兆”网络协同发展行动计划(2021—2023年)》中明确提出“推动5G承载网城域接入层按需部署50 Gbit/s系统,城域汇聚层和核心层按需部署100 Gbit/s或200 Gbit/s系统。”建议核心层、骨干汇聚层、汇聚层和接入层应一步到位为200 Gbit/s和50 Gbit/s速率。不过,由于OTN系统支路侧板件目前并不支持200 Gbit/s速率端口,在需要借助于OTN系统承载的SPN链路,如区县(市)SPE与NPE对接,不得不采用100 Gbit/s速率端口。起到DP作用的接入机房根据业务的保障要求,选择“V”字型双上行或单挂P、UPE设备,形成一个辅助的接入层,速率不应低于10 Gbit/s。SPN网络IGP分域点建议设置在SPE节点,即NPE与所有SPE组成一个IGP域,同一个骨干汇聚对下一个或多个汇聚环中的P、UPE设备被划分为一个IGP域。

2.3  腾退PTN
由于4G/2G基站普遍采用的是D-RAN建设方式,PTN网络采取的是一站一设备的跟随建设策略,这直接导致了PTN网络日益臃肿、结构愈发紊乱。随着SPN网络新建,应以业务汇聚区为单位,有序地将非室分、非自有接入机房的4G/2G BBU集中堆叠于属业务汇聚机房,由SPE设备统一承载。逐步腾退接入机房内的PTN设备,尤其是端口占用1~3口接入层PTN设备,由少至多、由下至上地精简PTN网络。

3  非城区SPN/PTN融合组网策略

非城区非5G建设的主攻方向,且幅员辽阔,从上至下全面新建SPN网络的必要性不足,投资和时间也并不允许。可以考虑先搭建SPN汇聚层,并充分挖潜PTN网络能力对5G基站进行承载,再按需建设SPN接入层。

3.1  优先搭建SPN汇聚层
非城区SPN网络的P设备选取十分重要:一方面,围绕P设备,可以尽可能多收敛其周边3 km~5 km的BBU,提升非城区5G、4G/2G基站C-RAN比例;另一方面,稳定的P设备节点将为后续接入层的搭建奠定坚实的基础。建议优选乡镇行政中心、厂矿、工业园区、高校、移民搬迁点、旅游度假区等具有发展5G业务场景的“中心地带”机房设置为P设备节点,并提前做好机房的改扩建,机房配套设施优化整治等工作。相邻两台P设备节点之间路由较为丰富的,尽量考虑将P设备纳为同一个汇聚环网。对于相距较远的P设备节点以及节点较多的汇聚环网可以通过OTN系统进行中继或拆环。总的原则是要严格环网节点数量(≤6个),并确保汇聚环网光功率达标,无弱光情况。特别需要注意的是,非城区与城区的过度区域内若无中心地带,应选择途中自有机房增设P设备,以对城区和非城区业务进行严格切分,避免发生跨IGP域问题。

3.2  充分挖潜PTN网络能力
在中心地带之间的外围地带当前主要以低频5G建设为主,以实现5G信号的广覆盖。据统计,现网中兴、烽火、华为三家主流厂家PTN设备GE/10GE端口剩余率分别达到96%、92%和80%。由于BBU与传输设备对接端口已支持GE/10GE光模块的自适应,在预期发展用户数较少、流量有限的情况下,可先利旧PTN网络以D-RAN方式进行5G基站的开通。对于端口确实剩余不足的老旧PTN设备,可用城区以及非城区中心地带及其周边拆旧下来PTN设备进行替换,以延长PTN设备整体生命周期,充分盘活固定资产。

3.3  按需搭建SPN接入层
非城接入层SPN建设需求主要来自两部分。一是5G业务直接驱动,如道路沿线(如高速、高铁、航道)的信号覆盖;二是低频5G利旧PTN网络开通后,原PTN环网流量超限。SPN接入节点应优先考虑位置属性,尽可能选择靠近行政村村委会附近的自有接入机房,在3 km~5 km范围内BBU做量力而行的C-RAN集中。SPN接入层应尽可能避免跨汇聚环组环。出现跨环组网时,可考虑将两个汇聚环划为同一个IGP域处理。

4  其他应该注意的问题

4.1  SPN与PTN的互联
NPE与4G、5G等核心网应直接对接。同厂家SPN与PTN互联采用NNI接口,异厂家SPN与PTN互联采用UNI接口。主要发生地市核心机房,至少应设置4对互联,如图1所示。前两对互联为NPE与PTN L3设备之间。互联后,通过PTN网络承载的5G基站业务可以通过NPE连接至5G核心网。当然,若PTN L3设备已经下沉至部分重要汇聚机房,也可在重要汇聚机房内通过SPE与骨干汇聚PTN设备互联。后两对互联为NPE与PTN 2G落地设备之间。互联后,通过SPN承载的2G基站业务(如FDD反开2G)可以通过PTN 2G落地设备再与BSC对接,以减少对BSC以太网口的占用。
图1  SPN与PTN互联示意图

4.2  SPN网络切片
SPN/PTN融合组网的最终结果是实现统一承载的SPN网络,要尽快尽多地将大、中颗粒以太网业务疏导至SPN网络。在已建成的SPN网络内,不同业务对时延、带宽等需求不尽相同,应在切片通道层,基于FlexE技术对网络进行切片[7]。建议先划分5G eMBB业务场景及4G/2G+专线业务两个切片,随着业务发展,针对mMTC、uRLLC、5G中传以及核心网下沉所产生的的流量,再适时新增或调整切片。

4.3  SPN/PTN建设分工界面
城域传送网设备项目集统筹SPN网络建设项目,负责NPE、SPE、P、UPE设备的新增、PTN设备的拆旧及SPN和PTN上层互联。在基站传输配套项目集,进行辅助接入层UPE设备的新增和接入层PTN设备的利旧替换。

5  结束语

5G时代是移动无线回传SPN/PTN融合组网的黄金时段,提前谋篇布局将直接影响5G建设的进度、成本和质量和未来城域传送网建设的效益和效率。对于SPN/PTN融合组网的要点和策略亦可被借鉴用于其他运营商,如电信智能传送网(Smart Transport Network,STN)与无线接入IP网(IP Radio Access Network,IP RAN)以及联通IP RAN 2.0与IP RAN的融合组网之中。

参考文献

[1] 张奇, 严钧, 许闱帏,等. 4G/5G混合场景下SPN组网关键问题探讨[J]. 电信工程技术与标准化, 2019, 32(6):10-13.
[2] 杜清军, 文先刚. 基于4G/5G混合场景的SPN组网探析[J]. 通信电源技术, 2020(22):107-109.
[3] 王挺, 辛向军. 面向5G承载的城域PTN向SPN演进分析[J]. 信息通信, 2020(2):202-205.
[4] 林炎, 黄开云. 新型综合业务接入区建设要点分析[J].现代传输, 2020(4):37-41.
[5] 林炎. 新型综合业务区的城域传送网改造[J]. 电信技术, 2019(7):82-84.
[6] 侯文雷. 浅谈5G时代SPN组网架构[J]. 中国新通信, 2020, 22(1):113-114.
[7] 许文广, 叶桂添. SPN与PTN网络融合思路与实施方案探讨[J]. 广东通信技术, 2020(12):60-63+66.

Integration of SPN and PTN networking in the era of 5G

LIN Yan, SHI Qiliang

(China Information Consulting & Designing Institute Co., Ltd., Nanjing 210019, China)

Abstract: Integration of SPN and PTN networking is a core topic of metropolitan area network in the era of 5G. This paper firstly compares using PTN network and building SPN network in carrying 5G base stations. It elaborates integration of SPN and PTN networking in urban and rural areas. It discusses the interconnection of SPN network and PTN network and so on. It emphasizes the significance of integration of SPN and PTN networking for 5G construction at present and metropolitan area network construction in the future.
Keywords: 5G; SPN; PTN; C-RAN; backhaul; metropolitan area network


本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第8期



主办:中国信息通信研究院


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