LTE-A Pro及5G对城域传送网的需求和挑战

　　1 引言
　　面向LTE/LTE-A的承载网络发展建设至今，形成了以刚性管道OTN（Optical Transport Network，光传送网）为高速基础通道、以PTN（Packet Transport Network，分组传送网）等为主力承载的网络格局，网络应用带动了城域传送网设备和技术在带宽、容量、处理能力、网络安全、QoS、时间同步、智能化等方面的发展。另一方面，关于LTE后续的标准化研究也在不断推进。2015年10月，3GPP组织正式公布了基于Rel-13规范的LTE-Advanced Pro，简称LTE-A Pro，作为当前LTE、LTE-A的延续。此外，尽管5G标准大约要在2020年成熟，但业界对于5G的目标已达成一些共识，在IMT-2020（5G）推进组发布的《5G愿景与需求白皮书》、《5G网络架构设计白皮书》中，对5G提出了关键能力指标和整体网络架构。
　　本文接下来将分析未来LTE-A Pro、5G对城域传送网的需求和挑战，以现有网络为基础，研究城域传送网的发展演进。
　　2 LTE-A Pro及5G对城域传送网的需求和挑战
　　2.1 LTE-A Pro的需求和挑战
　　（1）单站带宽
　　随着移动互联网业务的发展，单个基站吞吐量和传输带宽相应提升，满足业务需求。基站单小区峰值带宽与该基站的频谱带宽和频谱效率成正比关系。频谱效率主要通过最大流数进行量化，流数与基站的天线数有一定关系，天线数量越多，基站支持的最大流数也会相应增加。
　　目前阶段，以中国移动而言，主要采用F频段及D频段进行覆盖，考虑到频段资源的不确定性及无线技术的发展，单个基站最大均值带宽约为1.3 Gbit·s-1~1.5 Gbit·s-1，最大峰值带宽约为4.5 Gbit·s-1~5.3 Gbit·s-1。实际部署中，热点区域单基站均值带宽约为0.6 Gbit·s-1，峰值带宽约为2 Gbit·s-1。
　　（2）窄带物联网
　　LPWA（Low Power Wide Area）是符合低带宽、低功耗、远距离通信、广覆盖、海量连接要求的，适合近阶段运营商部署的一种物联网技术，包括NB-IoT，LoRa，Sigfox等技术，3GPP选择了NB-IoT技术（Narrow Band-IoT，窄带物联网）并在Rel13冻结了标准。
　　为支持NB-IoT，一般需建设专用MME、SGW，区别于4G的S1接口，基站到IoT专用EPC接口为S1*接口，另外，NB-IoT系统没有X2这一类接口，单站带宽需求较小，为百k级别，时延为秒级。
　　对传输而言，如上分析，带宽和时延较小，此外，其覆盖范围相对GSM大，承载网需要提供的电路连接数总体较少，因此总体没有大的挑战，由于需要新增一定量的S1*电路（约几千到一万），桥接设备的带站能力方面需作好预留。端到端业务路径和主要接口如图1所示：
　　
　　图1 NB-IoT主要接口
　　（3）站间协同
　　3GPP在Rel-12标准中，对基站间的CoMP（Coordinated Multi-Point Operation，多点协作传输）作了增强，CoMP作为一种多小区协作传输的通信技术，能够提高小区边缘用户的信号质量，具有改善网络覆盖、提高小区边缘吞吐率的效果。
　　站间协同的方式可以是简单规避干扰的CS/CB（Coordinated scheduling/Coordinated Beamforming，协同调度/协同波束赋形），也可以是复杂的多小区联合处理数据的JT/JR（Joint Transmission/Joint Reception，联合发送/联合接收）。
　　CS/CB就是通过基站间传递一些信令，使得处于基站重叠覆盖区域的用户，在同时接收多个基站的信号时，避免受到信号干扰，而JT/JR则通过多个基站的协作，同时向小区边缘用户发送或接收数据，使得小区边缘用户的信号获得更多的增益。CS/CB仅需要在基站间传递一些信令，对承载的带宽和时延要求较低，JT/JR则对承载提出了更高的要求。以S111型8天线宏基站为例，各协同技术对传输的带宽及时延需求如表1所示：
　　表1 协同技术对传输带宽和时延需求
　　
　　由于CoMP针对的是小区重叠区域的用户，从实际网络应用来看，引入CoMP增加的带宽需求应计入峰值带宽，通过统计复用可以减少对网络建设的冲击。可以看出，相对于带宽而言，站间CoMP的时延对承载网提出了更高要求，承载网络目前仅能满足4 ms的时延要求。
　　2.2 5G的需求和挑战
　　（1）5G概念
　　根据IMT2020 5G概念白皮书，5G概念可由“标志性能力指标”和“一组关键技术”来共同定义。5G设计目标主要是广覆盖、高容量、低功耗、大连接、低时延、高可靠，根据IMT-2020的5G概念白皮书：广覆盖、高容量主要满足未来移动互联网业务；低功耗、大连接、低时延、高可靠主要面向新拓展的物联网业务领域。
　　（2）5G对城域传送网的需求和挑战
　　带宽方面，5G单站回传峰值带宽为4G的10倍到数10倍，站址密度为4G的数倍到10倍。
　　网络架构和流向方面，5G场景下UDN（Ultra Dense Network，超密集网络）要求深度的站间协同，移动承载流量模型向MESH化、横向化发展，综合考虑Inter CA、UL_CoMP、DL_CoMP、CSPC（Coordinated Scheduling based Power Control，基于功控的联合调度）等因素，基站横向流量占比一般为S1接口的10%~20%。由于CRAN模式逐步成为主流建站方式，一方面，集中机房前传接口的增加，带来了纤芯或波分设备集中部署的需求，BBU的堆叠，带来了回传接口带宽进一步提升的需求；另一方面，站间流量在同个集中机房内可直接处理，这为减少横向流量带来了对承载网的带宽、时延等方面的挑战，可能会扩大集中机房的覆盖面积，形成BBU高度集中的网络结构。此外，EPC/DC/MEC存在逐步下沉的可能性，也可能带来一部分横向流量的需求。
　　时延方面，部分业务端到端的时延最高要求为1 ms量级，分给承载网的时延只有100 μs量级，而前传接口时延最高要求可能只有50 μs。
　　SDN与网络切片方面，承载网需要平滑升级支持SDN、支持网络切片，以满足不同场景对带宽、时延、服务质量等差异化要求。
　　3 城域传送网各阶段部署及演进建议
　　3.1 近期网络部署建议
　　根据3GPP标准制定的进度，预计至2017~2018年，标准演进到Rel-14版本。单站最大带宽为Gbit·s-量级，端到端时延在10 ms级别，站间时延在1 ms~4 ms。
　　该阶段城域传送网主要围绕4G及部分LTE-A Pro基站需求，设备网络重点围绕PTN、OTN网络，以提升系统容量为主，适度优化结构或新建承载网络；网络管理方面应加快智能化、信息化部署，推进SPTN、智能ODN等建设。
　　对于设备网络，仍采用核心、汇聚、接入三层组网结构：
　　（1）核心层面应兼顾物联网需求，满足连接电路数的需求，考虑到单站带宽和站点规模的提升，线路侧应支持N×100 G或200 G的连接速率，核心节点单设备容量应达到6.4 T甚至更高。考虑到CoMP功能部署后对承载网时延的需求，目前光纤时延典型值为5 μs/km，设备时延典型值为20 μs~50 μs/节点，对于部分郊县，如果时延超出业务需求，可适当扩大L3网络部署范围，下沉L3网络至郊县的核心业务收敛节点。架构的演进如图2所示：
　　
　　图2 近期网络架构演进示意
　　（2）汇聚、接入层面考虑到无线基站带宽需求，应综合提升网络容量和设备处理能力，汇聚层面应提升设备端口集成度能力至40 G/100 G，接入层面应以10 G组网为主，按需叠加10 GE/40 GE/50 GE扩容，实现基站回传，随着单站载频增加，集中-拉远建站模式下，CPRI接口带宽不断增长，应视光缆纤芯资源情况，适度扩大有源、无源波分部署规模。
　　网络管理方面应在PTN网络中引入并应用SDN，重点解决L3 VPN部署优化、业务快速调整等功能，如图3所示：
　　
　　图3 SDN功能部署示意
　　3.2 远期网络演进设想
　　根据3GPP标准制定的进度，预计至2020~2022年，5G标准将发展到Rel-16版本。单站最大带宽为10 Gbit·s-1量级，端到端最低时延为1 ms级别。
　　远期网络将面向5G、LTE-A Pro为主进行承载。从演进思路来看，主要方向有：网络系统容量提升、网络扁平化、前传承载方式演进、L3网络下沉、网络智能化，网络切片等。
　　网络容量方面，核心层单链路速率达到400 G/1 T级别，系统配置容量达到几十T级别；汇聚层单链路速率达到400 G/1 T级别，系统配置容量达到100 T级别；接入层单链路速率达到40 G/100 G级别。
　　网络结构方面，将向扁平化方向进一步演进。核心层逐步简化结构，采用Mesh结构，可考虑骨干汇聚点和L2/L3桥接设备合一设置，其优点主要在于：1）减少网络层级；2）减少一跳设备时延；3）节省同机房空间和电源等配套资源。汇聚层综合考虑到容量和演进等需求，可考虑优先采用双上联结构。
　　前传承载方式的演进主要是基于NGFI（Next Generation Fronthaul Interface，下一代前传接口）标准的实现。当前CPRI接口被认为无法支持5G网络，主要原因在带宽太大，将达到100 G，这会带来巨大的成本压力，因此需要重新定义BBU和RRU之间的接口，将BBU和RRU的逻辑功能重新划分，目标是将其分组化，从根本上改变CPRI接口结构，减少BBU和RRU之间带宽。
　　与之相关的是L3网络下沉。不考虑L3网络下沉到接入层，未来网络演进可能方向主要有两种：
　　（1）L3下沉到汇聚点。汇聚点内X2通过其转发；汇聚点间X2通过桥接设备转发；桥接设备间X2通过L3落地设备转发。
　　（2）L3不下沉，仍维持在核心层面，采用集中机房+CRAN（NGFI）方式建站。X2主要通过同集中机房跨设备转发；拉远方式建站；前传通过NGFI压缩带宽，这种方案要求以NGFI的实现为前提条件。
　　L3网络在哪个位置取决于网络建设、工程投资等多方面因素，但三层域越大，配置维护工作量越大，可结合核心网网元EPC下沉策略同步考虑L3网络下沉。
　　网络智能化方面，要能够基于5G应用场景自动做网络资源的适配，通过网络切片，实现“一个逻辑架构、多种组网架构”的形态。在部署角度上，网络分片包括两个阶段，第一阶段主要实现管理平面和转发平面切片，第二阶段主要实现控制平面切片。
　　3.3 分阶段演进建议和设想
　　受网络、终端、业务、市场及各技术发展的影响，未来4G网络与5G网络两者会在较长的生命周期内共存，部分4G基站会向LTE-A Pro演进，LTE-A Pro、5G初期可能只是在4G网络基础上进行补充，比如先实现热点区域覆盖等。
　　但无论是LTE-A Pro承载还是5G承载，在SPTN部署、大容量大带宽设备需求、基础资源部署等方面的演进趋势是一致的，传送网络演进应基于可持续发展的原则进行。因此，传送网应适度超前建设，首先满足近中期的需求，同时做好储备，对于判断明确的发展趋势，通过建设补齐短板，适应未来网络变革。
　　近期阶段网络以维持架构稳定为主，在满足4G基站承载的基础上，按需提升系统容量和设备能力；远期阶段，由于带宽、业务流向模型、时延、智能化管理要求的变化，承载网络可视业务发展考虑架构整合或新建平面。
　　4 结束语
　　本文基于PTN+OTN为主的技术，着重对回传承载网络进行了组网架构及演进的分析，尚未涉及基于IP RAN等承载方案。此外，从承载网络可能的演进方向看，还包括IP和光融合承载、前传回传统一承载等其他技术路线，应结合现有网络以及技术发展成熟度进行灵活选择。同时，SPN技术的成熟将为5G承载演进进一步提供新的选择。
　　总体来说，随着移动互联网不断发展，移动数据流量呈爆炸式发展趋势，而LTE-A Pro及5G的标准研究也在同步推进，承载网络应积极应对，适度超前谋划布局，适应业务发展的新需求。