湯進(jìn)凱　徐昕

摘要：為了分析移動(dòng)通信在未來(lái)幾年向5G演進(jìn)過(guò)程對(duì)傳輸尤其是PTN網(wǎng)絡(luò)的影響，基于無(wú)線網(wǎng)向5G發(fā)展將產(chǎn)生三種典型應(yīng)用以及技術(shù)發(fā)展的特征，探討了5G發(fā)展對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵需求：超高帶寬需求、低時(shí)延需求、網(wǎng)絡(luò)切片需求和東西向流量需求?；谝陨闲枨?，考慮未來(lái)面向5G的城域傳輸PTN網(wǎng)絡(luò)會(huì)逐步向三層下移，架構(gòu)向大容量、扁平化和靈活組網(wǎng)的方向發(fā)展，并且在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試5G吞吐量的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立模型對(duì)城域傳輸網(wǎng)內(nèi)帶寬進(jìn)行了測(cè)算，提出了城域傳輸網(wǎng)核心層、匯聚層、接入層的演進(jìn)方向和技術(shù)特征。

關(guān)鍵詞：分組傳送網(wǎng) 軟件定義網(wǎng)絡(luò) 三層網(wǎng)絡(luò) 超高帶寬需求 低時(shí)延需求 網(wǎng)絡(luò)切片需求 東西向流量需求

1 引言

隨著移動(dòng)通信從技術(shù)到帶寬都呈現(xiàn)愈來(lái)愈快的發(fā)展趨勢(shì)，站在5G愈發(fā)臨近的時(shí)代，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)尤其是傳輸網(wǎng)絡(luò)如何演進(jìn)發(fā)展的討論逐步成為技術(shù)熱點(diǎn)。本文希望通過(guò)分析5G的典型應(yīng)用場(chǎng)景和對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵需求，探討城域傳輸PTN網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，通過(guò)模型測(cè)算分析網(wǎng)絡(luò)不同層面的網(wǎng)絡(luò)特征與演進(jìn)，而這些分析的基礎(chǔ)則是探討5G到底有哪些技術(shù)特征和應(yīng)用場(chǎng)景。

2 5G演進(jìn)發(fā)展的應(yīng)用場(chǎng)景與技術(shù)特點(diǎn)

移動(dòng)通信從GSM到3G、從3G到4G的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展有逐步加快的趨勢(shì)，其服務(wù)對(duì)象和內(nèi)涵也越來(lái)越廣泛，2G/3G/4G主要服務(wù)于通信，5G則不僅是下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施或者技術(shù)的升級(jí)換代，而是未來(lái)數(shù)字世界的驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，將真正創(chuàng)建一個(gè)全聯(lián)接的世界。5G顯著的網(wǎng)絡(luò)能力將使其成為一個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)，進(jìn)而催生出內(nèi)容廣泛的新應(yīng)用、新商業(yè)模式，甚至新的產(chǎn)業(yè)，5G將成為很多顛覆式創(chuàng)新的使能技術(shù)。

2.1 5G的典型應(yīng)用場(chǎng)景

5G技術(shù)的應(yīng)用將帶來(lái)非常豐富、真實(shí)的溝通與體驗(yàn)，成為諸多應(yīng)用的智能連接。參照目前的研究，可以從速率、時(shí)延、聯(lián)接三個(gè)維度對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行界定，甄選和日常工作生活緊密相關(guān)的場(chǎng)景來(lái)進(jìn)行歸納，比如海量聯(lián)接的物聯(lián)網(wǎng)、垂直產(chǎn)業(yè)場(chǎng)景（汽車、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化機(jī)器人）、終端用戶的自組網(wǎng)、自動(dòng)駕駛、超高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、醫(yī)療保健、智能家居、全聯(lián)接的智能傳感器等。5G的三類典型應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示：

基于速率、時(shí)延、聯(lián)接三個(gè)維度，明確出三種典型的應(yīng)用場(chǎng)景，即：

◆eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）應(yīng)用場(chǎng)景：如隨時(shí)隨地高清視頻直播和分享、虛擬現(xiàn)實(shí)、隨時(shí)隨地云存取、高速移動(dòng)上網(wǎng)（高鐵）、人工智能等；

◆mMTC（massive Machine Type Communication，大規(guī)模機(jī)器通信）應(yīng)用場(chǎng)景：如智能抄表、車聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)停車、智能交通、智能制造、智能物流、資產(chǎn)管理等；

◆uRLLC（ultra Reliable & Low Latency Communication，高可靠低時(shí)延通信）應(yīng)用場(chǎng)景：如自動(dòng)駕駛汽車、遠(yuǎn)程機(jī)械作業(yè)控制、工業(yè)互聯(lián)等。

2.2 5G發(fā)展的幾大關(guān)鍵技術(shù)

5G發(fā)展的三大關(guān)鍵技術(shù)分別為：新切片網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、新統(tǒng)一空口和全頻譜。

（1）新切片網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是指面對(duì)成百上千的行業(yè)，對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)現(xiàn)每個(gè)商業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間的隔離。

eMBB、uRLLC和mMTC不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求差異明顯。例如，不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)、資源使用、速率、頻譜效率、移動(dòng)性、時(shí)延、聯(lián)接密度、峰值速率、流量分布、QoS等要求都不一樣，為了更好地支持不同的應(yīng)用，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織建議5G網(wǎng)絡(luò)支持網(wǎng)絡(luò)切片，使網(wǎng)絡(luò)邏輯化，邏輯上可以分成若干分立的虛擬網(wǎng)絡(luò)，這些分立網(wǎng)絡(luò)可以擁有自己獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)資源，管理、控制、轉(zhuǎn)發(fā)都可以相應(yīng)的分立。

（2）新統(tǒng)一空口指通過(guò)統(tǒng)一的空口技術(shù)，滿足不同的商用應(yīng)用需求，如圖2所示：

（3）全頻譜是指5G網(wǎng)絡(luò)頻譜既有低頻又有高頻，目前5G網(wǎng)絡(luò)頻譜以6 GHz以下低頻為主，高頻為輔。6 GHz以下，WRC-15分配了C波段3.3 GHz—3.8 GHz 500 MHz的頻譜資源，主要面向聯(lián)接性、覆蓋、移動(dòng)性、基礎(chǔ)容量。6 GHz以上，提供更高速率，主要在厘米波（10 GHz—30 GHz）和毫米波（30 GHz—100 GHz），將在WRC-19討論分配使用。5G頻譜劃分的情況如圖3所示：

3 5G發(fā)展對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵需求

3.1 超高帶寬需求

帶寬是5G網(wǎng)絡(luò)最重要的需求，按照相關(guān)組織的標(biāo)準(zhǔn)定義，6 GHz以下的頻譜將會(huì)有500 MHz帶寬（不同區(qū)域可用范圍有所區(qū)別，可以保證所有區(qū)域有200 MHz帶寬可用，即3400 MHz—3600 MHz）。6 GHz以上，則頻譜資源更豐富，可獲得的頻譜資源將高達(dá)45 GHz。目前實(shí)驗(yàn)室測(cè)試高頻基站吞吐量達(dá)到115 Gbps。因此，對(duì)傳輸網(wǎng)來(lái)說(shuō)，對(duì)更大帶寬的支持顯得較為迫切。當(dāng)然，在2018年前，可獲得的頻譜在6 GHz以下頻段。

目前部分實(shí)驗(yàn)室測(cè)試宣布的吞吐量和單基站上行帶寬預(yù)算參見表1、表2：

據(jù)此推算，100 MHz頻譜、64T64R、三小區(qū)S1接口上行帶寬預(yù)估為平均值3 Gbps，峰值10 Gbps；X2/eX2接口帶寬預(yù)估為600 Mbps。

3.2 低時(shí)延需求

5G典型應(yīng)用場(chǎng)景中有一類為高可靠低時(shí)延通信（uRLLC）應(yīng)用場(chǎng)景，部分應(yīng)用對(duì)低時(shí)延的要求越來(lái)越高。對(duì)于S1接口單向時(shí)延大約10 ms，分解到傳輸網(wǎng)的時(shí)延不超過(guò)2 ms，X2/ex2接口單向時(shí)延大約為20 ms，分解到傳輸網(wǎng)的時(shí)延不超過(guò)4 ms。

3.3 網(wǎng)絡(luò)切片的需求

與新切片網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的介紹類似，網(wǎng)絡(luò)切片其實(shí)是基于5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用商業(yè)模式而導(dǎo)出的一個(gè)需求，設(shè)想是，不同的商業(yè)應(yīng)用因?yàn)槭褂昧瞬煌木W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和資源，可能會(huì)在不同的商業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行維護(hù)和使用，而這些都基于同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)，因此需要運(yùn)營(yíng)商的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)切片的能力。網(wǎng)絡(luò)切片能力要求包含如下：

轉(zhuǎn)發(fā)切片：物理轉(zhuǎn)發(fā)層面，對(duì)不同的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)支持使用不同的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制和轉(zhuǎn)發(fā)資源，相互之間完全隔離，互不影響。對(duì)各自的商業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)發(fā)互不可見。

管理切片：因?yàn)椴煌膽?yīng)用可能是由不同的商業(yè)運(yùn)營(yíng)者在操作和維護(hù)，因此，在管理上需要實(shí)現(xiàn)分片，各自管理自己的網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)。

控制切片：基于不同的商業(yè)模式，例如虛擬運(yùn)營(yíng)商，需要控制他所租用的這一部分網(wǎng)絡(luò)，基于這一分片網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行運(yùn)營(yíng)和維護(hù)。此外，轉(zhuǎn)發(fā)切片和管理切片后，一個(gè)潛在的可能需求就是控制切片。

網(wǎng)絡(luò)切片需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件和軟件平臺(tái)的支持，將與SDN（Software Defined Networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）結(jié)合緊密。

3.4 東西向流量的需求

由于在5G階段將采用超密集組網(wǎng)，5G的站間協(xié)同比4G更為密切，站間流量不能再如同4G X2流量一樣被忽略，而是與S1流量具有可比性。無(wú)論是基于站間流量的傳輸時(shí)延考慮，還是基于站間流量的帶寬考慮，都需要承載網(wǎng)將站間的流量就近轉(zhuǎn)發(fā)，這對(duì)于三層網(wǎng)絡(luò)的下移提出了一定的需求。

4 面向5G發(fā)展的傳輸PTN網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)探討

4.1 三層網(wǎng)絡(luò)下移的探討

目前面向4G的PTN網(wǎng)為小三層的網(wǎng)絡(luò)，三層設(shè)備一般在城域傳輸網(wǎng)的核心層，以成對(duì)的方式進(jìn)行L2/L3橋接設(shè)置。對(duì)站間流量等X2業(yè)務(wù)，其路徑為接入-匯聚-橋接-匯聚-接入，X2業(yè)務(wù)所經(jīng)過(guò)的跳數(shù)多、距離遠(yuǎn)，時(shí)延往往較大，在對(duì)時(shí)延不敏感且流量占比不到5%的4G時(shí)代這種方式較為合理，小三層網(wǎng)絡(luò)通過(guò)靜態(tài)配置，對(duì)維護(hù)的要求相對(duì)簡(jiǎn)單。

但5G時(shí)代的一些應(yīng)用對(duì)時(shí)延較為敏感，站間流量所占比例越來(lái)越高，可能達(dá)到20%～30%，這就要求三層網(wǎng)絡(luò)逐步下移，形成大三層網(wǎng)絡(luò)。

初期，三層網(wǎng)絡(luò)可下沉到核心節(jié)點(diǎn)的骨干匯聚設(shè)備，將骨干匯聚設(shè)備作為L(zhǎng)2/L3橋接設(shè)備，減少了專門的橋接這一層，但位置依然較高，到橋接的距離仍較長(zhǎng)。

后期，三層網(wǎng)絡(luò)可下沉到普通匯聚設(shè)備，將普通匯聚點(diǎn)作為L(zhǎng)2/L3橋接設(shè)備，其路徑為接入-匯聚-接入，則跳數(shù)少、橋接距離接入較近，由于普通匯聚點(diǎn)相比核心節(jié)點(diǎn)數(shù)大為增加，逐步形成大三層的網(wǎng)絡(luò)。

4.2 城域傳輸網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)的探討

（1）城域傳輸網(wǎng)內(nèi)帶寬測(cè)算

每基站上行平均帶寬按3G考慮（100 MHz，64T64R），每接入環(huán)6個(gè)節(jié)點(diǎn)，接入環(huán)帶寬不收斂，每節(jié)點(diǎn)帶基站數(shù)目2個(gè)，則接入環(huán)帶寬約為30～40G，接入層設(shè)備需考慮10G疊加組網(wǎng)或組40GE的環(huán)。

對(duì)于匯聚層，假定一個(gè)匯聚環(huán)帶150個(gè)節(jié)點(diǎn)，并考慮4：3的收斂，上行帶寬按80%考慮，則匯聚層帶寬約為540 G，匯聚層設(shè)備需逐步考慮組400GE的環(huán)。

對(duì)于核心層，假定一對(duì)L2/L3橋接設(shè)備帶3000個(gè)節(jié)點(diǎn)，并考慮4：2的收斂，上行帶寬按80%考慮，則核心層上行帶寬約為7 T，核心層需采用大容量設(shè)備。

（2）城域傳輸網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)探討

結(jié)合三層網(wǎng)絡(luò)下移和帶寬的測(cè)算，城域傳輸網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將向大容量、扁平化和靈活組網(wǎng)的方向發(fā)展。

三層網(wǎng)絡(luò)逐步下移到匯聚層，減少專門橋接層的網(wǎng)絡(luò)層級(jí)，實(shí)現(xiàn)大三層的網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)在匯聚層以上逐步采用直達(dá)或口字型組網(wǎng)，減少跳數(shù)；逐步采用單端口400 G以上的大容量設(shè)備，滿足5G帶寬陡增的需求。PTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)如圖4所示。

核心層需進(jìn)行大容量核心調(diào)度層的部署，以三層網(wǎng)絡(luò)為主進(jìn)行架構(gòu)搭建，設(shè)備板卡全面升級(jí)到單槽位400GE，支持ETH大端口。

匯聚層可考慮由環(huán)網(wǎng)逐步改為口字型上聯(lián)，減少逐跳轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程并充分利用口字型的帶寬；骨干匯聚和L2/L3合一，減少網(wǎng)絡(luò)層級(jí)；逐步下沉三層網(wǎng)絡(luò)到匯聚層，滿足5G部分對(duì)時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的場(chǎng)景；板卡升級(jí)到400GE，同時(shí)支持FlexE流量切片和大端口擴(kuò)容。

接入層可仍以環(huán)網(wǎng)形式接入，帶寬支持單環(huán)40 G或100 G。

5 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的移動(dòng)通信主要支持話音、短信、視頻等通信服務(wù)，5G則不僅是下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施，還是面向未來(lái)數(shù)字世界的強(qiáng)大平臺(tái)。本文從未來(lái)的5G將產(chǎn)生增強(qiáng)版的移動(dòng)寬帶、大規(guī)模機(jī)器通信、高可靠低時(shí)延通信三種典型應(yīng)用的角度切入，論述了無(wú)線的三大關(guān)鍵技術(shù)是新切片網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、新統(tǒng)一空口和全頻譜。在此基礎(chǔ)上分析了5G發(fā)展對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵需求是超高帶寬需求、低時(shí)延需求、網(wǎng)絡(luò)切片需求和東西向流量需求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試5G的吞吐量，對(duì)流量進(jìn)行了推算，建立了帶寬測(cè)算模型，對(duì)城域傳輸網(wǎng)內(nèi)帶寬進(jìn)行了測(cè)算，提出了城域傳輸網(wǎng)核心層、匯聚層、接入層的演進(jìn)方向和技術(shù)特征，并探討了未來(lái)面向5G的城域傳輸PTN網(wǎng)絡(luò)會(huì)逐步將三層下移，網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)上也會(huì)逐步采用直達(dá)或口字型來(lái)減少跳數(shù)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)向大容量、扁平化和靈活組網(wǎng)的方向發(fā)展。

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