面向4.5G演进的城域传输PTN网络发展探讨

【摘 要】为了分析移动通信在未来几年从4G向4.5G演进过程中对传输尤其是PTN网络的影响，基于无线网特性的变化以及容量、连接、时延敏感度等特性的大幅提升，分析了4.5G发展对传输网络的需求有基站高带宽需求、站间协同需求、物联网发展需求等。基于以上需求分析了超100G大容量接口、高精度时间同步、NGFI、SPTN等技术的演进，对城域传输网内带宽进行了测算，探讨了面向4.5G的城域传输PTN网络会逐步将三层下移的问题，从而提出了城域传输网核心层、汇聚层、接入层的演进方向和技术特征。

【关键词】4.5G演进 分组传送网 物联网 大容量接口 城域传输网

[Abstract] With mobile communication evolving from 4G to 4.5G in a few years， in order to analyze its impact on transmission， especially the PTN network， based on the changes of characteristics of the wireless network and the improvement of capacity， connection and delay sensitivity， this paper analyzed transmission network requirements of 4.5G， that is high bandwidth base station requirement， base station coordination requirement， and IOT development requirement， etc. Based on the above requirements， this paper analyzed technology evolution including over 100G large capacity interfaces， high precision time synchronization， NGFI， SPTN， etc. Then it discussed that metro transmission PTN network for 4.5G will gradually turn down on three-layer network， and measured the metro transmission network bandwidth， puting forward the metro transmission network evolution direction and technical characteristics of the core layer， convergence layer and access layer.

[Key words]4.5G network evolution Packet Transport Network Internet of Things large capacity interface metro transmission network

1 移动通信向4.5G演进的特点及标准推进

移动通信网络经历了从2G、3G到4G的较为漫长的发展历程，由主要为话音、短信服务发展成为话音、短信、数据视频服务等，在向4.5G演进的过程中，在推进话音、短信、数据视频这类传统通信服务的基础上还面向连接数更多的物联网提供服务。4.5G演进的特点形成和标准制订正在逐步推进中。

1.1 标准进展

3GPP在Rel-10到Rel-12的阶段系统定义了CA、上下行的MIMO增强、HeNB移动性管理增强、CoMP、CA增强、eMBMS业务连续性、Small Cell enhancements（下行256QAM、TDD-FDD Joint Operation、双连接、Small Cell on/off等）、Inter eNB CoMP、MDT（Minimum Drive Test）等增强技术特性，是LTE-Advanced即4G阶段的主要标准。面向4.5G与5G的3GPP标准计划如图1所示。

Rel-12已于2015年3月完成，3GPP在2015年10月正式宣布，从Rel-13起的技术命名为LTE-Advanced Pro，即4.5G阶段标准起草，并逐步完善制订Massive CA、Massive MIMO、256QAM、SOMA、LTE-M、U-LTE等技术特性。

1.2 向4.5G演进的特点与关键指标

4G到4.5G网络架构的变化主要是利用SDN/NFV（Software Defined Network/Network Function Virtualization，软件定义网络/网络功能虚拟化）技术将EPC虚拟化；空口部分则是利用更高阶的调制、Massive MIMO、Massive CA技术等提高接入带宽；同时，在终端方面，其连接的对象将从过去的手机终端向物联网中的各类终端延伸。

在4.5G演进的过程中，连接数将从手机终端的8亿连接向万物互联的300亿连接增长，容量由目前几十兆的带宽向吉比特带宽增长，而由于存在越来越多对时延更为敏感的业务，对时延的要求将提高到10 ms。向4.5G演进的几个指标对比如表1所示。

2 4.5G发展对传输网络的需求分析

2.1 基站带宽需求分析

目前4G的单宏站规划带宽一般按80 Mbps考虑，4.5G阶段单基站如果按4载波聚合，平均下载速率可以以320 Mbps（80×4）规划，考虑到未来频谱效率不断提升，单站规划带宽将达到600～800 Mbps，单站峰值带宽则将达到2 Gbps。第3部分将以此为基础分析核心、汇聚、接入各层的传输带宽。

2.2 站间协同需求分析

CoMP（Coordinated Multi-Point Operation，协同多点传输）是一种多小区相互协作传输的技术，能有效提高小区边缘用户的通信质量，达到改善网络覆盖和提升小区边缘吞吐率的效果。

当用户终端处在所在小区的边缘时，一组基站以协作的方式对这些用户终端同时进行接收/发射。协作的方式有两种，一种是CS/CB（Coordinated Scheduling/Coordinated Beamforming，协同调度/协同波束赋形），即简单的干扰规避形式，CS/CB是通过在基站间传递一些信令，使得基站重叠覆盖区域的用户在同时接收多个基站的信号时能避免信号干扰；另一种是JR/JT（Joint Reception/Joint Transmission，联合接收/联合发送），即复杂的多小区联合处理数据的形式，JT/JR是通过多个基站的协作，同时向小区边缘用户发送/接收数据，使得小区边缘用户的信号获得更多的增益以改善通信质量。

CS/CB仅需要在基站间传递一些信令，因此对承载的带宽和时延要求较低；而JT/JR则对承载提出了更高的要求。

2.3 物联网发展需求分析

物联网应用日渐增多，人人通信正朝着人机通信甚至机机通信的方向发展。面对物联网的需求的提升，需解决如对海量物联网的支持、低时延、室内深度覆盖的改善、超低成本等诸多问题，3GPP对此进行了多方面的研究。

LET-M是早期3GPP基于LTE技术引入的对物联网应用支持的技术组合，但是因为LTE本身是面向宽带无线数据应用的，LTE-M在物联网应用适配性增强上存在较大的局限。从Rel-11之前的cat 1终端（支持上行最大5 Mbps、下行最大10 Mbps），到Rel-12阶段的cat 0终端（虽仅支持上下行最大1 Mbps的速率，但LTE要求终端最小具有20 MHz的接收能力，对终端的要求过高），对于物联网应用来说成本较高，故未能得到充分的发展和应用。

另一种发展很快的则是基于蜂窝的NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网），它的标准在3GPP的Rel-13阶段获得冻结。NB-IoT构建于蜂窝网络，只需消耗大约180 kHz的频段，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，部署成本低。

NB-IoT对传输网的需求主要有：1）带宽需求，以S111站型为例，基站上行峰值约为620 kbps，下行峰值约为540 kbps；2）时延需求方面约为秒级，比较宽松；3）QoS需求，暂未定义QCI等级，可以在PTN（Packet Transport Network，分组传送网）上分配较高优先级，类似于现网GSM基站的业务优先级；4）网络架构，无论以升级现网GSM基站支持GN双模还是新建NB-IoT基站，都需要承载S1电路，因此对PTN网络中L2/L3桥接层设备会带来压力。

3 面向4.5G演进的传输PTN网络发展研究

3.1 技术演进

（1）超100 G大容量接口

到4.5G阶段，核心汇聚层仍采用100GE接口将显得捉襟见肘，超100 G的大容量接口势在必行。涉及超100G标准制定的主要组织包括有ITU-T SG15、IEEE802.3和OIF。

ITU-T SG15的工作组进行了超100 G物理层和光传送网逻辑层的标准化工作，完成了对超100 G的帧结构、电层和光层开销、复用层次、故障处理等的定义，接下来会根据IEEE 400GE标准的进展，对B100G OTN客户信号映射和物理接口等相关内容进行完善，预计将在2016年中或下半年相关标准。

IEEE的802.3工作组如上所述承担着400GE的标准化工作，目前在系统架构、逻辑接口、电接口和光接口方面已达成多项成果，预计会在2017年标准。

OIF则在2016年3月了FlexE标准，其思路是采用绑定多个Ethernet PHY（目前主要指100GE，后续400GE标准化后也会支持）从而实现承载MAC速率大于PHY速率的业务。

上述几种大容量接口的技术在不断制定与完善中，设备厂商根据标准制定和产品架构完善或推出相应超100 G大容量接口的PTN设备。

（2）时间同步

为满足今后的超高精度时间同步需求，需要由传输PTN来实现超高精度的时间同步功能。目前采用1588v2时间同步，预计未来会在此基础上，采用超高精度的时间同步服务器以及增强算法，借助OTDR对1588同步方案进行改进以实现时间同步。

（3）下一代前传接口

3G和4G时代的BBU与RRU采用的固定速率前传接口CPRI是一种基于TDM协议的接口，即使在没有业务负载的情况下仍会传输数据流，传输效率不高但对承载带宽要求极高。为提高传输效率，更好地支持无线网络向4.5G/5G系统演进，BBU和RRU的功能需要重新定义，设计一个基于分组传输技术的BBU和RRU接口，即NGFI（Next Generation Fronthaul Interface，下一代前传接口）。

NGFI重新定义了BBU和RRU的功能，将部分BBU处理功能移至RRU上，进而导致BBU和RRU的形态产生改变，重构后分别定义名称为RCC（Radio Cloud Center，无线云中心）和RRS（Radio Remote System，射频拉远系统）；基于分组交换协议将前端传输由点对点的接口重新定义为点对多点的前端传输网络。

NGFI的划分有多个不同方案，位置最高的划分对传输带宽要求最低，上下行都在100 Mbps的级别，时延为1 ms级要求也不高，可采用PTN来承载前传接口；位置最低的划分对传输带宽要求最高，上下行在10 Gbps的级别，时延为0.1 ms级，需采用WDM PON（Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network，波分复用型无源光网络）等技术来承载前传接口。

（4）PTN技术的发展

面向4.5G的演进，对PTN的高带宽承载能力和灵活调度能力都提出了较高的要求。PTN向着超100 G的端口和槽位能力演进，同时，PTN技术也向着SPTN（Software Packet Transport Network，智能分组交换网络）的方向发展。

SPTN是将SDN网络控制与PTN转发面结合的技术，可实现集中化智能控制、网络可编程与PTN高效多业务传送能力、端到端OAM（Operation Administration and Maintenance，操作维护管理）和电信级高可靠性的结合等，提升了PTN网络的资源利用率和开放性，更好地满足了专线和移动回传业务的承载需求。目前SPTN已形成包括整体架构在内的一系列规范，若干城域传输网在以专线业务为切入点进行试点并促进跨厂家的互通。今后随着SPTN在城域网中应用的扩大，对4.5G乃至5G网络以用户为中心的架构能提供更好地支撑。

3.2 城域传输网PTN网络架构演进与发展的探讨

（1）城域传输网内带宽测算

每基站上行平均带宽按600 M考虑（4载波，并考虑未来频谱效率的提升），每接入环6个节点，接入环带宽不收敛，每节点带基站数目2个，则接入环带宽约为7 G，接入层设备需考虑10GE环或10GE叠加的环。

对于汇聚层，假定一个汇聚环带150个节点，并考虑4：3的收敛，上行带宽按80%考虑，则汇聚层带宽约为108 G的带宽，汇聚层设备需采用叠加100GE或组400GE的环。

对于核心层，假定一对L2/L3桥接设备带3000个节点，并考虑4：2的收敛，上行带宽按80%考虑，则核心层上行带宽约为1.4 T，核心层需采用大容量设备。若L2/L3桥接在骨干汇聚点，则每对设备假定带6个环，为900个节点，并考虑4：2的收敛，上行带宽按80%考虑，则核心层上行带宽约为430 G。

（2）城域传输网网络架构演进探讨

4G阶段大中型城域传输PTN网中L2/L3桥阶层设备往往独立设置，构成核心层的小三层网络，好处是界面清晰，路由规划简单，带宽规划与维护都较容易。但随着4.5G阶段对低时延和带宽提升的要求，将L2/L3桥接层与骨干汇聚设备合设（如图2所示）扩大三层网络将是一个合理的选择。

城域传输网的网络架构将朝着三层下移、大容量和灵活组网的方向发展。

核心层以三层网络为主，采用6.4 T以上大容量设备，设备板卡支持单槽位200 G以上，尽量采用400GE接口。

汇聚层可考虑骨干汇聚和L2/L3合一，减少网络层级；可采用口字型组网，与环网配合进行灵活调度；热点区域应以大容量设备叠加扩容，新建组200GE或400GE环，并能支持大端口扩容。

接入层可仍以环网形式接入，带宽支持单环10GE或单环叠加20GE。

4 结束语

本文介绍了4G向4.5G演进中架构、空口、终端方面的变化带来的容量、连接、时延敏感度等特性的大幅提升，分析了4.5G发展对传输网络的需求集中于基站高带宽需求、站间协同需求以及物联网发展需求等。通过带宽测算、对比和归纳总结等方法，文章对城域传输网内带宽进行了测算，分析了超100 G大容量接口、高精度时间同步、NGFI、SPTN等技术的发展与演进，并着重探讨了面向4.5G演进的城域传输PTN网络会逐步下沉三层设备，网络架构朝着三层下移、大容量和灵活组网的方向发展以及城域传输网核心层、汇聚层、接入层的演进发展情况等，以满足4.5G乃至更长远的网络发展需要。

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