面向5G建設(shè)的PTN分組傳送網(wǎng)絡(luò)分析與應(yīng)用

宋浩 陳云川 蘇婷 黃建 盧晶晶

摘要：為了迎合5G在2020年全面商用后無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)向扁平化發(fā)展的趨勢(shì)，在減少建設(shè)及維護(hù)成本的前提下，在提升系統(tǒng)容量和頻譜感知精度、增加智能化產(chǎn)業(yè)的“萬物互聯(lián)”靈活性、降低終端設(shè)備成本和網(wǎng)絡(luò)能耗等方面都對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與演進(jìn)提出了迫切的要求。PTN（PacketTransportNetwork，分組傳送網(wǎng)絡(luò)）作為現(xiàn)網(wǎng)采用的主流技術(shù)并正逐步向5G承載的切片分組網(wǎng)演進(jìn)，對(duì)于上述問題的解決具有顯著的優(yōu)勢(shì)?；诖耍槍?duì)PTN的技術(shù)特點(diǎn)提出了面向5G建設(shè)的應(yīng)用策略和解決方案。

關(guān)鍵詞：5G建設(shè);網(wǎng)絡(luò)扁平化;PTN技術(shù)：智能化;應(yīng)用策略

中圖分類號(hào)：TN915.02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）13-0064-03

1引言

當(dāng)前主流的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)主要由兩類網(wǎng)絡(luò)組成：成熟、標(biāo)準(zhǔn)的SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體系）/MSTP（Multi-ServiceTransportPlatform，多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)）網(wǎng)絡(luò)和PTN網(wǎng)絡(luò)。前者利用其同步復(fù)用、強(qiáng)大的路由自動(dòng)選擇能力和透明的業(yè)務(wù)傳輸通道可以為所承載的業(yè)務(wù)提供獨(dú)享的剛性帶寬、快速有效的自愈保護(hù)和高可靠的服務(wù);而PTN技術(shù)通過和SDH的有效融合使業(yè)務(wù)適配性更加優(yōu)異，加之對(duì)SDH中的缺陷和不足進(jìn)行了優(yōu)化，使得日益增多的移動(dòng)終端IP化的需求在PTN網(wǎng)絡(luò)中得到很大程度滿足。此外，組網(wǎng)靈活、傳輸方式適用于IP業(yè)務(wù)和對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的改善，都為5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和演進(jìn)提供了良好的網(wǎng)絡(luò)氛圍及架構(gòu)基礎(chǔ)。

2PTN的組網(wǎng)方式和技術(shù)特征

為了改善網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)固性，避免由于單歸屬上聯(lián)失效造成網(wǎng)絡(luò)故障，目前實(shí)際的PTN組網(wǎng)通常是采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的形式將接入層、匯聚層、核心層雙歸屬上聯(lián)，使接入層能夠通過ONU（Optical Network Unit，光網(wǎng)絡(luò)單元）和OLT（OpficM LineTerminal，光線路終端）引入互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、VPN業(yè)務(wù)、基站業(yè)務(wù)等;同時(shí)通過裸光纖或者OTN（Optical Transport Network，光傳送網(wǎng)）的匯聚承載從而有利于各項(xiàng)業(yè)務(wù)的調(diào)度。現(xiàn)階段作為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)暮诵脑O(shè)備，SDH、DWDM（Dense Wavelength DivisionMultiplexing，密集型光波復(fù)用）主要承載2G和3G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù);新建設(shè)備包括OTN和PTN，主要承載4G網(wǎng)絡(luò)的LTE業(yè)務(wù)、CMNET以及IP承載網(wǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)嘲。PTN組網(wǎng)架構(gòu)示意圖如下。

MPLS-TP（Multi-Protocol Label Switching Transport Profile，多協(xié)議標(biāo)簽交換傳送應(yīng)用）作為1TU-T（國際電信聯(lián)盟）標(biāo)準(zhǔn)化的PTN技術(shù)，要求面向連接，不僅在MPLS技術(shù)的路徑轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)之上簡(jiǎn)化了IP/MPLS中的繁雜流程，解決了傳統(tǒng)SDH中效率不高的缺陷，還將IP、以太網(wǎng)、ATM的通用分組傳送技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)融合，以固定長(zhǎng)度的標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)文的高速轉(zhuǎn)發(fā)，MPLS-TP與IP/MPLS的功能對(duì)比如下表。同時(shí)，MPLS-TP技術(shù)對(duì)ATM、FR、PPP等數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和IPv6、IPX等網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的支持，使得對(duì)網(wǎng)絡(luò)QoS（Quality ofService，服務(wù)質(zhì)量）的應(yīng)用效果得到了一定程度上的保障和增強(qiáng)，對(duì)多項(xiàng)模式的業(yè)務(wù)進(jìn)行承載的同時(shí)還能有效規(guī)避一般受控區(qū)且，其生存性和傳輸性也得到有效提升。

2.1安全保護(hù)技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)業(yè)務(wù)的區(qū)分，PTN組網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中通常將LSP（Hnk State Packet，鏈路狀態(tài)報(bào)文）和PW（PseudoWire，偽線）的標(biāo)簽隔離，其保護(hù)機(jī)制一般包括線性LSP/PW保護(hù)、環(huán)網(wǎng)保護(hù)、PW雙歸保護(hù)等。得益于FrN技術(shù)的多層次防護(hù)架構(gòu)，使得該網(wǎng)絡(luò)在防范信息數(shù)據(jù)泄漏及抵御惡意侵襲方面得到很大程度的保障，有效提升了其防護(hù)性能以及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和安全性。

PTN業(yè)務(wù)主要的保護(hù)方式有兩種，分別是基于APS協(xié)議的1：1保護(hù)和1+1保護(hù)。APS協(xié)議是在雙向保護(hù)倒換時(shí)對(duì)源、宿雙方彼此協(xié)商通信，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)實(shí)體之間倒換信息協(xié)同決策的協(xié)議。1+1保護(hù)是指發(fā)送端同時(shí)向兩個(gè)主備MPLS Tunnel轉(zhuǎn)發(fā)流量，當(dāng)主Tunnel發(fā)生中斷時(shí)，就將業(yè)務(wù)倒換到保護(hù)Tunnel上，實(shí)現(xiàn)端到端的狀態(tài)一致;1：1保護(hù)時(shí)，其業(yè)務(wù)主要運(yùn)行APS協(xié)議判斷主備信道質(zhì)量，如果工作Tunnel出現(xiàn)故障，業(yè)務(wù)則會(huì)通過保護(hù)倒換、倒換延遲、等待恢復(fù)等功能實(shí)現(xiàn)向保護(hù)Tunnel的倒換。

2.2多業(yè)務(wù)承載

PTN網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于傳統(tǒng)的SDH，采用“核心層+業(yè)務(wù)接入控制層”的兩層業(yè)務(wù)架構(gòu)，通過帶有多段MPLS標(biāo)簽的Tunnel完成對(duì)無線基站回傳的TDM/IPRAN、出租專線接人、CMNET專線接入以及家庭以太網(wǎng)等多業(yè)務(wù)的承載。PTN不僅采用MPLS-TP技術(shù)通過Tunnel實(shí)現(xiàn)端到端的VPN接人業(yè)務(wù)，PWE3的電路仿真技術(shù)還對(duì)業(yè)務(wù)的性能提升和部署簡(jiǎn)化提供了先天優(yōu)勢(shì)。此外，BFDforBGPTunnel機(jī)制的引入使得PE側(cè)采用相同的傳輸層收斂技術(shù)完成自身信令，無需對(duì)業(yè)務(wù)層感知的同時(shí)還可進(jìn)行快速檢測(cè)與排障。

2.3 OAM技術(shù)及QOS策略

PTN網(wǎng)絡(luò)的OAM（Ooeration，Administration and Mainte-nance，運(yùn)行管理維護(hù)）設(shè)計(jì)基于SDH，其標(biāo)準(zhǔn)通過硬件可達(dá)到電信級(jí)的3.3ms。其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系涵蓋了橫縱向分層，包括Sec-tionlayer和Tunnel在內(nèi)的每一層中都設(shè)置了相應(yīng)的OAM性能，這種機(jī)制不僅可以防止網(wǎng)絡(luò)故障的發(fā)生，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障的迅速診斷和定位。

QoS策略是保證PTN網(wǎng)絡(luò)上不同業(yè)務(wù)差異化服務(wù)的方法，在PTN設(shè)備中根據(jù)業(yè)務(wù)的不同需求分為四個(gè)步驟來保障服務(wù)的質(zhì)量。第一步基于Diff-Serv域的流分類，是QoS執(zhí)行服務(wù)的基礎(chǔ)，依據(jù)匹配規(guī)則的不同來區(qū)別報(bào)文信息;第二步流量監(jiān)控，采用CAR技術(shù)對(duì)流分類后的流量進(jìn)行速度測(cè)算，通過設(shè)置不同顏色的報(bào)文來限制進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的流量;第三步擁塞防止與管控，是指在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，通過隊(duì)列調(diào)度進(jìn)行合理的管控，保障重要業(yè)務(wù)的暢通;第四步流量整理，可以限制流出網(wǎng)絡(luò)的某一連接的流量與突發(fā)，使其以均勻速率轉(zhuǎn)發(fā)。

35G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)方案

隨著用戶需求的急劇增加和5G（Sth generation mobile net-works第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）商用日益臨近，5G在傳輸速率、頻譜資源利用率以及用戶體驗(yàn)質(zhì)量等方面相較于當(dāng)前主流4G-LTE移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)都有顯著優(yōu)勢(shì)，除了在網(wǎng)絡(luò)能耗、傳輸效率、覆蓋深度等方面將得到實(shí)質(zhì)性改善，ITUR定義的5G三大業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）、mMTC（海量機(jī)器通信）以及uRLLC（超高可靠低時(shí)延通信）勢(shì)必會(huì)推動(dòng)無線網(wǎng)、核心網(wǎng)和承載網(wǎng)發(fā)生劇烈變化。尤其在超高帶寬和超低時(shí)延、高精度時(shí)鐘同步、層次化網(wǎng)絡(luò)切片、靈活轉(zhuǎn)發(fā)、智能協(xié)同等方面對(duì)承載網(wǎng)提出了更高的要求。

同時(shí)，針對(duì)當(dāng)前的4G-LTE接人網(wǎng)絡(luò)，其兩級(jí)核心架構(gòu)BBU和RRU將在5G環(huán)境下演進(jìn)為CU（集中單元）、DU（分布單元）、CN（核心網(wǎng)）三級(jí)結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的可分解成前傳網(wǎng)（FrontHaul，即RRU到DU之間）、中傳網(wǎng)（MidHaul，即DU到CU之間）和回傳網(wǎng)（BackHaul，即CU到CN之間），如圖2所示。

4基于5G網(wǎng)絡(luò)的PTN應(yīng)用策略

針對(duì)當(dāng)前4G網(wǎng)絡(luò)和未來5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)展開預(yù)測(cè)和判斷，在創(chuàng)新空口技術(shù)的過程中，綜合分析和考慮網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化調(diào)控、PTN網(wǎng)絡(luò)的扁平化和智能化方向演進(jìn)，以及全方位整理跨平面業(yè)務(wù)擬定合理解決方案，從而滿足以下迫切需求：（1）能夠?qū)崿F(xiàn)大顆粒業(yè)務(wù)承載和集中管控;（2）優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的負(fù)荷，改善網(wǎng)絡(luò)資源使用;（3）調(diào)整骨干節(jié)點(diǎn)和光纜網(wǎng)點(diǎn)配置，構(gòu)成閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)骨干層與匯聚層的扁平化通信;（4）滿足運(yùn)營(yíng)商對(duì)集團(tuán)客戶定制化專線業(yè)務(wù)的需求，放寬市場(chǎng)限制和相關(guān)政策的影響。

4.1完善PTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（1）三層網(wǎng)絡(luò)下移。在當(dāng)前主流的LTE現(xiàn)網(wǎng)中，PTN采用將成對(duì)實(shí)現(xiàn)L2/L3橋接的三層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)置在城域網(wǎng)核心層，雖然流量占用較少同時(shí)傳輸距離遠(yuǎn)，但對(duì)時(shí)延敏感程度要求較高且站間流量較大的5G網(wǎng)絡(luò)，其對(duì)延時(shí)的敏感性不高制約了業(yè)務(wù)的擴(kuò)展。因此對(duì)三層網(wǎng)絡(luò)下移，形成大三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)成為趨勢(shì)。

（2）優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)融合和用戶調(diào)度機(jī)制。在豐富系統(tǒng)功能、改善用戶公平性以及提升系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面，逐漸完善的網(wǎng)絡(luò)融合和用戶調(diào)度機(jī)制發(fā)揮著重要作用。子載波的劃分效果也會(huì)隨著用戶區(qū)分是否理想、對(duì)基站范圍內(nèi)的有效覆蓋檢測(cè)是否精準(zhǔn)，頻譜資源調(diào)度是否合理而發(fā)生改變。

（3）合理選用OTN+PTN聯(lián)合組網(wǎng)的架構(gòu)。為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)帶寬高、容量大、覆蓋廣、時(shí)延低、可靠性高以及智能化的需求，采用OTN+PTN聯(lián)合組網(wǎng)模式不僅可以彌補(bǔ)PTN傳送帶寬較小的缺陷，對(duì)大顆粒業(yè)務(wù)的處理和超遠(yuǎn)距業(yè)務(wù)的傳輸，以及IP類業(yè)務(wù)的海量接人和多種不同的組合場(chǎng)景均提供了可靠保障。

基于5G的PTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下圖所示，其中UNI是指用戶網(wǎng)絡(luò)接口，SR-TP/SR-BE分別是指面向傳送和面向盡力而為業(yè)務(wù)的分段路由。

4.2技術(shù)改革方法

（1）調(diào)整帶寬配置方案。5G初期的業(yè)務(wù)主要以eMBB為主，基站會(huì)繼續(xù)沿用4G-LTE基站的帶寬配置方法，可能會(huì)出現(xiàn)由于CIR帶寬配置過高引起PTN系統(tǒng)帶寬不足的問題。因此要從兩個(gè)方面調(diào)整帶寬配置方案，一是擴(kuò)容接入環(huán)帶寬，二是降低基站CIR配置。擴(kuò)容接入環(huán)帶寬需要增加投資，建設(shè)周期也較長(zhǎng);而降低基站配置CIR帶寬，基本無須變動(dòng)現(xiàn)網(wǎng)，也不影響5G基站的開通，因此在5G初期可以采用降低基站配置CIR帶寬的方法解決PTN系統(tǒng)帶寬不足的問題。

（2）虛擬化網(wǎng)絡(luò)資源。在信道化功能前提下，對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行虛擬抽象，將傳送網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行邏輯抽象分片，實(shí)現(xiàn)在一張物理網(wǎng)絡(luò)上邏輯劃分成多張獨(dú)立的邏輯子網(wǎng)，且相互物理隔離，相對(duì)于PTN的MPLS-TP管道的軟隔離，使其安全性更高，業(yè)務(wù)間的相干性更弱。

（3）優(yōu)化PTN網(wǎng)絡(luò)QoS性能。確保本地PTN網(wǎng)絡(luò)的QoS安全性與穩(wěn)定性，提高端到端的服務(wù)效率和質(zhì)量。目前很多網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商開始使用5G網(wǎng)絡(luò)，其站點(diǎn)變得非常密集，延長(zhǎng)了本地網(wǎng)PTN設(shè)備，為了縮減網(wǎng)絡(luò)資金，可將Diff-Serv技術(shù)投入其中。

5結(jié)語

綜上所述，隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，超密集網(wǎng)絡(luò)，巨大的流量需求和超低延遲服務(wù)將對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)朝著層次化方向的發(fā)展提出更高的要求，因此PTN網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整已經(jīng)迫在眉睫。為了解決承載網(wǎng)中5G演進(jìn)的問題，本文通過PTN現(xiàn)網(wǎng)，指出除了要對(duì)已有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行完善，改變網(wǎng)絡(luò)傳輸氛圍，加大技術(shù)創(chuàng)新，符合智能化標(biāo)準(zhǔn)，還要能夠支撐5G的高寬帶高速率需求，實(shí)現(xiàn)PTN網(wǎng)絡(luò)向靈活組網(wǎng)、大容量及扁平化的方向演進(jìn)。