云南移動SPN系統建設研究

段 勇

（中國移動通信集團云南有限公司，云南 昆明 650028）

0 引 言

云南移動傳送網主要包括光傳送網（Optical Transport Network，OTN）和分組傳送網（Packet Transport Network，PTN）兩套系統，分別負責大顆粒業務的傳送和小顆粒業務的收斂。CMNET及IP承載網的業務主要由OTN系統承載，基站業務及部分集客業務由PTN結合OTN系統共同承載。5G對傳送網提出了更高要求，承載基站業務的PTN系統面臨著巨大壓力，需結合現網情況，平穩、有序向切片分組網（Slicing Packet Network，SPN）系統進行演進。

1 5G對傳送網的關鍵需求

2G、3G、4G逐步實現了語音、短信、低速數據業務、中高速數據業務服務。5G需要實現的不僅僅是人與人之間的連接，更重要的是“萬物互聯”。通過速率、時延、連接三個維度進行界定，5G應用場景被分為增強型移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、高可靠低時延通信（Ultra-reliable and Low Latency Communications，uRLLC）、大規模機器通信場景（Massive Machine Type Communication，mMTC）3大典型應用場景，如圖1所示。

eMBB場景目標是增加網絡容量和業務帶寬，用于高清直播、VR/AR、云存儲及高速上網等。

uRLLC場景具有小數據包、低功耗、低成本、海量連接的特點，用于車聯網、工業控制、智能制造及智能交通物流等。

mMTC場景以傳感和數據采集為目標，用于環境監測、智能抄表及智能農業等。

不同場景對于帶寬、時延及質量保障等都有不同的需求，然而對于傳送網而言，必須同時兼顧所有不同的需求，以實現最大程度上的統一承載。

1.1 大帶寬需求

帶寬仍然是5G時代傳送網必須重視的關鍵需求。初期的5G網絡頻譜以6 GHz之內低頻為主；后期，對于超出6 GHz則應當確保可以達到更高速率，通過10～30 GHz厘米波以及30～100 GHz毫米波實現。根據NGMN帶寬測算方法，5G基站單小區峰值帶寬、均值帶寬以及單站峰值帶寬、均值帶寬分別可通過式（1）～式（4）進行計算。

如表1所示，以低頻5G基站為例，單站均值約為2 Gb/s，而峰值帶寬需求接近5 Gb/s。單個接入環網在僅接入4個5G基站的情況下，假設其中1個基站達到峰值帶寬，其余基站保持在在均值帶寬附近，環網總帶寬將超過11 Gb/s，已經超過了目前云南移動PTN接入環遍布最大的承載能力。

真實的帶寬需求還需要考慮兩個因素。一個是基站的忙閑比、占空比，瞬時負載一般并不會達到100%的理論值；另一個是5G高頻基站以及部分專線仍不斷加入環網。故5G傳送網一方面要提供足夠多大容量的業務側端口，以滿足10GE/25GE大顆粒業務接入的需求；另一方面，線路側支持50GE/100GE/200GE等高速接口，在滿足近期帶寬需求的基礎上作出適當冗余。

1.2 低時延需求

5G需要支持的最低單向端到端時延不超過1 ms，因此低時延是5G傳送網需要更加關注。從實際情況來看，影響傳輸時延的主要因素包括傳輸設備轉發時延和光纖傳導時延兩個方面。大中型傳輸設備轉發時延＜25 μs，小型傳輸設備轉發時延＜20 μs，光纖傳導時延約為5 μs/km。假設全網無非擁塞，波分傳輸設備轉發時延忽略不計，則典型傳輸時延=設備轉發時延+光纖傳導時延=20×4+25×2+25×4+500×5=2 500 μs=230 μs+2 500 μs≈ 2.8 ms。圖 2 為典型的傳輸延模型。

顯然，影響傳送網時延的主要因素是光纖傳導時延，降低此類時延的思路是拉近源宿節點的距離，推動以往集中式的核心網演變成為分散式的核心網。關鍵措施為將用戶面、CDN以及L3功能下沉。

1.3 靈活路由需求

5G基站較4G基站數量將進一步增加，IP地址數量隨之增加。路由轉發是解決大量設備跨地域互聯最常用和成熟的方案，5G傳送網應當支持強大IP路由轉發能力，具備常用路由協議OSPF/ISIS。CU/核心網云化涉及動態遷移、動態擴容，eX2涉及東西向流量，因此5G傳送網還需要支持動態路由和路由信息交換協議BGP。

圖1 5G典型應用場景

1.4 時鐘同步需求

5G同步業務需求包括基礎業務同步需求和協同性業務同步需求兩部分。基礎業務同步需求與4G TDD相當，均為3 μs（±1.5 μs），同步精度主要取決于協同性業務需求。5G空口幀長度1 ms比4G空口幀10 ms小10倍，要求±390 ns時間同步準度；inter-site CA和基站聯合發送對同步提出更高要求，要求±130 ns時間同步準度，此時對承載單節點精度要求達到±5 ns；同時，高精度定位視定位精準而言對同步亦有要求。5G傳送網需要支持時鐘隨業務一跳直達，減少中間節點處理，單節點時鐘滿足納秒級精度（1588v2.1）。

1.5 切片需求

切片是傳送網進行統一承載的本質需求，其中包括硬切片和軟切片兩種。硬切片可以基于不同時隙、不同波長、不同光纖完成，軟切片可以基于不同數據包、不同隧道及不同偽線完成。由于5G的應用場景、運用的商業模式將大相徑庭，需要在統一的物理網絡分立為若干虛擬分立的網絡，確保自己有獨立的網絡資源、管理及控制、轉發。

表1 5G基站帶寬需求

圖2 典型的傳輸時延模型

2 SPN是對PTN的繼承與發展

路由器與SDH的結合催生了PTN技術，支撐了移動3G/4G無線網以及4G反向支持2G的建設。為承載5G無線網，SPN應運而生，它是對PTN的繼承與發展。

在L3層，引入了新型分段路由（Segment Routing，SR）隧道。SR-TP（SR-Transport Profile）隧道通過在SR-TE鄰接標簽的棧底增加一層標志業務連接的通路標識（Path SID），實現雙向隧道能力，支持基于MPLS-TP的端到端OAM和保護能力，適用于面向連接的南北向業務；SR-BE（SR-Best Effort）隧道通過IGP協議自動擴散SR節點標簽生成，可在IGP域內生成全互聯的隧道連接，適用于面向無連接的東西向業務。

在L2層和L1層之間引入了FlexE 墊片（Shim），Shim基于時分復用分發機制，通過時隙方式將不同業務端口的數據分配給各種子通道，將分組交換與TDM融合一體。沿用PTN封裝結構，向下兼容原生以太網模塊產業鏈，向上兼容L3層協議棧。采用統一信元交叉單元，實現分組與TDM共享交換空間，硬件上不用額外的交換容量。

此外，在L0層實現光接口以太網化。接入PAM4灰光模塊，匯聚核心相干以太網彩光DWDM組網。這為簡化網絡層次，降低建網復雜度創造了條件。

在管控層，通過引入SDN，使得傳送網設備增加了路由計算、重路由、私網路由發布等功能。通過SDN控制器可以實現對業務的管理和部署，實現新業務的快速部署和運維自動化。在繼承PTN運維和電信級保護優勢的基礎上，使得傳送網敏捷、開放、智能[1-2]。

值得注意的是，5G傳送網技術方案上融合趨勢日益明顯。中國電信力主的智能傳送網（Smart Transport Network，STN）與SPN主要差異是SR協議選擇和SDN管控方式。

3 云南移動融合組網與獨立組網對比

由于與PTN系統一脈相承，搭建SPN系統有兩套方案。第一套方案是在PTN系統基礎上進行按需擴容，逐步演進，融合組網；第二套方案是另起爐灶，重新搭建，獨立組網。

3.1 融合組網

由于在5G發展初期，基站不成規模，分布不集中，用戶數量少，僅需滿足開通eMBB業務的大帶寬需求，可以利舊PTN系統與4G/2G共平面。保證接入層PTN有10GE UNI接口，PTN匯聚層、核心層要達到N×10GE以上帶寬。不引入FLexE、SR等SPN設備的特性，仍采用L2+靜態L3 VPN方式承載5G基站業務。

隨著5G網絡逐漸形成規模，按需將接入層、匯聚層、核心層PTN設備進行板卡的替換、擴容或者SPN設備的整機替換，在完整完成SPN系統的搭建后，開啟所有SPN功能，已滿足各種場景業務的開通需求。

融合組網方案在5G試點城市應用較多，但在推廣時至少需考量兩個方面因素。

第一，要考量現有PTN系統部署合理度。早在2009年，集團公司就已經明確提出了C-RAN概念，2016年發布的《中國移動5G C-RAN白皮書》再次明確了無線網建設方略。部分發達省份早在4G時代就應經開始部署C-RAN建站，對于龐大的PTN網絡，特別是臃腫的接入層進行了大力的“瘦身”。精簡的PTN系統架構是PTN/SPN聯合組網的重要基礎。

第二，現網PTN設備對于SPN板卡替換、擴容的支持度。以兩個主流廠家產品為例，華為PTN6900、PTN3900、PTN960， 中 興 PTN6500、PTN6300及PTN6150系列的產品均不支持向SPN平滑升級。若現網以華為PTN7900、PTN970或中興PTN6700、PTN6180H為主體，利舊PTN系統才有意義。

3.2 獨立組網

綜合分析，云南移動并不具備大規模推行融合組網的條件，因進行SPN獨立組網。

一方面，PTN系統極為臃腫，結構不盡合理。PTN數量總量超過9萬端，居全國第三的高位。特別是接入層PTN設備占比接近90%，超過了物理基站總量。另一方面，PTN設備老舊，95%的設備不具備平滑升級條件——僅有不足20%的PTN設備支持SPN功能，其中，近80%設備需要還需要先進行主控板的替換。

第一階段是對現有機房、光纜篩查。設備的部署需要置放于機房，而連接設備需要光纜。對于機房的空間和動力情況，光纜的路由和纖芯剩余情況，應提前掌握。滿足需求時，應提前進行預占用；不滿足需求時，應結合城域網總體規劃進行提前儲備。

第二階段是從下到上規劃，從上到下搭建SPN網絡。按照省干核心-地市核心-重要匯聚-普通匯聚-業務匯集及接入機房的順序，分別部署SPN設備，最終實現與5G基站的接入。

第三階段是深化與核心網、數據網的配合。對所轄區域內4G基站，由PTN網絡接入并搬遷至承載SPN網絡，實現了4G、5G由SPN系統統一承載。全面開啟SPN功能，應對MEC下沉、CU云化部署，形成南北向、東西向互聯互通的網絡結構。

4 基于“一張光纜網”的SPN系統新建

新建SPN系統需要緊緊依托基于全業務的“一張光纜網”。需充分利舊現網骨干匯聚光纜、核心光纜，進行SPN骨干匯聚層、核心層的搭建。更重要的是優化現有綜合業務接入區，合理部署SPN普通匯聚層、接入層。

4.1 城區SPN系統新建

4.1.1 確定綜合業務接入區的“面”

將綜合業務接入區從下到上調整為微網格、網格、業務匯聚區、綜合業務接入區、大匯聚區五層逐級嵌套結構。

其中，業務匯聚區主要是為了適應5G C-RAN/Cloud-RAN建設而特別設置的，面積控制在0.5～1.5 km2范圍，所包含的物理站控制在15個之內。原則上，業務匯聚區內所有RRU/AAU所屬BBU/DU相對集中于業務匯聚機房，接入于一端SPN設備。

大匯聚區將納入同一個匯聚環的幾個（≤4）相鄰的綜合業務接入區。

4.1.2 部署綜合業務接入區的“點”

確定“面”的主要作用是輔助部署好“點”。在綜合業務接入區、業務匯聚區內、網格、微網格內分別部署好普通匯聚機房、業務匯聚機房、一級分纖點及二級分纖點[3]。與SPN新建直接相關的是普通匯聚機房和業務匯聚機房的部署，新建標準建議如表2所示。

新建是對機房做“加法”。應按照普通匯聚“大容量、少局所”、業務匯聚達標配備的原則，下發機房藍本庫，通過減少審批流程、獎勵等手段加快建、購、租速度。此外，面對大量存在的機房也需要做好梳理，做好其他三則運算。

（1）做好“減法”就是要對存量機房重新歸類，去劣存優。不達標普通匯聚機房、業務匯聚機房分別降級使用。可達標為普通匯聚、業務匯聚機房之外的所有非目標機房的統稱為接入機房。其一般特征是曾作為PTN/SDH/OLT等設備節點使用，存量進出光纜多，后續設備節點功能將逐漸弱化，至多只保留線路節點的功能。

根據產權歸屬的不同，接入機房有自有接入和鐵塔接入兩類。需要加速將鐵塔接入機房設備的遷移，自有接入機房逐步降至傳送網的末端。

（2）做好“乘法”就是按照中遠期需求配置新增機房，以自建模板化、購租規范化為目標，完善建設標準；逐步改造存量機房。

（3）做好“減法”就是做到“兩分離”——核心機房等重要節點機房與業務匯聚機房功能分離，匯聚機房與基站（AAU/RRU部分）功能分離；老舊設備，逐步拆除。

核心/重要匯聚/普通匯聚機房和業務匯聚/接入機房分別部署機架式SPN設備和盒式SPN設備。需要注意的是，在接入機房，SPN的部署務必十分慎重，總體的原則是能少部署盡量少部署，能不部署盡量不部署[4-6]。

4.1.3 連通綜合業務接入區的“線”

綜合業務接入區的光纜分為三類——納入城域骨干網統籌管理的普通匯聚光纜，涉及綜合業務接入區內部的主干光纜、配線光纜，以及涉及綜合業務接入區之間的聯絡光纜。

（1）普通匯聚光纜用于連接普通匯聚機房與普通匯聚機房、重要匯聚機房與普通匯聚機房。與接入光纜有本質區別，需要短路由、少跳點，以實現大顆粒業務快速、安全轉發。能利舊盡量利舊，新建普通匯聚光纜應不低于48芯。為適應疊加環網、口字型、V字型、MESH等組網需要（見圖3）以及OLT/BRAS、OTN-HUB/PTN-HUB/SSAP-HUB等設備裸纖回傳需要，城區新建普通匯聚光纜以96芯、點到點直達為主。

表2 新建普通匯聚機房、業務匯聚機房標準建議

（2）主干光纜、配線光纜分別被定義為同一綜合業務接入區內，普通匯聚/業務匯聚機房與一級分纖點或兩個一級分纖點之間的光纜，以及一級分纖點與二級分纖點或兩個二級分纖點之間的光纜；拓撲結構分別為環型為主，以及鏈型、樹型為主，環型為輔。這與傳統的建設方式相比有顯著區別。

一是業務匯聚機房被視為了一級分纖點，被納入到了主干光纜。這是基于“一張光纜網”構建SPN的關鍵。它把大量的基站光纜“帶入”到了ODN，在存量站址新增的基站業務、專線業務時，可以充分利舊現網纖芯資源進行開通。對于SPN接入層的組網，也可以基于ODN光纜，而非所謂的SPN接入層光纜。

二是接入機房被視為二級分纖點，因此配線光纜的環型拓撲結構顯得理所應當。

圖3 普通匯聚光纜組網方式

（3）聯絡光纜被定義為不同綜合業務接入區之間通匯聚/業務匯聚機房與一級分纖點或兩個一級分纖點之間的光纜。城區SPN接入環網應嚴格雙歸至普通匯聚SPN設備，因此需要通過聯絡光纜進行跨區搭建。

4.2 非城區SPN系統新建

近年來，云南移動非城區匯聚機房儲備充足，空間、動力條件較城區有過之無不及，實際上從5G BBU/DU集中部署的角度來說，比部分城區更適宜。目前短板依然在于綜合業務區接入區。為了后期SPN系統的部署，應該按“中心地帶+外圍地帶”的模式對綜合業務接入區進行預規劃。

所謂中心地帶主要是指在處于非城區但又有明顯城區特征的場景，如高等院校、工業園區、鄉鎮中心、異地扶貧搬遷點及旅游度假區。在中心地帶內，按照微格-網格-綜合業務接入區-大匯聚區四層進行綜合業務區接入區的設計。外圍地帶為扣除中心地帶后廣茂的農村區域。

一個中心地帶有且僅有一個普通匯聚機房，部署普通匯聚SPN設備；接入機房作為中心地帶或外圍地帶的分纖點，與普通匯聚SPN設備通過主干光纜、配線光纜或聯絡光纜進行組網，形成SPN接入環/接入鏈。

5 云南移動SPN系統的組網原則

5.1 基本組網原則

云南移動結合5G覆蓋步伐，適度超前部署SPN系統。2020年覆蓋全省城區，2021年延伸至縣城，2022年延伸至鄉鎮。組網基本原則如表3所示。

原則上要求100%成環。接入環、普通匯聚環節點數分別控制在6個、4個之內，避免跨“匯聚區”組建接入環，便于業務配置。

同時，為避免后期更多業務接入后，流量迅速提升，環網反復割接，在接入環、普通匯聚環直接使用了50GE、200GE端口進行了組網；由于OTN集采框架暫無200GE支路板卡，通過n×100GE端口進行骨干匯聚/核心層組網。

5.2 業務配置

5G核心網云化后，控制面將在大區或省集中，用戶面將部署到更低層次。對于mMTC業務，UPF可以可部署在大區或省DC；對于eMBB業務，UPF和CDN可分布式部署在省DC或城域DC；對于uRLLC業務，UPF和MEC可以下沉到普通匯聚機房節。L3 VPN功能將下沉到接入層。新建SPN系統核心層、骨干匯聚層、普通匯聚層、接入層需要采用SR隧道和L3 VPN。為了隔離故障、提高收斂速度，IGP需要層次化部署，需要通過分域方式隔離接入環和匯聚網絡，不同域之間路由完全隔離，互不引入。表4為IGP分域點設置對比。

如表4所示，將IGP分域點設置在普通匯聚層，云南移動SPN組網要求、設備性能要求均能滿足要求，故障隔離、路由擴散表現更好。但任意匯聚區內業務匯聚/接入機房都不能與重要匯聚設備直接進行接入環的組網，需要以匯聚區為單位增設獨立于匯聚區的普通匯聚SPN設備在重要匯聚機房，這將造成大量普通匯聚SPN設備的浪費。因此，建議暫將IGP分域點設置在骨干匯聚層。對于跨匯聚區的接入環，所跨匯聚環及下掛接入環劃分獨立的IGP域，如圖4所示。

5.3 控制信息

省內集中控制平臺位于省干核心機房。省干核心機房、地市核心機房均需新增一套CE設備。省干核心CE與地市核心CE，地市核心CE與地市核心SPN以及骨干匯聚SPN通過10GE端口進行口字型連接，在“帶外”傳送SPN系統控制信息。

5.4 時鐘同步

由于大樓綜合定時供給系統（Building Integrated Timing Supply，BITS）一般只存在于地市核心機房及以上級別的機房，一般不能直接通過TODU網口經過網線向SPN CLK網口發送時鐘同步信息（核心層SPN設備除外）。更通行的方法是以縣-市OTN系統為中介，將BITS時鐘先發送至骨干匯聚SPN設備，普通匯聚層、接入層再通過BIDI模塊發送時鐘同步信息。由于目前BIDI模塊所支持最高速率為50GE，接入層直接使用50GE BIDI模塊進行組網，普通匯聚層則需要使用10GE BIDI模塊在200GE環網的基礎上疊加一個時鐘同步環。

5.5 軟硬切片

SPN系統切片方式根據業務需求的變化確定。初期的SPN系統主要承載5G eMBB業務，可以只采用軟切片，如基于MPLS、SR、VXLAN的隧道技術，基于VPN、VLAN等的虛擬化技術。隨著SPN系統逐步接管4G/2G基站、部分集客甚至家寬業務，可進一步結合硬切片的方式，如FlexE、WDM等。目前，FlexE硬切片的顆粒度已經從最初的25GE、5GE精細到GE，可以更好支撐業務網采用不同商業模式，開展網絡的“經營”。

表4 IGP分域點設置對比

圖4 IGP分域點設置方案對比

6 結 論

SPN系統的建設將不同于PTN系統的建設，特別是接入層的搭建，需從跟隨基站動態擴建向依托基于“一張光纜網”的綜合業務接入區進行建設轉變，以嚴格控制系統的規模，真正實現統一承載。大多數SPN設備都將一次部署到位，接口卡、光模塊按需擴容，以最大程度避免沉沒成本的發生。SPN與OTN系統深度結合全新傳送網構架將助力云南移動開啟千兆5G、千兆寬帶的“雙千”時代。