5G产业链对SPN网络建设的影响研究

时间：2024-07-28

[曾军]

1 引言

2019年10月31 日，工信部宣布5G商用正式启动。中国移动将在全国40个城市部署5G网络，面对5G新领域新业务提出的极速大带宽、高可靠低时延、高精度时间同步等特性的承载需求，现有PTN系统存在明显的缺陷。同时5G标准从R15版本开始，也是处于不断完善的过程，中国移动已明确SPN技术将作为5G承载的主要方式。本论文通过分析不同阶段不同领域5G全产业链的完善及现行宏观市场环境下，研究SPN网络建设的将面临的问题及主要建设解决方案。

2 5G发展宏观环境

（1）5G标准发展进程

5G标准从2018年3GPP发布的R15版本开始，从最开始仅支持eMBB业务，到R16版本支持uRLLC和mMTC业务，再到5G网络演进架构的完成，处于一个不断演进和完善的过程当中。目前R17版本标准也已经在规划当中，将进一步对面向垂直行业的uRLLC和mMTC能力进行增强，以更好地支持这两大场景业务承载需求。

5G商用初期R15标准主要是针对eMBB场景，而面向垂直行业的uRLLC、mMTC能力距离其全面应用还尚待时日。

（2）SPN技术标准进展

SPN技术是中国移动主导制定的5G承载技术，它继承了PTN技术特点并在网络切片隔离、低时延转发、大容量以太网接口等方面有更优越的性能，引入了50GE、100GE、400GE等大容量以太网接口并支持彩光DWDM、端到端L3能力、超低时延转发等以满足5G承载需求。中国移动从2018年开展SPN的实验室评测，全面验证SPN六大关键功能到2019年完成百城市百端设备进网测试，标志着SPN技术已具备规模商用条件。

（3）50G/25G光模块标准推进进展

5G承载包括前传、中传、回传、数据中心甚至跨骨干网都需要大量应用各种速率级别的光模块。现阶段5G承载主要关注前传25G、50G光模块，按照技术特点可分为无源波分光模块和BIDI光模块。这两种光模块目前技术标准已较为成熟，能满足5G前传的应用场景，但有另一个限制因素是成本。参照某专业咨询机构研究报告以及运营商主要设备供给情况给出的光收发模块、光芯片、电芯片国产化测算数据，10G速率的光芯片国产化接近50%，25G及以上国产化率远低于10G速率。国内供应商可以提供少量的25G PIN/APD器件外，25G激光器芯片刚刚完成研发。25G速率模块电芯片基本依赖进口，在中美国际贸易竞争环境恶劣的情况下，部分厂商主流SPN设备交付困难，成本压力大，面临再研发再更新换代的困境。

（4）5G站点建设规模预测

参考4G基站进度，中国移动用2年实现市区、县城、重点乡镇覆盖，人口覆盖率达到73%。中国移动预计在2019年完成5万个5G站点部署，2020年完成地级以上城市5G商用。

综上宏观环境分析，推测5G网络发展将经历3个阶段，分别为起步期、融合期和成熟期，具体各阶段周期及关键内容如表1所示。

表1 5G网络覆盖发展预测

3 5G承载需求

（1）产业应用承载需求

5G最先成熟增强移动宽带（eMBB）应用场中VR/AR是最热门的应用。而车联网则是5G成熟期uRLLC的典型应用场景。根据产业发展预测结论，在不同阶段应用承载需求如表2所示。

表2 5G典型应用承载需求

（2）5G架构承载需求

运营商已明确5G网初期以NSA架构为主，快速实现5G业务接入，目标将逐步向SA架构演进。两种5G网络架构承载需求会有明确不同，其中NSA模式下，不支持网络切片和边缘计算，主要面向eMBB业务是对承载需求最大的影响。两种架构的承载需求如表3所示。

表3 5G NSA与SA架构承载需求

（3）5G承载需求总结

5G网络承载将以需求驱动为核心，根据5G网络架构演进及关联产业发展周期，承载网络建设可分为三个大的阶段，总结归纳如表4所示。

表4 5G不同阶段承载需求

4 SPN网络建设发展阶段

（1）现有PTN系统的优劣势

中国移动从3G时期开始建设PTN网络，历经2代PTN系统的更新替换。现有城域PTN核心汇聚层存在双平面，包括第一代主要承载2G/3G等端到端L2业务的PTN平面，最大支持10GE接入能力，以下简称10GE PTN平面；第二代是为解决4G承载需求，支持100GE能力，且支持平滑升级至SPN系统，以下简称100GE PTN平面。设备现状能力如表5所示。

表5 某地市PTN核心汇聚层设备现状能力

双平面架构主要问题包括2个方面。

第一是设备堆积。为方便业务落地，地市城域PTN核心层节点间互联链路复杂，业务落地中间跳点过多。设备落地采用专用设备，导致核心机房PTN设备堆积，且10GE PTN平面扩展能力差。

第二是双平面互通存在带宽瓶颈。由于100GE平面建设时间短，接入层主要还是上联至10GE平面汇聚层，导致双平面负载不均衡及互联互通带宽瓶颈。

（2）SPN网络建设阶段

为满足5G承载需求，现有3种承载解决方案，分别为利旧现网直接承载，对现网能力不足设备进行升级和新建SPN系统。3种方案可适用不同场景下5G承载的需求，主要差异如表6所示。

表6 5G承载技术方案对比

由于现有100GE平面具备平滑升级SPN能力，满足5G的承载需求，兼顾设备合理使用年限限制，因此可推荐采用通过利用现网或升级方案支持5G初期的承载需求。同时优化双平面存在的不合理架构，对节点设备能力不足的站点采用新增SPN设备进行替换整合。

综上，建议以平滑过渡为总体原则，充分挖掘现有PTN网络价值，分3个阶段完成SPN网络部署。

一阶段：利用现有PTN系统满足5G初期开通eMBB业务承载需求，不引入FLexE、SR等功能特性；

二阶段：核心汇聚层升级，具备SPN系统端到端切片能力，并能与新建SPN区域直接融合组网；

三阶段：双平面融合，全网升级至SPN系统，具备中远期扩展能力的5G业务综合承载平台。

同时为了满足5G产业应用创新及缓解热点高流量区域对现有承载网络的冲击，SPN网络部署需因地制宜，在以下场景可适度超前建设：

① 城区5G基站连片覆盖区域；

② 现有PTN组网架构达到最优且PTN设备不满足扩容或改造升级条件，无法满足新增业务带宽承载需求的区域；

③ 有明确5G创新应用的区域，如智慧港口、汽车自动驾驶体验区、远程医疗等；

④ 机房配套、管线等基础设施资源丰富的全业务接入机房等重要业务承载节点。承载，业务特性差异大。运营商需为不同客户在大带宽、业务隔离、超低传送时延等方面提供差异化的服务。现有PTN系统难以满足的，但从5G产业链发展、投资成本、网络持续演进能力等方面综合考虑，现阶段直接新建SPN系统也面临投资成本高、多平面维护难、专网专用对基础资源消耗大等困境。同时SPN新技术应用在技术标准、光器件等方面尚有优化空间，存在设备版本更新换代的风险。因此SPN网络宜分阶段逐步完善，随着10GE PTN平面承载业务的退网，逐步融合两个平面，最终充分发挥SPN网络切片的功能，实现全业务的综合承载。