从PTN承载网演进到SPN的策略研究

程德怿，乔 健，包文卿

（1.上海市信息网络有限公司，上海 200081；2.中国移动通信集团上海有限公司，上海 200060）

0 引 言

随着5G在国内的大规模推广，对5G承载提出了更高的要求。目前在5G使用的Sub-6G频段内，手机实际下载速度达到了2 Gb/s，高频毫米波频段中实验下载速率是Sub-6G频段的数倍。5G的3大应用场景增强移动带宽（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、低时延高可靠连接（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）以及大规模物体通信（massive Machnice Type Communication，mMTC）对承载网络提出了一系列的挑战。大流量、海量连接、低时延、灵活调度、按需组网、硬隔离以及智能化等技术要求，是目前中国移动4G使用的PTN承载网难以满足的，因此承载网如何满足5G需求亟待运营商解决。

1 5G承载概述

当前大多数运营商5G部署选择了非独立组网（Non-Standalone，NSA）3x标准，方案特点是分离5G的控制信令和用户数据，4G基站锚定5G控制信令，同站址的5G基站负责传输用户数据，并作为分流控制点分离控制信令和用户数据，基站可以通过4G承载网和核心网互通。NSA方案充分利用了4G现网，结合5G基站速度快能力强的优势满足了大带宽eMBB的要求，可以快速实现5G部署。但uRLLC业务、网络切片、QoS新机制以及边缘计算等技术应用则是NSA难以提供的，都需要在独立组网（Standalone，SA）标准下实现。如果从NSA直接转向SA，则会导致已经发售的大量NSA终端无法在SA网络中使用。NSA/SA双模网络较好地解决了这个问题。如图1所示，NSA/SA双模网络能同时支持4G、NSA以及SA多种模式的终端，可以向各种终端提供服务，而且能帮助运营商实现NSA向SA的平滑过渡，又兼顾了5G应用快速发展的需求。5G从NSA和NSA/SA逐渐向SA演进路线的确定，也意味着4G的PTN承载网依然能在演进过程中发挥作用[1]。

图1 NSA/SA向SA发展演进

为满足5G对承载网络提出的革命性跨越需求，中国移动提出了切片分组网（Slicing Packet Network，SPN）技术体系。中国运营商和设备商在ITU-T SG15研究组内持续推动5G传送网相关标准的研究工作，其中和SPN相关的接口、架构以及迁移3项核心标准已经经过ITU-T批准通过，成为下一代传送网技术标准。SPN是基于PTN演进的技术路线，对PTN架构中的的物理层、数据链路层以及网络层做了全面的技术创新。它将网络逻辑分为切片分组层（Slicing Packet Layer，SPL）、切片通道层（Slicing Channel Layer，SCL）以及切片传送层（Slicing Transport Layer，STL）3层，引入了灵活以太网FlexE接口、网络切片以及分段路由等多种新技术。此外，SPN实现了业务与网络解耦，如不同业务间的隔离、结合高精度时钟同步以及管理/控制功能，可以实现大带宽、低时延以及高效率的综合业务承载，能满足5G中3大应用场景业务对承载网络的需求。

“5G商用，承载先行。”无论是采用SA、NSA还是NSA/SA双模，都离不开承载网的支撑。如何充分利用目前的4G PTN承载网并向5G承载演进，是一个值得关注的问题。目前，5G承载网络的建设方向有新建SPN网络、PTN现网扩容以及PTN网络升级3种不同的技术路线。新建SPN网络方案是采用全新SPN设备建设一张独立的物理传输网络，形成新的SPN网络承载平面，主要用于承载新建的4G和5G基站业务，具备端到端独立的组网和连续覆盖能力，并可实现综合业务承载。新建的SPN网络与PTN现网是两张独立网络，拥有各自的业务开通和运维管理系统，可在汇聚层或者核心层通过UNI-UNI的方式在3层实现互联互通。对于PTN网内的4G基站和SPN网内的5G基站而言，基站之间产生的协同流量需要穿过不同的传输网，存在绕行过远问题。PTN网络扩容是指在现有PTN网络基础上，通过带宽扩容来满足5G初期eMBB业务的快速开通。但是，该方案难以支持uRLLC和mMTC业务，不能满足完整5G后续发展的需求，是一种短期临时过渡性方案。PTN网络升级是指在现有PTN网络基础上，通过软硬件升级的方式提供SPN网络的能力，满足5G全部业务场景的开通需求。PTN网络设备升级后，可以保留原有的PTN平面。利用PTN和SPN的双平面开展业务，也可以在升级到SPN网络后在同一张物理网内开展4G和5G业务并进行统一运维管理，可以实现业务之间的软隔离和硬隔离。基于从NSA逐渐过渡到SA的技术路线，5G承载网建设方向主要是对PTN现网进行升级和新建SPN网络。

2 PTN升级演进能力分析

PTN承载网设备在技术和功能上可以分为接入设备和汇聚/核心设备。接入设备普遍采用集中式设计，由主控板进行业务处理。升级SPN需要替换主控板。由于主控板占整机大部分成本，接入层设备还存在背板能力受限问题，因此即使更换主控板后具备SPN能力，也难以满足5G业务后续发展的需求，而且在成本效益上没有优势。汇聚/核心设备采用分布式架构，由线卡提供业务处理能力，但升级SPN需要替换或新增线卡。汇聚/核心网络设备的上线时间短，路由和转发性能很强，而且采用框式结构，槽位数量充足。通过新增线卡可支持完整的SPN能力，某些型号的PTN线卡可通过软件升级支持部分SPN功能。对于不具备升级能力的PTN线卡，可保留用于2G/4G/政企专线等业务的承载，降低整机升级成本。PTN汇聚/核心设备通过升级支持SPN的能力已经在厂商实验室和试点网络中得到了充分验证，具备推广应用条件。通过调研各厂商如华为、烽火以及中兴在各个运营商的PTN部署情况，可知大部分小型汇聚设备由于本身槽位数量较少，升级潜力量有限，在网数量也很少，而大、中型汇聚/核心设备的能力较强，并拥有足够的空闲槽位，其总数的85%以上均具备升级条件，能够通过升级满足5G承载组网需求[2]。因此，升级现网PTN使其具备SPN网络能力，将大大提高它的商业价值。

3 现网PTN升级演进方案

从PTN升级到SPN，可以在汇聚/核心层网络设备上采用同槽位1:1替换PTN线卡，或者是在空槽位上新增SPN线卡两种方式。同槽位替换是指将PTN线卡拆除替换为SPN线卡，并在SPN线卡上启用分组切片、灵活以太网以及分段路由等功能。通过线卡替换，原PTN平面消失，PTN线卡承载的业务改由SPN线卡承载。同时，由于需要将原有2G/3G/4G/专线等业务从PTN割接调整到SPN网内，因此网络业务会有中断。完成升级后，5G业务与原2G/3G/4G/专线等业务之间可以使用切片通道层（SCL）实现硬隔离，也可通过切片分组层（SPL）实现软隔离。

新增SPN线卡方案通过在汇聚/核心层设备空闲槽位新插SPN线卡，并增加对应光纤连接，即可在原PTN网络设备基础上形成新的SPN网络平面，并和原有的PTN平面共存。原PTN平面承载的2G/4G/专线业务不需要进行割接调整，新增加的SPN网络平面可用于承载5G业务也可以用于承载新增的4G或其他综合业务。对于接入层设备，可按需新建SPN接入环，或将PTN接入环设备替换为SPN设备。PTN接入环和SPN接入环可以同时挂接在汇聚核心层的PTN平面或SPN平面下，5G基站可灵活地挂接在原PTN接入环或新的SPN接入环。该方案PTN网络升级后整体组网架构如图2所示。

图2 PTN新增SPN线卡升级后的组网架构

新增SPN线卡升级相关各种业务部署方案及应用场景如表1所示。

表1 PTN升级方案应用场景及业务部署方案

PTN承载网升级演进过程中业务逻辑在不断变化。5G发展的初期阶段，当采用利旧模式将接5G基站的PTN/SPN环接入PTN平面，或者将接5G基站的PTN环接入SPN平面时，将继续沿用原有的PTN业务方案。外层隧道采用MPLS-TP，接入设备和汇聚设备之间采用PW（伪线）+核心网L3VPN方式。东西向流量上行汇聚设备进行转发，再汇聚到核心的边缘PE设备通过桥接功能进入核心层L3VPN。此时，如原PTN网络接入层已经是10GE环，且带宽利用率较低，可以暂不升级，用于承载5G初期eMBB业务，待后续5G业务发展后再按需替换为SPN设备。例如，原PTN网络接入层为GE环，则应采用SPN设备建设新的接入环，或直接采用SPN设备替代原PTN接入环设备[3]。SPN接入环可采用50GE或者100GE组环，若对应为热点区域，则应考虑采用100GE组环。

随着时间推移，5G基站将大量部署，PTN原有的汇聚/核心设备经过逐渐升级也将具备SPN功能，此时基站之间数据协同需求和核心网功能云化，将会使基站之间和云数据中心之间的东西向流量迅速增加，流量模型也将从南北向的树状汇聚变成南北向和东西向的网状互通[4]。为了减少东西向流量迂回绕行，承载网的L3功能需要从汇聚层下沉到边缘接入层，通过在SPN的接入层、汇聚层以及核心层上全面启用IGP路由协议和SR隧道，将L3VPN扩展到接入层。SR隧道包括分段路由最优路径（Segment Routing-Best Effort，SR-BE）和分段路由流量工程（Segment Routing-Traffic Engineering，SR-TE）两种隧道类型。其中，SR-BE不需要配置可以自动在网络内所有节点之间建立全网状的SR-BE隧道，适合东西向业务承载，面向无连接能满足大连接需求；SR-TE可以利用SDN控制器指定隧道的路径，通过在隧道源节点压入路径标签栈信息，实现隧道路径的可规划性，达到流量工程管理的目的，并在其基础上提供了面向连接的点对点业务，适合于南北向承载[5]。分段路由传输概况（Segment Routing Transport Profile，SR-TP）提升了SR通道的管控能力，能实现端到端监控运维以及电信级的操作维护管理和保护。为了减少路由条目，降低核心节点隧道数量，保证SPN网络的L3性能和可扩展性，防止某个局部问题影响全网，L3VPN还需要进行层次化处理。它可以选择SPN的汇聚节点或者骨干节点通过IGP多进程对路由分域。发生故障时，它可以将故障隔离在域内避免互相影响。层次化VPN有利于网络大规模部署，相关的PTN升级方案业务逻辑如图3所示。

图3 PTN升级方案业务逻辑架构

4 PTN升级方案的特点

PTN升级方案有以下3个特点。一是现网PTN汇聚/核心设备通过新增卡板可以具备完整的SPN能力，并满足5G全生命周期对承载网络的需求，工程建设量小、资源需求少且设备新增功耗低。二是5G建设初期对于5G优先覆盖的热点区域可先投资建设基站和SPN网络形成局部覆盖，其他区域可利用PTN承载网的接入环实现5G基站业务的快速开通，待后续业务需要时再逐步完成全网连续覆盖，按需分批投资，减少流动资金占用。三是对现网业务影响小，现网PTN承载的2G/4G/专线业务无需进行割接调整。

5 结 论

当前5G部署和商业应用正在快速发展，从PTN承载网络升级到SPN的方案需立足4G承载，引入SR/EVPN、FlexE以及SDN等新技术和功能，全面支持5G网络架构和演进。通过现有PTN设备的升级，可以为5G业务提供灵活、超宽、智能以及可持续演进的承载网络，实现4G/5G的基站共站址和统一承载。此外，PTN升级演进方案可以帮助运营商保护投资，并以最低的成本和最快的速度为用户提供5G服务。