面向5G業(yè)務(wù)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN規(guī)劃及組網(wǎng)架構(gòu)

鄧旭，陳騁

（1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣西有限公司，廣西 南寧 530028；2. 華信咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

1 引言

目前，中國(guó)大中型城市的市區(qū)、縣城均已部署切片分組網(wǎng)（slicing packet network，SPN）系統(tǒng)用于承載5G業(yè)務(wù)。面向未來(lái)“5G+垂直”行業(yè)的多種新場(chǎng)景[1]的差異化發(fā)展需求，對(duì)承載網(wǎng)提出了多維度的挑戰(zhàn)[2]。

SPN系統(tǒng)具備FlexE切片、SR等新功能，并在落地組網(wǎng)和業(yè)務(wù)開(kāi)通方面具備新的特點(diǎn)。

切片技術(shù)因其具備靈活調(diào)度、個(gè)性化資源分配等特點(diǎn)在5G中占用重要地位。文獻(xiàn)[1-3]分別采用混合線(xiàn)性整數(shù)規(guī)劃（MILP）優(yōu)化算法、基于VIKOR的啟發(fā)式切片算法、基于兩層激勵(lì)切片資源分配算法，提供不同角度的5G核心網(wǎng)絡(luò)切片的最優(yōu)分配策略，既滿(mǎn)足端到端時(shí)延也保證切片之間的隔離度。文獻(xiàn)[4]提出光底層虛擬化框架，就實(shí)現(xiàn)光底層網(wǎng)絡(luò)切片和E2E切片進(jìn)行分析。

針對(duì)垂直行業(yè)的業(yè)務(wù)需求，基于切片技術(shù)發(fā)展的“5G+垂直行業(yè)”能夠滿(mǎn)足垂直行業(yè)差異化需求。文獻(xiàn)[5]從垂直行業(yè)出發(fā)，分析“5G+垂直”行業(yè)的切片技術(shù)應(yīng)用和服務(wù)類(lèi)。文獻(xiàn)[6]提出了5G-QoE框架解決5G網(wǎng)絡(luò)中超高清視頻流的QoE建模問(wèn)題。通過(guò)搭建準(zhǔn)確、低復(fù)雜度的QoE預(yù)測(cè)模型，為5G移動(dòng)邊緣網(wǎng)絡(luò)的超清視頻應(yīng)用場(chǎng)景提供主要感知質(zhì)量指標(biāo)。

為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)，文獻(xiàn)[7-9]通過(guò)探討分析PTN/SPN承載網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)方式，探討網(wǎng)絡(luò)融合演進(jìn)的具體實(shí)施策略。文獻(xiàn)[10-11]對(duì)面向5G承載的系統(tǒng)選型進(jìn)行探討對(duì)比分析，獲得不同系統(tǒng)均可滿(mǎn)足的5G未來(lái)業(yè)務(wù)需求。

進(jìn)一步，未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)需要通信、計(jì)算和緩存（3C）的融合，基于3C的頻譜管理、無(wú)線(xiàn)信道構(gòu)建、時(shí)延感知傳輸、無(wú)線(xiàn)分布式計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)自進(jìn)化[12]。切片技術(shù)在面向未來(lái)的6G發(fā)展需求，存在繼承和開(kāi)拓的關(guān)系，且因?yàn)?G需要相對(duì)于5G更加靈活的調(diào)度能力和資源分配，對(duì)切片技術(shù)更加依賴(lài)。

現(xiàn)階段，已實(shí)現(xiàn)部署市區(qū)縣城節(jié)點(diǎn)的SPN系統(tǒng)，目前鄉(xiāng)鎮(zhèn)仍舊采用PTN系統(tǒng)，僅適用于5G初期eMBB場(chǎng)景的業(yè)務(wù)承載，伴隨5G業(yè)務(wù)范圍的不斷擴(kuò)大，現(xiàn)有鄉(xiāng)鎮(zhèn)傳輸網(wǎng)絡(luò)難以滿(mǎn)足5G業(yè)務(wù)大帶寬、低時(shí)延、高可靠等承載需求，以及基于切片技術(shù)等新興技術(shù)的“5G+垂直行業(yè)”各類(lèi)型差異化需求，需進(jìn)一步考慮關(guān)于鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN的部署策略。

本文基于某省5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展規(guī)劃，對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、組網(wǎng)拓?fù)?、配置方式進(jìn)行詳細(xì)分析對(duì)比，并結(jié)合實(shí)際情況綜合光纜資源、容量獲得最佳方案。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及承載需求

城域網(wǎng)SPN系統(tǒng)架構(gòu)分為4個(gè)層級(jí)，即市區(qū)核心層、縣城層、鄉(xiāng)鎮(zhèn)層、農(nóng)村層。目前，縣城層及以上層級(jí)已全面部署SPN系統(tǒng)，結(jié)合5G基站部署節(jié)奏，分場(chǎng)景推進(jìn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN建設(shè)[4]，2022年主要部署鄉(xiāng)鎮(zhèn)層，2023年重點(diǎn)部署農(nóng)村層。

結(jié)合5G前期計(jì)劃建設(shè)基站總數(shù)量M及該地市鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)總數(shù)量M0，可以獲得5G前期的平均每鄉(xiāng)鎮(zhèn)單站帶寬S0C，如式（1）所示。

其中，ε為5G單基站帶寬，ω為冗余系數(shù)。冗余系數(shù)ω需綜合考慮各站點(diǎn)之間的平均流量偏差及冗余流量，一般取ω=0.7。帶入某省前期規(guī)劃約1.6萬(wàn)個(gè)5G基站、合計(jì)1 080個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)及5G單基站帶寬約為1 Gbit/s，可以得出該省平均每鄉(xiāng)鎮(zhèn)單站帶寬即平均每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)需配置至少21 Gbit/s帶寬才能滿(mǎn)足5G前期流量需求。

3 組網(wǎng)分析

基于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)5G流量測(cè)算結(jié)果，結(jié)合基站帶寬、收斂比、冗余系數(shù)等因素，可深入分析鄉(xiāng)鎮(zhèn)5G組網(wǎng)架構(gòu)。

3.1 理論分析

鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN組網(wǎng)架構(gòu)受多方面因素影響，其中，鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN組網(wǎng)的約束條件如下。

（1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN優(yōu)先考慮環(huán)形組網(wǎng)[13]。環(huán)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)資源的消耗較星型、樹(shù)形要小。且在距離遠(yuǎn)、節(jié)點(diǎn)多的鄉(xiāng)鎮(zhèn)場(chǎng)景下，環(huán)網(wǎng)對(duì)資源利用優(yōu)勢(shì)更加明顯。但每個(gè)環(huán)的規(guī)模需要結(jié)合地理位置、業(yè)務(wù)量等方面綜合評(píng)估進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）業(yè)務(wù)歸屬

為面向5G商業(yè)化后的低時(shí)延場(chǎng)景業(yè)務(wù)，移動(dòng)邊緣計(jì)算（mobile edge computing，MEC）技術(shù)的下沉勢(shì)在必行[9]，從而鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN組網(wǎng)優(yōu)先考慮本縣城歸屬的組網(wǎng)架構(gòu)。

（3）環(huán)網(wǎng)容量

基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)5G業(yè)務(wù)流量測(cè)算結(jié)果，環(huán)網(wǎng)容量需根據(jù)廠(chǎng)商設(shè)備型號(hào)及適用環(huán)境擇優(yōu)選型。

為深入分析各因素對(duì)限制條件下的鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN組網(wǎng)架構(gòu)的影響。本文搭建同縣城條件下鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN組網(wǎng)典型模型。搭建的鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN組網(wǎng)模型如圖1所示。

圖1 鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN組網(wǎng)模型

為進(jìn)一步分析鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN模型，需重點(diǎn)考慮以下主要影響因素。

（1）單節(jié)點(diǎn)帶寬及環(huán)路帶寬

鄉(xiāng)鎮(zhèn)的5G業(yè)務(wù)流量程逐年上升趨勢(shì)，結(jié)合收斂比、冗余系數(shù)等因素，可知5G前期平均各鄉(xiāng)鎮(zhèn)節(jié)點(diǎn)需具備約21 Gbit/s帶寬資源。并進(jìn)一步根據(jù)實(shí)際組網(wǎng)情況選定環(huán)路帶寬。

（2）光纜距離

鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間及鄉(xiāng)鎮(zhèn)－縣城的光纜距離影響組網(wǎng)后信號(hào)的傳輸質(zhì)量，針對(duì)城域光纜需建設(shè)規(guī)模可參考文獻(xiàn)[14]的光纜規(guī)劃模型，理論上光纜距離≥80 km需考慮采用中繼節(jié)點(diǎn)或OTN承載等方式傳輸。

（3）纖芯等啞資源條件

作為“一帶一路”戰(zhàn)略建設(shè)的重要人力資源支撐，高等教育要圍繞“一帶一路”辦學(xué)和開(kāi)展各類(lèi)培訓(xùn)，培養(yǎng)既了解沿線(xiàn)國(guó)家國(guó)情又接受過(guò)我國(guó)高等教育培訓(xùn)的本土專(zhuān)業(yè)骨干人才，滿(mǎn)足重大工程項(xiàng)目對(duì)高素質(zhì)勞動(dòng)者的迫切需求，提高沿線(xiàn)國(guó)家和地區(qū)青年人的就業(yè)和創(chuàng)業(yè)水平。這既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。

SPN組網(wǎng)架構(gòu)各環(huán)路中各節(jié)點(diǎn)間纖芯均采用單纖單向，需2芯纖芯資源。

假設(shè)本縣城內(nèi)N個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)節(jié)點(diǎn)下，組k個(gè)環(huán)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN組網(wǎng)的全量組網(wǎng)模式數(shù)Xk如式（2）所示：

則環(huán)路帶寬為C，鄉(xiāng)鎮(zhèn)節(jié)點(diǎn)為N條件下的纖芯需求總量S（fN，k）、節(jié)點(diǎn)間距離≥80 km的段落 數(shù)S（ON，k）以 及 各 鄉(xiāng) 鎮(zhèn) 節(jié) 點(diǎn) 平 均 容 量S（CN，k）等信息，如式（3）～式（5）所示。

其中，O(Xi(N，σ))為第i環(huán)路、第N個(gè)節(jié)點(diǎn)在第σ個(gè)組網(wǎng)模式下的節(jié)點(diǎn)間距離>80 km段落數(shù)，1

3.2 實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用分析

為面向?qū)嶋H組網(wǎng)中鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN場(chǎng)景應(yīng)用，以某業(yè)務(wù)區(qū)為例，根據(jù)該業(yè)務(wù)區(qū)實(shí)際組網(wǎng)因素調(diào)整組網(wǎng)模型并詳細(xì)分析，該業(yè)務(wù)區(qū)組網(wǎng)主要條件見(jiàn)表1。

表1 鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN組網(wǎng)模型參數(shù)

其中，鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN環(huán)的光纜距離為鄉(xiāng)鎮(zhèn)間或鄉(xiāng)鎮(zhèn)縣城間距離，縣城兩節(jié)點(diǎn)間距離均默認(rèn)≤10 km，且站點(diǎn)之間僅物理位置上存在差別?？梢灾?，具備k個(gè)環(huán)路的鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN組網(wǎng)具有種組網(wǎng)模式，且第k個(gè)環(huán)組網(wǎng)模式滿(mǎn)足Xk=X7?k=k×(k+1)/2，纖芯需求總量S（f7，k）=2×（7+k），各鄉(xiāng)鎮(zhèn)節(jié)點(diǎn)平均容量S（C7，k,100）=7×100/k，該業(yè)務(wù)區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN組網(wǎng)性能如圖2和圖3所示。

圖2 組網(wǎng)模式數(shù)量及各節(jié)點(diǎn)平均容量

圖3 纖芯光纜情況及下掛節(jié)點(diǎn)數(shù)為1的數(shù)量

根據(jù)圖2可以知道，隨下掛環(huán)數(shù)增加，各節(jié)點(diǎn)平均容量隨之增大，當(dāng)下掛環(huán)數(shù)≥21時(shí)即可滿(mǎn)足5G初期流量需求，常規(guī)場(chǎng)景無(wú)須考慮更高平均單節(jié)點(diǎn)流量。隨下掛環(huán)路增加，組網(wǎng)模式數(shù)量呈先增高后降低的趨勢(shì)。組網(wǎng)模式一定程度標(biāo)志著組網(wǎng)的靈活性，理論上更多的組網(wǎng)模式意味著可用于更多實(shí)際復(fù)雜場(chǎng)景組網(wǎng)。

在組網(wǎng)環(huán)數(shù)>4時(shí)，隨下掛環(huán)路增加，組網(wǎng)模式數(shù)量為先增高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)組網(wǎng)環(huán)數(shù)分別為5、6、7時(shí)，其所在環(huán)上分別至少有3、5、7個(gè)環(huán)，僅有1個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)環(huán)上節(jié)點(diǎn)可具備的帶寬為100 Gbit/s。一般情況下，在涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)節(jié)點(diǎn)僅為7的系統(tǒng)內(nèi)，該3類(lèi)組網(wǎng)環(huán)數(shù)對(duì)纖芯、中繼設(shè)備等提出更多需求，且針對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)場(chǎng)景下為半數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)提供5G初期預(yù)估的約5倍帶寬容量，效益低下。常規(guī)場(chǎng)景中，不具備現(xiàn)網(wǎng)建設(shè)指導(dǎo)意義，僅作為全面分析數(shù)據(jù)參考。

鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN組網(wǎng)常規(guī)條件考慮下掛環(huán)路≤4的情況。

由圖3可知，隨著下掛環(huán)路的增加，Sf、SO以及S（Oσ=1）均隨之增長(zhǎng)。當(dāng)k≥5時(shí)，SO斜率進(jìn)一步增大；當(dāng)k≥3時(shí)，S（Oσ=1）斜率進(jìn)一步增大。結(jié)合系統(tǒng)分析，上述3項(xiàng)均對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN組網(wǎng)有負(fù)面影響，理論上3項(xiàng)的系數(shù)參數(shù)應(yīng)當(dāng)越低越好。綜合組網(wǎng)實(shí)際情況分析，優(yōu)先考慮環(huán)路數(shù)k≤3，SO以及S（Oσ=1）均最小的場(chǎng)景。

結(jié)合上述實(shí)際場(chǎng)景組網(wǎng)應(yīng)用分析，某業(yè)務(wù)區(qū)大部分常規(guī)場(chǎng)景可參考表2建設(shè)。其中，場(chǎng)景1各鄉(xiāng)鎮(zhèn)節(jié)點(diǎn)容量?jī)H能滿(mǎn)足測(cè)算的鄉(xiāng)鎮(zhèn)5G流量初期需求，后期需對(duì)整環(huán)擴(kuò)容。場(chǎng)景2各節(jié)點(diǎn)流量均基本滿(mǎn)足5G中后期需求，且各節(jié)點(diǎn)流量相對(duì)分布均勻便于后期管理維護(hù)。但場(chǎng)景2由于SO=1，為保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，需考慮采用中繼設(shè)備或OTN承載等方式組網(wǎng)。此外，少量鄉(xiāng)鎮(zhèn)節(jié)點(diǎn)由于物理位置及光纜條件等因素，適當(dāng)采用“2+5”“2+2+3”等組網(wǎng)模式靈活組網(wǎng)。

表2 常規(guī)場(chǎng)景下建設(shè)參考模型

4 結(jié)束語(yǔ)

鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN建設(shè)規(guī)劃需結(jié)合對(duì)應(yīng)各省份的5G基站建設(shè)規(guī)劃分析，通過(guò)流量測(cè)算獲得的單節(jié)點(diǎn)容量，并結(jié)合鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同

場(chǎng)景推導(dǎo)優(yōu)化后的組網(wǎng)方案。

綜合分析可知，鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN組網(wǎng)綜合性能受單節(jié)點(diǎn)帶寬及環(huán)路帶寬因素積極影響，受光纜距離纖芯資源等因素負(fù)面影響。綜合考慮組網(wǎng)模型，面向某業(yè)務(wù)區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN組網(wǎng)，優(yōu)先采用“3+4”“2+3+2”等組網(wǎng)模式方案，根據(jù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)節(jié)點(diǎn)實(shí)際情況靈活采用其他組網(wǎng)模式方案。

基于本文分析的結(jié)論，鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN系統(tǒng)需因地制宜的建設(shè)，帶寬測(cè)算模型不同、應(yīng)用場(chǎng)景不同，會(huì)造成鄉(xiāng)鎮(zhèn)SPN系統(tǒng)完全不同的組網(wǎng)架構(gòu)及配置。本文構(gòu)建綜合模型分析，并針對(duì)某業(yè)務(wù)區(qū)進(jìn)行詳細(xì)分析并提出一種通用型的分析思路和組網(wǎng)方案，不同省份可參考本文分析思路并基于自身實(shí)際情況調(diào)整參數(shù)進(jìn)行分析。