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中国联通本地基础网络架构规划思路及演进

http://www.c114.com.cn ( 2018/3/2 17:16 )

0  前言

本地网内,安装通信设备的生产性建筑一般分为2类,一是安装核心/骨干网络设备的核心机房(通信枢纽楼、通信生产楼、IDC等),二是面向无线、固定用户接入的接入机房(移动通信基站、设备接入间),在数个核心机房和数以万计的接入机房之间,除固网运营商的端局以外基本上是一个“自由”的空间,局房、管道、光缆线路等基础元素的设置、布局缺少明确的规范,特别是局房(如后文所说的汇聚节点、综合业务接入点)完全是一片空白。而本地网内面向业务发展需要建设的无线网、城域网宽带接入网等,主要考虑业务网络本身能够形成的能力,对于发挥基础支撑作用的局房、管线、传输系统等缺乏足够的重视和长远的规划。随着业务的逐步发展或业务网络覆盖能力的增强,业务站点逐渐加密,往往会导致早期发挥业务汇聚作用、接入业务收敛作用的一些机房(基本全部为租用)无法满足业务继续发展需要主动搬迁,受城市改造、租金等因素逼迁的比例也很高,机房稳定性非常差,网络调整、搬迁费用巨大,网络的安全性也无从谈起;同时,由于机房不稳定、管线建设缺少统领、业务接入无法规范,从而导致管道、光缆线路的投资效率和资源的利用效益低下。基于上述因素,中国联通在2013年提出了本地基础网络架构的规划思路,在充分考虑了各种网络技术的发展趋势和特点的基础上,以“目标网”的方法进行规划,提出了“三点两面”的分层分区目标架构以及相应的机房定位、管线和系统衔接策略,为中国联通本地网结构的稳定明确了方向,在行业内有很大的影响力。

1  本地基础网络架构规划思路

本地基础网络架构是本地网内各类业务网络、承载、传送网络的基础资源,宜采用目标网的规划方法,构建稳定、易于扩展、满足业务快速接入的基础架构。

本地基础网络架构目标规划首先要合理划分区域,提升承载效率,各本地网应结合行政区划、现网节点布局、现网业务收敛状况等进行汇聚区和综合业务区规划。

汇聚区:依据地理状况、行政区划、业务分布等,从网络组网的合理性和管理维护的方便性出发,将本地网划分为多个汇聚区,汇聚区内保持一定的网络独立性。北方省份以现有端局覆盖范围划分汇聚区,南方省分的市区建议一个汇聚区覆盖200个移动节点(含宏站室分),每个郊区县原则上划分为1个汇聚区。

综合业务接入区:主要以服务公众用户宽带、商企客户、移动基站等综合业务接入的区域,根据用户分布、业务类型、接入方式将一个汇聚区划分为多个综合业务接入区。

网络节点是本地网内业务的汇聚、收敛和处理的核心,节点的布局要兼顾现网网元节点的覆盖范围,并和机房布局相协调,本地基础网络架构明确了3类节点的定位和机房要求。

a) 核心节点:本地网内各类业务核心设备所在机房,包括固网IMS、固网软交换SS/TG、移动网电路域/分组域网元、城域网IP核心节点、传输核心节点、骨干网等设备所在机房。核心节点机房面积、电源应综合考虑各类网元中长期需求和IDC等需求综合考虑。

b) 汇聚节点:本地网内各类业务汇聚设备所在机房,包括传输汇聚节点、IP网汇聚节点或业务控制层(BRAS/SR)等设备。在单个汇聚区内,根据系统组网、机房条件需要设置1~2个汇聚节点。新建汇聚机房使用面积建议不小于60 m2。蓄电池组不小于2组800 Ah,开关电源满配容量不小于600 A,外市电引入功率不小于70 kVA。

c) 综合业务接入点:综合业务区内小范围业务收敛设备所在机房,包括集中设置BBU、OLT、传输边缘汇聚等设备,是区域内传输汇聚节点的延伸,也是汇聚节点和末端接入点之间的衔接节点。每个综合业务区建议设置4个左右综合业务接入点,每个综合业务接入点收敛10个左右移动站点或20个左右末端接入点,北方可根据机房条件和管道条件酌情考虑。新增综合业务接入点机房使用面积建议30~40 m2。蓄电池组不小于2组400 Ah,开关电源满配容量不小于300 A,外市电引入功率不小于35 kVA。

上述3类架构节点之外的机房或设施定位为末端接入点,指各种业务的末端接入节点,用于移动基站(包含独立宏站、室分、RRU拉远等)、商务楼宇、宽带小区等业务设备的接入,灵活地通过各种技术接入到综合业务接入点。

节点布局和区域划分明确后,各类网元设置应保持协调一致,本地光缆网、传输系统结合架构布局也要明确相应的目标网建设模式,并适度提前建设。

本地光缆网目标分为3层结构,分别是核心层、汇聚层、接入层,其中接入层又分为主干层、配线层/用户引入层。各本地网应向分层分区的目标网结构演进,如图1所示。

图1 本地光缆网目标结构

核心汇聚层光缆主要用于核心节点、汇聚节点间衔接,应按高效、直达的模式建设,一般和主干光缆分开建设,并考虑未来业务发展进行容量预留。

城区主干光缆应按综合业务区进行规划,实现区域内的业务收敛,一般采用环形不递减方式建设。主干光缆又可以细分为一级主干和二级主干,一级主干是以汇聚节点为中心,与综合业务点、主干光交间共同组织的主干光缆环/链路,实现区域内业务的收敛,考虑到纤芯利用效率,综合业务接入点和主干光交按1∶2的配比设置为宜;二级主干用于业务密集区域,可以围绕综合业务点建设纯光交环,便于大量业务接入。

本地传输系统主要包括WDM/OTN、UTN、MSTP 3张网,WDM/OTN网主要定位于大颗粒、长距离业务承载,网络结构以环形为主,目前主要覆盖市县系统;MSTP网主要用于2G/3G早期的移动回传承载和大客户承载,因管道刚性、无法统计复用、配置复杂等因素逐步不再发展;UTN网络定位于移动网络回传和大客户等精品业务的承载,是当前主要建设的系统,其网络结构应和架构节点保持协调,图2给出了和架构匹配的UTN网络目标结构。

图2 本地UTN网络目标结构

2  基础网络架构建设进展

2.1  架构节点机房建设进展

中国联通在2014—2016年滚动规划中全面贯彻了基础架构目标网的规划思路,全国共规划汇聚区   4 038个,其中城区汇聚区1 823个,郊县汇聚区2 215个,规划目标汇聚机房6 600余个。全国城区共规划  9 458个综合业务区,农村以现有乡镇环路实现业务收敛,共规划综合业务接入点目标机房7.47万个,其中城区3.7万个,乡镇3.77个。

自2013年以来,中国联通在架构节点建设、节点稳定性方面取得了长足的进步,总体建成率已超过90%,整体上来看,架构节点已基本成形。

表1 汇聚机房和综合业务接入点机房建设进展

虽然整体建成率较高,但是南北方、不同省份间差异较大。北方汇聚节点、综合业务接入点已基本完成目标架构,南方部分省分、城市和目标缺口差异较大。以南方一个发达省会城市为例,截至2016年底的汇聚机房和综合业务接入点状况分别见表2和表3。从表2和表3中可以看出,该城市汇聚机房仍有30%的目标缺口,机房自有率不到62%,且作为业务量发达的省会城市面积小于60 m2的机房占比竟达23%,汇聚机房的整体稳定性堪忧。综合业务接入点机房目标缺口39%,且小于20 m2的机房占比达36%,已建成单综合业务接入点平均收敛移动站点(物理站址,含室分)13个,机房的可扩展性差,无法适应5G时代的C-RAN架构。

表2 南方A省会城市汇聚机房状况

表3 南方A省会城市综合业务接入点机房状况

架构机房建设存在的另一个突出问题是,节点机房和主干光缆没有衔接起来,架构节点机房的业务收敛仍通过既有的配线光缆模式收敛,主干光缆的资源利用率也无法得到提升。

截至目前,全国已建成城区综合业务接入点2.94万个(不含汇聚机房兼做),其中21%的综合业务接入点未实现和接入主干光缆的衔接,南方个别省分情况比较严重。这种情况的形成有历史的原因,如主干光缆建设在前而综合业务接入点定位在后没有进行优化,也体现了对架构的僵化理解,只重视“点”的建设而忽视“线”的衔接,导致架构的整体作用无法发挥,网络的建设模式未发生根本转变。

2.2  和架构衔接的主干光缆目标网建设

为了实现节点层级收敛功能,和架构节点相匹配的主干光缆建设至关重要。主干光缆的建设应围绕综合业务区建设,最终目标是实现所有综合业务区的100%覆盖。近几年,随着架构的提出和业务的逐步发展,主干光缆覆盖率逐步提升。目前,城区综合业务区的主干光缆覆盖率已超过95%,城区站点接入距离由2013年的2.68 km缩减到2017年的0.96 km,平均接入长度大幅缩减,提升了业务快速接入的响应能力。

全国城区新建站接入主干光交占比42%,接入综合业务接入点占比33%,另有25%接入普通基站,可以看出,全国75%以上的站址接入采用了目标架构接入模式,网络结构的稳定性大大提升。宏站和室分的拉远比例逐步提升,近3年新建站址的拉远比例均超过了80%,截至目前,3G/4G站的拉远总比例已经达到50%,采用BBU集中RRU拉远的C-RAN建设模式可以大大降低末端机房的建设投资和运维成本,提高总体投资效率。目前,有部分省分对于已经采用分组接入的短支链节点、不稳定机房进行BBU集中回撤,加快向目标架构的接入模式靠拢,取得了较好的收益。

根据架构目标的节点定位,综合业务接入点应作为OLT节点、BBU集中节点。根据统计,截至目前全国综合业务接入点已覆盖OLT占比59%,接入宽带大客户比例56%,可以说大部分OLT布局实现和目标架构的匹配,少数城市仍存在OLT过度集中在汇聚机房、或大量下沉到小区的现象,OLT过度集中到汇聚机房会带来主干光缆的承载效率较低,如果综合业务接入点机房条件具备,建议逐步推进OLT下沉到综合业务接入点机房,对于下沉到小区的OLT因存在较大的安全隐患,建议根据机房条件逐步回撤到综合业务接入点。

截至目前,全国已建成的综合业务接入点91%已放置BBU,但约37%的综合业务接入点放置BBU数量小于等2个,考虑到3G/4G制式这些节点只实现了本站BBU的接入,并没有起到C-RAN BBU集中的效果。全国有10余个城市,100%的综合业务点仅接入了本站,基站的建设模式仍完全采用D-RAN模式,运维成本居高不下。产生这种现象的原因也有多种,如综合业务接入点机房条件不具备、主干光缆资源不足、该站点已有分组接入不愿意调整,虽然理由看似比较充分,但从整体的TCO成本出发,D-RAN接入模式应尽快向C-RAN架构靠拢。

3  未来网络演进对基础架构的要求

5G移动通信技术正在从理念走向现实,我国政府明确提出了2020年商用的目标。和4G网络相比,5G时代发生了革命性的变化。单用户下载速率提升100倍,达到10 Gbit/s,物联网连接数将达到100万连接/km2,时延从几十ms下降到ms量级,移动性将支持500 km/h的速率,且根据不同的业务应用采用虚拟化的切片灵活架构。

参考某厂家测算,如果5G采用3.5 GHz频段,5G站覆盖半径和4G站相当,站址数量比4G站多20%,大多可以部署在现在站址,适当补点即可满足5G连续覆盖需求,因此机房光缆仍是5G基站建设的重要基础。另外,C-RAN的CLOUDBBU应按需小集中部署,BBU协同增益曲线拐点在7个物理站址左右,如集中过多,将对集中点的电源带来压力,且纤芯资源需求较大(单站6芯)。

业界普遍认为,5G时代核心网和RAN侧将进一步云化。5G核心网的云化将实现控制面CP和转发面UP的分离,CP面将尽量集中,UP面根据不同的应用场景进行下沉。5G RAN侧L1和L2实时处理功能不具备云化条件,L2非实时和L3功能可虚拟化。按照虚拟化的设想,5G RAN侧网元逻辑功能将划分为CU、DU、AAU几部分。根据不同的站型和应用场景,各部分和架构节点的对应关系建议如图3所示。

从图3中可以看出,核心网CP一般采用区域(省)集中或本地集中方式设置,核心网UP面一般设置在地(市)核心节点,对于低时延、大容量的业务应用视情况向汇聚节点、甚至综合业务接入点下沉。移动网RAN侧CU一般位于汇聚节点,时延满足时可以设置在核心节点,也可以下沉到综合业务接入点、基站,视不同的业务应用场景而定。

图3 5G网络核心网/RAN侧网元和架构节点对应关系图

5G承载网中,前传接口进一步划分为前传(AAU-DU)和中传(DU-CU)。前传接口采用eCPRI标准,压缩后的单小区带宽为10~25 G。前传的首选方案是光纤直驱,投资最少且时延最低,每个3小区的基站需要3对光纤,单站接入的24芯配线光缆应该不成问题,纤芯压力大的是主干光缆(站点接入的光交——DU集中的综合业务点)。如果纤芯资源不足,可以采用波分方式或新建光缆解决,应综合比较成本后采用性价比最优的方案。

DU池组化将成为5G的发展趋势,因此DU应该支持多AAU的接入能力,如按1个DU节点能够汇聚9个AAU的业务,按小区均值2G和1∶2的收敛比,中传带宽约为10G速率,每个综合业务点带宽30~40 G,二级汇聚环的容量约100 G容量。

CU以上属于回传接口,CU到核心网的带宽预计在100 G左右,需要100 G大容量UTN设备承载。5G时代,移动回传和固网回传的带宽预计都会达到100 G颗粒,而且随着核心网、城域网(vBNG)、RAN CU的虚拟化,承载网解决的基本都是云之间的业务调度,从流量流向上来看,城域内的两张IP网可以合二为一。但是,目前来看,城域网和UTN网的价格存在较大差异,建议初期仍维持2张网的目标架构。

2015年中国联通提出了CUBENET2.0架构,明确了网络虚拟化的目标。网络虚拟化将从核心网开始,逐步实现IT支撑系统、业务控制系统、RAN侧控制的虚拟化,另外,传统的转发设备将长期存在,并逐步引入SDN功能,实现端到端的业务开通、带宽灵活提速、流量调优等功能。通信的云化也会对基础架构带来一定的影响。中国联通的通信云预计会采用三级架构,即区域DC、本地DC和边缘DC,其中边缘DC从汇聚机房中选取,因此会对通信机房的面积和电源带来新的需求(见图4)。

图4 中国联通通信DC目标架构

4  稳定的架构是未来业务发展的前提条件

5G网络和通信DC化对本地基础网络架构带来了较大的影响,边缘DC的网络定位和汇聚机房基本匹配,综合业务点更是和5G DU池组化布局不谋而合,可以说中国联通本地基础网络架构的建设未雨绸缪,提前为5G引入和通信的DC化进行了铺垫。在5G “山雨欲来风满楼”的前夜,加快本地基础网络架构的完善显得必要而急迫。

从第3章5G和通信DC的需求分析来看,架构的完善应聚焦在汇聚机房、综合业务接入点机房面积/电源条件的改善、数量布局是否满足要求、主干光缆容量是否能满足需求等方面。

根据业务网专业的初步测算,对于覆盖200个站的汇聚机房,保守的测算5G CU和MEC大约需要4个机柜,每个机柜的功耗大约4 kW。按照本地基础目标网规划,近几年新建的汇聚机房使用面积不小于60 m2基本可以满足5G边缘DC需要,但是考虑到机房DC化改造的需要新建机房的使用面积建议放大到100 m2(尤其是密集城区)。现有的60 m2以下机房也不必盲目地进行替换,可以先进行机房内设备整合,为5G设备安装预留4~6个架位,考虑到剩余面积小,机房进行DC化改造得不偿失,建议仅通过冷风通道整改提高制冷效率,不再进行高压直流改造。

5G DU一般情况下要集中到综合业务点,为DU池组化做好准备。由于5G DU的尺寸尚不明确,暂参考4G BBU尺寸大小,按1个机柜可以安装10个DU估算,1个DU至少应可以支持3个AAU(建议更大),这样,综合业务接入点仅需要为5G无线设备预留一个机位。另外,考虑到5G前传主要接入模式为光纤,可能需要新建一级或二级主干光缆、或低成本的WDM设备,中传也需要引入OTN或大容量UTN设备,也至少需要1架综合柜满足传送设备安装。综合来看,综合业务点为满足5G引入,至少需要2个空余架位。随着5G容量的增大,DU和相应的承载设备功耗都会增加,现有开关电源、电池容量都面临扩容压力,建议暂不进行电源扩容改造,待将来5G设备定型后、5G部署时机明确后再改造。

5G时代前传如全部采用拉远模式,按目前单综合业务点覆盖10个移动站点来测算,考虑30%的局站直接通过配线光缆入局,70%左右站址通过2个主干光交接入,则平均单光交需要占用主干光缆纤芯21芯(7×6/2=21芯)。另外,考虑到部分汇聚机房的OLT会逐步下沉到综合业务点,对一级主干的纤芯使用也会带来较大影响。因此,建议一级主干光缆的纤芯分配应适应新形势需要,适度加大共享纤芯分配,可采用预留纤芯方式暂不成端,将来根据需要灵活成端的方式。另外,对于密集城区5G站址规模可能会有较大增加,应考虑采用二级主干光缆的建设模式,以解决管孔资源的压力。

对于站址增加较多的密集城区,目前规划的综合业务接入点收敛移动站点已经较多,受机房面积、电源等影响,可能现有节点无法实现5G站点的DU全集中。这种情况下,建议适当增加综合业务接入点目标数量,尤其是可以考虑将现有的小BBU集中点纳入5G DU的设备集中点,从组网上考虑其安全性。对于大型体育场馆、高新科技公司集中的写字楼,还要考虑CU、MEC下沉的可能性,选择合适的机房作为综合业务接入点,机房面积可参考汇聚机房建设。

5  如何快速形成稳定的基础架构

结合当前架构建设存在的问题,为适应5G和DC化发展演进的需要,应加快架构目标网建设,重点做好以下几方面工作。

一是强化认识。部分省市认为机房建设投资大,没有效益,即使没有机房也可以通过网络设备凑合解决问题,这种思想是造成部分地(市)架构机房建设推进慢的最主要原因,因此应充分认识到架构机房在未来的5G建设、通信DC化建设中的重要作用,提高对架构节点的认识。

二是投资向基础架构倾斜。近两年中国联通营收不足,投资效率低,随着集团对精准建设的重视,投资额度逐年下滑,而房价却明显上升,导致投资额度不足。这种情况的省市,应加强现有机房的挖潜工作,逐个审视一下现有的机房能否挖潜、能否改造解决,实在无法解决的,应根据重要性程度逐步建设,投资在满足业务接入外适度向基础架构倾斜。

三是加强管理,简化机房建设流程。目前,机房建设从立项、选址、合同谈判、入账等由多部门联合负责,选择一个机房需要计划、建设、财务、法律等多专业参与,因流程复杂导致业主反悔时有发生,这么多部门也没有明确哪个部门具体负责架构机房的牵头建设,导致建设缓慢;另外,部分小产权房或农村用房因为土地产权问题无法签订合同。建议缺口大的省市,应认真分析管理原因,理顺并简化相关流程,提高建设效率。

四是多部门联合解决选址难问题。架构机房选址的重要一条是机房稳定性,汇聚机房最好有自有产权,而近年来城市建设日新月异,大拆大建时有发生,建筑物的稳定性有所降低,给选址造成困难。部分城市选取的居民楼又因扰民、施工、发电等问题影响使用,部分城市选取地下室又存在重大安全隐患。根据部分城市经验,汇聚机房选取应加大办公楼、背街商铺、公共设施等来源的选取,建议加强多部门联动,如将集客市场营销和机房选取结合,总体为企业争取利益,解决选址难题。

五是加强现有机房挖潜,DC化改造量力而行。从网络演进需求来看,当前已建成的汇聚机房、综合业务点机房存在着机房面积不足、电源缺口大等问题,而架构的建设非一日之功,网络的演进要充分利用目前已经形成的架构机房,对于面积不足的优先通过机架整合/腾退、扩容方式解决,对于虚拟化需求不大的机房不建议进行机房DC化改造。

六是加快主干光缆建设和接入模式优化。预计5G建设会采用快速建网模式,2~3年内形成覆盖基本完善的网络,对主干光缆的纤芯需求会很紧迫,因此,在5G需求基本明确的前提下,适度加快城区主干光缆建设十分必要,尤其是局部热点区域的二级主干光缆建设,同时一级主干光缆应避免盲目的扩容,应结合业务发展和低成本WDM的成熟度综合选择。对于传统模式的接入站点,应尽快完成和主干光缆的衔接,将接入超大环通过二级汇聚的建设优化为小环,同时也为5G业务快速接入做好准备。

6  总结

中国联通在行业内创新性地提出本地基础网络目标网架构理念,可以很好地适应5G和通信DC化的发展演进。通过3年左右的建设,中国联通架构稳步推进,取得了很好的成效,但也存在不少问题。面临5G的加速到来,应充分认识到架构布局的重要性,加快推进汇聚机房、综合业务接入点机房建设,新建汇聚机房面积应适度加大,汇聚机房的DC化改造应慎重进行,同时,应结合5G业务预测适度提前建设主干光缆。

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作者:尹祖新 朱常波 顾荣生 张红 乔月强   来源:《邮电设计技术》2017年第11期

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