駐地寬帶接入網(wǎng)在Smallcell移動(dòng)回傳中的應(yīng)用

摘要——目前Smallcell正越來越受到關(guān)注，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商不得不考慮最佳的回傳方案來承載如此密布的基站節(jié)點(diǎn)。本文通過對一個(gè)接近實(shí)際的模型分析，比較了PON與傳統(tǒng)承載方案在解決Smallcell回傳時(shí)的建設(shè)成本和投資回報(bào)周期，以及回傳Smallcell對現(xiàn)有駐地寬帶網(wǎng)絡(luò)投資回報(bào)期的優(yōu)化；同時(shí)，探討了面向Smallcell回傳的PON網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)所應(yīng)具備的技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞： Smallcell，回傳，PON，PTN，投資回報(bào)，技術(shù)要求

1. 目前移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨的問題

在移動(dòng)互聯(lián)應(yīng)用、智能終端的日益普及下，室內(nèi)和熱點(diǎn)業(yè)務(wù)的比重增長迅速，網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)和盲點(diǎn)亟需靈活的部署方案來完善覆蓋，運(yùn)營商現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對這些挑戰(zhàn)時(shí)面臨諸多問題：

� 隨著部署更加密集，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)干擾環(huán)境更加復(fù)雜，影響網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗(yàn)

� 頻譜資源日益緊張，高頻段建網(wǎng)導(dǎo)致深度覆蓋難度增加，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本提高，新增宏站擴(kuò)容的方式難以為繼

� 缺乏有效的室內(nèi)和熱點(diǎn)業(yè)務(wù)分流手段

鑒于以上諸多困難，基站設(shè)備的小型化、低功耗、可控性和智能化已成為主流趨勢，Smallcell在此趨勢下應(yīng)運(yùn)而生。而Smallcell的部署不僅需要基站設(shè)備，還要考慮業(yè)務(wù)回傳，已有宏站回傳往往采用PTN/IP RAN等技術(shù)，這些網(wǎng)絡(luò)目前只覆蓋到了2G/3G宏站層面，如用于連接Smallcell站點(diǎn)，不得不將光纜和設(shè)備延伸到比現(xiàn)有宏站密度高達(dá)十多倍的節(jié)點(diǎn)上，建設(shè)難度很大。

另一方面，國內(nèi)運(yùn)營商同時(shí)經(jīng)營著一張駐地寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，一般隨著人口的密度而部署，但是從運(yùn)營商的反饋看對駐地寬帶網(wǎng)絡(luò)的投資回報(bào)并不樂觀，主要的因素是實(shí)際連接率較低，而這張廣為覆蓋、接入帶寬高且并未充分利用的駐地寬帶接入網(wǎng)絡(luò)恰好和Smallcell即將部署的層面相吻合，并且只需要從分光器連接一小段末端光纖可以實(shí)現(xiàn)快捷接入，這為解決Smallcell回傳提出了一個(gè)新的思路：將移動(dòng)回傳和固定接入網(wǎng)絡(luò)充分結(jié)合。

利用Smallcell來解決熱點(diǎn)盲點(diǎn)覆蓋，有不同承載層面。我們通常所說的回傳（back-haul）指的是基站和無線控制單元之間的段落，本文就是圍繞Smallcell回傳來研究的。如果采用射頻拉遠(yuǎn)頭和室內(nèi)基帶處理單元的分布式結(jié)構(gòu)（RRH+BBU），它們之間連接的是高速基帶信號，往往稱為front-haul，不在本文討論范圍內(nèi)。

2. 分析現(xiàn)有駐地寬帶網(wǎng)絡(luò)承載Smallcell回傳帶來的經(jīng)濟(jì)影響

a) Smallcell業(yè)務(wù)回傳需求

面向一個(gè)新技術(shù)、新網(wǎng)絡(luò)的承載，首先就必須了解承載服務(wù)對象的部署拓?fù)浜蜆I(yè)務(wù)流向。根據(jù)某研究結(jié)論，同頻段下，19個(gè)Smallcell（每個(gè)約3W等效全向輻射功率）可以實(shí)現(xiàn)1個(gè)三扇區(qū)宏站的全覆蓋，我們可以根據(jù)不同的覆蓋需求來估算Smallcell相對于宏站的部署數(shù)量。Smallcell回傳的接口一般為Ethernet接口，不同制式下對帶寬要求有所不同，3G版本的回傳帶寬CIR一般可設(shè)為下行6Mb/s、上行3Mb/s，LTE版本的回傳帶寬CIR一般可設(shè)為下行60Mb/s、上行30Mb/s，如果同站部署一些并生的無線接入手段（例如WiFi等）還需要考慮額外的接入帶寬。根據(jù)這些因素，我們可以得到相應(yīng)的接入帶寬和匯聚節(jié)點(diǎn)需要增加的上聯(lián)帶寬。

b) 分析研究方法

今天的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀中，絕大多數(shù)情況下駐地寬帶接入網(wǎng)絡(luò)和無線基站回傳是兩張相互獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。駐地寬帶網(wǎng)絡(luò)逐步以xPON技術(shù)為主，大都采用分區(qū)建設(shè)策略，每個(gè)區(qū)域稱為一個(gè)綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)，每個(gè)綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)設(shè)一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，用于安置OLT。同樣區(qū)域中也分布著2G/3G宏站，并通過PTN/MSTP/IPRAN承載著回傳業(yè)務(wù)。

Smallcell比現(xiàn)有無線宏站更加密集，如果利用原有傳統(tǒng)回傳平臺(tái)解決，需要將這些Smallcell回傳業(yè)務(wù)收攏到現(xiàn)有宏站附近，并考慮對現(xiàn)有上聯(lián)端口的帶寬沖擊。而已有綜合接入?yún)^(qū)的每一個(gè)PON口就對應(yīng)一個(gè)ODN，服務(wù)一個(gè)更為密集的小區(qū)，Smallcell也正落在這些密集的小區(qū)中。

由此，我們定義了幾種可能的方案構(gòu)架。

構(gòu)架I：現(xiàn)有回傳網(wǎng)絡(luò)（PTN/IP RAN）進(jìn)一步下沉，將Smallcell的回傳業(yè)務(wù)收攏到現(xiàn)有宏站附近，并利用現(xiàn)有宏站回傳網(wǎng)絡(luò)上聯(lián)。

構(gòu)架II：在新建更加密集的PTN/IP RAN回傳網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，由于無線互聯(lián)網(wǎng)帶寬高速增長，現(xiàn)有宏站回傳的承載網(wǎng)絡(luò)可能已無法承受，需要新建從宏站到匯聚節(jié)點(diǎn)的主干接入部分。

構(gòu)架III：利用現(xiàn)有駐地寬帶網(wǎng)絡(luò)已有布局，按區(qū)域分別收納Smallcell基站，與駐地寬帶用戶混合上聯(lián)至OLT。

構(gòu)架IV：為了保證業(yè)務(wù)的隔離度，將Smallcell回傳和現(xiàn)有駐地寬帶分別通過不同PON端口上聯(lián)到OLT，Smallcell所用PON端口依據(jù)自身密度可將分光器設(shè)置在宏站。

為了觀察加入Smallcell回傳后對現(xiàn)有駐地寬帶接入網(wǎng)絡(luò)的影響，當(dāng)前駐地寬帶自身網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架被定位為當(dāng)前寬帶接入構(gòu)架。

讓我們從運(yùn)營商最關(guān)注的投資效益來對比不同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。在參考了某運(yùn)營商的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本后，可以估算出了每ONT（相當(dāng)于每駐地寬帶用戶）的建設(shè)成本和維護(hù)成本，如下表所示。將每用戶成本的CapEx部分累加，得到每用戶投資成本為1377元，同時(shí)按照有源設(shè)備、無源設(shè)備、輔材來統(tǒng)計(jì)每用戶投資，可以看出當(dāng)前寬帶接入構(gòu)架下，無論單用戶成本還是不同成分的比例都和業(yè)界的經(jīng)驗(yàn)參考值基本相符。構(gòu)架III的成本等同當(dāng)前寬帶接入構(gòu)架的成本，除了在面向Smallcell回傳時(shí)，對ONT提出了特殊要求（詳見第3節(jié)），構(gòu)架IV的成本主要在光纜線路部署有所不同。

在傳統(tǒng)基站回傳承載方式中，我們選取了成本更為經(jīng)濟(jì)的PTN方案進(jìn)行對比。假設(shè)相同區(qū)域（主干或末端）光纜線路單位成本（每芯公里）相同，結(jié)合不同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖中的路由計(jì)算（按照每個(gè)宏站覆蓋8個(gè)Smallcell密度），可以得到構(gòu)架I和構(gòu)架II下的每個(gè)Smallcell回傳成本，主要區(qū)別也是來自于光纜線路部署。

c) 研究模型對象

參考某地運(yùn)營商目前網(wǎng)絡(luò)發(fā)展規(guī)模和近期規(guī)劃，我們設(shè)定了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)模型來分析PON承載Smallcell回傳對網(wǎng)絡(luò)投資的影響。

預(yù)計(jì)2013年該運(yùn)營商將開始部署和開通Smallcell基站業(yè)務(wù)，考慮到Smallcell初期主要是對宏站覆蓋區(qū)域熱點(diǎn)和盲點(diǎn)的補(bǔ)充，今后也主要承載熱點(diǎn)地區(qū)的非高速運(yùn)動(dòng)下寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的分流，所以我們假設(shè)Smallcell部署規(guī)模主要依據(jù)3G宏站數(shù)量按比例增長。同時(shí)，為了反映不同部署密度下影響效果，我們選取了兩種場景作為對象：

保守模式：平均每宏站覆蓋8個(gè)Smallcell，每個(gè)Smallcell為16個(gè)active用戶服務(wù)

激進(jìn)模式：平均每宏站覆蓋18個(gè)Smallcell，每個(gè)Smallcell為32個(gè)active用戶服務(wù)

我們假設(shè)10%的移動(dòng)用戶的收入將回饋到末端接入段建設(shè)投資中，根據(jù)該運(yùn)營商每3G用戶ARPU值150元，那就意味著每個(gè)ONT的等效ARPU值在保守模式和激進(jìn)模式下分別為240元和480元。

同時(shí)，該運(yùn)營商從2011年開始推行“智慧光網(wǎng)”的FTTx部署，提出了3年內(nèi)覆蓋340萬用戶的目標(biāo)，假設(shè)實(shí)際連通率從2011年的10%開始持續(xù)增長，而且其寬帶綜合套餐月租（108元/戶）的50%用于回饋寬帶接入部分的投資，那么每ONT的ARPU值為54元。

d) 直接對比得到不同構(gòu)架下的投資比例

首先基于每用戶的投資成本，可以直接對比得到不同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的投資成本比較（以構(gòu)架I作為基準(zhǔn)），得到一個(gè)很明顯的結(jié)果：PON的綜合投資遠(yuǎn)小于PTN方案。這主要來自于終端成本和部署光纖利用率帶來的差別。

由于構(gòu)架II投資成本明顯較大，為了簡化比較對象，在后面進(jìn)一步的研究中我們選取了利舊現(xiàn)有宏站接入回傳的構(gòu)架I作為傳統(tǒng)承載方式中的代表進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。

e) 結(jié)合模型對象的實(shí)際規(guī)模分析對現(xiàn)有駐地寬帶的投資回報(bào)

在單用戶成本上的差別，會(huì)對整體網(wǎng)絡(luò)帶來怎樣的實(shí)際影響呢？為此，以2011年為起始年份（1st Year），將Smallcell回傳（構(gòu)架III，構(gòu)架IV）疊加到現(xiàn)有駐地寬帶網(wǎng)絡(luò)上，與當(dāng)前寬帶接入構(gòu)架下的投資回報(bào)周期進(jìn)行對比，如下圖所示。

結(jié)合不同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和不同Smallcell部署模式等因素的引入，盡管Smallcell回傳所需要的ONT數(shù)量遠(yuǎn)少于駐地寬帶用戶數(shù)量，但由于Smallcell的ONT所等效的ARPU值明顯較高（4倍或8倍）于駐地寬帶用戶，在原來駐地寬帶網(wǎng)絡(luò)投資回報(bào)周期基礎(chǔ)上，這種“一網(wǎng)多用”的模式還是帶來了一定投資回報(bào)周期的改善，而且隨著Smallcell在無線網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)比重的增加，這種改善將更加明顯。

f) 單獨(dú)比較不同回傳的投資回報(bào)影響

既然Smallcell是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的熱點(diǎn)，除了看到會(huì)對駐地寬帶網(wǎng)絡(luò)投資回報(bào)帶來一定的改善，我們要進(jìn)一步比較不同構(gòu)架本身，因此有必要將針對Smallcell業(yè)務(wù)回傳的投資回報(bào)進(jìn)行單獨(dú)審視，也就是將用于Smallcell回傳部分的PON承載方案投資回報(bào)，與PTN解決方案進(jìn)行直接對比，得到如下圖曲線和結(jié)果。

不難看出，無論哪種基站部署模式，利用駐地寬帶的解決方案都明顯占優(yōu)。具體的看，在同種部署密度下，PON承載方案將投資回報(bào)周期縮短一半以上，甚至構(gòu)架III能在縮短四分之三的周期，基本第一年就收回投資，當(dāng)PTN解決方案需要3年、甚至5年以上的時(shí)間收回投資時(shí)，利用PON承載的方案早已賺得盆滿缽滿，這進(jìn)一步說明在已有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，采用“既有之，則用之”的構(gòu)建思路帶來的回報(bào)更有效。

3. 寬帶接入網(wǎng)絡(luò)面向Smallcell回傳的技術(shù)要求

從前面的分析可以看出，利用現(xiàn)有駐地寬帶可以帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益，從另一個(gè)方面看，PON也需要能夠適應(yīng)Smallcell回傳的技術(shù)特點(diǎn)，從而保證其業(yè)務(wù)能夠高效的承載傳送。

a) 時(shí)間同步

目前在Smallcell的技術(shù)規(guī)范中，大體上規(guī)定了三種同步解決方案：空口同步，IP同步（IEEE1588v2或NTP）和GPS等外時(shí)鐘同步�？紤]到Smallcell部署環(huán)境更為復(fù)雜多樣，很多場合下無法接收到GPS等定位信號；而空口同步從一定程度上依賴了其他站點(diǎn)，可能會(huì)出現(xiàn)大面積連鎖失效等故障；所以IP同步手段為網(wǎng)絡(luò)提供了更可靠的同步方式或備份。其中，其中NTP時(shí)鐘精度較差，1588v2成為比較可靠的解決方案，只需要根據(jù)不同運(yùn)營商協(xié)同1588v2的封裝格式就可以實(shí)現(xiàn)面向更復(fù)雜安裝環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。

此外，GPON網(wǎng)絡(luò)也具有傳送高精度同步時(shí)鐘的先天優(yōu)勢：

� OLT到ONT為單跳，引入誤差過程最簡單。

� ODN為單纖雙向系統(tǒng)，來回程物理距離嚴(yán)格相等。

� 上下行波長已知，由此造成的時(shí)鐘誤差<=25ns。

� GPON有內(nèi)置的測距機(jī)制，可被用來作時(shí)鐘同步，精度可達(dá)百ns級。

b) 微型化 ONT

不同于家庭駐地接入對ONT安裝環(huán)境要求較為寬松，面對復(fù)雜場景的Smallcell部署對設(shè)備體積、功耗、安裝方式等諸多因素更為敏感，傳統(tǒng)的ONT來承載回傳，勢必需要額外考慮安裝和運(yùn)維等方面的問題。所以，微型化的ONT將更加適應(yīng)Smallcell的回傳場景，SFP ONT就是這么一個(gè)形態(tài)合適的產(chǎn)品，它可以在今天非常普遍的SFP插槽上提供即插即用的PON回傳機(jī)制，幾乎不增加任何體積，功耗也大大降低，但同時(shí)引入了成熟完整的PON承載體系。

c) 層次化QoS

Smallcell所部署的層面，不僅可能和現(xiàn)有駐地寬帶上網(wǎng)用戶同一層面，也可能和其他無線接入方式相共站，例如，移動(dòng)運(yùn)營商正在尋求Smallcell和Wi-Fi熱點(diǎn)的結(jié)合，以便更好地覆蓋戶外場所和人口稠密的地區(qū)。目前在Smallcell回傳中已考慮引入IPSec來保證其安全性，同時(shí)還需要健全的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制來保障不同等級業(yè)務(wù)帶寬分配。

盡管很多業(yè)務(wù)層面的感知和功能被集成在匯聚/核心層，但是作為接入節(jié)點(diǎn)，可通過對最后一公里帶寬利用的感知優(yōu)勢，來支持多層次的業(yè)務(wù)調(diào)度能力，例如確保蜂窩網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)在多種業(yè)務(wù)承載時(shí)的業(yè)務(wù)質(zhì)量從而采用更靈活的組網(wǎng)方式降低成本，保障時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)以提高用戶體驗(yàn)度等，這時(shí)需要在PON端口、ONT、UNI接口、甚至子業(yè)務(wù)流層面提供靈活豐富的調(diào)度機(jī)制，層次化QoS正是解決這個(gè)需求的機(jī)制。

d) L3業(yè)務(wù)調(diào)度能力

越來越多的移動(dòng)應(yīng)用都逐漸體現(xiàn)云特性，如果我們采用傳統(tǒng)層層收斂的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不僅會(huì)影響用戶對實(shí)時(shí)云應(yīng)用的體驗(yàn)度，而且讓匯聚/核心的處理設(shè)備疲于承擔(dān)了很多與其業(yè)務(wù)本身無關(guān)的處理任務(wù)，從最貼近用戶的位置去優(yōu)化全網(wǎng)帶寬資源可以提升云端設(shè)備的使用效率。

隨著更高版本3GPP協(xié)議被引入到網(wǎng)絡(luò)中，Smallcell具有更加豐富的功能，包括部分RNC功能，這也促使網(wǎng)絡(luò)更加扁平化。例如，在LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，出現(xiàn)了S1和X2兩種業(yè)務(wù)流，其中X2就是Node-to-Node的信令業(yè)務(wù)，傳統(tǒng)的解決方法是全部上傳到核心層實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)調(diào)度再下行到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。這種信令切換對時(shí)延要求較高，如果通過貼近基站的OLT實(shí)現(xiàn)分布式信令切換，并結(jié)合PON系統(tǒng)單跳即到匯聚節(jié)點(diǎn)的特性，將大幅提升用戶體驗(yàn)。同樣，對于Direct Tunnel、WiFi Offloading等靈活優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的功能，都可以通過OLT從業(yè)務(wù)發(fā)起端優(yōu)化全網(wǎng)資源。

上海貝爾7360FX集成了SR OS系統(tǒng)MPLS功能，并且支持IPV6的轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能，為這些業(yè)務(wù)需求提供了完善的L3業(yè)務(wù)調(diào)度能力。

e) 業(yè)務(wù)保護(hù)

網(wǎng)絡(luò)保護(hù)一直是對PON承載移動(dòng)回傳的最大挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的不斷完善，PON同樣可以提供豐富的保護(hù)機(jī)制。例如，Type B保護(hù)機(jī)制可以提供主干光纜和OLT上光接口的冗余保護(hù)，這種保護(hù)主要面向解決普通熱點(diǎn)覆蓋；而功能更為強(qiáng)大的ONT可以提供端到端的全線路保護(hù)，這種保護(hù)主要考慮重要區(qū)域的Smallcell節(jié)點(diǎn)、甚至宏站BBU等廣覆蓋功能的移動(dòng)基站等。

f) 智能運(yùn)維

隨著網(wǎng)絡(luò)部署、特別是光纖網(wǎng)絡(luò)部署更加密集，提高網(wǎng)絡(luò)健壯性、快速故障解決和業(yè)務(wù)開通是日常網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的重要需求。這包括線路定位故障和日常巡檢、遠(yuǎn)程仿真測試、末端資源感知等，這些功能如果能夠直接在PON系統(tǒng)上提供，不僅節(jié)省總體投資，而且可以和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)資源緊密聯(lián)系。

上海貝爾的OLT平臺(tái)通過內(nèi)置OTDR模塊、遠(yuǎn)程PPPOE撥號仿真軟件、基于802.1AG CFM的故障診斷、手機(jī)終端維護(hù)軟件等便捷的運(yùn)維工具為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供了更加智能的維護(hù)手段。

4. 結(jié)論

利用低成本、廣覆蓋的已有PON網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對更加密集的Smallcell無線回傳，比傳統(tǒng)宏站回傳方式（PTN/ IP-RAN）不僅成本更加經(jīng)濟(jì)，而且具有部署周期短、投資回報(bào)快的規(guī)模優(yōu)勢。利用現(xiàn)有駐地寬帶網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)現(xiàn)Smallcell的回傳，不僅改善了FTTx網(wǎng)絡(luò)利用率低的現(xiàn)狀，同時(shí)優(yōu)化了投入產(chǎn)出比，減少了網(wǎng)絡(luò)投資回報(bào)周期，真正將固定與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢進(jìn)行互補(bǔ)。新一代PON配置的平臺(tái)引擎，可以更好地應(yīng)對Smallcell網(wǎng)絡(luò)中新需求的承載，并為未來網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考：

[1] 邵信科, 王孝明, “無源光網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式與建設(shè)運(yùn)營成本的關(guān)系分析”, 2008年第9期《電信科學(xué)》

[2] “M2012063494_Metro_Cell_Express_Part I_EN_Brochure”, Alcatel-Lucent internal report

[3] “上海聯(lián)通新增120億“對接”智慧上�！� , http://www.ccidcom.com/html/yunyingshang/difangyaowen/201110/21-159193.html

[4] Yuanqiu Luo, Frank J. Effenberger, Nirwan Ansari ,“Time Synchronization over Ethernet Passive Optical Networks” , IEEE Communications Magazine • October 2012

作者簡介：

楊烈斌，高級工程師，畢業(yè)于南京郵電大學(xué)通信工程系，長期從事于傳送網(wǎng)絡(luò)的方案設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，現(xiàn)任職于上海貝爾股份有限公司，有線產(chǎn)品能力中心高級方案構(gòu)架工程師。