面向5G应用的通信机楼体系规划因素与思路

［陈镇铨］

带宽和时延是网络用户使用感知的两大重要因素。5G网络建设提出大带宽和低时延的发展愿景，是对用户需求和感知的针对性部署。因业界重视增量规划和增量建设领域，带宽因其容量及分配影响上下行速率，可决定网络用户使用感知的上限，得到广泛的关注。时延决定网络用户使用感知的平滑度和精细度，在受带宽影响不大的2C领域和2B领域，时延对网络用户使用感知的影响超过带宽，但并未得到充分的重视。端到端时延指从一个终端到另一个终端数据传输和处理的时间间隔，主要由核心网、传输和无线三部分时延共同构成。边缘计算场景中，网络切片技术导致的数据分层处理使得部分数据本地化处理将逐步成为现实，部分业务类型的核心网处理时延可大幅降低。无线CU/DU分离和拉远技术从技术上极大地提高无线覆盖的场景和便利度，部分业务类型的无线空口时延可大幅降低。但传输处理时延确难以通过技术层面发展迅速降低，已成为当前制约端到端时延的重要因素。

通信机楼体系为多层级垂直架构和多专业平行架构的融合，对网络感知影响显著，具体载体包括通信机楼和各类通信机房。传输处理时延受设备、光缆、机楼等专业共同影响。因机楼作为主要枢纽承载设备，其部署效率将直接影响设备、光缆等部署密度和模式，机楼部署效果将直接影响传输网络效率。因通信业务在改革开放后一直处于业务类型和业务规模大规模增长的发展趋势，处于显著的增量市场。为保障业务及时开通以获取市场战略高地，配合建设投资分批筹措和下达的资金分配模式，基础电信运营商（以下简称：运营商）网络架构模式在不断多元化和复杂化。因传输处理时延主要包括业务穿透时延、业务处理时延和传输路由时延三部分，通过分析总结影响时延的通信机楼规划因素，研究据此提出降低时延的通信机楼规划思路。研究结果表明通过机楼跨专业统筹体系化、机楼微网格动态业务化、机楼出局多路由共享化和机楼设备总架构简单化可有助于降低端到端时延，为未来网络效率提升具有重要的支撑作用。

2.1 时延的分类组成部分

端到端时延主要由核心网处理时延、传输处理时延和无线空口时延三部分组成。目前核心网处理时延（1～2 ms）和无线空口时延（12～14 ms）属于基本固定数值，总体可控，目前主要影响端到端时延的主要为传输时延。其中，传输时延包括设备转发时延和传输路径时延。设备转发时延包括业务穿透时延（平均最大5.5 μs）和业务处理时延（平均最大14 μs），相对可控。主要的不可控部分为传输路由时延，目前普遍按5 μs/km进行计算（传输网络基础结构示意图如图1所示）。

图1 传输网络基础结构示意图

2.2 影响时延的传输因素

因此，影响端到端时延的传输因素主要为业务穿透次数、业务处理次数和传输路由长度3个变量。其中，业务穿透次数主要取决于传输设备所在环业务传输处理时需通过的设备数量，主要受到传输设备网络结构复杂度（环或链）和传输途经设备数量所影响。业务处理次数则取决于业务处理需调动的传输设备数量，主要受到传输层数的影响。传输路由长度则受到设备覆盖范围的影响。

3.1 机楼体系的层级数量

机楼总体层级数量直接影响数据上下行所需业务数据处理次数。因此，为降低端到端时延，机楼总体层级数量应在满足功能需求的基础上尽量降低，即提倡整体机楼体系的扁平化发展。但整体机楼体系的扁平化发展不仅需降低总体层级数量，且需要在原有多种机楼种类的基础上进行整合和重组。传统运营商机楼因专业需求，形成各专业自行建设和维护的模式，如核心网专业主要建设维护的机楼、传输网专业主要建设维护的汇聚机房体系和接入机房体系、无线网专业主要建设维护的基站机房和室分机房等。在业务快速扩张和发展的过程中，各专业根据自身需求迅速选址和建设机楼体系以满足业务发展需求，各种机楼体系和类型均在相应业务发展时期发挥了重要的作用。但各种机楼体系间存在功能层面的重复性和优化整合的可能性。以传输网专业为例，运营商希望整合现网传输资源，将其集合在一张“大网”上，对冗余资源进行清退。

目前，运营商充分意识到机楼的层级和类型对现网业务开展的影响，从“自上而下”和“自下而上”两个层面并行，对运营商机楼体系进行优化。以某运营商为例，“自上而下”层面通过降低现有机楼层级以提高运转效率。虽然机楼体系转变涉及到综合资源系统等系统变更，需大量配合和调度工作，但运营商仍然积极地予以推动。“自下而上”层面通过对现有机楼进行优化，如传输网接入机房、无线网基站机房和室分机房等业务侧的机房逐步改造和纳入基层机楼体系，逐步开放各专业进入机楼内部配置设备的权限，提高机楼使用效率。通过对现网机楼体系的合并和重组，确定一套标准的机楼体系，对不适合机楼体系和承载业务较少的组成部分进行逐步清退，提高机楼体系的效率。通过降低机楼体系的层级数量，可以大规模降低业务数据处理次数，减少端到端时延。

3.2 机楼传输路由合理度

机楼体系传输路由合理度直接影响数据传输路径长度。目前，传输设备性能提高可保障业务穿透和业务处理时延降低，即通过传输设备的更换和升级降低业务端到端时延。因此，在传输设备性能得到充分提升的基础下，通过对关键位置的传输设备进行替换，将大幅提高数据处理效率。但传输路径导致的端到端时延却难以通过设备优化的简单方式进行处理，因其作为刚性时延直接与光纤特性相关。因此，数据传输路由的合理度提升是降低传输路径时延的重要策略。传输路由的合理度包括总体传输路由合理度和重点传输路由合理度两部分。在传输效果相同的情况下，传输网络整体传输路由长度越小，代表传输路由的建设和运维成本越低，传输路由建设效率越高。重点传输路由合理度则指传输连接上下联的重点路段路由长度越小，其建设和运维成本越低，传输路由建设效率越高。

因此，机楼体系传输路由合理度提升的主要策略是减少各机楼间连接的路由长度。目前，传输路由使用包括自有传输路由和租赁传输路由两部分。自有传输路由指运营商自行建设和维护的传输路由，可配置密码锁或密码井以保障传输路由的使用权属。除早期的自有传输路由外，目前建设传输路由的开挖、顶管难度和协调难度均较大，且施工费用总体呈现逐步降低的趋势，目前重新建设传输路由的难度较大。运营商通过补缆、存量传输路由挖掘和无主光缆使用等模式以增加自有传输路由内容。租赁传输路由则包括市管线单位、区管线单位和共建共享友商相互协调予以使用，具体租赁费用和租赁权限均处于不稳定状态，因此运营商会有限不适用租赁传输路由。从目前的实际情况而言，机楼体系传输路由合理度提升的难度极大。

3.3 机楼设备结构复杂度

机楼设备结构复杂度直接影响业务穿透次数。传输设备间通过环还是链的模式连接将直接影响数据上下行需穿透的设备数量。以链状为代表，其单路的传输模式需穿透该路上的所有设备，业务穿透时延显然较长。以环状结果为代表，虽然传输模式不需穿透所有设备，但环状上的设备数量同样影响时延效果。若组环设备数量过高，则业务穿透次数也较多，将会影响端到端时延。其他星型等组网模式也具备各自的特点。

设备结构模式是存在一定的历史原因。如部分链状模式是因为无法以环状模式施工或环状模式施工难度较大，该地区又急需开业务。在无法保证物理双路由时，通过链状模式予以建设。虽然运营商对新建机楼体系提出物理双路由或多路由的新型约束条件，但传统机楼体系物理双路由或多路由改造难度极大，因此衍生部分局部单路由以替代双路由的处理模式。目前5G管理规范明确要求通过组环模式，不能下设链。但4G等其他业务则仍然使用组环或组链模式运行，导致传输网络整体结构是比较复杂。因此，对现有机楼体系进行业务重整和冗余清退，是降低机楼设备结构复杂度的重要策略。

3.4 边缘计算体系的优化

机楼体系的层级数量、机楼传输路由合理度和机楼设备结构复杂度分别从传输处理时延、传输路由时延和传输穿透时延3个方面影响端到端时延，是在现有网络架构不大规模调整的基础上实现端到端时延优化模式。为进一步降低端到端时延，网络架构优化是更重要的方式。边缘计算体系以网络切片技术为基础，对不同类型业务进行分类，推动部分业务本地化处理，以避免大规模增长的数据上下行对网络带宽的影响和限制。边缘计算体系是对现有网络架构的重要优化，也已积累较为成熟的技术和模式。但因边缘计算机房部署需一定的物理空间和建设投资，目前主要应用于专网等高附加值业务类型，未能形成规模化应用。

边缘计算体系是对传统云计算体系的优化，以改变传统数据分析处理均需上下行带来的沉重带宽负担。边缘计算体系在未来可能通过分层技术实现物与物间的直接连接，将极大程度地降低目前数据处理需求。边缘计算体系降低数据处理层数，能同时有效降低业务穿透次数、业务处理次数和传输路由长度。为保障其规模化应用对现网效率的充分提高，仍需进一步降低其部署成本。边缘计算体系融入现网体系后，将对现网机房进行重新整合，有助于清退部分低业务承载或低业务价值的机房等基础设施，从运维层面实现降低成本和提升效率。

4.1 机楼跨专业统筹体系化

运营商网络架构体系中，机楼体系将在未来持续发挥重要的作用。为应对未来5G应用发展需求，适度减少机楼体系总体层级数量，需对现有机楼体系进行重新的统筹和体系化，主要规划思路为跨专业统筹和分级体系化两方面。跨专业统筹指改变现有各专业自行建设和维护机楼体系的思路，提前统筹各层级机楼体系的设备、外电、动力、空调、出局路由等需求，将可合并和统筹的机楼类型进行分类处理。如室分机房、基站机房、OLT接入机房和传输接入机房都是属于业务侧直接面对用户的机房，其选址位置、配套需求等存在一定的相似度，通过整合相应功能和配套，有助于增加业务部署的灵活性，打破现有各专业间的壁垒。分级体系化指促进机楼体系的优化，尽量减少机楼体系层数，适度增加各层机楼体系部署密度，促使机楼体系逐步向扁平化处理，降低机楼体系内部传输难度。

4.2 机楼主网格动态业务化

机楼主网格对应业务侧机楼体系部署密度，直接影响用户感知。机楼体系主网格部署准确度，直接影响业务覆盖的精准性和传输路由长度。为便于划定网格，目前机楼主网格规划是通过制定基础规则，结合自然和道路情况，以覆盖范围为参考进行划分，但实际情况中，主网格的综合制订规则难以应对业务实际需求。因此，机楼主网格作为机楼体系部署的关键性要素，需重视业务化和动态化两个特点。其中，业务化指网格的划定需改变传统以覆盖半径为基础的模式，调整为以业务需求规划为基础。动态化指网格需根据实际业务变化而动态调整，需定期检视和调整网格的数量和分布。但是，城市内部的人口密度、业务类型、业务规模和业务价值存在显著的差异化，采取目前传统的匀质化主网格部署模式，显然无法满足业务发展需求。因此，根据实际业务发展需求，需设定机楼体系规划周期，根据规划目标和业务需求定期调整主网格的覆盖面积和覆盖需求。

4.3 机楼出局多路由共享化

机房出局路由的方向和便捷程度影响传输路由长度，影响传输路由时延。机楼体系出局路由的建设可行性是制约机楼体系使用效率的重要因素。为保障传输安全和效率，目前建设规范要求机楼体系出局需至少满足物理双路由，即从两个不同方向出局，以保障单路由不通时另一路由能保持业务继续运转。为保障机楼体系出局双路由或多路由，运营商需在理想路径外寻求其他能满足需求的路径，对传输路由长度造成显著的影响。结合当前国家共建共享的规划方针，运营商内部和外部结合现有管道资源，共同建设共同维护和共同使用，可有效扩充现有资源情况。通过租赁管道的模式，降低出局双路由或多路由导致的传输路由长度过长的模式。但这种模式需根据机楼体系内部的类型和级别予以处理，对机楼体系内部的自有部分和承载稳定重要业务部分仍建议使用自建管道和线缆的模式处理，对机楼体系内部的租赁部分和承载业务变化较快部分则可在充分考虑经济性的基础上，通过多运营商同建共享模式提高建设效率，提高网络运行效率。

4.4 机楼设备总架构简单化

机楼设备总架构影响业务穿透次数，影响业务穿透时延。改革开放后，我国经历大规模、快速化的城镇化发展阶段，人口大规模聚集导致业务类型和业务规模迅速扩张。网络架构根据业务需求在不断扩张，为保障业务发展需求，抢占业务发展高地，在设备入网的过程中，可能会出现因投资分批下达或业务保障导致部分难以完全满足网络规划需求的设备组网方式。因此，现网架构中会出现多种网络结构相结合、相影响的情况，其复杂的网络关系保障部分地区业务发展需求，也增加了数据上下行需穿透的设备个数。在保持对现网业务低冲击的基础上，对现网传输网络架构重新整理则显得非常重要。目前国内主流思路是通过充分运用现网资源以优化网络架构。通过对现网业务承载设备的重新整理和划分，区分不同设备间的分工界面，对现网设备进行重新割接以优化现网网络结构，推动总架构逐步简单化，将有助于5G应用发展。

带宽和时延是5G应用的重要技术指标。为降低端到端时延，设备商在设备层面做出大量革新，实现设备轻量化和高新能化。但设备的先进程度是影响网络用户感知度的其中一个影响因素，在实际设备部署过程中，网络架构及部署效率直接决定设备性能能否得到充分发挥。机楼体系是设备承载的集中物理空间，其规划建设效率将直接影响网络用户感知。目前传输处理时延已成为时延的重要组成部分，研究从传输处理时延的组成部分入手，分析通信机楼体系的规划因素和规划思路，为网络用户感知提升提供发展思路，为5G应用发展提供技术支撑。