1.1 移动承载网的发展历程

1. 无线通信网络的发展历程

近三十年来，无线通信网络经历了1G~5G五个代际的演进。

1G采用的是模拟移动通信技术，业务比较单一，主要是语音业务。移动电话的出现使人们打电话的体验有了质的飞跃，第一次摆脱了电话线的束缚。由于1G网络容量非常有限且使用价格高昂，因此并未普及。

2G是移动通信发展历程中的一个里程碑，它标志着移动通信从模拟信号时代正式进入数字信号时代。2G网络的典型制式是GSM（Global System for Mobile communications，全球移动通信系统）。相比1G，2G网络容量有了显著提升，使用价格也大大降低，因此，从2G开始，移动电话褪去了“奢侈品”的光环，真正实现了“飞入寻常百姓家”。在核心业务方面，短信息是2G时代的一项亮点业务，它给人们提供了一种简单、便捷的文字沟通渠道。人们发现短信息交流有时比电话交流更加轻松、亲切，发短信逐渐成为人们的生活习惯。GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务）和EDGE（Enhanced Data rates for GSM Evolution，增强型数据速率GSM演进）可以看作低速数据业务的萌芽。

3G被普遍认为是移动通信发展历程中的一个重大转折。正是在3G时代，移动通信的核心业务正式从语音通话和短信过渡到数据业务。特别是智能终端和移动互联网的兴起，使越来越多的应用和服务提供商加入移动通信的生态系统中，给人们带来更加丰富的新型服务。自此，人们使用移动电话的目的不再是单纯地互相通信，而更多的是通过移动互联网获取资讯，通过各种即时通信工具进行全方位的交流和互动，甚至是展示和分享自己的生活状态。可以说，3G深刻地改变了人们的社交和信息获取习惯，极大地丰富了人们的日常生活。

4G可以说是移动通信发展历程中的重要里程碑，即“4G改变生活”。为了应对移动数据流量的爆炸性增长，4G将无线网络的数据传送能力提升了一至两个数量级，进一步扩大了网络的容量。人们惊喜地发现，手机流量从3G时代的每月几百兆字节一跃提升到了4G时代的每月几十吉字节甚至更多。与此同时，数据业务继续向IP化移动宽带的方向快速演进，随之而来的是移动视频、自媒体、网络游戏、手机支付等新兴应用大量涌现。智能手机已经取代个人计算机，成为人们线上生活的中心，人们更加深切地感受到无线网络带来的便捷和乐趣。

5G是移动通信发展历程中的又一里程碑，愿景是“5G改变社会”，它将以前所未有的强劲姿态改变人类乃至整个社会生活的形态。在5G时代，无线网络的革命性变化将更为显著，它不再局限于传统通信网络所实现的人人通信，而是面向万物互联，包括人人通信、人物通信、物物通信等多种多样的业务形式。小到自动驾驶、智慧家居，大到智能制造、智慧城市，都将因5G无线网络的助力而得到蓬勃发展。总之，5G无线网络将成为全社会数字化转型的重要基础设施。

2. 承载网的发展历程

承载网是指为各类业务提供信息承载服务的基础网络，包含骨干承载网、城域承载网和接入承载网。城域承载网是指城域范围内的承载网，主要依托运营商机房、光缆网组建，采用分层网络架构组织。我国的城域网一般对应地市组网，覆盖范围大，节点数量多，通常由接入层、汇聚层、核心层这三层组成，组网架构如图1-1所示。接入层多采用环形组网，负责综合业务接入区内的各种客户（包括无线基站、企业用户、家庭客户等）的业务接入。汇聚层主要采用环形组网，也可采用口字形、星形组网，负责多个综合业务接入区内所有业务的汇聚和上传。核心层通常采用环形或口字形组网，负责核心机房之间业务的承载和调度。

早期城域承载网主要承载固定网络和专线业务，随着移动通信的蓬勃发展，移动业务逐渐成为城域承载网最重要的业务之一。移动回传网络负责将基站和核心网连接起来。核心网一般位于地市或区域核心，而基站数量众多、分布广泛，这使得移动回传网络规模庞大，产业价值空间大，进而成为城域承载领域各种技术的竞争焦点。从1G到5G移动回传的发展历程来看，大体上呈现“一代承载，两代无线”的态势，即一代承载技术服务两代无线通信技术，例如SDH承载1G和2G网络，IP RAN和PTN承载3G和4G网络。

（1）1G/2G时代以电路交换技术为核心的承载网

业务需求是推动移动承载网技术向前发展的最关键驱动力之一。1G和2G时代，移动通信以语音业务为主。彼时的语音业务采用PCM（Pulse Code Modulation，脉冲编码调制）技术，将一路或者多路信号调制为一路具有恒定速率的信号。典型的基站接口为E1接口，移动承载网主要提供从无线基站到核心网设备的点到点连接。这种网络需求与当时已广泛部署的固定电话网PSTN（Public Switched Telephone Network，公用电话交换网）是一致的，而当时PSTN的全球标准是基于TDM技术内核的SDH技术，因此，起初的1G/2G移动承载网自然就沿用了SDH技术。

SDH是一种将复接、线路传输以及交换功能融为一体，并支持统一网络管理操作的综合信息承载网技术[1]。SDH传输系统在国际上有统一的帧结构数字传输标准速率和标准的光路接口，使网络管理系统互通，因此有很好的横向兼容性。它能与现有的PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy，准同步数字系列）完全兼容，并容纳各种新的业务信号，形成了全球统一的数字传输体制标准，提高了网络的可靠性。SDH接入系统不同等级的码流在帧结构净荷区内的排列非常有规律，而净荷与网络是同步的。它利用软件将高速信号一次直接分插出低速支路信号，实现一次复用，与PDH准同步复用方式对全部高速信号进行逐级分解然后再生复用的过程不同，它大大简化了DXC（Digital Cross-Connect，数字交叉连接）设备，减少了背靠背的接口复用设备的数量，改善了网络的业务传送透明性。由于采用了当时较先进的ADM（Add/Drop Multiplexer，分插复用器）和DXC设备，网络的自愈功能和重组功能非常强大，网络具有较强的生存率。SDH帧结构中给信号安排了5%的开销比特，它的网络管理功能特别强大，并能统一形成网络管理系统，从而促进提升网络的自动化、智能化、信道的利用率、生存能力，以及降低网络的维管费。SDH支持多种网络拓扑结构，它所组成的网络非常灵活，能增强网监、运行管理和自动配置功能，优化网络性能，同时也使网络运行灵活、安全、可靠，使网络的功能非常齐全、多样化。SDH在设计之初就以语音业务为主要服务对象，并且满足了运营商网络管理、业务监控、网络维护、不同厂商互通等多种诉求。

随着2G业务的发展，逐渐出现了以GPRS、EDGE等为代表的分组域技术，基站的接入接口除了TDM接口这种类型外，还出现了以太网业务的接入需求。虽然出现了多业务需求，但当时基站业务仍以语音业务为主，基站回传带宽仅为Mbit/s级别。因此，移动承载网的客户侧接口仍采用TDM E1接口，只是新增了一种通过反向捆绑来拓展带宽的方式。网络侧仍然采用STM-1/STM-4/STM-16接口。

（2）3G/4G时代以分组交换技术为核心的承载网

3G和4G时代，随着无线业务中数据业务的比例逐渐增大，语音业务分组化的趋势越来越明显，移动业务带宽的增长势头迅猛，SDH技术呈现出明显的不适应性，主要体现在以下两个方面。

第一，数据业务和分组化的语音业务速率是实时变化的，不再是恒定的。SDH技术采用TDM技术内核，即使在数据业务有效速率为零时，该数据业务也会占用SDH网络的时隙资源。SDH技术刚性管道的特征，导致SDH在面对速率实时变化的业务时承载效率差。而当业务速率超过刚性管道提供的带宽时，SDH又无法实时调整管道带宽，因此无法及时满足业务带宽增长的需求。

第二，无线网络出现了基站与基站之间直接通信（例如X2接口）的业务，从而使移动承载网的横向互联需求凸显出来。这种横向互联需求虽然存在，但是规模还无法达到基站与核心网的通信规模；而SDH数字复接技术要求速率从低到高逐级复接，这导致SDH在实现横向互联时会浪费网络带宽资源，进一步降低了SDH网络的整体承载效率。

受到上述两个方面的影响，SDH带宽利用率低的缺点被放大，网络TCO（Total Cost of Operation，总运营成本）增加，SDH网络新建和扩容逐渐减少，业界在SDH产业的投入也逐渐减少。相应地，SDH标准和产业也停止了迭代和更新，SDH设备接口带宽及设备容量难以持续提升。与此同时，3G和4G时代IP化的语音、图文数据和多媒体等以太网业务快速成为主流业务，基于IP和以太网的移动承载网技术开始突飞猛进地发展，并且以太网产业规模不断扩大，相关技术的经济性优势不断凸显。相比之下，SDH技术对新业务的适应性较差，难以满足新业务的承载需求，移动承载网IP化的趋势越来越明显。而移动承载网在IP化演进过程中出现了两种演进理念，产生了IP RAN和PTN两种不同的技术方向。

第一种理念认为，新型的移动网络IP化数据业务承载可以沿用当时在固定网络承载方面已经广泛应用的路由器技术，其基于面向非连接、尽力而为的技术理念。对于传统的固定网络运营商，采用同样的路由器技术将有可能重用固定网络承载网，实现移动网络和固定网络经由一张网络统一承载。在这种理念下，将已在固定网络领域发展起来的路由器技术引入移动互联网领域，用于解决IP化业务的移动回传问题，因此，以路由领域IP/MPLS协议及关键技术为基础的IP RAN技术出现了。

第二种理念则认为，需要一种新的面向连接、具备电信级保障的技术来构建IP化移动承载网。以数据业务为主的回传业务要求移动承载网具备分组技术的统计复用能力，同时，回传业务除了数据业务之外，还包括对传输质量要求较高的语音等高等级业务。基站作为一种重要的公众服务基础设施，应保证其业务连接的可靠性，因此需要为移动承载设计一种面向连接的IP化承载网技术。根据这种理念，针对移动承载高质量业务需求，一种融合传统电信级传输和IP高效统计复用理念的面向连接的PTN技术应运而生。

PTN采用MPLS转发，去除MPLS复杂信令和依赖IP路由的复杂功能，增强OAM和保护功能，形成了MPLS-TP协议族。相比路由器技术，PTN具有更强大的传送管理维护能力和可靠性设计。PTN针对分组业务流量的突发性，按照统计复用传送的原则进行设计，以分组业务为核心，并为多种业务提供支持，具有更低的TCO。同时，PTN继承了光传输的传统优势，包括高可用性和可靠性、高效的带宽管理机制和流量工程、便捷的OAM和网络管理、可扩展性、较高的安全性等，能够更好地满足移动通信业务分组化的承载需求。

图1-2示出了PTN技术特征。它主要包括分组技术内核（如业界最主流的分组技术MPLS-TP、MPLS等）和SDH-Like传输体验。分组技术内核使PTN具有适应各种粗、细颗粒业务的能力，支持业务带宽的统计复用和二、三层业务交换，提供更加适合IP业务的柔性传输管道。为了提供SDH-Like网络的易运维性和高可靠性，PTN引入了多项创新技术，包括采用双向LSP（Label Switched Path，标签交换路径）解决来回路径不一致的问题、去掉MPLS转发面不必要的复杂处理、增强面向连接的保障。同时，PTN支持丰富的保护能力，能够在网络发生故障的情况下实现50 ms内的电信级业务保护倒换，不再依赖传统路由器以BFD（Bidirectional Forwarding Detection，双向转发检测）为核心的有状态无保障的故障检测协议，支持基于硬件的固定周期无状态的OAM机制，具有针对传输通道的快速故障管理、错误检测和通道监控能力。PTN技术适应了无线业务IP化的趋势，有效融合了分组技术内核和SDH-Like传输体验的优势，在移动承载网领域获得了广泛应用。

注：LDP为Label Distribution Protocol，标签分发协议；ECMP为Equal-Cost Multi-Path，等价多路径（路由协议）；PWE3为Pseudo-Wire Emulation Edge to Edge，端到端伪线仿真；FRR为Fast ReRoute，快速重路由；PHP为Penultimate Hop Popping，倒数第二跳弹出。

在IP RAN和PTN的发展过程中，这两种技术相互借鉴，逐步形成了产业链共享。比如，IP RAN借鉴了PTN快速OAM检测的技术，解决了上千节点组网的网络运维问题；还借鉴了PTN可视化界面的技术，解决了路由器命令行方式运维效率低下的问题。同时，PTN借鉴了IP RAN的L3组网技术，改善了4G横向流量转发的连接性能。IP RAN和PTN两种技术在芯片、设备等方面实现了平台共享。以博通公司的Katana和Enduro系列芯片为例，它们支持MPLS和MPLS-TP关键协议，在IP RAN和PTN中都获得了广泛应用。

3G时代，基站接口开始IP化，逐步采用以太网FE（Fast Ethernet，快速以太网）接口。城域移动承载网络客户侧接口以FE接口为主，网络侧接口为GE（Gigabit Ethernet，千兆以太网）和10GE接口，接入层主要采用GE组环，设备容量约为10 Gbit/s，汇聚层和核心层采用10GE组环，设备容量为30~40 Gbit/s。为了充分利用分组网络的统计复用特性，接入环、汇聚环和核心环带宽可设置一定的收敛比。

到了4G时代，随着业务流量的增长，基站接口开始采用更大带宽的GE接口，城域移动承载网络的客户侧接口、网络侧接口速率和设备容量也随之增长。客户侧接口以GE接口为主，接入环主要向10GE接口演进，汇聚环和核心环引入了40GE、100GE接口，甚至200GE接口；设备容量大规模增加，接入层设备容量达到48 Gbit/s，汇聚层和核心层设备容量已达到6.4 Tbit/s。同时，基站的大量建设部署也带动了城域移动承载网络规模的急剧增长，大型城市的接入层设备数量可达到数万台。