相关专题：
摘要——目前Smallcell正越来越受到关注，网络运营商不得不考虑最佳的回传方案来承载如此密布的基站节点。本文通过对一个接近实际的模型分析，比较了PON与传统承载方案在解决Smallcell回传时的建设成本和投资回报周期，以及回传Smallcell对现有驻地宽带网络投资回报期的优化；同时，探讨了面向Smallcell回传的PON网络平台所应具备的技术要求。
关键词： Smallcell，回传，PON，PTN，投资回报，技术要求
1. 目前移动网络发展面临的问题
在移动互联应用、智能终端的日益普及下，室内和热点业务的比重增长迅速，网络热点和盲点亟需灵活的部署方案来完善覆盖，运营商现有的蜂窝网络应对这些挑战时面临诸多问题：
� 随着部署更加密集，导致网络干扰环境更加复杂，影响网络性能和用户体验
� 频谱资源日益紧张，高频段建网导致深度覆盖难度增加，网络建设成本提高，新增宏站扩容的方式难以为继
� 缺乏有效的室内和热点业务分流手段
鉴于以上诸多困难，基站设备的小型化、低功耗、可控性和智能化已成为主流趋势，Smallcell在此趋势下应运而生。而Smallcell的部署不仅需要基站设备，还要考虑业务回传，已有宏站回传往往采用PTN/IP RAN等技术，这些网络目前只覆盖到了2G/3G宏站层面，如用于连接Smallcell站点，不得不将光缆和设备延伸到比现有宏站密度高达十多倍的节点上，建设难度很大。
另一方面，国内运营商同时经营着一张驻地宽带接入网络，一般随着人口的密度而部署，但是从运营商的反馈看对驻地宽带网络的投资回报并不乐观，主要的因素是实际连接率较低，而这张广为覆盖、接入带宽高且并未充分利用的驻地宽带接入网络恰好和Smallcell即将部署的层面相吻合，并且只需要从分光器连接一小段末端光纤可以实现快捷接入，这为解决Smallcell回传提出了一个新的思路：将移动回传和固定接入网络充分结合。
利用Smallcell来解决热点盲点覆盖，有不同承载层面。我们通常所说的回传（back-haul）指的是基站和无线控制单元之间的段落，本文就是围绕Smallcell回传来研究的。如果采用射频拉远头和室内基带处理单元的分布式结构（RRH+BBU），它们之间连接的是高速基带信号，往往称为front-haul，不在本文讨论范围内。
2. 分析现有驻地宽带网络承载Smallcell回传带来的经济影响
a) Smallcell业务回传需求
面向一个新技术、新网络的承载，首先就必须了解承载服务对象的部署拓扑和业务流向。根据某研究结论，同频段下，19个Smallcell（每个约3W等效全向辐射功率）可以实现1个三扇区宏站的全覆盖，我们可以根据不同的覆盖需求来估算Smallcell相对于宏站的部署数量。Smallcell回传的接口一般为Ethernet接口，不同制式下对带宽要求有所不同，3G版本的回传带宽CIR一般可设为下行6Mb/s、上行3Mb/s，LTE版本的回传带宽CIR一般可设为下行60Mb/s、上行30Mb/s，如果同站部署一些并生的无线接入手段（例如WiFi等）还需要考虑额外的接入带宽。根据这些因素，我们可以得到相应的接入带宽和汇聚节点需要增加的上联带宽。
b) 分析研究方法
今天的网络现状中，绝大多数情况下驻地宽带接入网络和无线基站回传是两张相互独立的网络。驻地宽带网络逐步以xPON技术为主，大都采用分区建设策略，每个区域称为一个综合业务接入区，每个综合业务接入区设一个汇聚节点，用于安置OLT。同样区域中也分布着2G/3G宏站，并通过PTN/MSTP/IPRAN承载着回传业务。
Smallcell比现有无线宏站更加密集，如果利用原有传统回传平台解决，需要将这些Smallcell回传业务收拢到现有宏站附近，并考虑对现有上联端口的带宽冲击。而已有综合接入区的每一个PON口就对应一个ODN，服务一个更为密集的小区，Smallcell也正落在这些密集的小区中。
由此，我们定义了几种可能的方案构架。
构架I：现有回传网络（PTN/IP RAN）进一步下沉，将Smallcell的回传业务收拢到现有宏站附近，并利用现有宏站回传网络上联。
构架II：在新建更加密集的PTN/IP RAN回传网络的同时，由于无线互联网带宽高速增长，现有宏站回传的承载网络可能已无法承受，需要新建从宏站到汇聚节点的主干接入部分。
构架III：利用现有驻地宽带网络已有布局，按区域分别收纳Smallcell基站，与驻地宽带用户混合上联至OLT。
构架IV：为了保证业务的隔离度，将Smallcell回传和现有驻地宽带分别通过不同PON端口上联到OLT，Smallcell所用PON端口依据自身密度可将分光器设置在宏站。
为了观察加入Smallcell回传后对现有驻地宽带接入网络的影响，当前驻地宽带自身网络构架被定位为当前宽带接入构架。
让我们从运营商最关注的投资效益来对比不同网络构架。在参考了某运营商的宽带接入网络建设成本后，可以估算出了每ONT（相当于每驻地宽带用户）的建设成本和维护成本，如下表所示。将每用户成本的CapEx部分累加，得到每用户投资成本为1377元，同时按照有源设备、无源设备、辅材来统计每用户投资，可以看出当前宽带接入构架下，无论单用户成本还是不同成分的比例都和业界的经验参考值基本相符。构架III的成本等同当前宽带接入构架的成本，除了在面向Smallcell回传时，对ONT提出了特殊要求（详见第3节），构架IV的成本主要在光缆线路部署有所不同。
在传统基站回传承载方式中，我们选取了成本更为经济的PTN方案进行对比。假设相同区域（主干或末端）光缆线路单位成本（每芯公里）相同，结合不同网络构架图中的路由计算（按照每个宏站覆盖8个Smallcell密度），可以得到构架I和构架II下的每个Smallcell回传成本，主要区别也是来自于光缆线路部署。
c) 研究模型对象
参考某地运营商目前网络发展规模和近期规划，我们设定了相应的网络模型来分析PON承载Smallcell回传对网络投资的影响。
预计2013年该运营商将开始部署和开通Smallcell基站业务，考虑到Smallcell初期主要是对宏站覆盖区域热点和盲点的补充，今后也主要承载热点地区的非高速运动下宽带数据业务的分流，所以我们假设Smallcell部署规模主要依据3G宏站数量按比例增长。同时，为了反映不同部署密度下影响效果，我们选取了两种场景作为对象：
保守模式：平均每宏站覆盖8个Smallcell，每个Smallcell为16个active用户服务
激进模式：平均每宏站覆盖18个Smallcell，每个Smallcell为32个active用户服务
我们假设10%的移动用户的收入将回馈到末端接入段建设投资中，根据该运营商每3G用户ARPU值150元，那就意味着每个ONT的等效ARPU值在保守模式和激进模式下分别为240元和480元。
同时，该运营商从2011年开始推行“智慧光网”的FTTx部署，提出了3年内覆盖340万用户的目标，假设实际连通率从2011年的10%开始持续增长，而且其宽带综合套餐月租（108元/户）的50%用于回馈宽带接入部分的投资，那么每ONT的ARPU值为54元。
d) 直接对比得到不同构架下的投资比例
首先基于每用户的投资成本，可以直接对比得到不同网络构架的投资成本比较（以构架I作为基准），得到一个很明显的结果：PON的综合投资远小于PTN方案。这主要来自于终端成本和部署光纤利用率带来的差别。
由于构架II投资成本明显较大，为了简化比较对象，在后面进一步的研究中我们选取了利旧现有宏站接入回传的构架I作为传统承载方式中的代表进行经济性比较。
e) 结合模型对象的实际规模分析对现有驻地宽带的投资回报
在单用户成本上的差别，会对整体网络带来怎样的实际影响呢？为此，以2011年为起始年份（1st Year），将Smallcell回传（构架III，构架IV）叠加到现有驻地宽带网络上，与当前宽带接入构架下的投资回报周期进行对比，如下图所示。
结合不同网络构架和不同Smallcell部署模式等因素的引入，尽管Smallcell回传所需要的ONT数量远少于驻地宽带用户数量，但由于Smallcell的ONT所等效的ARPU值明显较高（4倍或8倍）于驻地宽带用户，在原来驻地宽带网络投资回报周期基础上，这种“一网多用”的模式还是带来了一定投资回报周期的改善，而且随着Smallcell在无线网络中业务比重的增加，这种改善将更加明显。
f) 单独比较不同回传的投资回报影响
既然Smallcell是未来网络发展的热点，除了看到会对驻地宽带网络投资回报带来一定的改善，我们要进一步比较不同构架本身，因此有必要将针对Smallcell业务回传的投资回报进行单独审视，也就是将用于Smallcell回传部分的PON承载方案投资回报，与PTN解决方案进行直接对比，得到如下图曲线和结果。
不难看出，无论哪种基站部署模式，利用驻地宽带的解决方案都明显占优。具体的看，在同种部署密度下，PON承载方案将投资回报周期缩短一半以上，甚至构架III能在缩短四分之三的周期，基本第一年就收回投资，当PTN解决方案需要3年、甚至5年以上的时间收回投资时，利用PON承载的方案早已赚得盆满钵满，这进一步说明在已有网络基础上，采用“既有之，则用之”的构建思路带来的回报更有效。
3. 宽带接入网络面向Smallcell回传的技术要求
从前面的分析可以看出，利用现有驻地宽带可以带来更好的经济效益，从另一个方面看，PON也需要能够适应Smallcell回传的技术特点，从而保证其业务能够高效的承载传送。
a) 时间同步
目前在Smallcell的技术规范中，大体上规定了三种同步解决方案：空口同步，IP同步（IEEE1588v2或NTP）和GPS等外时钟同步。考虑到Smallcell部署环境更为复杂多样，很多场合下无法接收到GPS等定位信号；而空口同步从一定程度上依赖了其他站点，可能会出现大面积连锁失效等故障；所以IP同步手段为网络提供了更可靠的同步方式或备份。其中，其中NTP时钟精度较差，1588v2成为比较可靠的解决方案，只需要根据不同运营商协同1588v2的封装格式就可以实现面向更复杂安装环境下的网络时间同步。
此外，GPON网络也具有传送高精度同步时钟的先天优势：
� OLT到ONT为单跳，引入误差过程最简单。
� ODN为单纤双向系统，来回程物理距离严格相等。
� 上下行波长已知，由此造成的时钟误差<=25ns。
� GPON有内置的测距机制，可被用来作时钟同步，精度可达百ns级。
b) 微型化 ONT
不同于家庭驻地接入对ONT安装环境要求较为宽松，面对复杂场景的Smallcell部署对设备体积、功耗、安装方式等诸多因素更为敏感，传统的ONT来承载回传，势必需要额外考虑安装和运维等方面的问题。所以，微型化的ONT将更加适应Smallcell的回传场景，SFP ONT就是这么一个形态合适的产品，它可以在今天非常普遍的SFP插槽上提供即插即用的PON回传机制，几乎不增加任何体积，功耗也大大降低，但同时引入了成熟完整的PON承载体系。
c) 层次化QoS
Smallcell所部署的层面，不仅可能和现有驻地宽带上网用户同一层面，也可能和其他无线接入方式相共站，例如，移动运营商正在寻求Smallcell和Wi-Fi热点的结合，以便更好地覆盖户外场所和人口稠密的地区。目前在Smallcell回传中已考虑引入IPSec来保证其安全性，同时还需要健全的业务转发机制来保障不同等级业务带宽分配。
尽管很多业务层面的感知和功能被集成在汇聚/核心层，但是作为接入节点，可通过对最后一公里带宽利用的感知优势，来支持多层次的业务调度能力，例如确保蜂窝网络业务在多种业务承载时的业务质量从而采用更灵活的组网方式降低成本，保障时延敏感业务的优先转发以提高用户体验度等，这时需要在PON端口、ONT、UNI接口、甚至子业务流层面提供灵活丰富的调度机制，层次化QoS正是解决这个需求的机制。
d) L3业务调度能力
越来越多的移动应用都逐渐体现云特性，如果我们采用传统层层收敛的网络结构，不仅会影响用户对实时云应用的体验度，而且让汇聚/核心的处理设备疲于承担了很多与其业务本身无关的处理任务，从最贴近用户的位置去优化全网带宽资源可以提升云端设备的使用效率。
随着更高版本3GPP协议被引入到网络中，Smallcell具有更加丰富的功能，包括部分RNC功能，这也促使网络更加扁平化。例如，在LTE网络结构中，出现了S1和X2两种业务流，其中X2就是Node-to-Node的信令业务，传统的解决方法是全部上传到核心层实现业务调度再下行到目标节点。这种信令切换对时延要求较高，如果通过贴近基站的OLT实现分布式信令切换，并结合PON系统单跳即到汇聚节点的特性，将大幅提升用户体验。同样，对于Direct Tunnel、WiFi Offloading等灵活优化网络资源的功能，都可以通过OLT从业务发起端优化全网资源。
上海贝尔7360FX集成了SR OS系统MPLS功能，并且支持IPV6的转发和路由功能，为这些业务需求提供了完善的L3业务调度能力。
e) 业务保护
网络保护一直是对PON承载移动回传的最大挑战。随着技术的不断完善，PON同样可以提供丰富的保护机制。例如，Type B保护机制可以提供主干光缆和OLT上光接口的冗余保护，这种保护主要面向解决普通热点覆盖；而功能更为强大的ONT可以提供端到端的全线路保护，这种保护主要考虑重要区域的Smallcell节点、甚至宏站BBU等广覆盖功能的移动基站等。
f) 智能运维
随着网络部署、特别是光纤网络部署更加密集，提高网络健壮性、快速故障解决和业务开通是日常网络维护的重要需求。这包括线路定位故障和日常巡检、远程仿真测试、末端资源感知等，这些功能如果能够直接在PON系统上提供，不仅节省总体投资，而且可以和现有网络平台资源紧密联系。
上海贝尔的OLT平台通过内置OTDR模块、远程PPPOE拨号仿真软件、基于802.1AG CFM的故障诊断、手机终端维护软件等便捷的运维工具为网络运营商提供了更加智能的维护手段。
4. 结论
利用低成本、广覆盖的已有PON网络应对更加密集的Smallcell无线回传，比传统宏站回传方式（PTN/ IP-RAN）不仅成本更加经济，而且具有部署周期短、投资回报快的规模优势。利用现有驻地宽带网络资源实现Smallcell的回传，不仅改善了FTTx网络利用率低的现状，同时优化了投入产出比，减少了网络投资回报周期，真正将固定与移动网络的优势进行互补。新一代PON配置的平台引擎，可以更好地应对Smallcell网络中新需求的承载，并为未来网络演进提供了坚实的基础。
参考：
[1] 邵信科, 王孝明, “无源光网络的组网方式与建设运营成本的关系分析”, 2008年第9期《电信科学》
[2] “M2012063494_Metro_Cell_Express_Part I_EN_Brochure”, Alcatel-Lucent internal report
[3] “上海联通新增120亿“对接”智慧上海” , 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
作者简介：
杨烈斌，高级工程师，毕业于南京邮电大学通信工程系，长期从事于传送网络的方案设计和网络构架，现任职于上海贝尔股份有限公司，有线产品能力中心高级方案构架工程师。
