解讀HSPA+/LTE對承載網需求

杜 偉 沈 杰

[摘要]文章探討了面向HSPA+/LTE演進對承載網提出的三大需求全場景、電信級和易維護，從運營商的角度對三大需求分別進行解析，并分享了若干組網思路。

[關鍵詞]HSPA+LTE承載網MSTP分組傳送OTKJ/WDM

伴隨3G在全球的規模部署，技術演進同步向前。對于擁有WCDMA網絡的運營商，選擇網絡向HSPA+演進，或者采取更加激進的方式直接提供LTE服務慢慢成為主流趨勢。目前，少數技術先進的運營商已經宣布提供下行21M/28M的HSPA+服務。Vodafone和NTT DoMoCo之類的業內領先運營商已經宣布將最早于2010年啟動LTE服務。由于LTE引入了扁平化架構，改變了傳統組網結構，因此LTE承載就成為移動承載網絡面向未來演進的核心需求。為滿足HSPA+/LTE高質量的業務承載，承載網需要具備三大關鍵屬性：全場景、電信級和易維護。

1承載網需具備三大屬性之一：全場景

1.1PWE3/MPLS多業務承載支持2G/3G/LTE長期共存

從2G/3G到LTE時期，90％以上的無線站址會重用，而2G/3G又將長期與LTE共存，這就決定了傳送網必須適應無線技術發展不同階段的差異化需求。

但在整個無線網絡建設的投資中，站址(機房、租金等)投資近50％，無線基站約占40％，而傳送網則不足10％。由于投資的巨大差異，運營商很少會因傳送網的lP化而去改造現有2G/3G基站，只會反過來要求傳送網具備多業務傳送能力。

目前支持TDM/ATM/Eth多業務傳送的技術只有兩種：傳統的MSTP技術，以及基于PWE3/MPLS的分組傳送技術。隨著傳送網絡的IP化轉型，PWE3/MPLS技術已成為目前移動承載領域的關鍵需求。支持多業務傳送能力可以重用接入層光纖資源，大大減少投資。

1.2IEEE 1588v2支持低成本同步和深度覆蓋

TD-SCDMA、CDMA、WiMAX和LTE(包括LTE TDD和LTE FDD)都存在對時間同步的需求，雖然傳統WCDMA、HSPA和LTE-FDD不需要基站支持時間同步，但是由于未來某些重要的寬帶業務，如基于SFN(Single Frequency Network)的IMB(Integrated Mobile Broadcast)、基站定位服務等也需要支持基站時間同步，因此最終對承載網的需求是一致的，目前只有GPS或者IEEE 1588v2可以滿足要求。LTE由于受頻點影響，在覆蓋能力上小于2G/3G。意味著將來需要更多的基站來補充覆蓋，如果全網采用GPS則意味著投資的上升，而采用IEEE 1588v2地面同步技術可以減少GPS投資，并可作為在GPS失效時的同步保護方案，從而保障電信基礎設施的安全性。目前包括北美運營商在LTE承載需求中都明確提出要求支持IEEE1588v2能力。

無線寬帶的另一個主要應用場景是室內，由于GPS無法穿透屋頂，室內基站的同步需求也，必須依賴傳送網來滿足。這樣，GPON、以太等接入技術也需要支持IEEE 1588v2能力。

1.3寬帶組大網能力

與2G/3G比較。HSPA+/LTE需要傳送網支持組大網能力。組大網的含義有兩個：一個是帶寬的數倍的增長，另一個是網元數量的數倍增長。帶寬的增長是驅動承載網絡從TDM走向在大帶寬模式下每比特成本更低的分組傳送的重要因素，網元數量的增長則對分組傳送網組網技術提出了要求。

由于國內人口密集，基站覆蓋半徑小，容量大，即使在2G/3G階段，一個城域內基站數量已經是歐美地區的數倍，也是固定寬帶DSLAM數量的數倍。與2G/3G比較，LTE頻點較高，造成無線覆蓋半徑較小，要實現相同覆蓋能力需要的基站數量更多。因此，移動IP承載網絡組大網能力非常重要，也超越了傳統DSLAM承載網的組網能力要求。

典型的IP傳送網有兩種建設模式。一種是端到端全動態組網。設備基于L3路由協議自管理；另外一種是靜態L2組網為主，將L3動態能力限制在比較小的范圍內，如應用于核心層和改善網管配置效率方面。

端到端全動態路由組網的優點在于網絡生存性強、靈活性高，缺點是在網絡規模增加時，如果性能優先。為滿足端到端收斂保護性能要求就需要路由域內所有設備能力提升，從而帶來全網設備成本的線性增加，不具備規模降成本效應；如果成本優先，為降低接入設備成本要求，就需要采用復雜的分層分域組網，帶來的問題是端到端性能的降低。并且由于其無連接技術的本質決定了其在復雜組網時故障定位效率很低，在支持電信級實時業務方面存在較大挑戰。

以靜態L2為主的組網模式的優點是采用有連接IP傳送技術，隨著網絡規模擴大，只需升級核心匯聚設備的容量和接口密度，對接入設備的要求不變，這個特點與SDH網絡非常類似，即網絡規模越大，平均單位成本越低，規模降成本效應明顯。其端到端保護性能和故障快速定位能力基本不受影響，缺點是配置效率較低，但可以在網管配置上引入一些動態協議加以改善。

對于LTE承載，當網絡規模較小時，如歐美一些中等城市網絡，兩種組網模式差別不大，均可支持，但是隨著網絡規模增加，如國內大中城市的網絡，對IP傳送網動態的應用范圍需要加以限制，以保持網絡端到端性能并控制成本上升。

追求每比特傳送成本更低始終是傳送網絡發展的重要趨勢，在LTE成熟階段，每基站帶寬將超過150Mbps，在城域匯聚核心層對大顆粒傳送成本更低的OTN/WDM技術也會提出需求。

2承載網需具備三大屬性之二：電信級

2.1LTE承載的需求本質是基于連接的IP技術

LTE接入承載網主要面臨兩種接口，一個是S1接口，用于基站和核心網網關之間的連接；另一個是X2接口，用于基站和基站之間的邏輯連接。

S1接口的拓撲類似于2G的Abis和3G的Iub接口。出于容災的考慮，S1接口有Flex的需求，這個需求其實也不是很獨特，在2G/3G IP化過程中對Abis和lub接口也有過類似需求，但最終沒有得到應用。原因在于采用什么保護方式不僅僅是技術問題，還要考慮實際網絡拓撲、機房局向數、建網成本和實際需求等諸多因素。由于S-GW將來會下移到RNC機房位置，因此在S-GW之下只有雙歸屬保護需求，而MME位置在核心機房，要在網絡核心層考慮實現Flex保護。

對于X2接口，考慮到LTE是面向公眾服務的電信網絡，需要遵循國家政策相關規定，包括海外也有類似“合法監聽”的需求。所有的用戶流量都必須可控地經過網關進行內容監聽，不會出現用戶手機之間可以不受控制地接入互通的情況。因此，目前運營商對于基站和基站之間互連的X2接口的定位，僅限于改善用戶跨基站的移動切換時刻的體驗，

在切換完成后，業務還是要經過S1進行傳輸。

由于切換只發生在相鄰基站之間，因此在X2接口設計上，主流運營商明確要求僅允許相鄰基站之間存在邏輯連接。而非相鄰基站不允許互通。從避免一個基站故障擴散到所有其他基站的角度考慮，避免所有基站全Mesh互通也是合理的。

由于基站覆蓋相鄰關系的復雜性，這種連接關系只可能通過靜態配置來實現；由于X2和S1傳輸有嚴格的時延和保護要求，不可能在業務需求出現的時候再通過路由創建一條鏈路的方式來支撐，這就意味著，LTE的承載網絡在上業務之前，X2和S1接口包括連接關系、保護方式和QoS特性等都已配置好，這種連接關系不會自動老化和改變。所以，LTE承載網本質上是一個基于有連接技術實現的網絡。

2.2低時延轉發能力保障業務體驗

LTE的設計目標是要能夠達到固網寬帶業務的能力。傳統3G/HSDPA架構從最終用戶到業務之間經過四級協議處理，帶來很大時延和高昂的成本。而LTE支持扁平架構，大大減少了協議處理的時延，提升了寬帶業務性能。

由于無線側空口上的編碼消耗了大量的時延，為達到與固網相同的端到端業務性能指標，LTE承載網上的時延要求比傳統固網寬帶承載網更加嚴格。傳輸時延越大，系統吞吐量就越低，意味著無線空口頻譜效率越低，為滿足覆蓋容量需求就要求無線增加更多的載頻來覆蓋，這會帶來無線網絡成本的上升。因此。減少傳輸時延就是為無線網絡省錢。目前，北美主流運營商已經在LTE傳送網需求中明確提出單向傳輸時延小于5ms的要求。

在承載技術選擇上，由于傳統接入交換機和路由器傳輸時延離散性比較大，單站時延有時甚至會超過1ms，而一般基站接入網要經過10～20站的傳輸，這樣很難保障LTE承載端到端、穩定的低時延需求。因此在LTE承載上，運營商更傾向于采取基于Cell定長包轉發的有連接的分組傳送設備實現，為減少端到端時延，需要盡量減少L3處理環節、減少跳數。

2.3端到端層次化質量保障

LTE無線層通過信令控制、資源預留等可實現端到端的業務層QoS控制，但隨著承載網的IP化，網絡擁塞、丟包、抖動、延時等質量問題將影響到LTE業務層的QoS質量。無擁塞的IP承載網是不存在的，關鍵是發生擁塞之后，如何保障業務質量，并且在故障發生時能夠陜速定位問題。

LTE基站承載QoS有兩個關鍵需求：一個是保障高等級的業務優先轉發，這是傳統Differ-Serv的概念；另一個是保障在發生擁塞時重要基站業務可用(如災難或者重大事件發生時，政府機關、醫院、學校等重要區域的基站)。這就要求承載網能夠支持層次化的QoS管理能力。

層次化管理是電信傳送網的基本特征之一，傳統SDH網絡是通過通道層和段層的開銷字節提供性能、告警和保護管理，IP傳送網實現層次化管理也需要依托PW、MPLS、以太等層次化的OAM能力實現。

3承載網需具備三大屬性之三：易維護

3.1LTE承載重點是S1而不是X2

LTE新的邏輯接口X2主要用于切換，由于這個接口的出現，基站出現了邏輯部分Mesh互連的承載難題，對傳統點到點的傳輸網絡架構提出了挑戰。但進一步分析可以發現。實際X2接口帶寬需求不會很大(通常認為是s1接口的3％)，X2接口的傳輸時延要求約為10ms～20ms，這個要求比S1用戶面時延5ms寬松了許多。

由于X2接口時延考慮的是移動性需求，而S1時延考慮的是業務和吞吐量需求，這就造成了一個事實：如果承載網能夠滿足S1時延要求，那么X2時延是非常寬松且容易滿足的。這樣，X2邏輯交換在承載網或AGW匯聚點實現都可接受。但需要關注的是，如果要求承載網支持X2邏輯互連，將帶來維護和設備功能需求的增加，如支持L3 VPN等能力。同時，為了防止非相鄰基站的非法互連，還需要引入安全控制策略，相應會造成承載網增加30％以上的投資。為3％的流量增加30％的投資，并且影響到97％的S1業務的QoS和維護質量，這是一個值得深入研究的問題。

我們可以借鑒固網運營商的建設經驗。對于寬帶網絡中流量不大的企業L3 VPN業務，目前的主流模式是。在城域核心機房集中設置VPN PE路由器。這在配置和管理模式上與X2的承載需求和固網企業L3 VPN的需求存在很多相似點：流量不大、需要配置、經常變化。只要時延指標可滿足要求，采用集中配置的VPN PE路由器可能是X2承載一種比較合理的解決方案。

3.2統一維護和管理保障平滑演進

對于LTE傳送，目前有兩種典型思路：一種對新技術存在顧慮——2G/3G采用MSTP承載，LTE則另建一張分組傳送網；另一種主張保護未來投資——3G和LTE都采用分組傳送網承載，現網2G業務逐步從MSTP上遷移到分組傳送網上。

無論采用哪種方式，都必須考慮到一個事實：基站末端機房空間一般很小，傳送設備內置在基站機柜內部，空間只有2U～3U。而基站本身是支持3G到LTE平滑演進的，而且2G/3G在相當長時間內不會退網。這就意味著，無論采用哪種方案，在末端接入點上都是統一的，而且都是通過一個盒子實現的。

傳統無線只需要考慮與MSTP維護團隊一個接口，考慮到無線網絡經常需要調整帶寬、增加載頻、遷移站點等客觀情況，在傳送網絡分組化后，無線和傳送網之間保持唯一的維護接口是非常必要的，否則會導致大量的跨部門溝通成本上升，并會降低故障解決效率。因此，分組傳送網和現有MSTP網絡統一維護和管理是平滑演進的關鍵需求。

3.3IP可視化實現OPEX的降低

LTE規模部署最大的挑戰還在于OPEX。從OECD(世界經合組織)對無線寬帶的分析可以發現，無線寬帶發展初期主要是網絡建設投資，但很快趨于平緩，而中后期OPEX將成為運營商的沉重負擔。如何有效降低OPEX是寬帶運營商目前最關注的問題之一。

傳送網絡OPEX主要體現在網絡運維上，主要分為開局配置和日常管理兩個過程，日常的管理是維護的主要工作，據統計占維護工作量的80％以上。因此，降低基站傳送網絡OPEX的關鍵是提升網絡故障定位能力。

傳統動態lP網絡的基礎是自組織無連接性，采用命令行配置為主，由于只關注單設備協議配置，不關注網絡拓撲和連接關系，因此在配置上效率較高，并符合數據維護人員的操作習慣，但是也基于相同原因，其網絡拓撲在網管上是“一團未知的云”，在故障快速定位解決方面存在先天不足，往往需要資深的專家花費較長時間才能發現問題。

面向LTE承載的有連接的IP傳送網由于設備和網絡拓撲采用可視化管理，在故障快速定位方面具有明顯優勢，并且保持了多數運營商目前SDH運維團隊的維護體驗，對技術人員的IP化轉型較平滑，同時可以通過網管支持部分動態協議。用于改善配置效率，從而實現了降低運維成本的目的。

4結束語

務實和聚焦是移動承載網長期健康發展的基石。華為聚焦移動承載關鍵需求，推出以PTN產品為主的多業務分組傳送平臺，滿足了全球移動運營商寬帶化和全IP轉型的需求。華為IPTime(IP Infrastructure for multi-play experience)移動承載解決方案在一個統一的平臺上實現了包括微波、銅線和光纖在內的多場景接入，大大降低了運營商維護復雜度，并率先在包括PTN、OTN、GPON和路由器在內的全系列產品上，支持端到端JEEE 1588v2能力。IPTime的核心理念是聚焦運營商LTE承載的關鍵需求。借鑒了SDH網絡分層維護和管理的設計思想，采用成熟的分組技術和標準，從而顯著提升了分組傳送網在多場景、電信級和易維護方面的特性，助力運營商從2G/3G走向LTE全業務承載。