面向LTE的IP RAN技術路線與組網研究

張堅平，張屆新，方 鳴

（1.中國電信股份有限公司上海分公司 上海200120；2.中國電信股份有限公司上海研究院 上海200122）

1 引言

隨著移動互聯網應用的迅速豐富，移動應用價值鏈呈現多種化趨勢：終端智能化、視頻高清化、手機業務互聯網化，導致移動網流量快速膨脹（據權威機構Gartner調研，2006-2009年，AT&T公司在引入iPhone之后，入網用戶僅增加了40%，而其數據流量增加了50倍；而2008年7月—2009年7月，德國電信運營商O2的數據流量增長了750%）；同時，也對移動網絡提出了智能管道、智能適應的要求。而作為移動網絡的門戶——無線接入網（radio access network，RAN）是移動通信網絡基站與其控制設備之間承載通道。為了適應豐富化應用、差異化服務的要求，RAN也面臨新的挑戰，如高帶寬、差異化QoS、網絡快速收斂、彩色管道等。

因此，3G/LTE時代的RAN已經不可避免地需要向IP化演進。目前作為RAN端點的基站和基站控制器RNC（radio network controller，無線網絡控制器）都已完成部分或全部的IP化演變：基站內核已經IP化，提供IP數據接口；RNC通過無線核心側CE/SR設備進行3層終結。端到端的IP RAN承載如何實現是亟需研究的課題。

2 RAN承載需求分析

移動通信至今已經是2.5G-3G時代，RAN目前主要采用MSTP（multi-service transfer platform，基于SDH的多業務傳送平臺）網絡傳輸以話音為主的業務。技術演進和業務需求推動下了一代移動網（LTE）的到來。LTE時期的移動通信呈現新的特點，并面臨新的挑戰，主要體現在：移動業務IP化、網絡架構扁平化、承載網絡智能化、同步系統地面化。因此，向LTE演進中的RAN也隨之發生了變化。

首先，需求高擴展的帶寬通道。3G、4G技術的逐步成熟，將無線空中接口帶寬速率提升到幾十兆甚至上百兆。相應地，RAN的帶寬容量必然也要水漲船高。

其次，要求網絡具有高度的可靠性和靈活性。一方面，手機的普及和對網絡質量要求遞進的移動互聯網業務日益豐富，使用戶和業務影響規模空前大，需要承載網絡具有高度的可靠性，網絡需要具備快速收斂的能力。另一方面，LTE時期，RNC與基站合并濃縮為eNode B，RAN另一端點演化為AGW（access gateway，接入網關）。為了保證4G的網絡高度可靠，AGW將以pool形式組網，多個AGW組成一個pool，實現eNode B的可靠接入。因此，要求RAN通道具有高度靈活性，提供eNode B與AGW pool中任意AGW的動態快速調整與切換。

第三，要滿足差異化服務、精細化運營提出的智能管道需求。手機視頻、手機股票、移動辦公、互聯網多媒體游戲、在線音樂等對網絡延時、分組丟失、抖動要求不一的新興應用，需要承載網絡能夠提供動態的差異化的服務等級保證，使用戶和電信運營商實現雙贏。

第四，要求地面同步。cdma2000移動通信網絡為了保證時間和時鐘的同步，傳統上采用GPS衛星同步系統。但是，中國電信運營商依靠GPS并非長久之計。在北斗技術和市場成熟前，地面同步系統將是較好地替代GPS的方案。

第五，要求低碳運營與質量保證平衡。理論上，LTE時期，RAN需要全網狀連接：任意eNode B之間增加了接口X2實現用戶在跨基站時的流量快速切換，但X2的流量僅為eNode B與AGW之間的S1接口的3%，且用戶在基站間切換的頻率很小。因此，AGW 3層網關的部署位置可以適當抬高。

3 主流技術應用路線及組網研究

3.1 主流IP RAN技術分析

目前基站側都部署了一定數量的光端機，形成了接入層面的傳輸節點覆蓋，通過MSTP/MSAP（multi-service access platform，多業務接入平臺）以太方式接入基站。MSTP/MSAP方案可以滿足小規模、緊急性需求。但從長遠角度看，大規模部署MSTP承載RAN有較大局限性，無法滿足移動互聯網業務發展和技術演進的需求。

（1）帶寬利用率低

MSTP是面向連接的技術，且不支持統計復用。以現網3G業務對基站帶寬需求cdma2000 1x為10 MHz、Ev-Do A為20 MHz估算，則單個基站需要占用30 MHz的傳輸通路；目前MSTP業務端口最高速率為GE，映射至1個STM-4的SDH通道，僅可用于20個基站的物理接入。而2個基站的實際峰值流量合計，很可能僅有不到100 Mbit/s。如果考慮今后單基站40 MHz帶寬需求，以3 000個基站來計算，傳輸系統的帶寬消耗將達到120 GHz，而且這些帶寬不能統計復用，由基站至RNC端到端RAN承載網占空。

（2）帶寬擴展性差

即使現在利用MSTP滿足了需求，按照對未來業務的預估，1～2年內基站的需求將平行擴充至cdma2000 1x 10 MHz和Ev-Do 30 MHz，總計40 MHz。為了滿足新需求，一種方案是MSTP對已有基站進行割接，減少單個GE通路上的數量（每20個基站割接其中5個），另一種方案是大幅擴容DWDM（dense wavelength division multiplexing，密集波分復用）網絡，將MSTP的GE業務映射到STM-16通道。但兩者都會影響現網移動業務。

（3）對RNC-CE軟資源的巨大壓力

現有IP化基站接入，以一個MSTP GE中繼連接20個基站（30 MHz）為例，MSTP連接RNC-CE需雙上聯實現 冗余，則RNC-CE需要提供60個GE的端口。每個基站至少需要cdma2000 1x和Ev-Do業務各一個VLAN連接至RNC CE。由此，邏輯端口VLAN總數將達1 200個。另一方面，實施IP-GW保護需激活VRRP（virtual router redundancy protocol，虛擬路由器冗余協議），一個地址塊對應一個VRRP組。大量基站部署下，將消耗大量RNC-CE的VRRP資源，甚至超出負荷。

（4）管道智能性差

MSTP提供的是大顆粒度剛性管道，一般帶寬顆粒度為最小2 MHz，目前基于VLAN可以更精細一些，但靈活性和精細度仍欠缺。

（5）組網擴展性差

MSTP成熟應用的是點到點業務模式，其靈活的多點互聯技術一直沒有成熟商用，難以適應未來LTE靈活組網結構。

對標LTE承載需求，目前有IP/MPLS和MPLS-TP兩大主流技術路線可以作為RAN演進方案。其中，IP/MPLS標準和技術都已成熟商用；MPLS-TP是IETF和ITU-T聯合工作組基于MPLS（multi-protocol label switching，多協議標簽交換）架構，補充了傳輸網絡的OAM和保護特性所制定的融合型新技術，標準尚未成熟，但市場上已有基于MPLS-TP技術理念實現的分組傳輸網 （packet transport network，PTN）設備在逐步推廣。

IP/MPLS和MPLS-TP的技術特點見表1。

綜合技術特點以及RAN承載需求，目前主流技術的RAN承載各有優劣，具體見表2。

表2 目前主流技術的RAN承載優劣對比

3.2 IP RAN承載架構

一個基本概念是，如果一個業務實現的承載網絡中有一個3層網關，那么這個業務就是由一個3層網絡承載。因此，RAN組網可以分為兩大類。

（1）2層組網

1G/2G只有話音業務，通過SDH承載網絡接入電路方式的MSC、RNC，此時無線回傳是端到端的2層網絡實現。2層方案本質上是專網專用，不能有效復用IP城域網資源。

（2）3層組網

隨著無線核心RNC的IP化，RNC-CE已經成為基站無線回傳的3層網關，即無線回傳網絡已經是一個3層組網。所以，所謂不同技術承載IP RAN的根本區別在于3層網關在回傳網絡中的位置。

3.2.1 基站數據設備的必要性

基站已完成由內核到外接口的IP化演變，但仍然不是IP設備。目前，一般基站只提供10/100Base-T電口的輸出。而50～100 km級以上的以太傳輸，需要光傳輸實現。在遠距接入IP RAN時，考慮到3G乃至LTE的業務需求以及運營成本，在基站側建議選擇以太交換機或具備以太接口的小型路由器，而不宜采用光電轉換器來實現匯聚、保護、管理等綜合功能。

（1）匯聚收斂

現網某些基站的cdma2000 1x和Ev-Do由不同的FE（fast ethernet，快速以太網）端口區分，每臺基站出多個FE端口。采用基站側設備可以將鏈路收斂到一臺設備上，節省光纖資源。

（2）冗余保護

對于重要基站，需要通過不同物理路由接入提供鏈路雙歸上聯實現冗余。

（3）機房綜合管理

利用基站側設備可綜合承載機房監控、門禁等業務。

（4）同步功能支持

目前基站對地面同步功能支持較弱，利用基站側數據設備，可以將地面同步信號通過承載網傳送到基站側，并通過2 MHz/1 pps/ToD等接口實現時鐘同步。

（5）端到端管理的能力

以太交換機/路由器支持SNMP及Syslog網管功能，可以實現由基站側至無線核心側IP RAN端到端的數據網絡管理。

（6）業務質量保證能力

以太網設備支持IEEE 802.1q，可以實現基站cdma2000 1x與Ev-Do業務分離傳送的需求；支持IP-QoS和CoS，從IP RAN源端即提供不同類型業務流的服務等級劃分；支持BFD協議，可以加速IP層面的業務切換。

（7）組網及業務靈活擴展性

目前小型以太交換機支持8～16個10/100 MHz業務接口及GE中繼口的能力，可以通過VLAN劃分提供4個cdma2000 1x接口和4個Ev-Do接口，滿足目前4扇區的業務需求；另一方面，在邏輯結構不變的情況下，通過更換GE光模塊能夠迅速將基站升級到1 000 MHz接入IP RAN的能力。

3.2.2 面向3G/LTE的IP RAN方案

面向3G/LTE的IP RAN方案實際上是3層組網。根據IP RAN 3層網關終結的位置可以細分為3種組網模式，包括RNC-CE為3層網關方案、城域網SR為3層網關方案、基站路由器為3層網關方案，如圖1所示。

在目前的技術發展和網絡部署情況下，MSTP和IP/MPLS作為IP RAN的純2層接入延伸意義不大。即使RAN全程為2層架構，在無線核心側也會部署RAN-CE實現3層終結。

（1）RNC-CE為3層網關方案

RNC-CE作為3層網關的IP RAN組網示意如圖2所示。RNC-CE終結3層網關的方案，適用于MPLS-TP作為IP RAN接入延伸方案。

MPLS-TP段落采用MPLS-TP自身的鏈路和節點保護機制。而MPLS-TP RAN與RNC-CE銜接的部分采用MC-LAG或L2 VPN+VRRP提供鏈路和RNC-CE的保護。其中，L2 VPN+VRRP是較常用方案。但由于大量基站接入位置相對集中、數量極其有限的RNC-CE對RNC-CE的性能壓力很大，現有技術下的硬件資源不能滿足大規模基站VRRP接入保護的需求。另一方面，雖然MC-LAG對RNC-CE沒有VRRP的性能要求，但受限于具體廠商實現方式，對于MPLS-TP 2層接入段和RNC-CE設備的MC-LAG互聯而言，不同廠商設備的技術實現機制不同，實現的切換保護效果也不一樣。總體而言，只有在MPLS-TP 2層接入段和RNC-CE使用同廠商設備的情況下，才能確保互通保護的效果。

（2）城域網SR為3層網關方案

城域網SR作為3層網關的IP RAN組網示意如圖3所示。城域網SR終結3層，網關以下的RAN是2層網絡通道，可采用IP/MPLS、新型以太網、MPLS-TP等技術提供。由于RNC-CE和網關都已經是3層設備，且考慮到網絡運維效率和復雜度，較適用IP/MPLS和新型以太網作為接入技術的IP RAN方案。

對于IP/MPLS作為IP RAN接入延伸的方案，實質上是MPLS到邊緣。用戶通過基站路由器接入后，MPLS L2 VPN延伸2層以太至城域網SR；在城域網SR上開啟MPLS L3 VPN，終結基站的IP網關。城域網內選取SR，與RNC-CE開啟跨域MPLS L3 VPN互通，實現cdma2000 1x和Ev-Do的業務流傳送。

IP RAN的保護分為3段：基站路由器與城域網SR之間采用2層偽線（PW）保護，城域網內SR至SR采用FRR實現快速收斂，城域網SR與RNC-CE之間采用e-BGP動態路由保護，城域網SR和RAN-CE側設置雙RD加速收斂速度。

對于通過新型以太網作為IP RAN接入延伸時，與MPLS到邊緣方案的不同之處僅在于3層網關下的業務實現及保護。業務流量通過新型以太網2層通道邏輯標識隔離（如VLAN），通過新型以太網2層快速收斂技術結合IP收斂來保證IP RAN接入段的高冗余可靠性。

（3）基站路由器為3層網關方案

基站路由器作為3層網關的IP RAN組網示意如圖4所示。基站通過以太方式接入基站路由器，不同基站業務通過VLAN標識，3層網關就近終結在基站路由器上的方案。基站路由器上cdma2000 1x、Ev-Do、動環監控等各類業務通過OPTION-A方式接入城域網SR上對應的MPLS L3 VPN。城域網與RNC-CE之間采用跨域MPLS VPN互通、e-BGP+雙RD的保護模式。由此可見，該方案為IP到邊緣的實施方案。

IP RAN的保護分為3段式，其中城域網內及城域網與RNC-CE之間保護方式與城域網SR作為網關的保護方案相同。而對于基站路由器與城域網SR之間的保護有以下兩種。

·方式一：BFD+IGP保護。基站路由器與城域網SR啟用BFD與IGP協議，網絡層次清晰，設備實現及運維職責劃分簡單。

·方式二：偽線（PW）快速保護。此時，基站路由器與城域網SR開啟IGP和TE-FRR，通過PW over FRR或PW over IGP方式實現快速切換保護。該結構基站路由器與城域網SR之間緊耦合，但結構復雜，維護入門要求較高。

3.2.3 方案比較

綜上所述3層方案，結構上的關鍵點都在于3層網關的位置選擇，距離基站的由遠及近，3種方案的差異性在于以下幾點。

（1）RNC-CE作為3層網關

數量極其有限的RNC-CE需要承受大量基站匯聚上來的VRRP保護壓力，隨著基站深度覆蓋，RNC-CE將難以終結海量VRRP組。另外，當IP-RAN接入延伸的2層域較大時（除RNC-CE作為3層網關外，RAN端到端都是2層網），將面臨eNode B和AGW之間緊耦合的問題。同時，大2層域先天的N2問題也會較大地限制網絡的擴展性。

（2）城域網SR作為3層網關

如果城域網SR與無線RNC-CE分別劃域，端到端的RAN實現將涉及跨域，異廠商SR跨域保護切換將受到雙方參數調優的影響，可能引入較大延時。同時，2層網絡與SR之間的保護切換也是關鍵因素之一。如果采用不同廠商設備，2層網絡與SR之間的切換效果有較大差異。但此時，由于城域網SR分布相對較多，SR終結VRRP組壓力較小。

（3）基站路由器作為3層網關

“BFD+IGP”保護方案跨廠商互通時，某些廠商設備參數調優限制將可能引入延時較大。而“偽線保護”方案基于TE-FRR實現時，廠商設備參數調優效果較好，保護切換時間在百毫秒內。

4 結束語

IP RAN由于其RNC網關的IP特性，已經決定了其架構是3層網絡。但IP RAN網關的接入延伸可以基于不同的2、3層技術實現。不同技術、不同廠商組網，端到端的IP RAN質量、保護特性將有差異。因此，IP RAN組網需要綜合考慮業務體驗、網絡質量和運維成本，在等待技術和設備進一步成熟的同時，根據數據網絡和無線核心現狀，盡可能采用同廠商成熟設備組網。