PON承載LTE小基站回傳業(yè)務研究*

曹 敏，蔣 銘，沈成彬，曾 濤

（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(lián)網(wǎng)業(yè)務的快速發(fā)展和LTE技術的發(fā)展成熟，LTE已經(jīng)在全球各地規(guī)模商用。我國也于近期發(fā)放了4G牌照，各電信運營商都在進行大規(guī)模的LTE網(wǎng)絡建設。在LTE網(wǎng)絡中，基站回傳網(wǎng)絡是移動網(wǎng)絡的重要組成部分。基站回傳網(wǎng)絡的技術選擇、建設模式、運行維護關系到移動網(wǎng)絡的建設成本、業(yè)務質(zhì)量和運維效率。在目前的3G網(wǎng)絡和LTE網(wǎng)絡建設中，普遍采用IP RAN、PTN等技術。這些技術能夠提供大帶寬、高QoS保障、完善的OAM等功能，能很好地滿足3G和LTE網(wǎng)絡回傳的需求。

在未來的LTE網(wǎng)絡中，小基站也將成為一種主流的應用。小基站的功率為100 mW～2 W，形態(tài)豐富，包括micro、pico、femto等，適合在覆蓋空洞或者業(yè)務流量要求很高的區(qū)域進行覆蓋。根據(jù)Infonetics對此趨勢的最新研究，到2016年，宏基站處理的網(wǎng)絡業(yè)務流量占比將由現(xiàn)在的90%以上，下降至58%，小基站（包括室內(nèi)小基站和室外小基站）承載流量占比將達到24%。此外，Infonetics預測，到2016年，全球小基站出貨量將超過300萬套。可以預見在未來3～5年，小基站在移動網(wǎng)絡中的數(shù)量將出現(xiàn)井噴式增長，成為未來移動運營商網(wǎng)絡投資建設的重點。作為具有低成本、廣覆蓋優(yōu)勢的PON，被認為是LTE小基站回傳的主流技術。本文研究了LTE小基站回傳業(yè)務的技術需求、PON承載小基站回傳業(yè)務的技術優(yōu)勢，分析了PON承載小基站回傳業(yè)務的關鍵技術及組網(wǎng)方案。

2 LTE小基站回傳業(yè)務需求

LTE的異構網(wǎng)（HetNet）的網(wǎng)絡架構如圖1所示。作為廣覆蓋的宏基站通過S1 CP和S1 UP分別連接LTE核心網(wǎng)的 MME（mobility management entity，移動性管理實體）和服務網(wǎng)關（SGW），基站間通過X2接口互聯(lián)，以用于終端切換時的信令控制。作為補盲和吸收流量的小基站一般處于宏基站覆蓋的空洞或者一些流量大的熱點區(qū)域，通過S1接口經(jīng)過安全網(wǎng)關后接入核心網(wǎng)SGW/MME設備上，同時，小基站也需要通過X2接口與相鄰的基站互連，以滿足用戶切換的需求。

一方面，在無線的功能和性能方面，小基站有著與宏基站幾乎相同的技術要求，差別主要在于小基站的發(fā)射功率較小、一般采用全向天線等；另一方面，小基站部署模式的特殊性決定了其對回傳網(wǎng)絡有著特殊的要求。具體來講，小基站對于回傳網(wǎng)絡有如下幾方面的技術要求。

（1）接口

LTE網(wǎng)絡是一個分組化、扁平化、高帶寬的移動網(wǎng)絡，需要回傳網(wǎng)絡為基站提供至少FE（100 Mbit/s）甚至GE（100 Mbit/s）的以太網(wǎng)接口。如果有地面同步需求，還需要提供同步接口（1PPS+TOD）。

（2）帶寬

研究表明，對于采用全向天線的小基站而言，其S1接口的下行流量最大可達150 Mbit/s，上行流量最大可達50 Mbit/s；X2接口主要承載基站切換時的數(shù)據(jù)交付，流量一般較小，一般小于S2接口流量的3%（當然，未來LTE-Advanced的X2接口流量會增加）。

（3）時延

根據(jù)3GPP TS23.203定義，從用戶設備到PGW的S1接口端到端時延為10 ms，到X2接口時延為20 ms。由于目前還無法在基站間建立直接的X2接口鏈路，X2接口鏈路要通過三層設備進行路由轉發(fā)，因此X2接口時延的指標相對寬松。

（4）同步

LTE網(wǎng)絡涉及大量的基站間的切換，需要比較嚴格的同步才能保證切換的平滑，包括頻率同步和時間同步兩方面的要求。具體的LTE FDD和LTE TDD系統(tǒng)的同步技術要求見表1。

表1 LTE網(wǎng)絡的頻率和時間同步需求

LTE基站獲取同步的方式可以分為兩種：一種是采用GPS提供頻率和時間同步，這種方式需要有符合GPS天線安裝要求的凈空要求；第二種是通過地面的回傳網(wǎng)絡為基站提供頻率和時間同步信號。

（5）QoS

小基站承載的數(shù)據(jù)業(yè)務需要回傳網(wǎng)絡為其提供良好的QoS保證，特別是在與其他業(yè)務混合傳輸?shù)幕貍骶W(wǎng)絡中，必須保證小基站回傳業(yè)務具有比較高的優(yōu)先級。

（6）安全

小基站存在多個層次的安全需求。3GPP規(guī)定，eNB需要支持 IPSec隧道模式和IPSec傳輸模式。但是在運營商建設的無線網(wǎng)絡中，認為小基站是可信任的，回傳承載網(wǎng)絡可以保證S1和X2流量的安全，可以不使用IPSec機制。另外，對于一些熱點地區(qū)的小基站可能還存在回傳鏈路安全保護的需求，需要雙路由的光纜網(wǎng)絡和回傳網(wǎng)絡支持鏈路保護功能。

（7）管理

移動網(wǎng)絡對于運營管理維護的要求很高。對于回傳網(wǎng)絡，除了為基站的管理協(xié)議提供透明可靠的承載網(wǎng)絡外，回傳網(wǎng)絡自身也要具備完善的管理能力，滿足集約化、標準化、智能化的維護需求。對于小基站的回傳網(wǎng)絡而言，不僅自身要具備完善的管理能力，還需要考慮如何與現(xiàn)有的宏基站回傳網(wǎng)絡（IP RAN、PTN）管理系統(tǒng)融合，也就是實現(xiàn)小基站回傳網(wǎng)絡與已有承載網(wǎng)絡混合組網(wǎng)下的統(tǒng)一運維：采用能夠管理多種回傳設備（如IP方式、傳輸和微波）的統(tǒng)一網(wǎng)管平臺，完成端到端網(wǎng)絡的業(yè)務部署、發(fā)放，這是提高網(wǎng)絡運維效率、保障網(wǎng)絡質(zhì)量和用戶體驗的關鍵。

另外，與宏基站相比，小基站數(shù)量多（十倍甚至數(shù)十倍于原有的2G/3G網(wǎng)絡），分布分散，需要采用更加低成本、更加靈活、更加高效的回傳網(wǎng)絡技術。就成本而言，需要綜合考慮包括建網(wǎng)成本（CAPEX）和運維成本（OPEX）的整體成本（TCO）。從工程實施角度來看，需要回傳網(wǎng)絡能夠滿足小基站快速放裝的需求，盡可能降低工程實施的難度和時間，特別是要盡可能避免小基站的建設對網(wǎng)絡基礎設施（光纜、網(wǎng)絡設備）的改變或者過高的要求。

3 PON承載LTE小基站回傳業(yè)務的優(yōu)勢

考慮到上述技術要求和工程要求，目前小基站回傳網(wǎng)絡技術主要包括 IP RAN、PTN、PON等。與 IP RAN、PTN等技術相比，PON技術具有如下幾個方面的優(yōu)勢。

（1）地理分布上的適配性

按照目前國內(nèi)運營商FTTH網(wǎng)絡部署的策略，主要是在城市地區(qū)開展FTTx網(wǎng)絡建設，而LTE小基站也主要用于城市地區(qū)的熱點分流和補盲。在很多城區(qū)，面向FTTx應用的OLT設備、光分配網(wǎng)等基礎設施均已實現(xiàn)全覆蓋，非常便于為LTE小基站提供回傳網(wǎng)絡。所以在地理分布上采用PON承載小基站回傳業(yè)務有利于發(fā)揮FTTx網(wǎng)絡建設中已有的光纜、局房等基礎設施資源的作用。

（2）網(wǎng)絡拓撲的適配性

相對于傳統(tǒng)點到點拓撲結構的IP RAN和PTN技術，PON系統(tǒng)采用點到多點的拓撲結構，非常適合分布零散、位置不可預測的小基站的回傳。只要OLT和主干光纖就緒，就可以覆蓋一個比較大的區(qū)域，可以通過簡單的敷設引入光纖實現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)的小基站接入需求。

（3）成本優(yōu)勢

PON設備OLT和ONU成本低，用于小基站回傳的ONU設備功耗低，支持220 V交流供電且支持室外安裝，無需機房空調(diào)，可以節(jié)約大量的電源、機房成本。從運維成本來講，PON承載LTE小基站受益于PON設備的低功耗、環(huán)境適應性好、易于管理維護，可以大大降低回傳網(wǎng)絡的維護成本。

（4）節(jié)省光纖資源

圖2給出了國內(nèi)運營商光纜網(wǎng)的典型環(huán)型+樹型的結構，對比了采用PON和采用IP RAN/PTN等點到點回傳技術下光纖的使用情況。經(jīng)過模型估算，PON接入小基站可以節(jié)省至少80%的用戶主干光纖和50%的配線/引入光纖，也可以節(jié)約大量的設備投資；小基站的密度越高，節(jié)省的主干光纖量越大。采用PON承載LTE小基站回傳業(yè)務只需要在光交接箱/光分纖盒設置分光點，安裝光分路器即可，改造量小。

（5）工程實施難度低、效率高

一方面，PON可以利用已經(jīng)廣泛覆蓋的FTTx光纜網(wǎng)進行基站回傳，在很多情況下可以節(jié)約重新敷設光纜的工期。另一方面，傳統(tǒng)的IP RAN/PTN作為回傳網(wǎng)絡一般采用工程建設模式，在回傳網(wǎng)絡完全就緒后才能安裝基站，不適應小基站安裝的突發(fā)、分散、無法預測的特點。而PON可以采用終端放裝模式，在基站安裝完成后放裝并激活ONU即可，具有效率高、靈活的優(yōu)勢。

4 PON承載LTE小基站回傳業(yè)務的技術能力和組網(wǎng)

對標小基站對回傳網(wǎng)絡的各種需求，PON系統(tǒng)具備承載LTE小基站回傳業(yè)務的技術能力。

·帶寬和時延方面，考慮到PON口內(nèi)多個ONU之間的流量均衡效應，一個PON口至少可以滿足8個甚至更多個小基站接入的需求。

·時延方面，除光纖的傳輸時延外，PON系統(tǒng)的轉發(fā)時延在1 ms以內(nèi)，完全可以滿足S1和X2接口鏈路的時延要求。

·QoS方面，PON系統(tǒng)具有比較完善的VLAN功能，可

以提供業(yè)務隔離功能，并具有業(yè)務流分類、優(yōu)先級標記、隊列調(diào)度、緩存管理、擁塞控制等完善的QoS機制，可以為基站回傳業(yè)務提供有保障的承載電路。

圖2 典型的小基站回傳技術的比較

·保護方面，支持Type B/Type C的光鏈路的保護功能；網(wǎng)絡管理功能方面，能夠提供電信級的管理能力，具有遠程配置、故障告警、性能監(jiān)測、安全監(jiān)控等比較全面的管理功能以及光鏈路測量與診斷功能，可以滿足運維的需求。

·同步方面，PON系統(tǒng)傳遞頻率和時鐘信號的技術成熟，使用PON的物理線路時鐘來做頻率同步，GPON采用G.984.3 Amd 2標準，EPON采用IEEE 802.1AS標準來實現(xiàn)時間同步。主流的PON系統(tǒng)都可以提供FE、GE接口的基站回傳型ONU——CBU，也可以提供1PPS+TOD同步接口，符合小基站的同步需求。

從組網(wǎng)上，主流的實現(xiàn)方式有兩種：公網(wǎng)傳輸和私網(wǎng)傳輸。圖3給出私網(wǎng)傳輸?shù)木W(wǎng)絡結構，OLT與城域回傳網(wǎng)路（PTN/IP RAN）對接后，進入無線核心網(wǎng)。在私網(wǎng)傳輸中，考慮到移動核心網(wǎng)的安全性，回傳業(yè)務經(jīng)過城域網(wǎng)后接入安全網(wǎng)關，由安全網(wǎng)關連接到移動核心網(wǎng)。不論哪種方式，運營商都需要結合已有的PON的資源情況和部署位置，合理進行VLAN/IP地址等網(wǎng)絡資源規(guī)劃，實現(xiàn)端到端的故障定位和業(yè)務隔離。

5 PON承載小基站回傳的產(chǎn)業(yè)化進展

目前，業(yè)界主流運營商、設備商和芯片商和研究機構對于PON承載LTE小基站回傳業(yè)務的價值給予了高度關注，均積極推進相關技術發(fā)展和應用。寬帶論壇（Broadband Forum，BBF） 在 2011 年 發(fā) 布 的 TR221 《Technical Specifications for MPLS in Mobile Backhaul Networks》基礎上于2013年新設立了一個項目“Architecture and Technical Requirements for PON-Based Mobile Backhaul Network”，受到了國際產(chǎn)業(yè)界的高度支持。該項目主要目的是研究制定PON系統(tǒng)承載LTE小基站回傳業(yè)務的應用場景、參考模型、網(wǎng)絡和設備的技術要求以及管理維護實現(xiàn)等，預計2014年完成主體架構和主要內(nèi)容，該項目將推動相關技術的發(fā)展和現(xiàn)網(wǎng)應用。總體上，PON承載LTE基站回傳的標準化進展順利，標準體系基本形成。

圖3 典型的PON承載小基站回傳網(wǎng)絡結構

國內(nèi)外的主流設備商、芯片商都開發(fā)了相關產(chǎn)品。目前主流的PON MAC芯片廠商，如博通（Broadcom）均已解決了PON系統(tǒng)中IEEE 1588信號的時延補償?shù)葐栴}，實現(xiàn)了IEEE 1588和SyncE信號的可靠傳遞技術問題，高通（Qualcomm）也即將推出集成了PON CBU模塊的小基站解決方案。物理層芯片供應商Vitesse也提供了優(yōu)化的物理層芯片以實現(xiàn)對SyncE信號的可靠傳遞。這些為PON承載LTE基站回傳業(yè)務奠定了重要的技術基礎。國內(nèi)外的主流PON設備制造商，如華為技術、中興通訊、烽火通信都已經(jīng)提供了比較完整的PON承載LTE基站回傳業(yè)務的解決方案，包括完整的CBU終端系列、完善的OLT設備架構（時鐘和時間總線、時鐘源和時間源對接）和功能，并經(jīng)過測試和現(xiàn)網(wǎng)試驗的充分驗證。總體上，PON承載LTE基站回傳業(yè)務的相關解決方案已經(jīng)成熟，能夠滿足商用要求。

國內(nèi)外的運營商也積極地開展PON承載LTE基站回傳業(yè)務的試驗和商用部署。事實上，針對3G網(wǎng)絡，包括中國電信、中國移動、中國聯(lián)通、Verizon、Telefonica等數(shù)十個運營商都開展了PON承載3G基站的現(xiàn)網(wǎng)試驗和商用部署，從技術上驗證了PON承載包括頻率和時間同步信號在內(nèi)的3G基站業(yè)務的可行性和可靠性，為PON承載LTE基站回傳業(yè)務奠定了重要的基礎。隨著近幾年LTE網(wǎng)絡建設的快速發(fā)展，包括美國 AT&T、Sprint，英國 Vodafone，西班牙Telefonica，日本 Softbank，美國 CenturyLink、Bright House 等國際主流運營商都開展了PON承載LTE小基站的規(guī)模部署和現(xiàn)網(wǎng)試驗，充分驗證了相關技術的成熟。

6 結束語

LTE小基站站點的離散性和不確定性對回傳技術和回傳網(wǎng)絡提出了有別于宏基站的特殊要求。PON的點到多點拓撲結構使之具備承載LTE小基站回傳業(yè)務的可行性和綜合成本低、工程實施容易等優(yōu)勢。利用現(xiàn)有的低成本、廣覆蓋的PON為小基站提供回傳成為業(yè)界的重要共識。目前，PON承載LTE小基站回傳業(yè)務的技術已經(jīng)成熟，相關的芯片和設備的功能、性能和管理能力已經(jīng)比較完善，也經(jīng)過了國際上多家主流運營商現(xiàn)網(wǎng)部署的驗證。

相信隨著LTE網(wǎng)絡建設的不斷深入，PON必將成為LTE小基站回傳的主流承載方式，具有廣闊的應用前景。

1 Broadband Forum.TR-221:Technical Specifications for MPLS in Mobile Backhaul Networks,2011

2 IEEE P802.1AS/D7.0.Local and Metropolitan Area Networks—Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications in Bridged Local Area Networks,2010

3 Shen C B,Lin W,Grindley R.BBF SD-331 Architecture and Technical Requirements for PON-Based Mobile Backhaul Networks（Draft）,2014

4 Kunstler J.PON for mobile backhaul(MBH)-understanding the opportunity.http://www.lwc.com.cn/foocc2013/b03/B03.pdf，2013

5 韋宇鵬，周桂虔，高宇晨.TD-SCDMA系統(tǒng)基站回傳中的同步.電信科學，2010,26(5)

6 陳運清，吳偉，閻璐等.電信級IP RAN實現(xiàn)——面向LTE規(guī)模運營的移動基站回傳綜合承載指引.北京：電子工業(yè)出版社，2013