LTE大發(fā)展對傳輸網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)及應(yīng)對策略

沈梁華 信咨詢設(shè)計研究院有限公司綜合院總工程師

梅儀國 華信咨詢設(shè)計研究院有限公司高級工程師

陳煒 中國移動通信集團(tuán)上海有限公司高級工程師

金光 中國移動通信集團(tuán)上海有限公司工程師

LTE大發(fā)展對傳輸網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)及應(yīng)對策略

沈梁華 信咨詢設(shè)計研究院有限公司綜合院總工程師

梅儀國 華信咨詢設(shè)計研究院有限公司高級工程師

陳煒 中國移動通信集團(tuán)上海有限公司高級工程師

金光 中國移動通信集團(tuán)上海有限公司工程師

中國4G牌照已經(jīng)正式發(fā)放，三大運(yùn)營商開始進(jìn)行大規(guī)模的LTE商用網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。本文針對LTE的技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)探討LTE大發(fā)展對傳輸承載網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)及應(yīng)對策略。

2G 3G LTE PTN

1 引言

2010年12月，工業(yè)和信息化部批復(fù)同意TD-LTE規(guī)模試驗(yàn)總體方案，由中國移動承擔(dān)上海、杭州、南京、廣州、深圳、廈門6城市TD-LTE規(guī)模技術(shù)試驗(yàn)網(wǎng)和北京演示網(wǎng)建設(shè)；2013年12月4日，工業(yè)和信息化部向中國移動、中國電信和中國聯(lián)通正式頒發(fā)了TD-LTE牌照；2014年6月27日，工業(yè)和信息化部批準(zhǔn)中國電信、中國聯(lián)通分別在16個城市開展LTE混合組網(wǎng)試驗(yàn)，標(biāo)志著中國正式進(jìn)入了4G時代。

相比較于2G和3G技術(shù)，LTE在系統(tǒng)性能上有了跨越式提高，能夠?yàn)橛脩籼峁└迂S富多彩的移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)；在技術(shù)上更為先進(jìn)，移動用戶接入速率更高，同時對傳輸承載技術(shù)也提出了更高的性能和帶寬要求。經(jīng)過近兩年的TD-LTE規(guī)模試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)積累，運(yùn)營商現(xiàn)在已經(jīng)全面進(jìn)入LTE大規(guī)模商用網(wǎng)絡(luò)建設(shè)階段。傳輸網(wǎng)作為基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)，其安全性、可靠性、擴(kuò)展性、靈活性將直接制約LTE的大發(fā)展，本文將重點(diǎn)探討LTE大發(fā)展的背景下對傳輸網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)及應(yīng)對策略。

圖1 2G/3G與LTE的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

2 LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)

2.1 2G/3G和LTE的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

如圖1所示，在2G/3G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，一個BTS/ NodeB基站只能歸屬于一個BSC基站控制器/RNC無線網(wǎng)絡(luò)控制器，電路流量呈匯聚形，業(yè)務(wù)通過點(diǎn)到點(diǎn)面向連接的E1或者FE專線匯聚方式回傳至BSC/RNC；BTS/NodeB之間無網(wǎng)絡(luò)連接，基站之間不能直接通信，基站間信令的切換需要通過BSC/RNC。

LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由無線側(cè)和核心網(wǎng)側(cè)兩部分構(gòu)成，無線側(cè)eNodeB除具有原NodeB功能外，還承擔(dān)了RNC的大部分功能；核心網(wǎng)側(cè)主要包括4種功能實(shí)體，即MME（MobilityManagementEntity，移動管理實(shí)體）、S-GW（Serving Gateway，服務(wù)網(wǎng)關(guān)）、P-GW（PDN Gateway，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)）和HSS（Home Subscriber Server，歸屬簽約用戶服務(wù)器）。

在LTE系統(tǒng)架構(gòu)中，一個eNode B同時歸屬于多個S-GW/MME；eNodeB之間通過X2接口相連，電路流量呈MESH狀，S1業(yè)務(wù)流量占整個RAN流量的比例在97%以上，X2業(yè)務(wù)流量占整個RAN流量的比例小于3%。

相較于2G或者3G的無線回傳網(wǎng)，LTE的無線回傳網(wǎng)需要解決LTE基站與多個核心網(wǎng)元S1接口業(yè)務(wù)和信令互聯(lián)，同時要疏導(dǎo)LTE基站間的X2接口流量。

2.2 LTE網(wǎng)絡(luò)的接口承載要求

圖2為LTE網(wǎng)絡(luò)的接口承載方案。

圖2 LTE網(wǎng)絡(luò)的接口承載方案

（1）S1接口的承載要求

S1接口按照承載的業(yè)務(wù)不同分為S1-U和S1-C兩種接口，S1-U主要承載用戶面數(shù)據(jù)，具體連接eNodeB和SGW；S1-C主要承載控制面數(shù)據(jù)，具體連接eNodeB和MME。

引入了SGW-pool和MME-pool功能，對S1接口提出了Flex的要求，eNode B可以同時歸屬到多個MME、SGW，與多個MME、SGW建立連接，滿足無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分擔(dān)、冗余備份的需求，提高網(wǎng)絡(luò)的利用率和可靠性。

（2）X2接口的承載要求

為保證UE在不同eNodeB漫游時，用戶數(shù)據(jù)可以在eNodeB之間直接進(jìn)行交換，降低轉(zhuǎn)發(fā)時延，LTE引入了X2接口。X 2接口包含X2-C（各個eNodeB之間控制面間接口）和X2-U（各個eNodeB之間用戶面之間的接口）兩部分。X2接口要求承載網(wǎng)提供基站與基站之間的轉(zhuǎn)發(fā)通道，需要在相鄰基站之間建立邏輯連接。

分組傳送網(wǎng)要具備L3功能，不能依靠人工配置基站間數(shù)量龐大的X2電路，必須由分組設(shè)備根據(jù)IP地址進(jìn)行自動轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）LTE網(wǎng)絡(luò)的接口承載方案

●S1接口：對于S1接口，通過接入層、匯聚層的L2管道送到核心PTN設(shè)備，核心PTN設(shè)備再通過L3 VPN轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的SGW/MME，包括本地和遠(yuǎn)端。

●X2接口：對于X2接口，先通過接入層、匯聚層的L2管道送到核心PTN設(shè)備，核心PTN再通過L3VPN轉(zhuǎn)發(fā)到匯聚層、接入層的L2管道，向下傳送到目的基站。

3 LTE大發(fā)展對傳輸網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)及應(yīng)對策略

3.1 LTE大發(fā)展對傳輸網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)

（1）帶寬需求更大

如表1所示，與2G、3G基站相比，LTE基站的接入帶寬需求暴增幾十倍以上。傳送網(wǎng)需確保每個接入環(huán)的LTE基站達(dá)到平均帶寬的基礎(chǔ)上，仍能夠保證一個LTE基站達(dá)到峰值帶寬。每個GE接入環(huán)可用總帶寬800M，如有一個S222宏站，則其余2G/TD/LTE可用帶寬為160M。

（2）站點(diǎn)密度更高

LTE商業(yè)化階段，需要實(shí)現(xiàn)LTE網(wǎng)絡(luò)的深度覆蓋，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)將為現(xiàn)網(wǎng)的2～3倍以上。如表2所示，以GSM基站覆蓋范圍為基準(zhǔn)歸一化，2G與LTE在同一區(qū)域滿覆蓋情況下，站點(diǎn)數(shù)比為：1（GSM）/2.8（LTE，F(xiàn)頻段）/5（LTE，D頻段）。

表1 LTE基站的不同配置對際載帶寬需求（Mbit/s）

表3 LTE業(yè)務(wù)分類及性能質(zhì)量要求

（3）業(yè)務(wù)分類管理及質(zhì)量要求更嚴(yán)格

如表3所示，LTE比3G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)更豐富且業(yè)務(wù)性能要求更高，相比2G/3G，傳輸網(wǎng)絡(luò)須具備針對不同的業(yè)務(wù)分類管理和識別功能，具備業(yè)務(wù)質(zhì)量在線監(jiān)測告警功能，具備合理的流量沖突監(jiān)測和控制策略。

3.2 傳輸網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)對策略

（1）LTE傳輸城域網(wǎng)組網(wǎng)方案

LTE采用了一種革命性的架構(gòu)，核心機(jī)房的RNC設(shè)備主要功能下移到eNodeB，核心網(wǎng)則演進(jìn)到EPC，eNodeB直接連接到EPC，網(wǎng)絡(luò)逐漸向扁平化和網(wǎng)狀網(wǎng)演進(jìn)，其對帶寬、接口、時延、QoS、安全性等均提出更高的需求。TD-LTE業(yè)務(wù)的帶寬需求主要來源于移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)具有流量不確定性和突發(fā)性，分組傳送網(wǎng)PTN技術(shù)承載業(yè)務(wù)具有收斂匯聚能力強(qiáng)，能有效利用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。如圖3所示，PTN L3方式承載LTE需要全網(wǎng)eNodeB和PTN統(tǒng)一規(guī)劃IP地址，每個核心區(qū)域分配一個大網(wǎng)段地址，如10.0.0.0、20.0.0.0；每個核心節(jié)點(diǎn)下帶的基站，由小網(wǎng)段來區(qū)分，如10.1.2.1、10.1.3.1等。每個核心節(jié)點(diǎn)配置一個VRI，并配置相應(yīng)的IPPW標(biāo)簽，不同VRI之間通過IPPW實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)隔離。每個eNodeB分配獨(dú)立的VLAN，同時分配一個獨(dú)立網(wǎng)段的IP地址。S1、X2的業(yè)務(wù)在接入?yún)R聚通過E-Line來承載，在核心節(jié)點(diǎn)處，通過不同的虛擬VLAN子接口，終結(jié)E-Line業(yè)務(wù)（虛擬VLAN子接口需要配置一個和相應(yīng)基站在同一個網(wǎng)段的IP地址）。

PTN核心層設(shè)備負(fù)責(zé)將X2接口信息按照IP地址轉(zhuǎn)發(fā)相鄰基站，將S1接口信息按照IP地址轉(zhuǎn)發(fā)給SGW/MME或SGW/MME-pool中相應(yīng)的SGW、MME，以實(shí)現(xiàn)多歸屬需求。當(dāng)傳送S1業(yè)務(wù)時，在核心節(jié)點(diǎn)的VRI下根據(jù)IP進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，通過本地IP轉(zhuǎn)發(fā)到本地的aGW；或通過靜態(tài)IPPW傳送至遠(yuǎn)端aGW，實(shí)現(xiàn)aGW-pool的調(diào)度。當(dāng)傳送X2業(yè)務(wù)時，在核心節(jié)點(diǎn)的VRI下根據(jù)IP進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，通過本地IP轉(zhuǎn)發(fā)到同網(wǎng)段內(nèi)的基站；或通過靜態(tài)IPPW傳送至遠(yuǎn)端基站。

（2）LTE傳輸城域網(wǎng)QoS配置管理思路

LTE傳輸網(wǎng)絡(luò)的核心資源是“帶寬”，從TDM的固定帶寬分配轉(zhuǎn)變成動態(tài)帶寬分配，接入網(wǎng)絡(luò)的帶寬容量總和可以大于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量，針對不同對象可設(shè)置保障帶寬（CIR）和最大帶寬（PIR），帶寬統(tǒng)計復(fù)用在獲得帶寬最大效率的同時，使得帶寬資源調(diào)度與管理變動復(fù)雜多變（見圖4）。

●PTN帶寬統(tǒng)計復(fù)用的特點(diǎn)

——PIR峰值帶寬為單條電路能獲取的最大傳輸帶寬。

——CIR保證帶寬為極端網(wǎng)絡(luò)擁塞情況下，單條電路能獲取的最小傳輸帶寬，在自身業(yè)務(wù)流量未超過分配的CIR帶寬時，CIR也可以被其他業(yè)務(wù)搶占。

——EIR差值帶寬為網(wǎng)絡(luò)盡力而為去滿足的帶寬，EIR=PIR-CIR，在環(huán)網(wǎng)有剩余帶寬時，EIR根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級進(jìn)行搶占，優(yōu)先級越高搶占帶寬比例越高。

●PTN帶寬配置管理

當(dāng)LSP1設(shè)置為CIR=PIR=1G時，LSP2的CIR受接口3容量限制只能設(shè)為0，但是PIR可以設(shè)為1G。現(xiàn)假設(shè)LSP2一直有1G的流量，則有下面結(jié)果：

圖3 PTN的LTE解決方案（L2+L3靜態(tài)IP）

圖4 PTN的帶寬配置管理示意圖

——如果LSP1沒有流量，LSP2的1G流量可以無任何丟棄，從接口3轉(zhuǎn)發(fā)，該結(jié)果表明：CIR配置后若實(shí)際帶寬不用，可以被別的用戶共享實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計復(fù)用。

——如果LSP1開始有速率為A的流量，LSP1的全部流量將無任何丟棄，從接口3轉(zhuǎn)發(fā)；同時，LSP2會出現(xiàn)丟包，只有1G-A的流量被轉(zhuǎn)發(fā)。該結(jié)果表明：CIR配置后若要用，別的用戶無法搶占，其效果和剛性管道一樣。

——如果LSP1的流量達(dá)到1G，LSP1的全部流量無損從接口3轉(zhuǎn)發(fā)，LSP2的全部流量被丟棄。該結(jié)果表明：PIR是柔性的，可以做到見縫插針，充分利用帶寬資源。

●QoS規(guī)劃的基本原則

網(wǎng)絡(luò)輕載時，基站能夠獲得的最大傳輸帶寬受PIR限制，與CIR無關(guān)；如果網(wǎng)絡(luò)未發(fā)生擁塞，則滿足所有接入業(yè)務(wù)的無損傳送，單業(yè)務(wù)的最大帶寬受限于PIR。

網(wǎng)絡(luò)擁塞時，基站能夠獲得的最小傳輸帶寬為CIR，并根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級獲得額外帶寬；如果實(shí)際流量需求較大并高于CIR，如果環(huán)網(wǎng)仍有未分配給CIR的剩余帶寬，則根據(jù)各業(yè)務(wù)優(yōu)先級進(jìn)行搶占；如果LTE的業(yè)務(wù)優(yōu)先級最高，則搶占最多，實(shí)際可獲得的帶寬仍然高于CIR。

某條業(yè)務(wù)的CIR不用時，可以被其他業(yè)務(wù)搶占；業(yè)務(wù)的實(shí)際數(shù)據(jù)速率低于CIR時，其CIR空余部分帶寬可以被其他流量需求大的業(yè)務(wù)搶占；在實(shí)際數(shù)據(jù)速增長時，可以迅速搶占部分CIR，不受網(wǎng)絡(luò)擁塞、優(yōu)先級等限制。

CIR之和受限于環(huán)網(wǎng)或鏈路最大帶寬，是非常寶貴的有限資源，單個業(yè)務(wù)的PIR受限于環(huán)網(wǎng)或鏈路最大帶寬，但PIR之和不受限制。降低CIR配置可以多配置業(yè)務(wù)、提高帶寬利用率，尤其是實(shí)際業(yè)務(wù)量不大時，不宜配置過高的CIR，易造成網(wǎng)絡(luò)能力的超常規(guī)建設(shè)。

（3）LTE傳輸城域網(wǎng)擴(kuò)容思路

LTE傳輸網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)部門要基于流量管理手段，實(shí)時掌握業(yè)務(wù)流量，定期進(jìn)行業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)端口流量分析，及時調(diào)整業(yè)務(wù)端口帶寬。根據(jù)帶寬和業(yè)務(wù)流量管理原則，適時進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化擴(kuò)容建設(shè)，保持傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬彈性，確保業(yè)務(wù)快速接入。

——業(yè)務(wù)適配原則：根據(jù)基站類型配置帶寬。

——保持彈性原則：網(wǎng)絡(luò)帶寬冗余度不低于40%。

——實(shí)時監(jiān)測原則：可實(shí)時監(jiān)測分析“端口、鏈路、環(huán)”流量，并預(yù)警。

——適度超前擴(kuò)容原則：定期分析環(huán)容量，實(shí)際流量＞環(huán)容量50%，及時進(jìn)行適度超前網(wǎng)絡(luò)帶寬擴(kuò)容；實(shí)際流量＞環(huán)容量60%，必須擴(kuò)容。

LTE大發(fā)展背景下，傳輸網(wǎng)絡(luò)要注重架構(gòu)穩(wěn)定、調(diào)度高效、安全可靠的發(fā)展目標(biāo)，在光纖基礎(chǔ)網(wǎng)條件較好的情況下，可以考慮為LTE新建一張承載網(wǎng)絡(luò)，與2G、3G業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)分平面承載。

PTN網(wǎng)絡(luò)的接入層、匯聚層、核心層的帶寬可以按照80：60：40比例進(jìn)行收斂，相應(yīng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容建設(shè)策略如圖5所示。

圖5 LTE傳輸承載網(wǎng)絡(luò)的帶寬規(guī)劃示意圖

●接入層建設(shè)思路

在LTE基站大規(guī)模建設(shè)時，首保站點(diǎn)接入，兼顧架構(gòu)調(diào)整，按需擴(kuò)容帶寬，在綜合考慮帶寬配置、網(wǎng)絡(luò)安全性基礎(chǔ)上，同步改造優(yōu)化現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)，如果改造難度大、周期長，可先接入業(yè)務(wù)再安排優(yōu)化改造計劃。

接入環(huán)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)、路由長度是影響接入環(huán)網(wǎng)安全的主要因素，新建的LTE基站盡量成環(huán)，GE接入環(huán)上節(jié)點(diǎn)數(shù)量控制在4～6個以內(nèi)（含下掛鏈上節(jié)點(diǎn)），對于環(huán)路節(jié)點(diǎn)數(shù)量或環(huán)路所接入LTEBBU數(shù)量較多的站點(diǎn)（7個以上），根據(jù)環(huán)路帶寬需求建設(shè)10GE接入環(huán)或者雙GE接入環(huán)。

●匯聚層建設(shè)思路

匯聚層主要采用PTN技術(shù)，在LTE、集客專線等業(yè)務(wù)量密集區(qū)域，可以按需部署OTN系統(tǒng)，適度超前建設(shè)匯聚層的覆蓋能力，縮減單個匯聚環(huán)的覆蓋區(qū)域，提高接入能力。

●核心骨干層建設(shè)思路

核心層全面采用OTN技術(shù)組網(wǎng)，根據(jù)業(yè)務(wù)需求適時引入100G技術(shù)，并向格狀網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，組建環(huán)網(wǎng)與點(diǎn)對點(diǎn)直達(dá)的系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

LTE作為4G移動技術(shù)在為用戶提供高速率接入和豐富業(yè)務(wù)應(yīng)用的同時，對傳輸承載網(wǎng)絡(luò)新增傳輸接入節(jié)點(diǎn)、擴(kuò)容網(wǎng)絡(luò)帶寬容量、構(gòu)建業(yè)務(wù)分類管理和QoS質(zhì)量保障策略等方面提出了更新、更高的要求，更加需要在規(guī)劃階段未雨綢繆，提前做好應(yīng)對措施。

2014-11-29）