PTN承載TD-LTE業務的整體保護方案研究

沈銘

（中國移動通信集團福建有限公司廈門分公司，福建 廈門 361008）

1 引言

從2011年至2014年底，經過3年多的持續建設和發展，中國移動TD-LTE基站數量已達70萬個，在部分城市已超過了GSM（2G）和TD-SCDMA（3G）網絡。由于LTE網絡結構集中化和扁平化的特點，以及業務對承載網的IP化和寬帶化需求，PTN網絡在規劃和運維上面臨著更大的壓力，其中很重要的一方面就體現在對網絡可靠性的要求較以往大大提高。

作為TD-LTE的基礎承載網，只有全面提高PTN網絡的傳輸質量和整體可靠性，才能體現出4G的技術革新所帶來的優勢以及更好的用戶體驗。PTN網絡整體保護方案的規劃和研究目前尚在不斷完善中，其不僅涵蓋了從城域網的接入、匯聚、核心到省干等各個層面，還包括了L2 VPN（Virtual Private Network，虛擬專用網絡）、L3 VPN兩個部分各自的保護配置以及相互的配合，同時也涉及到容災應急恢復手段的設計，是移動通信網絡當前最重要的工作內容之一。

2 PTN網絡現狀及問題

目前各城市已完成了PTN網絡的建設，并實現了GSM、TD-SCDMA、TD-LTE和集客專線等業務的統一承載。由于PTN網絡的建設時間早于TD-LTE，而L3路由轉發功能是TD-LTE對承載網的新需求，故早期建成的PTN城域網均為L2網絡，主要滿足TD-SCDMA業務的承載，采用類SDH的接入、匯聚以及核心3層網絡結構，以環形拓撲為主。自TD-LTE試驗網階段起，為滿足S1-Flex和X2接口的復雜業務流向轉發需求，PTN網絡在核心層引入了靜態L3功能，從而在城域核心層通過新增L3 PTN設備實現了L3網絡，而原有2G、3G業務保持原有的承載方式。

2.1 當前LTE業務承載及保護方式

中國移動TD-LTE的PTN承載采用“L2 VPN+靜態L3 VPN”的解決方案，即在接入匯聚層采用以太專線的組網技術，在核心PTN節點上批量終結接入匯聚層的以太專線業務，由設備內部完成L2到L3的橋接，進入到靜態L3 VPN轉發處理。當前傳輸網絡各個層面的業務承載及保護功能實現簡述如下：

城域網匯聚接入層通過PTN PW（Pseudo Wire，偽線）的承載方式對2G、3G、TD-LTE和集客專線等業務統一承載，然后在接入到核心層時進行分流。其中，2G、3G和集客專線等原有類型業務上行到早期建設的L2 PTN核心層，保護方式為端到端的隧道Tunnel 1:1保護；TD-LTE業務上行到后期新建的L3 PTN核心層，在L2 VPN層面的保護方式為MC-PW APS（Multi-Chassis Pseudo Wire Automatic Protection Switching，跨設備偽線自動保護開關）配合MC-LAG（Multichassis Link Aggregation Group，跨設備鏈路聚合組）的雙歸節點保護。接入環和匯聚環需采用雙上聯的方式分別接入到匯聚節點和核心節點，以應對單上聯節點失效的風險。

城域網核心層及省干層實現L3的功能。城域網核心層通常使用L3 PTN設備組成“口字形”結構以實現L3 VPN網絡，在與匯聚層對接的L3節點（具有L2和L3的功能，又稱為L2/L3節點）上，終結匯聚層上行的L2業務，接入L3 VPN，進行L3轉發。若LTE核心網EPC（Evolved Packet Core network，演進型分組核心網）部署在地市，城域網核心層L3 PTN設備可直接與EPC對接；若EPC集中部署在省會城市，在省干層使用L3 PTN設備搭建L3 VPN網絡與EPC對接，省干與地市的L3 VPN則采用Native IP方式連接。L3 VPN層面的保護通過隧道Tunnel 1:1與VPN FRR（Fast ReRoute，快速重路由）實現，Tunnel APS用于保護節點之間的隧道路徑，VPN FRR則用于保護節點。而省干與地市的L3 VPN之間，以及L3 PTN設備與EPC的Native IP業務對接的保護方式均為IP、VPN混合FRR保護。

當前PTN承載TD-LTE業務的總體網絡方案如圖1所示。

2.2 現有方案的風險點

經過近幾年的網絡建設，各省的城域網及省干網基本采用上述方案完成了TD-LTE業務的承載和保護。通過多種網絡保護技術的配合應用，可實現L2 VPN、L3 VPN、對接EPC等場景下的鏈路中斷、節點失效，乃至多點故障的業務保護倒換，安全保障能力相對較高。

但由于L3功能屬于PTN網絡上的新技術應用，不同廠家、同廠家不同型號的設備成熟度發展不一，導致設備在組網和對接的保護倒換配合上可能因某種軟硬件缺陷而發生倒換異常、保護失效的問題。主要有幾種較極端的情況：如L3 PTN設備/單板故障不倒換、2臺L3 PTN設備同時故障或EPC故障等，此時將造成整個區縣乃至整個地市的LTE業務全阻，目前尚無有效手段可以實現快速的業務恢復。以某省2014年的TDLTE故障統計情況為例，因傳輸原因引起現網100個以上LTE基站阻斷的重大故障共有9起，涉及多個地市城域網、多個廠家設備，平均歷時超過1h。其中6起故障原因為L3 PTN設備軟硬件缺陷或其它BUG，均發生在L2/L3節點上，占了故障總數的2/3。

由此可見，為了大力發展4G業務和取得更好的用戶體驗效果，需要對現有的LTE承載網進一步優化和改進，進一步提高承載網的可靠性和安全性。

3 基于PTN的LTE承載網整體保護方案規劃設計

基于PTN網絡的TD-LTE業務承載方案優化，主要著眼于上述幾類網絡風險點的應對和解決，并制定重大故障時的業務快速恢復手段，力求將業務影響降到最低。

圖1 PTN承載TD-LTE業務的總體網絡方案圖（當前主流方案）

3.1 承載網的調整優化方案

針對L3節點（區別于L2/L3節點的其它L3 PTN節點）的PTN設備/單板故障不倒換、兩臺L3節點PTN設備同時故障的風險點，可以結合EPC POOL的建設，將L3 PTN組網改造為“雙口字形”結構，實現L3節點故障時LTE業務流量的切換，確保業務不中斷。調整優化的實現如圖2所示。

以EPC部署在地市的網絡為例，只需新增一對L3 PTN設備與另一套EPC對接，而原有的各個L2/L3節點再增加到新L3 PTN的鏈路，形成“雙口字形”的網絡結構。EPC集中部署在省會城市的網絡與此類似，城域網新增一對L3 PTN設備實現地市雙出口，省干層面則新增一個L3平面與另一套EPC對接。

當網絡正常時，TDLTE業務通過基站PTN設備接入L2 VPN，流量上行到L2/L3節點后，根據高優先級的目的IP地址查找L3 VPN的路由表，經主用的L3節點轉發到主用的EPC。當出現L3節點故障不倒換、2臺L3節點設備同時故障或者EPC故障等情況時，基站感知到主用EPC的連接中斷（即高優先級的目的IP不可達），業務流量上行到L2/L3節點后，根據低優先級的目的IP地址通過另一個L3平面路由轉發到備用EPC上，實現業務的恢復。

針對L 2/L 3節點的PTN設備或單板發生故障時倒換失敗的風險點，可以通過業務規劃配置的手段使接入匯聚層的L2業務以負荷分擔的方式分別接入到2個L2/L3節點，使節點倒換失敗時的業務影響面降低一半。調整優化的實現如圖3所示。

早期的TD-LTE業務配置大多為全程主備分擔，當任一主用節點異常故障無法倒換時，將造成整個區縣以上級別的LTE業務全阻。由于上述“雙口字形”組網結構可以解決L3節點的異常故障無法倒換問題，且由近年的故障統計分析來看，L2/L3節點因其配置復雜，故障發生率高于L3節點，故需要規劃業務接入L2/L3節點的負荷分擔配置。規劃原則為L2業務基于節點設備負荷分擔，不同網段的基站分別歸屬L2/L3的左節點和右節點；L3業務按主備路由分擔，均以左節點為主用路由，右節點為備用路由；接入EPC按主備路由分擔，均以左節點為主用路由，右節點為備用路由。以圖3為例說明，假設某縣的2個L2/L3節點下掛10.10.1.0/24～10.10.4.0/24一共四個網段的LTE基站，可規劃10.10.1.0/24和10.10.2.0/24兩個網段的基站以左L2/L3節點作為主用橋接點，10.10.3.0/24和10.10.4.0/24兩個網段的基站以右L2/L3節點作為主用橋接點，而兩個L2/L3節點上行流量則均以左L3節點作為主用出口。網絡正常時流量如圖3箭頭所示。

此規劃配置方案的優點是L2業務負荷分擔，避免因節點故障而導致區縣以上業務全阻的風險。而L3業務路由規劃清晰，上下行路由一致，便于后期維護，同時進行現網調整優化、割接的工作量較小，有效避免了事故的發生。

圖2 “雙口字形”結構組網簡圖

3.2 跨“口字形”子網的應急恢復方案

圖3 LTE業務負荷分擔配置優化示意圖

為進一步解決L2/L3節點異常故障時無法倒換的風險，確保阻斷的業務（即“口字形”子網下掛的一半LTE基站）在最短的時間內得到恢復，可利用現有L2 PTN核心層網絡的通道資源，制定跨“口字形”子網的業務應急恢復方案，如圖4所示。

方案主要思路為PTN網絡中增加應急調度通道的配置，當基站所屬的L2/L3節點異常故障倒換失效時，通過批量修改相關參數，LTE業務流量可以快速切換到應急調度通道，實現和EPC的重新連接。方案的實現需要各專業的配合，提前完成4項規劃和配置工作的部署。

圖4 跨“口字形”子網的應急恢復方案

一是進行LTE基站的業務和網管路由分離配置。在中國移動的TD-LTE承載方案中，每個基站可以分為業務和網管2類流量，分別使用1個IP和1個VLAN（Virtual Local Area Network，虛擬局域網）配置在不同的PW上，然后在L2/L3節點上批量終結，接入到靜態L3 VPN。目前大多數城域網中通常將業務和網管2類流量的PW配置在相同路由上，在同一L2/L3節點上批量終結，這樣當L2/L3節點故障時，會同時影響基站的業務和網管。因此需要將基站的業務和網管優化配置為路由分離方式，可利用原有的L2 PTN核心層網絡資源進行PW路由分離，再用另外的設備（L3 PTN或路由器）終結網管PW。這樣當終結業務PW的L2/L3節點故障時，基站網管可通，仍可監控和修改配置；當終結網管PW的設備故障時，不會影響業務。

二是規劃每個基站的業務應急IP地址和VLAN。因為啟動應急恢復方案后，LTE業務流量將切換到其它的L2/L3節點上，原來的IP地址和VLAN將無法使用，此時需要預先規劃好業務應急IP地址和VLAN，如基站業務正常IP為10.10.1.3，VLAN為200，則應急IP可設為10.20.1.3，VLAN可設為2 200，并形成規劃表文檔，方便網絡配置使用。

三是每對L2/L3節點下掛的每個基站除配置正常L2+L3業務外，還需根據規劃好的應急IP和VLAN，提前配置接入PTN到另一個“口字形”子網L2/L3節點的PW鏈路及相應L3路由作為應急通道，PW鏈路利用原有的L2 PTN核心層網絡資源完成配置。應急網絡參數配置方法和正常網絡配置一樣，但對應急通道不需要配置帶寬參數，如CIR（Committed Information Rate，保證信息速率）、PIR（Peak Information Rate，峰值信息速率）等，只需要保證鏈路的通達，這樣可以提高網絡帶寬的利用率，避免網絡正常時應急通道對帶寬的占用。

四是無線專業需要根據規劃好的應急IP和VLAN提前準備基站IP/VLAN的修改腳本，并進行相關驗證工作。容災應急腳本要求定期更新，如有大量基站的割接時，還需要對腳本進行實時更新。腳本以一對L2/L3節點為單位制作，每對L2/L3節點均要有應急切換和倒回2個腳本。同時，還可以進行腳本批量導入運行程序的開發，實現故障時的一鍵切換和倒回。

以圖4的網絡為例說明業務應急恢復方案的運行過程。當區縣1的L2/L3節點故障時，有一半或全部基站阻斷，此時立即啟動應急恢復方案。由于基站網管可通，下發無線容災應急腳本批量修改基站的IP/VLAN為應急IP/VLAN，基站業務流量通過應急PW鏈路到達區縣2的L2/L3節點，再通過應急L3路由轉發到核心L3節點，實現與EPC的重新連接。整個業務恢復時間為故障發生至發現時間、批量導入腳本時間以及基站重啟時間之和，與原先的先搶修后恢復業務相比，業務中斷時間大大縮短。

4 方案實施與現網應用

PTN承載TD-LTE業務的整體保護方案實施前后的差異對比如表1所示，可充分體現方案實施后在業務保護上的優勢。

方案的實施按照上述“雙口字形”組網改造、L2業務負荷分擔以及業務應急恢復手段配置的步驟進行，需要在現網中增加相應的L3 PTN設備以及用于跨“口字形”子網連接的光口板件投資，并對現有配置的L2業務進行割接調整，優化過程需要1～2個月。應急恢復手段的配置需要為業務增加應急調度通道，對電路調度和業務配置人員的要求較高，配置時間也較長，但隨著業務配置熟練程度的提高，不會影響基站的開通效率。

目前該方案已在福建移動省內應用部署，各地市已完成了相關的城域PTN網絡的優化調整，各層面的倒換測試均不會中斷業務，并且定期組織傳輸、無線、核心網專業進行LTE業務的故障應急恢復演練，涉及華為、中興、烽火、貝爾和諾西等主流通信設備廠家的產品，演練過程中業務恢復時間基本上不超過10min，業務阻斷的時長較無容災應急方案時縮短了90%以上。

表1 保護方案實施前后的差異對比

5 結束語

隨著4G時代的到來，LTE將是各個運營商新的機遇和挑戰，只有更穩定更安全的網絡才能吸引更多的用戶，獲得更大的效益。由于TD-LTE的網絡架構不同于以往的2G和3G網絡，從城域傳送網到省干網都需要不斷演進以滿足LTE業務對承載網的新需求，網絡保護方案也比原有的SDH、L2 PTN更加復雜和靈活。目前承載方案和保護方案都在不斷地優化和完善中。L3 PTN“雙口字形”組網、L2業務負荷分擔配置、基站業務和網管路由分離、跨“口字形”子網業務應急恢復等保護方案新思路已在現網中得到了驗證，能夠更好地保障網絡安全，提升TD-LTE的網絡質量，對LTE時代的PTN組網具有參考意義和推廣價值。

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