4G一體化小基站網(wǎng)關(guān)建設(shè)方案研究

宋文韜，王世魁，黎丹

4G一體化小基站網(wǎng)關(guān)建設(shè)方案研究

宋文韜1，王世魁2，黎丹3

（1.中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080；2.中國移動通信集團設(shè)計院有限公司黑龍江分公司，黑龍江 哈爾濱 150080；3.中國移動通信集團公司，北京 100032）

為優(yōu)化小基站建設(shè)，提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋水平，對4G一體化小基站網(wǎng)關(guān)的架構(gòu)及功能進行了介紹，展示了其對小基站的安全和信令管理的重要作用；同時，還分類闡述了小基站網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)方案和部署方式，總結(jié)給出小基站網(wǎng)關(guān)建設(shè)的指導(dǎo)建議。

4G一體化小基站 網(wǎng)關(guān) 組網(wǎng)方案 部署方式

1 引言

當(dāng)前已進入4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的飽和階段，相比于宏基站，4G小基站作為一種低成本室內(nèi)覆蓋解決方案，常被用作蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的有效補充和容量擴充手段，被廣泛用于網(wǎng)絡(luò)覆蓋或容量不足，建設(shè)難度相對較大且具備自有回傳資源的場景[1]。但小型化基站覆蓋范圍較小，布點規(guī)模多，直接接入核心網(wǎng)會占用大量信令資源，同時，小基站傳輸通道的信息安全性也需重點考慮，所以在小基站接入核心網(wǎng)之前的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，對小基站的安全和信令管理起著至關(guān)重要的作用[2]。

本文以中國移動的4G一體化小基站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)形式為例，介紹了4G小基站系統(tǒng)，小基站網(wǎng)關(guān)的主要功能、組網(wǎng)方案以及部署方式。

2 4G一體化小基站系統(tǒng)簡介

按照功率和覆蓋能力，4G基站分為“宏、微、皮、飛”基站[3]，如表1所示。

表1 4G基站分類表

4G小基站一般是指單載波（20 MHz帶寬）功率在500 mW以下的集成化設(shè)備，主要分為一體化基站（集成了BBU、RRU、天線）或一體化RRU（集成RRU和天線）設(shè)備。基站按照單載波功率大小可細分為宏、微、皮、飛四種，文中所提小基站為皮基站（100 mW～500 mW）和飛基站（100 mW以下）兩類。由于小基站數(shù)量多、覆蓋范圍小，需接入小基站網(wǎng)關(guān)設(shè)備后再連接至EPC（Evolved Packet Core，核心分組網(wǎng)演進），其它基站均直接連接至EPC[4]。

4G一體化皮基站系統(tǒng)主要由一體化皮基站、一體化皮基站網(wǎng)關(guān)及網(wǎng)管系統(tǒng)構(gòu)成[5]，如圖1所示。

◆小基站為終端提供LTE接入，和終端進行空口通信。

◆網(wǎng)關(guān)包括安全網(wǎng)關(guān)和信令網(wǎng)關(guān)，安全網(wǎng)關(guān)對皮基站設(shè)備進行雙向認(rèn)證，保證傳輸通道的安全；信令網(wǎng)關(guān)進行S1接口信令面的匯聚，降低對MME（Mobility Management Entity，移動管理節(jié)點功能）的信令壓力。

◆網(wǎng)管系統(tǒng)對皮基站、皮基站網(wǎng)關(guān)進行管理，包括參數(shù)配置和性能管理。

3 4G一體化小基站網(wǎng)關(guān)

3.1 4G一體化小基站網(wǎng)關(guān)架構(gòu)

一體化小基站網(wǎng)關(guān)是一個位于核心網(wǎng)邊界的網(wǎng)元，小基站網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D如圖2所示。

從EPC核心網(wǎng)來看，網(wǎng)關(guān)相當(dāng)于一個eNodeB；從小基站角度看，網(wǎng)關(guān)相當(dāng)于一個EPC網(wǎng)絡(luò)。一體化小基站既可以像宏基站一樣直接接入到核心網(wǎng)，也可以經(jīng)一體化小基站網(wǎng)關(guān)再接入到核心網(wǎng)。

3.2 4G一體化小基站網(wǎng)關(guān)功能

一體化小基站網(wǎng)關(guān)具有安全網(wǎng)關(guān)和信令網(wǎng)關(guān)兩個功能。其中，信令網(wǎng)關(guān)進行S1接口信令面的匯聚，降低對MME的信令壓力；安全網(wǎng)關(guān)對小基站設(shè)備進行雙向認(rèn)證，保證傳輸通道的信息安全，同時安全網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)S1接口用戶面的匯聚。

（1）安全網(wǎng)關(guān)功能

安全網(wǎng)關(guān)的主要作用包括保證業(yè)務(wù)安全和設(shè)備安全兩個方面[6]。

1）保障業(yè)務(wù)安全：在小基站進行第三方回傳和GPON（Gigabit-Capable Passive Optical Network，吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)）回傳方式時（非信任域）[7]，考慮到傳輸數(shù)據(jù)的安全，要對數(shù)據(jù)包進行加密和完整性保護。

2）保障設(shè)備安全：對設(shè)備進行認(rèn)證，防止非法AP接入，防止對核心網(wǎng)進行DOS（Denial Of Service，拒絕服務(wù)）攻擊來獲取核心網(wǎng)內(nèi)部信息，或者非法小基站誘騙用戶接入，監(jiān)聽用戶通信內(nèi)容等。

圖1 4G一體化小基站系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 4G一體化小基站網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D

4G一體化小基站網(wǎng)關(guān)安全管理功能網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D如圖3所示。

小基站通過安全網(wǎng)關(guān)與小基站之間采用S1接口，安全網(wǎng)關(guān)與核心網(wǎng)之間采用S1-U接口。

（2）信令網(wǎng)關(guān)功能

信令網(wǎng)關(guān)作為控制面的集中器，主要用于支持宏微切換互操作以及匯聚信令[8]。

1）宏微切換互操作：通過信令網(wǎng)關(guān)的移動性管理等功能，可實現(xiàn)目前20位eNB ID的宏基站與28位eNB ID的小基站間的切換互操作。

2）匯聚信令：通過信令網(wǎng)關(guān)的S1接口管理等功能，對小基站進行信令匯聚，減少公共信令，節(jié)約核心網(wǎng)接入鏈路。

為規(guī)避安全風(fēng)險，安全網(wǎng)關(guān)還支持雙向認(rèn)證功能，實現(xiàn)對小基站設(shè)備/用戶的認(rèn)證，避免非法皮基站/用戶帶來的安全風(fēng)險。經(jīng)研究分析，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)方案，通過在一體化小站出廠時預(yù)置設(shè)備證書和運營商CA根證書可最大程度地提高安全性，在國際上運營商已有應(yīng)用案例，該解決方案成熟度高、成本低，有較高的可行性。

4 4G一體化小基站網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)方案

4G小基站的回傳可分為小基站至網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)關(guān)至EPC兩部分。

4.1 4G小基站至網(wǎng)關(guān)

4G一體化小基站網(wǎng)關(guān)與小基站之間采用標(biāo)準(zhǔn)S1接口，網(wǎng)絡(luò)層基于IP承載。理論研究中，4G小基站至小基站網(wǎng)關(guān)有5個可選方案[9]，如圖4所示。

（1）PON+CMNET：對于部署在PON（Passive Optical Network，無源光網(wǎng)絡(luò)）覆蓋區(qū)域的4G小基站，原則上采用PON+CMNET（China Mobile Network，中國移動互聯(lián)網(wǎng)）回傳方案，即末端采用PON接入，通過OLT（Optical Line Terminal，光線路終端）上聯(lián)至BRAS（Broadband Remote Access Server，寬帶遠程接入服務(wù)器），經(jīng)城域數(shù)據(jù)網(wǎng)、省干CMNET后連接至4G小基站網(wǎng)關(guān)。

（2）PTN+CMNET：在小基站沒有PON網(wǎng)絡(luò)但有PTN（Packet Transport Network，分組傳送網(wǎng)）資源的情況下，可以采用L2 PTN接入方式，通過PTN連接至BRAS，此情況下PTN和BRAS間可通過LAG（Link Aggregation Group，鏈路匯聚組）保護方式連接。其它類同PON+CMNET。

（3）PON+PTN：對于不具備或不便于采用CMNET回傳、但末端只有PON網(wǎng)絡(luò)資源時，可通過PON接入。

圖3 4G一體化小基站網(wǎng)關(guān)安全管理功能網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D

圖4 4G小基站回傳方案示意圖

（4）全程PTN：對于不具備或不便于采用CMNET回傳、且基站側(cè)具有PTN設(shè)備，或該基站回傳質(zhì)量要求較高的情況，建議采用全程PTN方案。

（5）第三方回傳：當(dāng)末端不具備自有網(wǎng)絡(luò)時，可通過第三方網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)小基站回傳。

結(jié)合網(wǎng)絡(luò)實際情況、業(yè)務(wù)質(zhì)量、操作維護難度等多方面因素分析，建議如下：

◆對于飛基站，一般通過有線寬帶、互聯(lián)網(wǎng)專線等互聯(lián)網(wǎng)端口接入，原則上應(yīng)采用PON+CMNET（方案一）方案連接至小基站網(wǎng)關(guān)。無自有資源時可使用第三方資源實現(xiàn)回傳。

◆對于皮基站，原則上應(yīng)采用PON/PTN+CMNET（方案一和方案二）方案連接至網(wǎng)關(guān)，新建接入設(shè)備時優(yōu)先考慮PON設(shè)備，即選擇PON+CMNET（方案一）。原則上不采用第三方資源回傳。

◆鑒于4G小基站，尤其是飛基站的數(shù)量較多、可規(guī)劃性較差，采用PON+PTN或全程PTN（方案三和方案四）的方案會大大增加4G宏/微基站回傳網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的復(fù)雜性。同時，為實現(xiàn)4G小基站自啟動功能，L3 PTN需要與CMNET互聯(lián)，這將引入較大的安全風(fēng)險，原則上不考慮。

4.2 4G小基站網(wǎng)關(guān)至EPC

4G一體化小基站網(wǎng)關(guān)與MME之間的S1-MME接口、與SAEGW之間的S1-U接口均基于IP承載。4G小基站網(wǎng)關(guān)至EPC主要有兩種方式：

（1）通過PTN方式：對于小基站網(wǎng)關(guān)設(shè)備端口少、流量不大、EPC數(shù)量較多、EPC需要組POOL的情況，可采用和宏站公用端口資源的方式，通過L3 PTN連接至EPC。此方案無需EPC擴容或改造，只需對PTN網(wǎng)絡(luò)進行擴容或改造即可。

（2）直連方式：對于EPC數(shù)量較少且端口多、網(wǎng)關(guān)設(shè)備端口多、小基站流量較大時，可采用小基站網(wǎng)關(guān)和EPC直連方式，即通過光纖或WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分復(fù)用）/OTN（Optical Transport Network，光傳送網(wǎng)）進行連接。但目前的4G小基站網(wǎng)關(guān)設(shè)備端口有限，建設(shè)初期流量不大，因此近期不建議采用此方案。

為減少網(wǎng)關(guān)和EPC設(shè)備端口配置，實現(xiàn)基站靈活歸屬不同EPC的功能，網(wǎng)關(guān)至EPC間原則上首選經(jīng)過L3 PTN的方式，次選直連方式。同時，4G一體化皮基站信令網(wǎng)關(guān)還需具備虛擬網(wǎng)關(guān)和接入多個MME POOL的功能，如圖5所示。

4G一體化皮站信令網(wǎng)關(guān)可虛擬成多個邏輯網(wǎng)關(guān)，和同一個MME建立多條S1連接，申請多個eNB ID；同時支持多MME POOL，支持業(yè)務(wù)的有效負(fù)荷分擔(dān)。

5 小基站網(wǎng)關(guān)部署方式

根據(jù)網(wǎng)關(guān)能力和部署方式的不同，有兩種部署方案，一是全省集中部署，二是與核心網(wǎng)節(jié)點同區(qū)域部署[10]，如圖6所示。

方案一：全省集中部署，各省集中在省會城市放置網(wǎng)關(guān)。對于EPC分區(qū)部署的省份，存在路由迂回，需打通EPC分區(qū)之間的PTN網(wǎng)絡(luò)。

方案二：分區(qū)部署，與EPC節(jié)點部署位置一致，在片區(qū)中心建設(shè)網(wǎng)關(guān)。與核心網(wǎng)部署相對應(yīng)，不存在路由迂回。

考慮到方案一需打通EPC分區(qū)之間的PTN網(wǎng)絡(luò)，以及小基站規(guī)模進一步增加后網(wǎng)關(guān)仍將依據(jù)EPC分區(qū)進行建設(shè)，所以在實際建設(shè)中建議盡量采用方案二。

6 結(jié)束語

圖5 4G小基站信令網(wǎng)關(guān)連接MME POOL示意圖

4G小基站為室內(nèi)覆蓋解決方案提供了多種選擇，具有低成本、部署快、易安裝等優(yōu)點。為加快推進小基站建設(shè)，進一步提升深度覆蓋水平，部署小基站網(wǎng)關(guān)是各省目前重要的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)內(nèi)容之一。本文詳細闡述了小基站網(wǎng)關(guān)的構(gòu)架及其功能，對小基站網(wǎng)關(guān)各種組網(wǎng)方案進行了對比分析，并給出了部署方式的建議。未來隨著小基站建設(shè)的大規(guī)模發(fā)展、網(wǎng)關(guān)支撐能力的提升，對小基站設(shè)備移動性和安全管理等功能的要求還將進一步提高。

圖6 4G小基站網(wǎng)關(guān)部署方案示意圖

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宋文韜：工程師，碩士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)任職于中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，主要從事GSM、TD-SCDMA及TD-LTE等移動通信系統(tǒng)的規(guī)劃、咨詢和設(shè)計工作。

王世魁：工程師，碩士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)任職于中國移動通信集團設(shè)計院有限公司黑龍江分公司，主要研究方向為核心網(wǎng)，無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計及優(yōu)化。

黎丹：工程師，碩士畢業(yè)于天津大學(xué)，現(xiàn)任職于中國移動通信集團公司，研究方向為核心網(wǎng)，無線通信系統(tǒng)的規(guī)劃、咨詢和設(shè)計。

Study on Construction Scheme of 4G Integrated Small Base Station Gateway

SONG Wentao1, WANG Shikui2, LI Dan3
(1. China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China; 2. China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Heilongjiang Branch, Harbin 150080, China; 3. China Mobile Group Co., Ltd., Beijing 100032, China)

In order to optimize the construction of small base stations and enhance the network coverage, the architecture and functions of 4G integrated small base station gateways were introduced. The significance of 4G integrated small base station gateways to the small base station security and signaling management was presented. In addition, the networking scheme and deployment mode of small base station gateways were elaborated. Finally, the guiding suggestions on the construction of small base station gateways were summarized.

4G integrated small base station gateway networking scheme deployment mode

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.15.007

TN915

A

1006-1010(2017)15-0035-05

宋文韜,王世魁,黎丹. 4G一體化小基站網(wǎng)關(guān)建設(shè)方案研究[J]. 移動通信, 2017,41(15): 35-39.

2017-04-21

責(zé)任編輯：文竹 liuwenzhu@mbcom.cn