孫 祾

(吉林大學長春電信工程設計院股分有限公司，長春130012)

0 引 言

中國移動作為世界規(guī)模最大的電信運營商，在3G(3rd-Generation)時代承擔起擁有我國自主知識產權標準的TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access)第三代移動通信網(wǎng)絡的建設與運營。然而，受技術特性、產業(yè)鏈規(guī)模能力等因素的影響，中國移動的TD-SCDMA網(wǎng)絡同中國電信、中國聯(lián)通的3G網(wǎng)絡相比均存在一定的劣勢，盡早引入TD-LTE(Time Division Long Term Evolution)是中國移動迫切和必然的選擇。而TD-LTE的引入，將會對現(xiàn)有城域傳送網(wǎng)的帶寬、時延、IP化和網(wǎng)絡結構等方面提出更高的要求。在這種形勢下，面向TD-LTE時代的移動城域傳送網(wǎng)如何建設，是筆者討論的主要內容。

1 移動城域傳送網(wǎng)現(xiàn)狀分析

中國移動城域傳送網(wǎng)自2001年開始建設以來，經(jīng)過十余年的持續(xù)建設和優(yōu)化，已具備相當?shù)囊?guī)模，基本能滿足當前移動業(yè)務發(fā)展的需求。網(wǎng)絡結構基本按核心、匯聚和接入3層結構進行組網(wǎng)。在技術層面，形成以 SDH/MSTP(Synchronous Digital Hierarchy/Multi Service Transport Platform)、DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)技術為基礎的城域傳送網(wǎng)，這些技術很好地適應了以TDM(Time-Division Multiplexing)語音業(yè)務為主、IP化數(shù)據(jù)業(yè)務為輔的運營環(huán)境。然而中國移動TD-SCDMA網(wǎng)絡商用后，分組業(yè)務需求增加，基于IP的數(shù)據(jù)業(yè)務將逐漸成為城域傳送網(wǎng)的傳輸主體。雖然SDH/MSTP也具有一定的多業(yè)務承載能力，但基于TDM的內核使其在承載IP分組業(yè)務時效率較低、配置復雜、并且靈活性和擴展性也較差，尤其是在業(yè)務需求驅動網(wǎng)絡向ALL IP化發(fā)展進程中，海量IP化業(yè)務將使現(xiàn)有傳送網(wǎng)無法繼續(xù)承載業(yè)務需求。因此，中國移動在城域傳送網(wǎng)中引入PTN(Packet Transport Network)技術，以解決分組業(yè)務需求，PTN網(wǎng)絡與原有SDH/MSTP網(wǎng)絡并行獨立組網(wǎng)，分別滿足各自承載業(yè)務需求。

隨著TD-LTE的引入、IP化業(yè)務量爆炸式猛增以及城域傳送網(wǎng)管道、光纜基礎類資源建設難度加大，移動公司將面臨著業(yè)務需求不斷增加和承載網(wǎng)資源有限的雙重壓力。在這種形式下，移動城域傳送網(wǎng)未來的發(fā)展和建設，成為當前網(wǎng)絡建設的最大困惑。

2 TD-LTE主要技術特點及其承載需求

2.1 TD-LTE的主要技術特點

TD-LTE是新一代寬帶移動通信技術，也是我國擁有自主知識產權TD-SCDMA的后續(xù)演進技術，其在系統(tǒng)性能上相比3G有了跨越式提高，網(wǎng)絡結構也與3G網(wǎng)絡發(fā)生很大變化(見圖1)。

圖1 網(wǎng)絡結構變化圖Fig.1 The change of network structure

從圖1可看出，TD-LTE的主要技術特征如下。

1)網(wǎng)絡ALL IP化。TD-LTE系統(tǒng)架構是在原有3GPP系統(tǒng)架構基礎上演進的，核心網(wǎng)取消了電路域(CS:Circuit Switched)，系統(tǒng)由 EPC(Envolved Packet Core)和eNodeB(Evolved Node B)兩部分組成。ALL IP的EPC支持3GPP(3rd Generation Partnership Project)和非3GPP等各類技術的統(tǒng)一接入，可實現(xiàn)靈活支持VoIP(Voice over Internet Protocol)以及基于IMS(IP Multimedia Subsystem)的多媒體業(yè)務。

2)網(wǎng)絡結構扁平化。相比原來3G系統(tǒng)，TD-LTE將系統(tǒng)無線接入部分的RNC(Radio Network Controller)和NodeB合并為eNodeB，取消了原來的RNC。無線部分只有eNodeB，eNodeB除具有原來NodeB功能外，還承擔著原RNC的大部分功能。eNodeB通過S1接口直接與EPC連接，簡化了網(wǎng)絡結構，減少了時延。另外，eNodeB之間可采用Mesh結構通過X2接口直接互聯(lián)。

3)數(shù)據(jù)業(yè)務寬帶化。同TD-SCDMA相比，TD-LTE系統(tǒng)最重要的改進在于采用全新的空中接口技術，既在保持原TDD優(yōu)點的基礎上，引入了多天線(MIMO:Multiple Input Multiple Output)和頻分復用(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexiny)技術。從而極大地增加了系統(tǒng)的信道帶寬容量，能為用戶提供更加豐富多彩的移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務。

2.2 TD-LTE的承載需求分析

TD-LTE的主要技術特點使其對承載網(wǎng)的需求也相應地發(fā)生了很大變化，下面對TD-LTE對承載需求的變化做進一步分析。

1)網(wǎng)絡結構。由于TD-LTE網(wǎng)絡中eNodeB通過S1接口直接與EPC連接，中間省略了RNC，使網(wǎng)絡結構扁平化。而相鄰eNodeB之間可通過X2接口直接互聯(lián)，在接入層將形成網(wǎng)狀網(wǎng)結構。但X2接口的流量占總流量的比重很小，且eNodeB之間一般很少有直接的物理路由，所以，X2業(yè)務需求應通過承載網(wǎng)核心層設備迂回。因S1和X2均是基于IP尋址的，引入S1和X2接口后，承載網(wǎng)需要支持3層功能才能對TD-LTE流量進行疏導，所以使TD-LTE網(wǎng)不同于原有2G/3G匯聚型的網(wǎng)絡結構。

2)帶寬需求。根據(jù)中國移動在上海世博會開展的TD-LTE演示網(wǎng)絡實測的數(shù)據(jù)表明，在一般典型配置條件下，分別以S1/1/1站型的宏基站和O1站型的室內分布站為例，TD-LTE基站主測區(qū)帶寬速率如表1所示。

以上僅是TD-LTE演示網(wǎng)絡實測和經(jīng)驗估算的數(shù)據(jù)，在實際應用中，由于區(qū)域、場景和環(huán)境等因素的不同，實際的帶寬流量會有很大差異。另外，在實際工程中，不能按峰值速率配置傳送網(wǎng)，因為會造成網(wǎng)絡資源的巨大浪費。因此，在實際工程中應按保證帶寬需求配置傳送網(wǎng)。保證帶寬的計算方式也有很多種，通常是按峰值帶寬的收斂比計算，也可采用網(wǎng)絡仿真的方式計算，具體計算方式及系數(shù)的取定要結合網(wǎng)絡的實際、業(yè)務需求及網(wǎng)絡經(jīng)濟效益情況而定。

表1 TD-LTE基站演示網(wǎng)主測區(qū)速率Tab.1 TD-LTE base station shows network rate in main area

根據(jù)中國移動對6個城市開展的TD-LTE試驗網(wǎng)測試結果，同時，充分考慮網(wǎng)絡的經(jīng)濟效益及市場環(huán)境，以典型的宏基站S1/1/1站型和室內分布站O1站型為例，實際工程中綜合取定的主測區(qū)帶寬流量數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可以看出，同2G/3G網(wǎng)絡的傳輸帶寬需求相比，TD-LTE對城域傳輸網(wǎng)提出了前所未有的帶寬需求［1，2］。

表2 TD-LTE基站試驗主測區(qū)速率Tab.2 TD-LTE base station test network rate in main area

1)時延。3GPP定義S1時延應小于5 ms，X2理想傳輸時延約為10～20 ms，可見TD-LTE對承載網(wǎng)的時延要求較高。

2)網(wǎng)絡同步。TD-LTE網(wǎng)絡對時間同步有要求，目前只有GPS(Global Positioning System)和1588v2能滿足其同步要求。與GPS同步方式相比，全網(wǎng)采用1588v2地面同步技術可使投資更低，可作為GPS失效時的同步保護方案，且無國家安全風險。

3 面向TD-LTE移動城域傳送網(wǎng)技術分析

通過對TD-LTE的主要技術特點及其承載需求分析可知，在引入S1和X2接口技術以后，其對承載網(wǎng)的靈活調度能力有了更高的要求，也打破了原有2G/3G承載網(wǎng)的架構，相比原有2G/3G承載網(wǎng)需要引入L3-VPN路由技術。因此，從技術選擇上看，目前主要有以下幾種技術:Native ETH、Native IP、L2-VPN(Layer2-Virtual Private Network)和L3-VPN等可以考慮。對于中國移動網(wǎng)絡，可靠性和安全性是承載網(wǎng)的最基本要求。并且，為滿足TD-SCDMA網(wǎng)絡的商用，中國移動已經(jīng)建設了一定規(guī)模的PTN網(wǎng)絡，從既要很好地滿足TD-LTE承載需求，又要保護已有投資的角度考慮，Native ETH和Native IP顯然不是中國移動最適合的選擇。而單純的L2-VPN在網(wǎng)絡擴展性上又會受到一定的制約，全網(wǎng)采用L3-VPN將增加全網(wǎng)建設和運維的成本。因此，采用L2-VPN+L3-VPN技術組合方式，是TD-LTE承載方案的必然選擇，即在核心層采用L3-VPN技術，在匯聚和接入層仍然采用L2-VPN技術。而核心層支持L3-VPN功能，具體有兩種可實現(xiàn)方式:PTN(Packet Transport Network)+CE(Customer Edge router)和PTN核心層支持L3-VPN功能。

PTN+CE方式是以PTN為主，在傳送網(wǎng)匯聚、接入層采用PTN組網(wǎng)，采用端到端的L2-VPN功能，在核心層引入CE負責L3-VPN轉發(fā)功能，實現(xiàn)核心、匯聚層設備的L3-VPN互聯(lián)。PTN核心層引入CE后，在傳送網(wǎng)內可實現(xiàn)S1和X2接口的靈活調度。但目前PTN與CE互通的保護機制尚不完善，PTN和CE混合組網(wǎng)缺乏端到端的保護能力，不能實現(xiàn)統(tǒng)一網(wǎng)管，需要傳輸和數(shù)據(jù)兩個專業(yè)相互配合，分專業(yè)維護;故障定位難度較大，且與PTN相比，CE在OAM(Operation Administration and Maintenance)、保護能力、時間同步等方面還不夠完善。

PTN核心層支持L3-VPN功能是全程采用PTN組網(wǎng)，形成PTN端到端的組網(wǎng)模式。即核心層PTN設備具備L3-VPN功能，以實現(xiàn)基于IP地址的電路調度，負責對S1接口的靈活調度以及X2接口的IP轉發(fā)，支持L2到L3的橋接功能和靜態(tài)L3-VPN功能，并提供OAM和網(wǎng)絡保護。匯聚和接入層仍采用L2-VPN功能，用PW(pseudowire)封裝，通過E-Line模型傳送相應的業(yè)務至核心層PTN設備。該方式能夠實現(xiàn)PTN端到端的統(tǒng)一網(wǎng)絡管理，便于實現(xiàn)全網(wǎng)的統(tǒng)一維護和管理。另外，PTN的技術特性決定了該方式相比于PTN+CE具有更好的保護能力、更完善的OAM故障和性能管理功能、更嚴格的QoS和完善的同步機制。

由以上分析并考慮已有網(wǎng)絡現(xiàn)狀，采用PTN全程組網(wǎng)方式作為其未來面向TD-LTE的城域傳送網(wǎng)技術，是中國移動的最佳選擇。全程采用PTN技術組網(wǎng)，以PTN核心層支持L3-VPN功能的方式作為其具體組網(wǎng)模式，具體方式如圖2所示［3-7］。

圖2 PTN核心層支持L3-VPN方案網(wǎng)絡結構圖Fig.2 The network structure of the core layer PTN supporting L3-VPN

另外，隨著接入層對帶寬需求的不斷增加，匯聚層和核心層將面臨巨大的壓力，同時受城市管線資源限制，在核心層甚至匯聚層適時引入OTN技術也是很好的選擇。OTN是以WDM技術為基礎，在光層上組織傳送網(wǎng)。OTN克服了傳統(tǒng)WDM系統(tǒng)無波長/子波長業(yè)務調度、組網(wǎng)和保護等能力弱的缺點，可在光域內實現(xiàn)業(yè)務信號的傳遞、復用、路由選擇和監(jiān)控等功能。盡管OTN技術從本質上而言是TDM技術，但考慮到OTN擅長大顆粒業(yè)務調度、超大帶寬傳輸，PTN擅長小顆粒業(yè)務調度、靈活接入和匯聚收斂的特性。在城域傳送網(wǎng)核心層甚至匯聚層引入OTN技術作為透明傳送平臺，以OTN+PTN方式組建城域傳送網(wǎng)，能起到取長補短的作用。同時，可進一步推動城域傳送網(wǎng)向統(tǒng)一融合的扁平化網(wǎng)絡方向演進［8-10］。

4 面向TD-LTE移動城域傳送網(wǎng)建設思路

4.1 總體網(wǎng)絡架構

中國移動城域傳送網(wǎng)不論是在物理層面還是邏輯層面，網(wǎng)絡結構基本形成以核心層、匯聚層和接入層構建的3層網(wǎng)絡結構。通過對TD-LTE的主要技術特點及承載需求分析可以得出，在未來3～5年內，現(xiàn)有承載網(wǎng)的網(wǎng)絡架構仍然可以滿足業(yè)務網(wǎng)的發(fā)展需求。另外，在整個城域傳送網(wǎng)投資中，基礎物理資源即城域傳送網(wǎng)的管道和光纜資源占總投資的比重很大。而基礎物理資源一旦形成，很難再調整，并且近年隨著城市建設越來越規(guī)范化，基礎物理資源建設難度越來越大，建設成本也在不斷增加。保持基礎物理資源基本不變，是對多年大量投資的最好保護。因此，面向TD-LTE，中國移動城域傳送網(wǎng)應選用PTN技術，網(wǎng)絡結構基本保持不變，即核心層、匯聚層和接入層3層架構。其目標網(wǎng)絡結構如圖3所示。

圖3 TD-LTE承載網(wǎng)目標網(wǎng)絡結構圖Fig.3 The target network structure of the TD-LTE carrier network

4.2 城域傳送網(wǎng)接入層建設思路

中國移動城域傳送網(wǎng)接入層主要負責移動基站、集團客戶、營業(yè)廳和部分家庭客戶的接入。在TD-LTE發(fā)展初期，帶寬需求不是很大且兼顧已有PTN網(wǎng)絡現(xiàn)狀情況下，PTN接入層應將沿用GE(Gigabit Ethernt)組環(huán)方式，大型城市及帶寬需求很大的區(qū)域也可考慮升級或新增10GE環(huán)。根據(jù)TD-LTE技術特性及帶寬需求分析，以典型S1/1/1站型的宏基站為例，按單基站保證帶寬80 Mbit/s計算，同時考慮3G站帶寬20 Mbit/s，2G站帶寬6 Mbit/s，則一個PTN節(jié)點的帶寬需求為106 Mbit/s?？紤]峰值帶寬需求，為每個接入環(huán)預留200 Mbit/s帶寬，可以得出每個接入環(huán)(含下掛支鏈)的節(jié)點數(shù)為:(1 000 Mbit/s-200 Mbit/s)/106 Mbit/s≈7.5個，因此，每個GE接入環(huán)的節(jié)點數(shù)(含下掛支鏈)一般應在6～8個之間，具體數(shù)量也要根據(jù)實際需求確定。由于現(xiàn)網(wǎng)的PTN接入環(huán)是為承載3G業(yè)務而建設的，環(huán)上(含下掛支鏈)的節(jié)點數(shù)通常達10個左右或更多。而TD-LTE基站相比2G、3G站，站址更密、帶寬需求更大，要求環(huán)上節(jié)點數(shù)更少，組環(huán)區(qū)域更小。因此，在TD-LTE發(fā)展初期，對現(xiàn)有PTN接入環(huán)進行大量的改造和優(yōu)化是中國移動的必然選擇，其具體改造和優(yōu)化方式有如下幾種。

1)環(huán)路疊加方式。保持原有結構不變，通過多使用一對纖芯，在環(huán)上原有各節(jié)點設備上均新增線路側GE光口的方式，直接疊加一個新的接入環(huán)。該方式設備投資不大，基本不影響已有業(yè)務，但會多占用光纜纖芯資源。

2)跳點組環(huán)方式。保持原有結構不變，通過多使用一對纖芯，跳點組環(huán)，由一個環(huán)演變?yōu)閮蓚€環(huán)，以達到減少環(huán)上節(jié)點數(shù)量的目的，增加單環(huán)容量。該方式不增加設備投資，但同樣會多占用光纜纖芯資源。

3)拆環(huán)方式。充分利用已有或新建少量光纜，通過減少環(huán)上節(jié)點連通的方式，對原現(xiàn)有接入環(huán)進行拆分。此方式無需新增任何設備，但環(huán)路拆分和割接將影響現(xiàn)網(wǎng)已有業(yè)務，且占用光纜纖芯資源，甚至需求新建光纜和管道。

另外，從網(wǎng)絡安全角度考慮，對于不具備后備電源的基站，原則上不應納入接入環(huán)網(wǎng)結構上;接入環(huán)也應上聯(lián)至同一匯聚環(huán)的兩個匯聚節(jié)點上。

在TD-LTE發(fā)展中、遠期，隨著帶寬需求的增加，應將PTN接入層通過新增或升級改造為10GE 環(huán)［11］。

4.3 城域傳送網(wǎng)匯聚層建設思路

匯聚層由具有匯聚節(jié)點的設備構成，負責一定區(qū)域內的業(yè)務匯聚和疏導，用于擴大核心層節(jié)點的業(yè)務覆蓋范圍。匯聚層網(wǎng)絡結構應以環(huán)型為主，匯聚層節(jié)點要配置大型PTN設備。采用L2-VPN分組轉發(fā)功能，以10GE光口組環(huán)，匯聚層帶寬利用率不應超過70%。根據(jù)工程實際經(jīng)驗，接入層、匯聚層和核心層帶寬流量收斂比按4∶3∶2取定。由第4.2節(jié)可知，每個接入環(huán)節(jié)點數(shù)是6～8個，這里取7個，由此可計算出每個匯聚環(huán)最多可接入環(huán)個數(shù)為:70% ×10 000 Mbit/s×4/3/(7×106 Mbit/s+200 Mbit/s)=10個。當然，在實際工程中，從安全角度和網(wǎng)絡的可拓展性方面出發(fā)，一般情況下每個匯聚環(huán)所帶接入環(huán)數(shù)量不應超過8個。同樣，每個匯聚環(huán)的節(jié)點數(shù)量一般為4～6個。在TD-LTE發(fā)展初期，當匯聚層容量緊張時，可采用疊加雙10GE環(huán)的擴容方式，以滿足接入層對帶寬的需求。

另外，由于TD-LTE站距較小，站址較多，導致現(xiàn)網(wǎng)普遍存在匯聚節(jié)點數(shù)量不足，結構布局不合理，匯聚機房面積較小，電力系統(tǒng)容量不足及數(shù)匯聚機房不雙向物理路由等問題，所以將嚴重制約TD-LTE承載網(wǎng)的發(fā)展。中國移動在TD-LTE發(fā)展初期，應優(yōu)先考慮增加新的匯聚節(jié)點機房，優(yōu)化現(xiàn)有匯聚點的結構布局，為承載網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展打下良好的基礎。

在TD-LTE發(fā)展中、遠期，特別是接入層已升級為10GE環(huán)或光纜纖芯資源受限的情況下，則可有兩種演進方式:

1)將OTN直接下沉至匯聚層，以PTN+OTN方式組網(wǎng);

2)在匯聚層部署40GE的PTN設備。

目前商用PTN的線路帶寬還停留在GE和10GE水平上，但隨著PTN技術的發(fā)展，40GE甚至100GE的PTN技術一定會實現(xiàn)商用［12-14］。

4.4 城域傳送網(wǎng)核心層建設思路

核心層是實現(xiàn)幾個中心局之間的大容量業(yè)務調度和多業(yè)務傳輸，并負責與上層網(wǎng)絡的連接及與其他網(wǎng)絡互連互通，是城域傳送網(wǎng)的核心部分。面向TD-LTE，核心層PTN設備負責將X2接口信息按照IP地址轉發(fā)給相鄰基站，將S1接口信息按照IP地址轉發(fā)到EPC，以實現(xiàn)歸屬需求。因此，在核心層應通過新建、替換或升級的方式支持L3-VPN功能，實現(xiàn)IP地址的電路調度。根據(jù)目前PTN技術的成熟度及TD-LTE發(fā)展初期流量不大，核心層PTN應采用10GE組環(huán)，每個環(huán)節(jié)點數(shù)量2～4個，其下掛匯聚環(huán)數(shù)量也不宜超過6個，利用率應控制在70%以內。在TD-LTE發(fā)展中遠期，可根據(jù)40GE和100GE的PTN技術的商用成熟度，在核心層部署40GE甚至100GE的PTN，并組建OTN網(wǎng)絡以實現(xiàn)大顆粒業(yè)務調度以及核心層的靈活組網(wǎng)需求。

5 結 語

雖然城域傳送網(wǎng)中PTN、OTN技術得到了一定的發(fā)展，但它仍屬新生事物，尚處在不斷改進和完善之中，各方面也都在積極探索和研究中，未來還可能會有新技術出現(xiàn)。筆者關于面向TD-LTE時代的移動城域傳送網(wǎng)建設思路的研究，是基于筆者對實際工程設計工作的總結和分析，希望其能起到拋磚引玉的作用，對移動運營商的網(wǎng)絡建設有所益處。

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