沈梁華 信咨詢設計研究院有限公司綜合院總工程師

梅儀國 華信咨詢設計研究院有限公司高級工程師

陳煒 中國移動通信集團上海有限公司高級工程師

金光 中國移動通信集團上海有限公司工程師

LTE大發(fā)展對傳輸網(wǎng)絡的挑戰(zhàn)及應對策略

沈梁華 信咨詢設計研究院有限公司綜合院總工程師

梅儀國 華信咨詢設計研究院有限公司高級工程師

陳煒 中國移動通信集團上海有限公司高級工程師

金光 中國移動通信集團上海有限公司工程師

中國4G牌照已經(jīng)正式發(fā)放，三大運營商開始進行大規(guī)模的LTE商用網(wǎng)絡建設。本文針對LTE的技術特點，重點探討LTE大發(fā)展對傳輸承載網(wǎng)絡的挑戰(zhàn)及應對策略。

2G 3G LTE PTN

1 引言

2010年12月，工業(yè)和信息化部批復同意TD-LTE規(guī)模試驗總體方案，由中國移動承擔上海、杭州、南京、廣州、深圳、廈門6城市TD-LTE規(guī)模技術試驗網(wǎng)和北京演示網(wǎng)建設；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，標志著中國正式進入了4G時代。

相比較于2G和3G技術，LTE在系統(tǒng)性能上有了跨越式提高，能夠為用戶提供更加豐富多彩的移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務；在技術上更為先進，移動用戶接入速率更高，同時對傳輸承載技術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)模試驗網(wǎng)建設經(jīng)驗積累，運營商現(xiàn)在已經(jīng)全面進入LTE大規(guī)模商用網(wǎng)絡建設階段。傳輸網(wǎng)作為基礎承載網(wǎng)絡，其安全性、可靠性、擴展性、靈活性將直接制約LTE的大發(fā)展，本文將重點探討LTE大發(fā)展的背景下對傳輸網(wǎng)絡的挑戰(zhàn)及應對策略。

圖1 2G/3G與LTE的網(wǎng)絡架構示意圖

2 LTE網(wǎng)絡結構及技術特點

2.1 2G/3G和LTE的網(wǎng)絡架構分析

如圖1所示，在2G/3G的網(wǎng)絡架構下，一個BTS/ NodeB基站只能歸屬于一個BSC基站控制器/RNC無線網(wǎng)絡控制器，電路流量呈匯聚形，業(yè)務通過點到點面向連接的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)絡架構主要由無線側和核心網(wǎng)側兩部分構成，無線側eNodeB除具有原NodeB功能外，還承擔了RNC的大部分功能；核心網(wǎng)側主要包括4種功能實體，即MME（MobilityManagementEntity，移動管理實體）、S-GW（Serving Gateway，服務網(wǎng)關）、P-GW（PDN Gateway，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關）和HSS（Home Subscriber Server，歸屬簽約用戶服務器）。

在LTE系統(tǒng)架構中，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)務流量占整個RAN流量的比例在97%以上，X2業(yè)務流量占整個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)務和信令互聯(lián)，同時要疏導LTE基站間的X2接口流量。

2.2 LTE網(wǎng)絡的接口承載要求

圖2為LTE網(wǎng)絡的接口承載方案。

圖2 LTE網(wǎng)絡的接口承載方案

（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)絡負載分擔、冗余備份的需求，提高網(wǎng)絡的利用率和可靠性。

（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之間直接進行交換，降低轉發(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，必須由分組設備根據(jù)IP地址進行自動轉發(fā)。

（3）LTE網(wǎng)絡的接口承載方案

●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設備，核心PTN設備再通過L3 VPN轉發(fā)到相應的SGW/MME，包括本地和遠端。

●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設備，核心PTN再通過L3VPN轉發(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)絡的挑戰(zhàn)及應對策略

3.1 LTE大發(fā)展對傳輸網(wǎng)絡的挑戰(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基站達到平均帶寬的基礎上，仍能夠保證一個LTE基站達到峰值帶寬。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）站點密度更高

LTE商業(yè)化階段，需要實現(xiàn)LTE網(wǎng)絡的深度覆蓋，網(wǎng)絡節(jié)點總數(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歸一化，2G與LTE在同一區(qū)域滿覆蓋情況下，站點數(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)務分類及性能質(zhì)量要求

（3）業(yè)務分類管理及質(zhì)量要求更嚴格

如表3所示，LTE比3G數(shù)據(jù)業(yè)務更豐富且業(yè)務性能要求更高，相比2G/3G，傳輸網(wǎng)絡須具備針對不同的業(yè)務分類管理和識別功能，具備業(yè)務質(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)絡的應對策略

（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，核心機房的RNC設備主要功能下移到eNodeB，核心網(wǎng)則演進到EPC，eNodeB直接連接到EPC，網(wǎng)絡逐漸向扁平化和網(wǎng)狀網(wǎng)演進，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)務的帶寬需求主要來源于移動數(shù)據(jù)業(yè)務，而數(shù)據(jù)業(yè)務具有流量不確定性和突發(fā)性，分組傳送網(wǎng)PTN技術承載業(yè)務具有收斂匯聚能力強，能有效利用網(wǎng)絡帶寬資源，節(jié)省網(wǎng)絡建設成本。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)點配置一個VRI，并配置相應的IPPW標簽，不同VRI之間通過IPPW實現(xiàn)轉發(fā)隔離。每個eNodeB分配獨立的VLAN，同時分配一個獨立網(wǎng)段的IP地址。S1、X2的業(yè)務在接入?yún)R聚通過E-Line來承載，在核心節(jié)點處，通過不同的虛擬VLAN子接口，終結E-Line業(yè)務（虛擬VLAN子接口需要配置一個和相應基站在同一個網(wǎng)段的IP地址）。

PTN核心層設備負責將X2接口信息按照IP地址轉發(fā)相鄰基站，將S1接口信息按照IP地址轉發(fā)給SGW/MME或SGW/MME-pool中相應的SGW、MME，以實現(xiàn)多歸屬需求。當傳送S1業(yè)務時，在核心節(jié)點的VRI下根據(jù)IP進行轉發(fā)，通過本地IP轉發(fā)到本地的aGW；或通過靜態(tài)IPPW傳送至遠端aGW，實現(xiàn)aGW-pool的調(diào)度。當傳送X2業(yè)務時，在核心節(jié)點的VRI下根據(jù)IP進行轉發(fā)，通過本地IP轉發(fā)到同網(wǎng)段內(nèi)的基站；或通過靜態(tài)IPPW傳送至遠端基站。

（2）LTE傳輸城域網(wǎng)QoS配置管理思路

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

●PTN帶寬統(tǒng)計復用的特點

——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)務流量未超過分配的CIR帶寬時，CIR也可以被其他業(yè)務搶占。

——EIR差值帶寬為網(wǎng)絡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)務優(yōu)先級進行搶占，優(yōu)先級越高搶占帶寬比例越高。

●PTN帶寬配置管理

當LSP1設置為CIR=PIR=1G時，LSP2的CIR受接口3容量限制只能設為0，但是PIR可以設為1G?，F(xiàn)假設LSP2一直有1G的流量，則有下面結果：

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轉發(fā)，該結果表明：CIR配置后若實際帶寬不用，可以被別的用戶共享實現(xiàn)統(tǒng)計復用。

——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轉發(fā)；同時，LSP2會出現(xiàn)丟包，只有1G-A的流量被轉發(fā)。該結果表明：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的流量達到1G，LSP1的全部流量無損從接口3轉發(fā)，LSP2的全部流量被丟棄。該結果表明：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)絡輕載時，基站能夠獲得的最大傳輸帶寬受PIR限制，與CIR無關；如果網(wǎng)絡未發(fā)生擁塞，則滿足所有接入業(yè)務的無損傳送，單業(yè)務的最大帶寬受限于PIR。

網(wǎng)絡擁塞時，基站能夠獲得的最小傳輸帶寬為CIR，并根據(jù)業(yè)務優(yōu)先級獲得額外帶寬；如果實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)務優(yōu)先級進行搶占；如果LTE的業(yè)務優(yōu)先級最高，則搶占最多，實際可獲得的帶寬仍然高于CIR。

某條業(yè)務的CIR不用時，可以被其他業(yè)務搶占；業(yè)務的實際數(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)務搶占；在實際數(shù)據(jù)速增長時，可以迅速搶占部分CIR，不受網(wǎng)絡擁塞、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、提高帶寬利用率，尤其是實際業(yè)務量不大時，不宜配置過高的CIR，易造成網(wǎng)絡能力的超常規(guī)建設。

（3）LTE傳輸城域網(wǎng)擴容思路

LTE傳輸網(wǎng)絡的維護部門要基于流量管理手段，實時掌握業(yè)務流量，定期進行業(yè)務和網(wǎng)絡端口流量分析，及時調(diào)整業(yè)務端口帶寬。根據(jù)帶寬和業(yè)務流量管理原則，適時進行網(wǎng)絡優(yōu)化擴容建設，保持傳輸網(wǎng)絡帶寬彈性，確保業(yè)務快速接入。

——業(yè)務適配原則：根據(jù)基站類型配置帶寬。

——保持彈性原則：網(wǎng)絡帶寬冗余度不低于40%。

——實時監(jiān)測原則：可實時監(jiān)測分析“端口、鏈路、環(huán)”流量，并預警。

——適度超前擴容原則：定期分析環(huán)容量，實際流量＞環(huán)容量50%，及時進行適度超前網(wǎng)絡帶寬擴容；實際流量＞環(huán)容量60%，必須擴容。

LTE大發(fā)展背景下，傳輸網(wǎng)絡要注重架構穩(wěn)定、調(diào)度高效、安全可靠的發(fā)展目標，在光纖基礎網(wǎng)條件較好的情況下，可以考慮為LTE新建一張承載網(wǎng)絡，與2G、3G業(yè)務實現(xiàn)分平面承載。

PTN網(wǎng)絡的接入層、匯聚層、核心層的帶寬可以按照80：60：40比例進行收斂，相應的傳輸網(wǎng)絡擴容建設策略如圖5所示。

圖5 LTE傳輸承載網(wǎng)絡的帶寬規(guī)劃示意圖

●接入層建設思路

在LTE基站大規(guī)模建設時，首保站點接入，兼顧架構調(diào)整，按需擴容帶寬，在綜合考慮帶寬配置、網(wǎng)絡安全性基礎上，同步改造優(yōu)化現(xiàn)網(wǎng)站點，如果改造難度大、周期長，可先接入業(yè)務再安排優(yōu)化改造計劃。

接入環(huán)上的節(jié)點數(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)點數(shù)量控制在4～6個以內(nèi)（含下掛鏈上節(jié)點），對于環(huán)路節(jié)點數(shù)量或環(huán)路所接入LTEBBU數(shù)量較多的站點（7個以上），根據(jù)環(huán)路帶寬需求建設10GE接入環(huán)或者雙GE接入環(huán)。

●匯聚層建設思路

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

●核心骨干層建設思路

核心層全面采用OTN技術組網(wǎng)，根據(jù)業(yè)務需求適時引入100G技術，并向格狀網(wǎng)絡演進，組建環(huán)網(wǎng)與點對點直達的系統(tǒng)。

4 結束語

LTE作為4G移動技術在為用戶提供高速率接入和豐富業(yè)務應用的同時，對傳輸承載網(wǎng)絡新增傳輸接入節(jié)點、擴容網(wǎng)絡帶寬容量、構建業(yè)務分類管理和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，提前做好應對措施。

2014-11-29）