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面向LTE的IPRAN承载网络规划方案研究
文章来源:本站原创  发布时间:2014-10-28  浏览次数:1092
作者:孙黎莉
(辽宁邮电规划设计院有限公司 110179)
摘  要:LTE(Long Term Evolution)是由3GPP定义并标准化的移动通信长期演进技术,被称为“准4G”技术,是目前三大主流3G技术殊途同归的演进方向。本文将根据LTE较3G模式下新增的承载需求,研究适应LTE的IPRAN承载网络规划方案。
关键词:IPRAN,LTE,网络架构
1引言
      目前各大运营商已经意识到,将包括2G、3G、LTE、IPTV、各类专线、数据等业务进行统一的综合承载是网络发展的目标,综合承载将是未来承载网络的最主要发展趋势。
通过技术演进可以发现,面向全业务的路由型IPRAN承载网是以IP/MPLS技术为基础,在吸纳了传统传送网理念的基础上,又可以进行综合承载和RAN传送。这种综合性的承载网络使得不同的业务在一个物理网络上承载,在保证传送业务质量的同时,不但可以减少网络设备的数量,还可以减少运营商的机房、配电、管线等资源的占用,同时可以真正实现不同业务的统一管理和运维。
2IPRAN网络承载需求
2.13G基站回传承载需求
1、移动核心网分CS域和PS域,CS域主要承载话音,PS域主要承载数据。
2、伴随着3G网络下CS域和PS域的内核IP化,BSC与CS域和PS域的接口已经从TDM接口向IP接口转变。
3、IP化改造前,3G基站语音与数据业务均通过1~18个2M接入RNC;IP化改造后,基站语音与数据业务通过1~2个FE接入RNC。
2.2从3G到LTE新增承载需求
      接入带宽:LTE基站接入带宽可达90M~150Mb/s,分组承载网需支持带宽扩展。
      网络规模:LTE实现深度覆盖,网络节点数将是现有基站数量的2-3倍。
      统一承载:LTE和2G、3G网络共存,承载网考虑多场景统一接入。
      S1和X2:S1为eNB与SGW之间的接口,X2为相邻基站之间的连接。
      S1 Flex:网络需要支持eNB归属于不同的SGW。
      网络QoS:时延要求<20ms,比2G、3G需求更严格。
      时间同步:LTE部分业务需要时间同步。
      网络可靠性:承载IP化同样要求网络保证高可靠性,故障切换小于50ms。
2.3政企客户承载需求
      对于高带宽需求客户,主要采用MSTP方式承载,对于点到点和多点到多点间的通信需求,主要采用城域网L2/L3 VPN承载,对于其他有不同业务等级需求的客户,多采用裸光纤承载。
2.4IPTV业务需求
      IPTV业务在功能上增加了快速频道切换、前向纠错、丢帧重传、提升视频质量等体验功能;在QoS方面,对抖动要求小于50ms,丢包率小于1个/小时,时延小于200ms。
2.5多业务承载需求小结
      综合上述各项业务对网络的需求,可以发现:
(1)LTE网络中,S1和X2接口的引入对于底层承载提出了三层交换的需求,单纯的传统基于MAC地址转发的二层交换能力无法满足S1/X2接口的多样性,即无法实现eNode与多个S-GW和P-GW之间的互通以及多个eNode基站之间的互通。
(2)随着分组业务、视频业务的兴起,业务对带宽的需求逐步增大,基于统计复用的包交换技术成为承载的核心技术;
控制报文:占用少量带宽,QOS要求按高等级配置。
(3)P2P的业务模型成为固定、移动业务未来的发展方向,终端间可路由、可寻址将成为必然需求,因此要求承载网络具备强大的三层路由能力;
(4)实时性业务、关键型业务对网络的QoS和可靠性要求严格,承载网络必须能够保障这些业务的承载质量要求;
(5)为保障业务的安全性,将高附加值业务与个人固定宽带业务隔离是目前较理想的方案。
      过去由于技术所限,一种业务采用一张网络承载,维护复杂,成本高。建设一张融合的IP承载网取代多个不同技术的网络,实现业务的统一承载将势在必行。
3IPRAN网络规划原则
3.1IPRAN网络结构设计原则
      LTE基站传输接入应采用光缆接入方式,并充分考虑IPRAN网络的整体部署策略,充分利用已建传输资源。为减少端到端的跳数,可借鉴传统PSTN网络的组织结构,采用核心层/汇聚层/接入层的3层网络结构。
(6)核心层直接与RNC/SGW或IP骨干网相连,一般采用大容量路由器构建,具备高密度端口和大流量汇聚能力(RAN ER)。主要接入汇聚层流量,担当业务系统网关,对整体流量进行全面的调度,优先采用双上行或MESH组网;
(7)汇聚层由IPRAN汇聚路由器(B类设备)组成,用于接入汇聚A类设备,拥有较强的动态调度功能,优先采用环形或双上行组网;
(8)接入层由连接基站的IPRAN接入路由器(A类设备)组成,接入基站业务,带宽压力小,推荐采用环形、链形或双上行组网。
3.2网络带宽测算原则
      网络流量预测可采用两种方法。方法一可根据承载的用户数量计算流量矩阵,最终得出带宽需求。方法二可根据承载的接入点数量、单点带宽需求进行流量预测。
      设计网络容量时考虑以下指标:
      平均带宽利用率:业务接入总流量/接入链路总带宽;
      设备容量利用率:链路总容量/设备交换总容量;
      接入带宽收敛比:极限汇接总带宽/接入总带宽,初期远大于接入带宽;
      端到端跳数:15或20(按时钟要求)。
      链路带宽按照2~3年业务容量要求设计,避免频繁扩容。确保正常情况下,链路带宽利用率不超过50%,故障情况下,链路带宽利用率不超过70%。
4IPRAN网络规划方案

4.1网络整体目标架构

图1  面向LTE的IPRAN承载网络目标架构示意图
      核心层:
      支持多业务的透传和处理;
      支持Tbit级基于ODU2颗粒的交叉,实现多方向的光电交叉联合智能调度及业务的保护和恢复。
      汇聚层:
      提供MPLS/IP与MPLS-TP两大技术体系的网络构架;
      多种保护、多种QOS以及OAM的实现。
      接入层:
      边缘网络一站式多业务接入;
      完善的端到端业务提供能力和保护机制,满足差异化服务要求。
4.2IPRAN网络流量预测方法

      接入层带宽测算:以每个接入链或环为10个接入点为例,以每个3G节点接入用户3000-5000人计算,可得到每基站30M,后期将扩展至50M的容量,每个LTE基站接入带宽110M。

      前期:每接入点只接入一个3G基站,带宽利用率为30%(=30*10/GE),接口配置为1FE+2E1。
      中期:扩容为10G环,接入一个LTE基站、3G基站、一个2G基站和2个专线,带宽利用率为19%(=(110+30+4+2*20)*10/10GE),接口配置为1GE+5FE+4E1。
      后期:10G环,接入3个LTE基站、3个3G基站,2个2G基站,3个专线业务,3个ETH业务,带宽利用率为59%(=(3*110+50*3+2*4+3*20+3*30*50%)*10/10G),接口配置为3GE+15FE+10E1。

      汇聚层带宽测算:每个汇聚环按照最大6个节点测算。

4.3组网方案选择
      面向LTE的IPRAN网络可采用两种组网方案:
      方案一:PW+L3 MPLS VPN方案。
图2  PW+L3 MPLS VPN组网方案示意图
      接入层设备和汇聚层设备之间通过L2(PW)VPN实现业务转发,汇聚层之间通过L3VPN实现互通,VPN的方式可有效地实现业务的QoS以及保护倒换,其中接入层的设备采用L2 VPN,主要是考虑L2VPN相对L3 VPN对设备能力的要求低,各设备厂商的设备成熟度相对较好。
      方案二:Native IP+L3MPLS VPN方案。
图3  Native IP+L3MPLS VPN组网方案示意图
      接入层到汇聚层采用Native IP。Native IP的设备形态也相对容易获取,该方案接入层设备的业务发放简单,主要的工作就是使能路由协议。但考虑到接入层多业务的发展,需要接入层通过VLAN及vRF-Lite等技术进行隔离,同时需要考虑通过BFD技术,来进行快速故障检测。
      综上所述,如果在考虑综合运维难度、扩展性和成本,L2(PW)VPN+L3 VPN方式最好;如果考虑接入端采用传统IP方式维护,IP+L3 VPN方式简单宜用;而L3VPN到边缘,则无论扩展性及业务提供能力都是最强,但对成本及维护提出较高要求。
      综合推荐采用方案一。
      在LTE阶段,EPC在省会集中设置,省会EPC通过现有MCE或新建EPC CE接入CN2。非省会城市的IP RAN需通过CN2骨干网实现与EPC的互通,即各本地网RAN ER通过10GE接入本地CN2 PE。
4.4时间同步规划方案
      时间同步需能够承载TDM业务以及与PSTN网络进行互通,要求分组传送网在TDM业务入口和出口提供同步功能,实现业务时钟的恢复。 实现对时间和频率同步信号的传送,一个很典型的应用场合就是当利用分组传送网对3G基站业务的承载时,WCDMA空口同步要求非常精确,频率精度为0.05ppm,时间同步精度为1.5us。
      建议从中心IPRAN设备节点引入BITS频率同步信号,下一节点同步与上一节点,同MSTP设备的频率同步。主从时钟的规划同MSTP设备的频率同步。烽火IPRAN时钟同步采用以太网PHY层同步解决方案,其优势为:频率精度更高、更稳定、实现简单。经测试验证,基于同步以太网的PTP时间同步精度更高。
4.5QoS规划方案
      话音业务:话音业务的特点占用带宽不大,但对QOS要求高,要求低延迟,低抖动,低丢报率。话务收敛由eNodeB完成,传送网提供类似刚性管道的传送。因此在网络规划时需要对话音业务带宽需求进行估计和预留设计,在eNodeB设备上对话音业务报文标记高优先级,在传送网络入口进行流量监管,在PTN网络内部提供高优先级业务调度的保证。
      数据业务:数据业务带宽需求大,但数据业务的特点是对QOS要求相对较低,业务可以统计复用,允许较大的收敛比。要求eNodeB对数据业务标识较低优先级,PTN设备基于该优先级调度。 
      管理报文:占用少量带宽,QOS要求按高等级配置。
      控制报文和管理报文需求相同,可由eNodeB标识较高优先级,传送网设备基于优先级调度。每种业务的带宽需求,需要根据无线网络的业务规划计算。
5结束语
      LTE建设步伐的加快,无疑给综合业务承载网带来了新的挑战。网络的扁平化和诸多新型接口的出现对底层承载技术提出了如基站带宽、时延抖动等新的需求,这也标志着承载网正向着分组IP化的方向发展。IPRAN天然具备二三层专线、IPTV组播等业务的承载能力,同时可吸收3G、LTE基站承载的必要需求,满足综合承载的需要。
参考文献
1.袁野 倪玮 面向LTE的承载网技术解决方案及网络架构研究 电信技术 2011
2.赵光磊 IPRAN国内部署道路坎坷,应用前景仍被看好 通信世界 2011
3.邵翀 IPRAN关键技术及其应用展望 电信快报 2012
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