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专网通信
基于LTE的本地传输网建设策略研究
文章来源:本站原创  发布时间:2014-10-28  浏览次数:1299
作者:白羽
(辽宁邮电规划设计院有限公司 110179)
摘  要:自国内三大通信运营商获得LTE牌照后,均具有了4G业务的运营能力,4G网络建设也在逐步开展,这也对本地传输网提出了新要求。本文详细阐述了LTE对本地传输网的承载需求变化以及由现有传输网络向支持4G平滑演进的策略和方式,给出了适合未来4G业务发展的本地传输网建设新趋势。
关键词:4G   LTE   PTN   IPRAN
1 概述
      在移动互联大发展的趋势下,国内各大运营商的本地业务已逐渐呈现出分组化、大颗粒化及分散化等特征。分组业务将逐步成为城域网内主要业务,同时其带宽需求呈现出快速增长态势。为适应业务分组化、大颗粒化承载需求,国内各大运营商近年基本停止了MSTP网络的建设,陆续引入了PTN、IP RAN、OTN等新技术,有效支撑了3G业务的开展。LTE牌照下发后,4G建设提上日程,本地传输网如何支撑从3G向LTE的演进、如何适应2G/3G/LTE协同发展、如何以低成本打造高可靠的精品承载网络,成为目前各大运营商面临的首要问题。
2 LTE承载需求新变化
      作为新一代移动通信技术,LTE较之前2G/3G技术具有更显著的无线带宽优势,可以为终端用户提供高清视频点播、在线游戏互动、高清视频会议等更为丰富的业务种类和更顺畅的业务体验。同时,LTE网络结构的扁平化推动基站承载网从“点到点”向“多点到多点”演进,与传统2G/3G网络相比,LTE网络结构更加扁平化、网络结构功能也更加复杂,对网络带宽、时延、QoS等能力提出了更高的要求。
2.1 网络结构扁平化
      相对于2G/3G网络,LTE网络架构发生了显著的变化:整个无线网络由eNodeB和aGW两部分构成,网络趋于扁平化。aGW作为核心网的一部分,包括三种功能实体:MME(Mobility Management Entity,移动管理实体)、SGW(Service Gateway,服务网关)和PGW(PDN Gateway,分组数据网网关)。原来的RNC/BSC消失,其功能分解到eNodeB和SGW/MME上。eNodeB除具有原NodeB功能外,还承担了RNC的大部分功能。

图1 2G/3G及LTE无线网络架构对比
2.2 网络接口变化
      LTE接入承载网主要面临两种接口,一个是S1接口,用于基站和核心网网关之间的连接;另一个是X2接口,用于基站和基站之间的逻辑连接。S1接口具有较强的开放性,负责用户的高清视频点播、高清视频监控、实时在线游戏、音乐下载和移动电视、高速上网等业务的连接承载。X2接口,定位于改善用户跨基站移动切换时的体验。当切换完成后,业务还是要经过S1进行传输。由于基站覆盖相邻关系的复杂性,X2这种连接关系只可能通过静态配置来实现。也就是LTE的承载网在上业务之前,X2和S1接口都已配置好(包括连接关系、保护方式和QoS特性等),这种连接关系不会自动改变。所以,LTE承载网本质上基于有连接技术实现。
2.3 L3转发需求
      S1接口和X2接口的出现,使LTE网络由“点到点”演变成为“多点到多点”的扁平化结构,一个eNodeB可以同时归属于多个SGW/MME,而相邻eNodeB之间需要通过X2接口相连。LTE RAN的扁平化结构,使得LTE RAN的流量转发趋于扁平化,为每个基站建立多条单独的路径的方式已经不具备实施的可能性,这就要求传输网在原有基础上支持三层转发功能以实现LTE流量的疏导。
2.4 带宽需求大、站点密度提高
      LTE初期基站平均带宽达到120M左右,峰值带宽超过300M,理论峰值可以达到450M,相比2G/3G制式的峰值速率提高了几十倍,更高的接入速率必然对承载网络提出更大的带宽需求。同时,LTE站平均间距在600-800米左右,较2G/3G站间距大幅缩小,基站逐渐实现深度覆盖,网络节点数比现有节点数将成倍增长,大网时代来临。

图2 2G、3G、LTE带宽需求对比
2.5 QoS
      LTE无线层通过信令控制、资源预留等可端到端实现业务层QoS控制,但随着承载网的IP化,网络拥塞、丢包、抖动、延时等质量问题将影响到LTE业务层的QoS质量。
      LTE基站承载QoS有两个关键需求:一个是保障高等级的业务优先转发,另一个是保障在发生拥塞时重要基站业务可用(如灾难或者重大事件发生时,政府机关、医院、学校等重要区域的基站)。这就要求承载网能够支持分层QoS(H-QoS)处理能力,能针对不同基站和不同业务执行层次化的队列调度能力,确保重要基站永不掉线。
2.6 时延
      LT E的设计目标是要能够达到固网宽带业务的能力。传统3G/HSDPA架构从最终用户到业务之间经过四级协议处理,带来很大时延和高昂的成本。而LTE支持扁平架构,大大减少了协议处理的时延,提升了宽带业务性能。但由于无线侧空口上的编码消耗了大量的时延,为达到与固网相同的端到端业务性能指标,LTE承载网上的时延要求比传统固网宽带承载网更加严格。为了满足LTE的高呼通率和服务质量要求,承载网络必须保证低时延,比2G/3G时的要求更加严格,其中S1逻辑连接的承载时延理论值为5-10ms,X2连接的承载时延理论值为10-20ms。
      与传统2G/3G相比,LTE是一个全新的网络结构,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新的需求,主要从业务接口、基站带宽、时延抖动、时间同步等几个方面对分组承载网络都有着新的要求。
3 LTE承载网建设方案
3.1 组网结构
      4G站点规模建设后,与2G/3G相比,LTE站点将更多、密度更大,LTE深度覆盖后,网络节点数将为现网的2-3倍,而且RRU拉远站的比例较高。由于现有管道、光缆等网络资源的限制,如果按照以往2G/3G的方式组基站接入传输环的方式进行建设会比较困难,也会浪费大量的光缆管道资源。结合LTE站点特点,本地传送网核心汇聚层网络结构可以不做大的变化,接入层的网络结构和组网方式需要进行相应的调整。在现有的基站、室分、接入网、模块局等接入层机房中选择条件较好的作为LTE业务接入点,通过主干光缆环上联到汇聚节点,接入点中BBU集中设置,同时配置相应的接入传输设备,接入点周围的RRU拉远站点就近通过光交或直接接入到LTE业务接入点,实现4G业务的高效接入和收敛。

图3 LTE站点接入组网结构
3.2 传输系统
      目前国内各大运营商本地传输网中已建设有一定规模的WDM/OTN、MSTP、PTN、IPRAN等系统,IP over WDM/OTN是满足当前及未来发展趋势的核心汇聚层最佳解决方案。因此,E-UTRAN承载方案就成为LTE承载网的研究重点。E-UTRAN承载网也叫LTE回传网,主要是指城域传送/承载网部分,其解决方案应满足LTE高带宽、灵活的业务调度、组大网、多业务承载、高可靠性和QoS、低时延、时间同步等方面的要求。根据各运营商现有网络的现状,LTE承载主要有以下几种建设模式。
1、PTN+CE方案
      对于以PTN系统为主的本地传输网,沿用以往PTN组网的结构,PTN网络仅使用L2功能,实现对业务的端到端配置及管理。在PTN网络核心汇聚节点和无线主设备(如BSC、RNC、SGW等)之间引入CE设备,使用双归属配置,满足业务调度、业务汇聚的需求,实现交换或者多归属业务的灵活调度。CE路由器之间互联,用于保护倒换。CE统一通过三层转发功能,为S1提供灵活的调度能力,以及X2接口的转发能力。跨区域的业务需通过CE进入IP专网,调度至另一地市的CE路由器。
      PTN内部、PTN与CE间,以及CE和无线主设备采用分布式保护,从而实现了端到端的无缝覆盖保护。同时,保护方式高效灵活,维护分工界面清晰。对于单归保护,延用现网的PTN保护方案。对于双归保护,引入PW APS等系列化技术方案。
      PTN系统内部、PTN和CE间,以及CE设备间,使用分段式OAM的方式。通过技术组合,各段间OAM实现了正常对接。

图4 PTN+CE方案组网结构
      PTN+CE方案适用于以PTN设备为主的本地网,优势在于CE设备对L3功能支持好,现网PTN设备不需要升级。
      在网络管理和维护方面,PTN+CE方案由于采用多专业设备混合组网,存在维护界面接口,故障定位存在困难,且建设成本较高;此外,其业务开放和网络维护需要联合多专业开展,网络管理困难。
2、IP RAN方案
      对于使用IP RAN路由型设备端到端组网的本地网,可以从核心层到接入层全网采用动态路由协议承载IP类业务,采用PWE3管道方式承载TDM/ATM等传统业务。对于IP基站业务,可使用PW把IP基站接入到L3VPN,实现IP基站和BSC/RNC的互通。对于TDM/ATM基站,使用端到端PW承载 , 需要为每个ATM/TDM基站配置一个PW,网络规划及维护简单。对于大型基站承载网,可以考虑使用PW交换降低核心节点隧道数量压力。

图5 IP RAN方案组网结构
      IP RAN承载方案适用于以IP RAN等路由型设备为主进行建设的本地网,处理LTE的动态业务具有天然的优势,具有端到端灵活业务调度能力,无需像L2那样需要预先建立很多的通道。可以满足3G和LTE移动回传网络的发展需求,可以实现未来承载网的多业务承载。但全路由器方案存在的最大问题就是建网成本相对较高,设备功耗较大,网络保护、OAM能力相比PTN设备要弱。此外,IP RAN的承载方式打破了运营商传统传输专业的运维和管理思路,如何与原有MSTP网络协调发展以及平稳过渡是需要进一步探讨的课题。
3、PTN与L3混合组网方案
      PTN核心层设备升级支持简化L3VPN,提供基于IP地址的转发能力,满足LTE承载对S1的灵活调度以及X2接口的IP转发需求。对于S1和X2流量,经接入层PTN统一送到核心层PTN,由核心层PTN根据目的IP地址查找L3VPN的路由表,封装LSP和L3VPN的标签,经由核心层设备间的转发到达归属的SGW/ MME,或是决定流量送往非本地归属的基站。
      L3 PTN与SGW/MME相连,只有跨城域的流量才需要经过OTN专线或IP专网转发。

图6 PTN+L3方案组网结构
      PTN与L3混合组网方案适用于以PTN设备为主的本地网,优势在于全网同一设备,可以实现端到端的管理,便于统一运维,时延小,另外该方案不需要增加CE设备,成本较低,不足在于核心层PTN需要升级才能支持L3功能。
4 结论与展望
      LTE的规模商用即将全面开展,LTE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三层转发功能、基站带宽和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。随着PTN、IPRAN技术应用的逐步成熟、完善,各运营商可以针对自身网络实际情况,选择合适的LTE承载方案进行网络建设,全面支撑4G业务的顺利开展。
同时兼顾原有2G/3G业务,满足无线技术发展不同阶段的差异化需求。
参考文献:
[1] 刘维均. TD-LTE传输承载方式的思考[J]. 广州:科学之友,2013(4).
[2] 李露文. LTE数据传送能力分析[J]. 北京:移动通信,2012(19).
[3] 仪鲁男. LTE技术演进及网络部署浅析[J]. 北京:电信网技术,2011(7).

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