TD-LTE RAN承載網(wǎng)技術(shù)方案研究

陳曉明 高軍詩(shī) 李勇

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100080）

1 前言

新一代寬帶無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)（LTE，Long Term Evolution）作為信息通信技術(shù)發(fā)展方向的代表，逐漸受到各國(guó)政府及運(yùn)營(yíng)商的關(guān)注。TD-LTE作為L(zhǎng)TE技術(shù)的重要分支，是我國(guó)在通信行業(yè)取得的重大突破TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的后向發(fā)展路標(biāo)和向IMTAdvanced（4G）演進(jìn)的方向，是我國(guó)發(fā)展成為通信強(qiáng)國(guó)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

北歐運(yùn)營(yíng)商TeliaSonera已在瑞典啟動(dòng)了全球首個(gè)LTE商用網(wǎng)絡(luò)，日本NTT DoCoMo和美國(guó)Verizon Wireless也宣布開(kāi)始部署LTE網(wǎng)絡(luò)，最早將于2011年開(kāi)始商用。為實(shí)現(xiàn)TD-LTE與LTE FDD同時(shí)起步、同步發(fā)展，推進(jìn)TD-LTE產(chǎn)業(yè)鏈尤其是終端產(chǎn)品盡快成熟，加速商用化進(jìn)展，迫切需要通過(guò)TD-LTE規(guī)模網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)進(jìn)行推進(jìn)。

2 TD-LTE RAN承載需求分析

LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由eNode B和接入網(wǎng)關(guān)（aGW）兩部分構(gòu)成，如圖1所示，和2G、3G網(wǎng)絡(luò)比較，少了RNC。eNode B除具有原Node B功能外，還承擔(dān)了RNC的大部分功能。aGW作為核心網(wǎng)的一部分，包括3種功能實(shí)體：MME（Mobility Management Entity，移動(dòng)管理實(shí)體）、SGW（Service Gateway，服務(wù)網(wǎng)關(guān)）和PGW（PDN Gateway，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)）。

2.1 S1接口承載需求

S1接口為eNode B和aGW之間的接口需求，按照承載的業(yè)務(wù)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eNode B和SGW，S1-C主要承載控制面數(shù)據(jù)，具體連接eNode B和MME。

在LTE網(wǎng)絡(luò)中，由于引入了SGW-pool和MME-pool功能，對(duì)S1接口提出了Flex的要求，eNode B可以同時(shí)歸屬到多個(gè)MME、SGW，與多個(gè)MME、SGW建立連接，滿足無(wú)線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分擔(dān)、冗余備份的需求，提高網(wǎng)絡(luò)的利用率和可靠性。

圖1 TD-LTE RAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及接口示意圖

2.2 X2接口承載需求

為保證UE在不同eNode B漫游時(shí)，用戶數(shù)據(jù)可以在eNode B之間直接進(jìn)行交換，降低轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，LTE引入了X2接口，X2接口為相鄰eNode B直接的接口。X2接口要求承載網(wǎng)支持部分Mesh的架構(gòu)，需要在相鄰基站之間建立邏輯連接。

2.3 承載時(shí)延需求

要滿足LTE的呼通率、服務(wù)質(zhì)量，S1邏輯連接的承載延時(shí)要求5～10ms。要滿足用戶業(yè)務(wù)的小區(qū)切換需求，X2連接的承載延時(shí)要求信令面10～20ms，數(shù)據(jù)面50～100ms，LTE正在計(jì)劃引入的動(dòng)態(tài)ICIC功能將會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延提出更高要求。

2.4 承載帶寬需求

S1接口的不同配置對(duì)承載帶寬需求如表1所示。

表1 LTE典型帶寬需求

而X2接口帶寬一般為S1接口的3%，根據(jù)上述要求計(jì)算如下：

2.4.1 宏基站

按照一個(gè)宏基站為S1/1/1，配置3個(gè)20MHz小區(qū)，上下行按照2:2配置，LTE基站峰值帶寬需求約為240Mbit/s，平均帶寬（仿真結(jié)果）為60Mbit/s。

2.4.2 室內(nèi)分布站

按照一個(gè)室分站為O1，配置1個(gè)20MHz小區(qū)，上下行按照2:2配置，LTE基站峰值帶寬需求約為80Mbit/s，平均帶寬（仿真結(jié)果）為45Mbit/s。

考慮到PTN的承載效率，LTE基站傳輸帶寬需求如下：

宏基站（S1/1/1） ：峰值帶寬320Mbit/s，平均帶寬80Mbit/s；

室內(nèi)分布系統(tǒng)（O1）：峰值帶寬110Mbit/s，平均帶寬60Mbit/s。

2.5 同步要求

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)除了頻率同步要求外，還需要時(shí)間同步，精度要求為±1.5us，與TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)的要求一樣。

2.6 LTE-RAN承載需求的特點(diǎn)

（1）高帶寬。由于LTE能夠?yàn)橛脩籼峁┑臒o(wú)線速率大幅提高，因此對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求也成倍增加。

（2）L3需求。由于LTE網(wǎng)絡(luò)引入S1-flex概念和X2接口，eNode B需要建立到不同的SGW/MME之間的接口，以及相鄰eNode B的X2接口，承載網(wǎng)絡(luò)需要支持L3功能才能對(duì)LTE的流量進(jìn)行疏導(dǎo)。

（3）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模更大。LTE實(shí)現(xiàn)深度覆蓋，在覆蓋區(qū)域網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)將是現(xiàn)有基站數(shù)量的2－3倍。

（4）統(tǒng)一承載要求。LTE和2G、3G網(wǎng)絡(luò)共存，承載網(wǎng)考慮多場(chǎng)景統(tǒng)一接入，現(xiàn)有承載網(wǎng)應(yīng)具備向分組網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)的需求。

（5） 高網(wǎng)絡(luò)可靠性。承載IP化同樣要求網(wǎng)絡(luò)保證高可靠性，故障切換小于50ms。

（6）嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)QoS。E2E時(shí)延要求小于20ms，比2G、3G需求更嚴(yán)格。

（7）時(shí)間同步。TD-LTE需要時(shí)間同步。

3 TD-LTE RAN承載網(wǎng)解決方案

通過(guò)前面的需求分析可知，LTE-RAN承載相比3G業(yè)務(wù)的承載，最大的變化在于下面兩點(diǎn)：

（1）S1接口需要靈活的調(diào)度能力，可以靈活的歸屬到多個(gè)MME/AGW；

（2）在基站之間有X2接口的承載需求。

對(duì)于第一點(diǎn)，因?yàn)榻o每個(gè)基站建立多條單獨(dú)的路徑歸屬到不同aGW會(huì)導(dǎo)致連接的數(shù)量急劇增加，對(duì)PTN的處理能力要求也急劇增加，PTN幾乎不可能完成，所以需要?jiǎng)討B(tài)路由轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)解決。動(dòng)態(tài)路由轉(zhuǎn)發(fā)部署應(yīng)控制在核心層完成，這樣可以把路由域的規(guī)模控制得比較小，提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和安全性。

對(duì)于第二點(diǎn)，X2接口承載可以在接入、匯聚層內(nèi)通過(guò)L2VPN的方式解決，但帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題是，L2VPN網(wǎng)絡(luò)規(guī)模受限，而且存在廣播風(fēng)暴的風(fēng)險(xiǎn)，由于考慮到X2接口的帶寬約占S1帶寬的3%～5%左右，因此對(duì)于X2也可以利用匯聚核心調(diào)度層的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)能力來(lái)支持。

基于這兩點(diǎn)考慮，有幾種思路來(lái)解決LTE的承載，下面分別對(duì)他們進(jìn)行描述和分析對(duì)比。

3.1 PTN+CE路由器方案

接入、匯聚、核心層采用PTN 組網(wǎng)，路由器成對(duì)部署在SGW/MME節(jié)點(diǎn)，完成IP業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)。通過(guò)路由器的L3VPN功能，為S1提供靈活的調(diào)度能力，以及X2接口的轉(zhuǎn)發(fā)能力，如圖2所示。

3.2 PTN支持簡(jiǎn)化L3 VPN方案方案

采用PTN端到端組網(wǎng)，核心層的PTN支持簡(jiǎn)化L3VPN，提供IP轉(zhuǎn)發(fā)能力，滿足LTE承載對(duì)S1的靈活調(diào)度以及X2接口的IP轉(zhuǎn)發(fā)需求。對(duì)于S1流量：經(jīng)接入層PTN統(tǒng)一送到核心層PTN，由核心層PTN根據(jù)目的IP地址（MME/SGW）查找L3VPN的路由表，封裝LSP和L3VPN的標(biāo)簽， 經(jīng)由核心層設(shè)備間的轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)歸屬的MME/SGW，如圖3所示。

圖2 PTN+CE路由器方案

圖3 PTN支持簡(jiǎn)化L3 VPN方案

對(duì)于X2流量：經(jīng)接入層PTN統(tǒng)一送到核心層PTN，由核心層PTN根據(jù)目的IP地址（相鄰的基站）查找L3VPN的路由表，以決定流量是經(jīng)由核心層環(huán)送往非本地歸屬的基站；或向下轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)由本地的L2VPN封裝送外相鄰的基站。

3.3 “IP RAN”方案

使用路由型設(shè)備端到端組網(wǎng)或在接入層使用增強(qiáng)以太網(wǎng)設(shè)備，所有業(yè)務(wù)流量動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)，使用基于路由器架構(gòu)的保護(hù)倒換方案。業(yè)務(wù)調(diào)度方式與PTN L3VPN方案基本相同。

3.4 方案比較

下面從網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、網(wǎng)管能力、保護(hù)、同步、投資、安全、時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)幾個(gè)方面對(duì)上面3種方案進(jìn)行分析、對(duì)比，如表2所示。

通過(guò)對(duì)比分析，在PTN上集成簡(jiǎn)化的L3功能方案有以下優(yōu)勢(shì)：

PTN統(tǒng)一組網(wǎng)，全部采用靜態(tài)方式，配置簡(jiǎn)單，對(duì)運(yùn)維人員要求低，可維護(hù)性非常好；

PTN端到端統(tǒng)一網(wǎng)管，可以充分利用PTN網(wǎng)管的優(yōu)勢(shì)，提高管理效率；

采用PTN端到端組網(wǎng)，在一種技術(shù)PTN體制下的保護(hù)，保護(hù)能力強(qiáng)；

通過(guò)對(duì)核心層PTN設(shè)備軟件升級(jí)的方式支持簡(jiǎn)化L3能力，無(wú)設(shè)備硬件投資，建設(shè)成本較低；

業(yè)務(wù)路徑都在Backhaul的PTN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，時(shí)延小。

4 PTN支持簡(jiǎn)化L3 VPN方案原理

PTN設(shè)備支持L3 VPN功能，是對(duì)PTN提出的新功能要求。下面就PTN支持簡(jiǎn)化L3 VPN功能的基本原理進(jìn)行介紹。

4.1 L3VPN技術(shù)簡(jiǎn)介

L3 VPN（Virtual Private Network，虛擬專用網(wǎng)）就是對(duì)用戶網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬的三層互聯(lián)，對(duì)用戶來(lái)講，就像是自己的網(wǎng)絡(luò)接到一個(gè)虛擬的路由器上一樣?；揪W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 PTN支持簡(jiǎn)化L3 VPN基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

在MPLS骨干網(wǎng)絡(luò)上為客戶提供L3VPN服務(wù)，關(guān)鍵技術(shù)如下：

隧道技術(shù)：PE之間建立LSP，作為L(zhǎng)3VPN客戶業(yè)務(wù)的承載隧道；

VPN路由技術(shù)：PE之間的VRF路由發(fā)布，通過(guò)BGP擴(kuò)展MP-BGP完成；

PE和CE之間的路由發(fā)布和學(xué)習(xí)，通過(guò)IGP（OSPF、ISIS、RIP等）完成。

4.2 PTN支持L3VPN方案

PTN為了支持L3的轉(zhuǎn)發(fā)能力，借鑒了數(shù)據(jù)設(shè)備的L3 VPN原理，并與PTN技術(shù)做了深度的融合，PTN支持L3VPN基本原理圖如圖5所示。

表2 LTE-RAN承載網(wǎng)技術(shù)方案比較

這里PE設(shè)備指的是核心層PTN設(shè)備，CE設(shè)備指的是e-Node B設(shè)備。

PE之間的隧道技術(shù)仍然采用PTN的靜態(tài)隧道技術(shù)，在PE節(jié)點(diǎn)之間建立網(wǎng)狀網(wǎng)的PTN靜態(tài)隧道。PE之間的VRF路

由，可以通過(guò)MP-BGP來(lái)發(fā)布和學(xué)習(xí)，也可以通過(guò)網(wǎng)管配置靜態(tài)路由來(lái)完成。PE和CE之間的路由可通過(guò)IGP（OSPF、ISIS、RIP等）實(shí)現(xiàn)或在PE上配置到基站的靜態(tài)路由。

eNode B通過(guò)VLAN接入PE節(jié)點(diǎn)，PE節(jié)點(diǎn)在接收到eNode B的報(bào)文后，通過(guò)分析報(bào)文的IP地址，根據(jù)路由表進(jìn)行判斷，轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的PTN隧道至目標(biāo)PE節(jié)點(diǎn)，或者該P(yáng)E所連接的核心網(wǎng)網(wǎng)元，或是該P(yáng)E節(jié)點(diǎn)所轄的接入層PTN設(shè)備。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖5 PTN支持L3VPN基本原理圖

在PTN承載LTE的L3VPN方案中，通過(guò)在核心節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)VRF路由，在接入、匯聚層配置E-Line完成L2層網(wǎng)絡(luò)（接入?yún)R聚）到L3層網(wǎng)絡(luò)（核心網(wǎng)）的接入。這樣在接入?yún)R聚核心，PTN實(shí)現(xiàn)端到端組網(wǎng)，方便運(yùn)維。在核心層提供L3轉(zhuǎn)發(fā)，可以有效隔離L2廣播，并提供S1接口承載的靈活調(diào)度能力，滿足SGW、MME Pool的需求。同時(shí)L3 IP和L2一樣，只作為一種業(yè)務(wù)類(lèi)型，通過(guò)L3VPN進(jìn)行承載，NNI側(cè)仍然采用PTN的技術(shù)，以充分利用PTN的OAM和保護(hù)能力。

TD-LTE的商用化進(jìn)程已經(jīng)漸漸走近，面對(duì)LTE帶來(lái)的高帶寬、扁平化、低時(shí)延等新的承載需求，PTN仍是目前最佳的承載解決方案，同時(shí)TD-LTE應(yīng)對(duì)目前的PTN設(shè)備提出了新的要求。PTN支持L3 VPN方案可以提供一種簡(jiǎn)單、可靠、可運(yùn)維、可管理、成本低的LTE端到端解決方案，為PTN的技術(shù)演進(jìn)指引了方向。但現(xiàn)網(wǎng)部署的PTN設(shè)備需要升級(jí)才能支持L3 VPN功能，因此在TD-LTE規(guī)模試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)，仍應(yīng)主要采用PTN+CE的組網(wǎng)方案，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行PTN支持L3 VPN的試點(diǎn)，以推進(jìn)PTN支持L3 VPN方案的完善，為今后網(wǎng)絡(luò)部署積累經(jīng)驗(yàn)。