LTE海量基站業(yè)務承載網(wǎng)絡優(yōu)化方案分析

楊廣銘，梁筱斌，閻 璐，馬培勇

（中國電信股份有限公司廣州研究院 廣州510630）

1 引言

2013年是LTE發(fā)展的關鍵年，全球主流運營商均選擇具備全業(yè)務綜合承載能力的IP RAN作為LTE基站的承載網(wǎng)。但由于目前IP RAN尚處于試商用階段，尚缺乏大規(guī)模建設的系統(tǒng)化組網(wǎng)方案。本文通過分析LTE海量基站業(yè)務場景下IP RAN網(wǎng)絡優(yōu)化、OAM、接入設備的即插即管理、網(wǎng)絡與業(yè)務建模及批量配置下發(fā)等需求和實現(xiàn)方式，給出了各自的解決方案，為運營商提升LTE業(yè)務的網(wǎng)絡承載能力、實現(xiàn)承載網(wǎng)絡的靈活性和可擴展性、降低運維的工作量及復雜度、提高業(yè)務的開放能力與效率都具有重要作用。

2 LTE基站承載需求

與現(xiàn)有的3G相比，由于其覆蓋范圍和業(yè)務流量流向的不同，LTE基站對承載網(wǎng)的性能和組網(wǎng)需求和3G基站都有較大的不同，具體包括以下內(nèi)容。

·LTE基站采用密集方式進行部署，其基站密度大約為3G基站的兩倍，在LTE規(guī)模商用后，國內(nèi)大型城市LTE基站可達到數(shù)千臺甚至上萬臺的數(shù)量級別，其承載網(wǎng)絡的接入節(jié)點數(shù)量也將遠超過3G基站承載網(wǎng)節(jié)點。LTE承載網(wǎng)建設不僅要考慮承載方案的可行性、安全性、靈活性與擴展性，更要著重考慮承載網(wǎng)絡的建設和運營成本。

·傳統(tǒng)的IP承載網(wǎng)絡路由域，其設備數(shù)量一般在數(shù)百臺左右。而在LTE業(yè)務承載網(wǎng)絡中，單個地市的節(jié)點數(shù)量在數(shù)千臺甚至上萬臺，這就要求承載網(wǎng)絡具備更高的實時故障檢測、快速故障倒換和OAM能力。

·LTE基站帶寬理論值可達到300 Mbit/s左右，是3G基站的10倍以上；此外，LTE基站業(yè)務還具有低時延、扁平化、多點化等特點。因此，要求其承載網(wǎng)絡具備靈活全互聯(lián)組網(wǎng)與流量負載分擔能力，以減輕業(yè)務流量對承載網(wǎng)絡的壓力，從而實現(xiàn)對承載網(wǎng)絡的優(yōu)化。

·LTE基站之間存在互聯(lián)X2接口，在進行基站之間的切換時，X2接口存在信令與用戶數(shù)據(jù)流量的交換需求。根據(jù)高通公司的研究結果，X2接口時延增加5 ms，會使得終端用戶的吞吐量降低20%。因此，要求承載網(wǎng)絡具備X2接口流量的就近轉發(fā)能力，從而有效地降低X2接口時延。

·LTE基站業(yè)務不僅包括移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，也包括實時業(yè)務如IP語音、交互式視頻、多媒體多播（eMBMS）以及在線實時交互游戲等。這也要求其承載網(wǎng)絡具備對實時業(yè)務的低時延傳送與高質(zhì)量保障能力，同時實現(xiàn)各種業(yè)務的差異化運營與管理。

現(xiàn)有3G基站業(yè)務主要采用MSTP承載，但由于MSTP為剛性管道，適用于固定碼率的TDM話音業(yè)務；而對突發(fā)性強且分組長度可變化的分組業(yè)務，MSTP存在承載效率較低、鏈路調(diào)整困難、不支持靈活的多點訪問、不支持多播需求等問題。這些都會帶來移動業(yè)務開放低效、運維工作量過大、運營成本過高等問題。基于LTE承載需求特性和MSTP的不足，MSTP明顯不足于完成LTE承載的重任，而IP RAN則成為LTE承載的最優(yōu)選擇。

圖1 IP RAN典型組網(wǎng)架構

3 LTE基站業(yè)務承載組網(wǎng)方案優(yōu)化設計

3.1 總體方案架構設計

考慮到運營商的接入傳輸光纜資源分布，IP RAN接入層面通常采用環(huán)形組網(wǎng)架構，即多個IP RAN接入節(jié)點A設備通過組環(huán)上連到兩臺匯聚節(jié)點B設備，B設備形成雙歸屬架構（稱為一個匯聚組）來提供跨節(jié)點的可靠性保障。其組網(wǎng)架構如圖1所示。

LTE基站業(yè)務，為了保障業(yè)務的安全性，通常采用MPLS VPN承載進行邏輯隔離。由于LTE海量基站使得IP RAN接入節(jié)點的數(shù)量龐大，為了降低IP RAN接入節(jié)點設備的成本，將其功能盡可能簡化與模型化。在IP RAN承載方案設計上考慮在接入節(jié)點設備上配置主備PW來提供跨匯聚節(jié)點的可靠性保護能力，分別終結在匯聚節(jié)點設備的L3 VPN中，匯聚節(jié)點設備以上網(wǎng)絡架構配置的L3 VPN來實現(xiàn)網(wǎng)絡的靈活互聯(lián)。

具體設計方案如下。

·在接入IGP區(qū)域，LTE基站通過PW接入?yún)R聚設備的PW網(wǎng)關，多條PW收斂于同一網(wǎng)關；接入設備僅為業(yè)務流量提供二層管道；網(wǎng)關上配置本地代理ARP實現(xiàn)同網(wǎng)段內(nèi)基站流量的互通。在核心IGP區(qū)域，設備為業(yè)務流量提供L3 VPN管道，匯聚設備和CE為L3 VPN邊緣。

·每臺接入設備分別建立到2臺匯聚設備的主備PW，主備PW狀態(tài)僅在接入設備本地維護。

·基站通過靜態(tài)默認路由指向PW網(wǎng)關，接入設備優(yōu)選主PW發(fā)送上行流量，備用PW不傳送用戶上行數(shù)據(jù)流量，但可與主PW同時向網(wǎng)關發(fā)送基站ARP信息，以保持2臺網(wǎng)關ARP信息的同步；當下行業(yè)務流量到達PW網(wǎng)關后，基站從主備PW均可接收流量。從基站看，業(yè)務流量在主備PW中具備單發(fā)雙收特性。

·2臺匯聚設備均不感知PW的主備狀態(tài)，其PW網(wǎng)關均為UP狀態(tài)，且同時將直連的PW網(wǎng)段路由和該網(wǎng)段下明細主機路由向L3 VPN通告，并從CE學習EPC網(wǎng)元的業(yè)務路由；由于主備PW具備單發(fā)雙收特性，下行業(yè)務流量可實現(xiàn)核心IGP域內(nèi)的BGP負載均衡，從而提高了核心IGP區(qū)域的鏈路利用效率，實現(xiàn)了對LTE S1接口的優(yōu)化。

圖2 IP RAN分域設計示意

3.2 網(wǎng)絡分域優(yōu)化方案

IP RAN網(wǎng)元數(shù)量眾多，若采用單一IGP域方案，會造成故障影響大、倒換收斂慢等問題。因此有必要對網(wǎng)絡路由進行分域，將IP RAN在邏輯上分割為多個不同子域，各子域之間互不交互路由，業(yè)務通過骨干網(wǎng)層面實現(xiàn)互通，從而提升網(wǎng)絡的頑健性。IP RAN分域設計示意如圖2所示。

具體到方案上，IP RAN接入節(jié)點A設備到匯聚節(jié)點B設備之間采用OSPF協(xié)議；以一對匯聚設備為界，下掛的接入設備歸屬于同一個OSPF域，并以接入環(huán)為單位劃分不同stub area；不同對匯聚設備之間的OSPF進程不互通。

匯聚節(jié)點B設備到EPC網(wǎng)元前置RNC-CE路由器之間的骨干網(wǎng)層面考慮采用ISIS協(xié)議來適配大規(guī)模的設備的組網(wǎng)要求。接入網(wǎng)OSPF與骨干網(wǎng)ISIS之間路由不互通。

3.3 多基站共享IP RAN網(wǎng)關承載優(yōu)化方案

未來LTE基站數(shù)量龐大，而PW為點到點偽線，每臺基站均對應一個PW網(wǎng)關，這會帶來IP地址規(guī)劃與管理異常復雜和極大浪費的問題。因此，需要對基站的網(wǎng)關模型進行優(yōu)化設計，將多個基站配置在同一個網(wǎng)段，即多條PW收斂終結于同一網(wǎng)關（PW網(wǎng)關收斂N∶1方式），并部署相應的優(yōu)化方案，如圖3所示。

圖3 PW網(wǎng)關收斂N∶1方式示意

3.4 X2接口流量就近轉發(fā)承載方案

基于基站之間X2接口切換的信令與用戶數(shù)據(jù)流量在匯聚節(jié)點B層面進行就近交換。根據(jù)實際的組網(wǎng)情況，X2流量的交互路徑有所不同，主要分為如下3種情況：

·發(fā)生X2切換的基站同時歸屬于同一個匯聚節(jié)點B設備上的3層網(wǎng)關（如圖4所示）；

·發(fā)生X2切換的基站分別歸屬于同一個匯聚組B1與B2上的3層網(wǎng)關（如圖5所示）；

·發(fā)生X2切換的基站分別歸屬于不同匯聚組節(jié)點的3層網(wǎng)關（如圖6所示）。

4 IP RAN故障倒換要求及部署方案

4.1 IP RAN設備的故障倒換要求

為滿足LTE基站業(yè)務承載需要，要求IP RAN在典型故障場景下（接入環(huán)鏈路中斷、接入設備脫網(wǎng)、匯聚設備脫網(wǎng)等），故障倒換端到端收斂時間在300 ms以內(nèi)。

圖4 同一匯聚節(jié)點下X2接口流量就近轉發(fā)示意

圖5 同一匯聚組內(nèi)不同匯聚節(jié)點間X2接口流量就近轉發(fā)示意

圖6 不同匯聚組之間的X2接口流量就近轉發(fā)示意

4.2 IP RAN故障檢測及倒換部署方案

（1）接入IGP區(qū)域故障檢測與路由快速收斂

采用PW+BFD進行故障的檢測和路由的快速收斂。

（2）核心IGP區(qū)域故障檢測和路由快速收斂

·在LSP層面，采用BFD for IGP/LDP實現(xiàn)域內(nèi)亞秒級收斂或部署FRR實現(xiàn)關鍵鏈路保護，實現(xiàn)骨干MPLS區(qū)域50 ms故障快速倒換。

·在MP-BGP層面，部署雙RD（一對匯聚設備或一對CE分別配置不同的RD）保護實現(xiàn)MP-BGP的快速收斂。

5 IP RAN接入設備的即插即管理實施方案

IP RAN接入設備位于各本地網(wǎng)接入層，具有部署密集、數(shù)量龐大和運維管理工作量巨大等特點；而運營商普遍存在接入網(wǎng)運維人員人手嚴重不足的問題。因此，需要在IP RAN引入接入設備即插即管理，現(xiàn)場維護人員只需負責設備的線路連接和上電，在啟動完成后即可被遠程網(wǎng)管系統(tǒng)統(tǒng)一管理，從而有效降低現(xiàn)場運維難度，提高業(yè)務交付效率。IP RAN接入設備即插即管理有兩種實現(xiàn)方案。

5.1 方案一：DHCP方案

新進網(wǎng)接入設備通過內(nèi)置接口發(fā)送DHCP請求報文，DHCP請求報文攜帶Option 60、61等設備信息，上游設備進行DHCP中繼，同時在報文中插入Option 82屬性，Option 82屬性包括上游設備名、接口名稱以及VLAN等信息，網(wǎng)管系統(tǒng)（DHCP服務器）根據(jù)DHCP請求報文攜帶的設備信息對新進網(wǎng)設備進行合法性認證，并為新進網(wǎng)設備分配地址資源。在新進網(wǎng)設備順利完成地址分配后，網(wǎng)管系統(tǒng)接管新進網(wǎng)設備的管理，通過接口實現(xiàn)配置下發(fā)，新進網(wǎng)設備進入被管理狀態(tài)。

該方案優(yōu)點在于基于現(xiàn)有標準，各設備廠商均可很好地支持；缺點在于部署該方案必須預先規(guī)劃好接入IGP區(qū)域的物理拓撲和新插入設備的管理地址，不利于物理拓撲的自動發(fā)現(xiàn)和靈活管理以及在破環(huán)新增設備場景下的應用。

5.2 方案二：PPPoE方案

該方案中設備互連采用動態(tài)OSPF over PPPoE進行連接和鄰居發(fā)現(xiàn)，無需配置互聯(lián)接口地址，簡化了即插即管理過程。接入和匯聚設備出廠時固化一個loopback接口的IP地址（可根據(jù)設備ID或其他機制生成，保證每個設備在全網(wǎng)的唯一性，并可供網(wǎng)管系統(tǒng)進行入網(wǎng)認證）；新插入接入設備僅包含該loopback接口地址和默認的用戶名/密碼，其余為零配置。當新插入接入設備入網(wǎng)時，其與已在網(wǎng)設備連接的接口會借用固化的loopback接口（ID足夠大）地址，與其直連的設備運行PPPoE會話，并在PPPoE會話上運行OSPF，建立OSPF鄰居。網(wǎng)管系統(tǒng)和新插入A設備分別學習到對方地址，新插入A設備進入可管理狀態(tài)；同時，B設備通過標準機制向網(wǎng)管系統(tǒng)通告拓撲變化信息，使網(wǎng)管系統(tǒng)可實現(xiàn)IP RAN設備物理拓撲的自動發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)管通信流量通過Global接口轉發(fā)。

該方案優(yōu)點在于接入IGP區(qū)域物理拓撲和設備管理地址不需提前規(guī)劃，支持物理拓撲的自動發(fā)現(xiàn)，支持靈活破環(huán)新增設備；缺點在于目前有部分設備廠商不支持該方案，跨廠商靈活組網(wǎng)存在困難。

5.3 方案選擇建議

在目前部分廠商不支持PPPoE方案的情況下，可選擇DHCP方案，同時推動各相關廠商盡快開發(fā)支持PPPoE功能的IP RAN設備，并在條件成熟時進一步推進跨廠商PPPoE的靈活組網(wǎng)。在主流設備達到要求后，可選擇PPPoE方案。

6 IP RAN業(yè)務和網(wǎng)絡建模及配置下發(fā)

與傳統(tǒng)基于工單的配置下發(fā)方式不同，IP RAN的業(yè)務和網(wǎng)絡模型是統(tǒng)一的。因此可采用基于各廠商標準化配置腳本的方式，網(wǎng)管根據(jù)該標準化腳本對不同廠商設備進行建模，并通過圖形界面輸入少量變量參數(shù)，進而自動生成配置文件，登錄新插入設備完成配置下發(fā)。具體下發(fā)配置內(nèi)容如下。

（1）新插入設備網(wǎng)絡配置

·基本配置：系統(tǒng)主機名、網(wǎng)管環(huán)回接口地址及掩碼、承載環(huán)回接口地址及掩碼等。

·bearer-interface-east（上聯(lián)承載接口配置）：物理槽位/子槽/接口、接口類型、VLAN接口或子接口地址及掩碼等。

·bearer-interface-west（下聯(lián)承載接口配置）：物理槽位/子槽/接口、接口類型、VLAN接口或子接口地址及掩碼等。

·IGP配置：分為業(yè)務OSPF進程與網(wǎng)管OSPF進程兩個獨立進程；其中網(wǎng)管系統(tǒng)根據(jù)不同的接入環(huán)分配不同承載OSPF area。

·MPLS全局配置：使能MPLS、LDP設備標識、LDP鄰居等。

（2）新插入設備業(yè)務配置

·接入設備相關參數(shù)：PW類型、PW編號、節(jié)點LDP地址、槽位/子槽/接口、VLAN、MTU、PW主備狀態(tài)、入/出QoS參數(shù)等。

·匯聚設備相關參數(shù)：PW類型、PW編號、節(jié)點LDP地址、L3 VPN相關參數(shù)如VRF名稱、RD/RT、3層子接口地址及掩碼等。

（3）新插入設備管理配置

·SNMP配置，保證網(wǎng)管系統(tǒng)能正確接收相應OID的性能數(shù)據(jù)和trap消息，并根據(jù)所接收的信息在網(wǎng)管界面上顯示和告警。

·Syslog配置，保證網(wǎng)管系統(tǒng)能正確地接收設備系統(tǒng)日志信息，并根據(jù)所接收的信息在網(wǎng)管界面上顯示和告警。

7 結束語

LTE網(wǎng)絡的推進部署與發(fā)展，為電信運營商帶來了快速發(fā)展的機遇，同時也使其面臨網(wǎng)絡建設和投資的挑戰(zhàn)。對于IP RAN，即將迎來大規(guī)模建設的局面，合理規(guī)劃IP RAN組網(wǎng)方案，并在網(wǎng)絡實際運營中有針對性地對網(wǎng)絡進行優(yōu)化，才能不斷地提升IP RAN承載效率，提升LTE業(yè)務用戶體驗。

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