IP 城域網承載IP-RAN基站回傳的現網研究

方 鳴

（中國電信股份有限公司上海分公司 上海200021）

1 引言

以中國電信股份有限公司cdma2000、中國聯合網絡通信集團有限公司WCDMA、中國移動通信集團公司TD-CDMA為代表的第3代移動通信技術（3G），其關鍵的技術要點在于高效信道編譯碼技術、軟件無線電技術、智能天線技術、多用戶檢測和干擾消除技術、IMT-2000無線協議分層模型以及向全IP網過渡的趨勢。

cdma2000系統的基站架構和無線核心側架構2008年建網初期就已實現了IP化。目前有待落實的主要IP架構優化需求，一個是軟交換NGN扁平化改造，另一個便是移動接入網的IP-RAN改造。本方案所討論的重點在于IP-RAN的實施。

2 實施IP-RAN需要考慮的問題

2.1 組網基礎

隨著傳統電信企業的業務轉型，中國電信股份有限公司上海分公司（以下簡稱上海電信）IP城域網B平面2006年起開始建設，目前已承載IP-TV、NGN等電信重要業務。其核心建設在康健和控江，設備類型為Juniper和Cisco的多機框高端路由器，支持TB級轉發及GE、10GE、POS 10G等豐富的中繼端口，并能有效支持40Gbit/s及100GE的發展。

2.2 業務需求估算

·估算分組域流量趨勢。以多項式函數預估，2010年12月上海CDMA網數據業務流量將達到3000Mbit/s，2011年12月將達到12 000 Mbit/s，2012年12月將達到20000Mbit/s，2013年12月將達到32000Mbit/s，2014年12月將達到500 000 Mbit/s。

·估算電路域流量趨勢 （由于缺乏直接數據，引用以64 kbit/s單路話務為模型的固網軟交換數據）。2010年8月，IP城域網所承載的NGN業務流量月內日峰值平均為輸入4 344 Mbit/s/輸出5 717 Mbit/s。由此，估算無線話務IP化后的流量在5～10 Gbit/s。

·兩者合計。預期2011—2012年IP-RAN所承載的分組域流量20 Gbit/s，電路域流量10 Gbit/s，合計流量約30 Gbit/s，IP城域網B平面現有100 Gbit/s的輕載帶寬余量完全能夠滿足相關業務需求。

2.3 基站與IP-RAN的連接

目前包括Alcatel和Huawei兩家cdma2000基站生產廠商在內，IP-RAN化改造后的基站都只提供10-100Base-T電口的輸出。5～10千米級以上的以太傳輸，需要將基站輸出的電信號轉換為光信號，以連接至IP-RAN承載網的接入層。基于以下因素，不建議采用基站側采用光電轉換器的模式，而宜選擇電信級Ethernet交換機或具備Ethernet接口的電信級路由器。

·以太交換機和以太路由器支持SNMP及SYSLOG網管功能，可以實現由基站側至無線核心側的IP-RAN端到端管理。

·支持802.1Q，幫助基站實現1x、Ev-Do的業務分離；支持IP-QoS和COS，幫助基站實現不同類型業務流的服務等級劃分；支持BFD協議，加速IP層面的業務切換。

·目前電信級以太交換機支持8～16個10～100 Mbit/s業務口及GE中繼口的能力，一方面可以通過VLAN劃分提供4個1x口和4個Ev-Do口，滿足目前4扇區的業務需求；另一方面，在邏輯結構不變的情況下，通過更換GE光模塊能夠迅速將基站升級到1 000 Mbit/s連接IP-RAN的能力，足以滿足今后LTE的業務需求。

3 技術可行性方案

根據上海電信研究院的研究結果以及全國各省IP-RAN試驗網組建的經驗，結合目前 Alcatel、Cisco、Huawei等幾家廠商產品及方案的交流結果以及IP城域網現狀，就 L3（包括 L2/L3組合）模式的 IP城域網 IP-RAN承載組網，提出以下兩個推薦方案：框架方案-1（IP-GW網關由端局L3匯聚路由交換機終結的方案）以及框架方案-2（IP-GW網關由基站L2延伸至IP城域網SR終結的方案）。

3.1 框架方案-1

框架方案-1的技術關鍵點在于基站的IP-GW網關終結于端局L3匯聚路由交換機。基站與IP城域網L3匯聚路由交換機之間通過光纖延伸，L3匯聚路由交換機與SR之間通過IP動態路由+BFD實現保護，經IP路由實現基站與CDMA核心網網元的互通。框架方案-1的物理連接結構如圖1所示。

基站為標準的IP架構。基站與IP-GW網關的連接為標準的ARP協議，普通基站的IP-GW網關終結在端局L3匯聚交換機上，A類基站IP-GW就近終結在基站路由器上。

端局L3匯聚交換機上啟用管理、1x、Ev-Do 3個VPN，通過Option-A模式連接IP城域網SR。SR與L3匯聚交換機之間選用OSPF協議，獲取基站的路由信息，并向L3匯聚交換機提供一條動態帶保護的缺省路由。OSPF區域終結在IP城域網SR上，由SR將管理、1x、Ev-Do 3個VPN的OSPF路由轉換為VPNv4路由，通過MP-BGP通告給無線網絡核心SR。以1組兩臺SR連接一個區域30臺匯聚交換機，300～400個基站計算，每個 SR上有管理、1x、Ev-Do 3個VPN，每個VPN一個OSPF進程，每個進程的OSPF節點數量30個，路由數300～400個。因此，每臺SR總計新增3個OSPF進程，90個OSPF節點，900～1 200條路由。端局L3匯聚交換機與IP城域網SR之間OSPF協議的保護切換時間可以優化至300 ms以內；增加BFD支持后，保護切換時延可以縮短到150 ms（50 ms檢測，3次后切換）；現有廠商可承諾的BFD最大化效果為10 ms檢測，由此可以將保護切換縮短到30～50 ms（10 ms檢測，3～5次后切換）。

IP城域網7750 SR之間啟動了LDP+MP-BGP+FRR的協議，保護切換時間為50 ms。

IP城域網7750 SR與無線核心7750 SR之間通過標準IPv4-eBGP協議互聯，將城域網內基站路由信息（1x、Ev-Do分別3 000條）通告給無線核心7750 SR。BGP協議保護切換時間為3 s（1 s檢測，3次切換）；增加BFD支持后，保護切換時延可以縮短到150 ms（50 ms檢測，3次后切換）；目前兩側的 SR都為 7750，Alcatel廠商承諾在7750的8.0軟件版本上支持BFD的10 ms檢測功能，由此可以將保護切換縮短到30～50 ms（10 ms檢測，5次后切換）。另外，通過雙RD的架構可以確保同一IP路由在2條冗余保護路徑上的同時有效性。

由基站至CDMA核心的邏輯結構，如圖2所示。OSPF（open shortest path first）協議的參數參考IETF RFC2328[1]標準文檔；MP-BGP協議的功能參考IETF RFC2858[2]標準文檔并引入RFC3107[3]關于BGP邊界路由協議攜帶MPLS標簽的定義；LDP標簽分發協議的功能引用IETF RFC3037的規范[4]。

支持框架方案-1的主要廠商參見表1。

圖1 IP-RAN的IP城域網承載框架性方案-1

圖2 框架性方案-1邏輯結構

表1 框架方案1的廠商支持

3.2 框架方案-2

框架方案-2的技術關鍵點在于通過L2 VLL以太虛擬專線技術將基站連接至IP城域網SR，IP-GW網關終結于SR上。基站與IP城域網端局CE之間通過光纖延伸，端局CE與IP城域網SR之間通過VLL延伸并實現偽線級的保護，經IP路由實現基站與CDMA核心網網元的互通。框架方案-2的物理連接結構如圖3所示。

考慮到現網使用Alcatel SR的現狀，框架方案-2的邏輯結構又由此產生兩個分支。參見基于圖4的說明。

3.2.1 MPLS PW偽線保護模式

基站為標準的IP架構。基站與IP-GW網關的連接為標準的ARP協議，IP-GW網關終結在IP-城域網的SR 7750上。基站通過ARP獲取SR的MAC地址，從而進行Ethernet的二層轉發。

普通基站側的基站交換機僅提供二層轉發功能。由端局CE至IP城域網2臺7750 SR之間建立主備各1條VLL PW偽線；A類基站則由基站路由器直接與IP城域網2臺7750 SR之間建立主備各1條VLL PW偽線。

在IP城域網7750 SR上，可以直接終結單個基站的IP-GW；也可以先用VPLS匯聚多個基站的VLL PW偽線，然后再以VPLS為單位終結IP-GW。后一種情況下，多個基站將共享1個IP-GW網關。

在端局CE至SR的PW保護方式上，各廠商又提出了不同的意見。由于上海電信IP城域網的SR已確定為Alcatel 7750，基于端局CE的選型，如非Alcatel廠商則更為推薦VLL層面的PW Redundancy，由端局CE側發起切換；而Alcatel廠商則進一步推薦VLL層面PW先在7750上通過VPLS進行匯聚，然后以VPLS實現PW Redundancy的模式。兩種方式引用的技術原理類似，實踐上VLL層面的PW Redundancy結構更簡單，但IP層的地址消耗數量較多；VPLS層面的PW Redundancy結構復雜，但IP層可以使用大段網段地址匯總。

上述，Pseudowire(PW)的實現引用IETF RFC3916[5]標準定義的設備，并建立以IETF RFC3985[6]標準模式下的PWE3偽線業務。

圖3 IP-RAN的IP城域網承載框架性方案-2

圖4 框架性方案-2邏輯結構

3.2.2 multic-chassic LAG保護模式

端局CE與IP城域網SR或延伸交換機之間建立MC-LG的GE中繼跨機框捆綁，從而實現端局CE上聯IP城域網兩個局點SR的保護。通過VRRP網關保護協議實現IP層面的冗余保護。

基站為標準的IP架構。基站與IP-GW網關的連接為標準的ARP協議，IP-GW網關終結在IP-城域網的SR 7750上。基站通過ARP獲取SR的MAC地址，從而進行Ethernet的二層轉發。

普通基站側的基站交換機僅提供二層轉發功能，市區范圍內建議充分利用。A類基站則由基站路由器直接與IP城域網2臺7750 SR之間建立主備各1條VLL PW偽線。郊縣范圍內采用非Alcatel由端局CE至IP城域網兩臺7450之間建立2路GE的MC-LAG捆綁。在IP城域網7750 SR上，可以直接終結單個基站的IP-GW，也可以先用VPLS匯聚多個基站的VLL PW偽線，然后再以VPLS為單位終結IP-GW。后一種情況下，多個基站將共享1個IP-GW網關。

在端局CE至SR的PW保護方式上，各廠商又提出了不同的意見。由于上海電信IP城域網的SR已確定為Alcatel 7750，基于端局CE的選型，如非Alcatel廠商則更為推薦VLL層面的PW Redundancy，由端局CE側發起切換；而Alcatel廠商則進一步推薦VLL層面PW先在7750上通過VPLS進行匯聚，然后以VPLS實現PW Redundancy的模式。兩種方式引用的技術原理類似，實踐上VLL層面的PW Redundancy結構更簡單，但IP層的地址消耗數量較多；VPLS層面的PW Redundancy結構復雜，但IP層可以使用大段網段地址匯總。

3.2.3 本方案的廠商支持

支持框架方案-2 的主要廠商是 Alcatel、Cisco、Huawei，各廠商都提出了可選用的設備類型。具體參見表2。

在現網選取了天等、羅香、百色東3個站點，分別采用不同廠商的IP-RAN數據設備。對應環境參見表3。

本次測試包括3個大項，分別對應3種不同的測試拓撲，參見圖 5、6、7。

測試項目1比照框架方案-2，使用Alcatel 7450作為端局CE，使用Alcatel 7750作為SR，暫不采用基站側設備，論證端局CE的可行性；測試項目2比照框架方案-1，采用Cisco C2941作為基站路由器，使用Alcatel 7450作為端局匯聚交換機，使用Alcatel 7750作為SR，論證框架1下A類基站可行性；測試方案3比照框架方案-2，采用Alcatel 7705作為基站路由器，使用Alcatel 7450作為端局CE，使用Alcatel 7750作為SR，論證框架1下A類基站可行性——上述3項現網測試都證明IP城域網能滿足基站回傳的要求。

表2 框架方案-2的廠商支持

表3 框架方案-2的廠商支持

圖5 IPRAN Alcatel 7450接入切換測試

圖6 IPRAN Cisco C2941接入切換測試

圖7 IPRAN Alcatel 7705接入切換測試

在各類故障仿真測試中，IP承載網的自恢復能力能夠確保基站與無線核心網之間的正常通信。現網測試后發現的疑點包括以下兩點。

·Alcatel的BFD設置目前支持100 ms檢測，300 ms切換；但在與不同廠商測試中，發現適配不佳的情況。BFD的實現對框架方案-1的效果影響較大，需督促不同廠商之間確保嚴格按照RFC標準落實BFD互通。

·CDMA核心網內目前已部署CE，IP-RAN承載網SR與CDMA核心網CE之間互聯采用BGP+BFD的模式，線路中斷情況下切換時間預期在5～10 s。基站與RNC之間通信中斷但維持非斷站狀態的時間為15 s，理論上BGP+BFD可以確保非斷站切換。但實測造成15 min斷站。需督促CDMA設備提供商說明基站斷站的原理，以便IP-RAN城域網配合。

5 研究小結

5.1 IP城域網是否滿足IP-RAN承載

無論是技術分析、現網論證，都可以推定IP城域網可以滿足基站回傳的IP-RAN承載。使用MPLS技術、IP路由技術提供的IP-RAN承載具有以下優點：

·技術較為成熟，具有可靠的不同廠商互通性，應用上也有非常多的實際案例；

·支持包括 WAN （2 Mbit/s、155 Mbit/s、2.5 Gbit/s、10 Gbit/s、40 Gbit/s）、LAN（10～100 Mbit/s、GE、10GE、100GE）等豐富的端口類型支持，既能滿足現有基站接入的需求，也能利用充沛的中繼能力，滿足今后LTE演進、CDMA+Wi-Fi整合的需求，IP統計復用的特性，確保資源利用率高于傳統傳輸技術；

·網絡結構的選擇更為靈活，支持如點對點結構、環狀結構、雙歸的神經網絡結構等；

·IP技術實現自動成員加入，基站單點SITE完成配置后，全網連通性即可實現，大大縮短新站點的開通速率。

缺點在于：

·缺省的網管配置主要通過CLI，較為簡陋；

·IP的 OAM主要基于IP層的 Ping、Trace等工具及基于SNMP、SYSLOG的采集告警機制，雖然更靠近最終應用，但參數和方式上較為簡陋，需要引入第三方網管實現優化；

·IP網絡故障情況下的切換時間較長，基于IP路由+BFD，可以實現150～200 ms的自動切換，在補充FRR技術的前提下，局部可以實現50 ms的自愈時間，在引入VRRP的情況下，切換時間增加到300 ms～1 s。

5.2 IP城域網承載IP-RAN為何方案繁多

目前，包括 Huawei、Alcatel、Cisco等諸多廠商提出了諸多IP城域網承載IP-RAN的方案，其中包括基于IP+MPLS的，也有基于IP+PTN的。然而究其本質，在于基站至IP核心網SR之間的延伸所選擇的兩個不同技術走向。

一個走向，是將IP SR小型化，進而將IP城域網的邊緣接入層延伸至基站旁或傳輸資源充沛的端局局點；另一個走向，是在基站與IP承載網SR之間引入二層傳送技術，實現Ethernet的延伸。而在第二走向上，受目前L2 Ethernet傳送技術發展的影響，又衍生出以MPLS-TP為代表的PTN方案、以RFC3916為代表的PW偽線方案、RRPP（rapid ring protection protocal）為代表的以太環網技術，甚至也包括以 MSTP （multiple service transmit platform）over SDH為代表的傳輸方案。從上海這樣一個地域有限、業務密集的大型城域網特征來看，實際上具備SR延伸至基站邊緣或傳輸端局的能力，第二技術走向上在投資節省的優點并不明顯；同時，IP的組網也具備邏輯簡單、組網方式便捷的優勢。因此，兩個技術走向都可以成為上海電信的選擇，再加上各廠商的技術導向不同、中長期后時鐘/時間同步實現等需求，由此造成了多種方案并存的問題。

至于將IP-RAN的選擇糾結于50 ms快速切換的確保上，先不提基站業務是否需要這樣的高標準要求，至少也是只看樹不看林的做法。IP-RAN的目標是實現基站回傳的端到端IP化，單純在局部段落上實現快速切換對整個業務實現意義太狹隘了。

5.3 IP城域網實現IP-RAN技術要點

·MPLS VPN技術(特指L3 IP)——虛擬網絡技術，實現cdma 1x語音、Ev-Do數據、共點Wi-Fi數據、網管控制的隔離。

·IP-Routing技術——IP承載網的基礎信令；實現IP化基站與IP化RNC等核心網元之間的互通。

·FRR技術——實現MPLS網內故障情況下冗余節點、冗余中繼的快速切換。

·BFD技術——在城域網內普遍采用以太技術情況下，加速以太傳輸故障情況下IP的快速響應；既可用于接入，也可用于中繼。

·Pseudowire偽線技術——MPLS仿真L2專線（Ethernet專線）技術，用于基站至SR之間的延伸。

1 IETF RFC2328.OSPF version 2，April 1998

2 IETF RFC2858.Multiprotocol extensions for BGP-4，June 2000

3 IETF RFC3107.Carrying label information in BGP-4，May 2001

4 IETF RFC3037.LDP applicability，January 2001

5 IETF RFC3916.Requirements for pseudo-wire emulation edgeto-edge(PWE3)，September 2004

6 IETF RFC3985.Pseudo wire emulation edge-to-edge(PWE3)architecture，March 2005