面向LTE的IP RAN技術(shù)路線與組網(wǎng)研究

張堅平，張屆新，方 鳴

（1.中國電信股份有限公司上海分公司 上海200120；2.中國電信股份有限公司上海研究院 上海200122）

1 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的迅速豐富，移動應(yīng)用價值鏈呈現(xiàn)多種化趨勢：終端智能化、視頻高清化、手機(jī)業(yè)務(wù)互聯(lián)網(wǎng)化，導(dǎo)致移動網(wǎng)流量快速膨脹（據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)Gartner調(diào)研，2006-2009年，AT&T公司在引入iPhone之后，入網(wǎng)用戶僅增加了40%，而其數(shù)據(jù)流量增加了50倍；而2008年7月—2009年7月，德國電信運(yùn)營商O2的數(shù)據(jù)流量增長了750%）；同時，也對移動網(wǎng)絡(luò)提出了智能管道、智能適應(yīng)的要求。而作為移動網(wǎng)絡(luò)的門戶——無線接入網(wǎng)（radio access network，RAN）是移動通信網(wǎng)絡(luò)基站與其控制設(shè)備之間承載通道。為了適應(yīng)豐富化應(yīng)用、差異化服務(wù)的要求，RAN也面臨新的挑戰(zhàn)，如高帶寬、差異化QoS、網(wǎng)絡(luò)快速收斂、彩色管道等。

因此，3G/LTE時代的RAN已經(jīng)不可避免地需要向IP化演進(jìn)。目前作為RAN端點(diǎn)的基站和基站控制器RNC（radio network controller，無線網(wǎng)絡(luò)控制器）都已完成部分或全部的IP化演變：基站內(nèi)核已經(jīng)IP化，提供IP數(shù)據(jù)接口；RNC通過無線核心側(cè)CE/SR設(shè)備進(jìn)行3層終結(jié)。端到端的IP RAN承載如何實(shí)現(xiàn)是亟需研究的課題。

2 RAN承載需求分析

移動通信至今已經(jīng)是2.5G-3G時代，RAN目前主要采用MSTP（multi-service transfer platform，基于SDH的多業(yè)務(wù)傳送平臺）網(wǎng)絡(luò)傳輸以話音為主的業(yè)務(wù)。技術(shù)演進(jìn)和業(yè)務(wù)需求推動下了一代移動網(wǎng)（LTE）的到來。LTE時期的移動通信呈現(xiàn)新的特點(diǎn)，并面臨新的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在：移動業(yè)務(wù)IP化、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)扁平化、承載網(wǎng)絡(luò)智能化、同步系統(tǒng)地面化。因此，向LTE演進(jìn)中的RAN也隨之發(fā)生了變化。

首先，需求高擴(kuò)展的帶寬通道。3G、4G技術(shù)的逐步成熟，將無線空中接口帶寬速率提升到幾十兆甚至上百兆。相應(yīng)地，RAN的帶寬容量必然也要水漲船高。

其次，要求網(wǎng)絡(luò)具有高度的可靠性和靈活性。一方面，手機(jī)的普及和對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求遞進(jìn)的移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)日益豐富，使用戶和業(yè)務(wù)影響規(guī)模空前大，需要承載網(wǎng)絡(luò)具有高度的可靠性，網(wǎng)絡(luò)需要具備快速收斂的能力。另一方面，LTE時期，RNC與基站合并濃縮為eNode B，RAN另一端點(diǎn)演化為AGW（access gateway，接入網(wǎng)關(guān)）。為了保證4G的網(wǎng)絡(luò)高度可靠，AGW將以pool形式組網(wǎng)，多個AGW組成一個pool，實(shí)現(xiàn)eNode B的可靠接入。因此，要求RAN通道具有高度靈活性，提供eNode B與AGW pool中任意AGW的動態(tài)快速調(diào)整與切換。

第三，要滿足差異化服務(wù)、精細(xì)化運(yùn)營提出的智能管道需求。手機(jī)視頻、手機(jī)股票、移動辦公、互聯(lián)網(wǎng)多媒體游戲、在線音樂等對網(wǎng)絡(luò)延時、分組丟失、抖動要求不一的新興應(yīng)用，需要承載網(wǎng)絡(luò)能夠提供動態(tài)的差異化的服務(wù)等級保證，使用戶和電信運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)雙贏。

第四，要求地面同步。cdma2000移動通信網(wǎng)絡(luò)為了保證時間和時鐘的同步，傳統(tǒng)上采用GPS衛(wèi)星同步系統(tǒng)。但是，中國電信運(yùn)營商依靠GPS并非長久之計。在北斗技術(shù)和市場成熟前，地面同步系統(tǒng)將是較好地替代GPS的方案。

第五，要求低碳運(yùn)營與質(zhì)量保證平衡。理論上，LTE時期，RAN需要全網(wǎng)狀連接：任意eNode B之間增加了接口X2實(shí)現(xiàn)用戶在跨基站時的流量快速切換，但X2的流量僅為eNode B與AGW之間的S1接口的3%，且用戶在基站間切換的頻率很小。因此，AGW 3層網(wǎng)關(guān)的部署位置可以適當(dāng)抬高。

3 主流技術(shù)應(yīng)用路線及組網(wǎng)研究

3.1 主流IP RAN技術(shù)分析

目前基站側(cè)都部署了一定數(shù)量的光端機(jī)，形成了接入層面的傳輸節(jié)點(diǎn)覆蓋，通過MSTP/MSAP（multi-service access platform，多業(yè)務(wù)接入平臺）以太方式接入基站。MSTP/MSAP方案可以滿足小規(guī)模、緊急性需求。但從長遠(yuǎn)角度看，大規(guī)模部署MSTP承載RAN有較大局限性，無法滿足移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展和技術(shù)演進(jìn)的需求。

（1）帶寬利用率低

MSTP是面向連接的技術(shù)，且不支持統(tǒng)計復(fù)用。以現(xiàn)網(wǎng)3G業(yè)務(wù)對基站帶寬需求cdma2000 1x為10 MHz、Ev-Do A為20 MHz估算，則單個基站需要占用30 MHz的傳輸通路；目前MSTP業(yè)務(wù)端口最高速率為GE，映射至1個STM-4的SDH通道，僅可用于20個基站的物理接入。而2個基站的實(shí)際峰值流量合計，很可能僅有不到100 Mbit/s。如果考慮今后單基站40 MHz帶寬需求，以3 000個基站來計算，傳輸系統(tǒng)的帶寬消耗將達(dá)到120 GHz，而且這些帶寬不能統(tǒng)計復(fù)用，由基站至RNC端到端RAN承載網(wǎng)占空。

（2）帶寬擴(kuò)展性差

即使現(xiàn)在利用MSTP滿足了需求，按照對未來業(yè)務(wù)的預(yù)估，1～2年內(nèi)基站的需求將平行擴(kuò)充至cdma2000 1x 10 MHz和Ev-Do 30 MHz，總計40 MHz。為了滿足新需求，一種方案是MSTP對已有基站進(jìn)行割接，減少單個GE通路上的數(shù)量（每20個基站割接其中5個），另一種方案是大幅擴(kuò)容DWDM（dense wavelength division multiplexing，密集波分復(fù)用）網(wǎng)絡(luò)，將MSTP的GE業(yè)務(wù)映射到STM-16通道。但兩者都會影響現(xiàn)網(wǎng)移動業(yè)務(wù)。

（3）對RNC-CE軟資源的巨大壓力

現(xiàn)有IP化基站接入，以一個MSTP GE中繼連接20個基站（30 MHz）為例，MSTP連接RNC-CE需雙上聯(lián)實(shí)現(xiàn) 冗余，則RNC-CE需要提供60個GE的端口。每個基站至少需要cdma2000 1x和Ev-Do業(yè)務(wù)各一個VLAN連接至RNC CE。由此，邏輯端口VLAN總數(shù)將達(dá)1 200個。另一方面，實(shí)施IP-GW保護(hù)需激活VRRP（virtual router redundancy protocol，虛擬路由器冗余協(xié)議），一個地址塊對應(yīng)一個VRRP組。大量基站部署下，將消耗大量RNC-CE的VRRP資源，甚至超出負(fù)荷。

（4）管道智能性差

MSTP提供的是大顆粒度剛性管道，一般帶寬顆粒度為最小2 MHz，目前基于VLAN可以更精細(xì)一些，但靈活性和精細(xì)度仍欠缺。

（5）組網(wǎng)擴(kuò)展性差

MSTP成熟應(yīng)用的是點(diǎn)到點(diǎn)業(yè)務(wù)模式，其靈活的多點(diǎn)互聯(lián)技術(shù)一直沒有成熟商用，難以適應(yīng)未來LTE靈活組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

對標(biāo)LTE承載需求，目前有IP/MPLS和MPLS-TP兩大主流技術(shù)路線可以作為RAN演進(jìn)方案。其中，IP/MPLS標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)都已成熟商用；MPLS-TP是IETF和ITU-T聯(lián)合工作組基于MPLS（multi-protocol label switching，多協(xié)議標(biāo)簽交換）架構(gòu)，補(bǔ)充了傳輸網(wǎng)絡(luò)的OAM和保護(hù)特性所制定的融合型新技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)尚未成熟，但市場上已有基于MPLS-TP技術(shù)理念實(shí)現(xiàn)的分組傳輸網(wǎng) （packet transport network，PTN）設(shè)備在逐步推廣。

IP/MPLS和MPLS-TP的技術(shù)特點(diǎn)見表1。

綜合技術(shù)特點(diǎn)以及RAN承載需求，目前主流技術(shù)的RAN承載各有優(yōu)劣，具體見表2。

表2 目前主流技術(shù)的RAN承載優(yōu)劣對比

3.2 IP RAN承載架構(gòu)

一個基本概念是，如果一個業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的承載網(wǎng)絡(luò)中有一個3層網(wǎng)關(guān)，那么這個業(yè)務(wù)就是由一個3層網(wǎng)絡(luò)承載。因此，RAN組網(wǎng)可以分為兩大類。

（1）2層組網(wǎng)

1G/2G只有話音業(yè)務(wù)，通過SDH承載網(wǎng)絡(luò)接入電路方式的MSC、RNC，此時無線回傳是端到端的2層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。2層方案本質(zhì)上是專網(wǎng)專用，不能有效復(fù)用IP城域網(wǎng)資源。

（2）3層組網(wǎng)

隨著無線核心RNC的IP化，RNC-CE已經(jīng)成為基站無線回傳的3層網(wǎng)關(guān)，即無線回傳網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)是一個3層組網(wǎng)。所以，所謂不同技術(shù)承載IP RAN的根本區(qū)別在于3層網(wǎng)關(guān)在回傳網(wǎng)絡(luò)中的位置。

3.2.1 基站數(shù)據(jù)設(shè)備的必要性

基站已完成由內(nèi)核到外接口的IP化演變，但仍然不是IP設(shè)備。目前，一般基站只提供10/100Base-T電口的輸出。而50～100 km級以上的以太傳輸，需要光傳輸實(shí)現(xiàn)。在遠(yuǎn)距接入IP RAN時，考慮到3G乃至LTE的業(yè)務(wù)需求以及運(yùn)營成本，在基站側(cè)建議選擇以太交換機(jī)或具備以太接口的小型路由器，而不宜采用光電轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)匯聚、保護(hù)、管理等綜合功能。

（1）匯聚收斂

現(xiàn)網(wǎng)某些基站的cdma2000 1x和Ev-Do由不同的FE（fast ethernet，快速以太網(wǎng)）端口區(qū)分，每臺基站出多個FE端口。采用基站側(cè)設(shè)備可以將鏈路收斂到一臺設(shè)備上，節(jié)省光纖資源。

（2）冗余保護(hù)

對于重要基站，需要通過不同物理路由接入提供鏈路雙歸上聯(lián)實(shí)現(xiàn)冗余。

（3）機(jī)房綜合管理

利用基站側(cè)設(shè)備可綜合承載機(jī)房監(jiān)控、門禁等業(yè)務(wù)。

（4）同步功能支持

目前基站對地面同步功能支持較弱，利用基站側(cè)數(shù)據(jù)設(shè)備，可以將地面同步信號通過承載網(wǎng)傳送到基站側(cè)，并通過2 MHz/1 pps/ToD等接口實(shí)現(xiàn)時鐘同步。

（5）端到端管理的能力

以太交換機(jī)/路由器支持SNMP及Syslog網(wǎng)管功能，可以實(shí)現(xiàn)由基站側(cè)至無線核心側(cè)IP RAN端到端的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理。

（6）業(yè)務(wù)質(zhì)量保證能力

以太網(wǎng)設(shè)備支持IEEE 802.1q，可以實(shí)現(xiàn)基站cdma2000 1x與Ev-Do業(yè)務(wù)分離傳送的需求；支持IP-QoS和CoS，從IP RAN源端即提供不同類型業(yè)務(wù)流的服務(wù)等級劃分；支持BFD協(xié)議，可以加速IP層面的業(yè)務(wù)切換。

（7）組網(wǎng)及業(yè)務(wù)靈活擴(kuò)展性

目前小型以太交換機(jī)支持8～16個10/100 MHz業(yè)務(wù)接口及GE中繼口的能力，可以通過VLAN劃分提供4個cdma2000 1x接口和4個Ev-Do接口，滿足目前4扇區(qū)的業(yè)務(wù)需求；另一方面，在邏輯結(jié)構(gòu)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 MHz接入IP RAN的能力。

3.2.2 面向3G/LTE的IP RAN方案

面向3G/LTE的IP RAN方案實(shí)際上是3層組網(wǎng)。根據(jù)IP RAN 3層網(wǎng)關(guān)終結(jié)的位置可以細(xì)分為3種組網(wǎng)模式，包括RNC-CE為3層網(wǎng)關(guān)方案、城域網(wǎng)SR為3層網(wǎng)關(guān)方案、基站路由器為3層網(wǎng)關(guān)方案，如圖1所示。

在目前的技術(shù)發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)部署情況下，MSTP和IP/MPLS作為IP RAN的純2層接入延伸意義不大。即使RAN全程為2層架構(gòu)，在無線核心側(cè)也會部署RAN-CE實(shí)現(xiàn)3層終結(jié)。

（1）RNC-CE為3層網(wǎng)關(guān)方案

RNC-CE作為3層網(wǎng)關(guān)的IP RAN組網(wǎng)示意如圖2所示。RNC-CE終結(jié)3層網(wǎng)關(guān)的方案，適用于MPLS-TP作為IP RAN接入延伸方案。

MPLS-TP段落采用MPLS-TP自身的鏈路和節(jié)點(diǎn)保護(hù)機(jī)制。而MPLS-TP RAN與RNC-CE銜接的部分采用MC-LAG或L2 VPN+VRRP提供鏈路和RNC-CE的保護(hù)。其中，L2 VPN+VRRP是較常用方案。但由于大量基站接入位置相對集中、數(shù)量極其有限的RNC-CE對RNC-CE的性能壓力很大，現(xiàn)有技術(shù)下的硬件資源不能滿足大規(guī)模基站VRRP接入保護(hù)的需求。另一方面，雖然MC-LAG對RNC-CE沒有VRRP的性能要求，但受限于具體廠商實(shí)現(xiàn)方式，對于MPLS-TP 2層接入段和RNC-CE設(shè)備的MC-LAG互聯(lián)而言，不同廠商設(shè)備的技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)制不同，實(shí)現(xiàn)的切換保護(hù)效果也不一樣。總體而言，只有在MPLS-TP 2層接入段和RNC-CE使用同廠商設(shè)備的情況下，才能確保互通保護(hù)的效果。

（2）城域網(wǎng)SR為3層網(wǎng)關(guān)方案

城域網(wǎng)SR作為3層網(wǎng)關(guān)的IP RAN組網(wǎng)示意如圖3所示。城域網(wǎng)SR終結(jié)3層，網(wǎng)關(guān)以下的RAN是2層網(wǎng)絡(luò)通道，可采用IP/MPLS、新型以太網(wǎng)、MPLS-TP等技術(shù)提供。由于RNC-CE和網(wǎng)關(guān)都已經(jīng)是3層設(shè)備，且考慮到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維效率和復(fù)雜度，較適用IP/MPLS和新型以太網(wǎng)作為接入技術(shù)的IP RAN方案。

對于IP/MPLS作為IP RAN接入延伸的方案，實(shí)質(zhì)上是MPLS到邊緣。用戶通過基站路由器接入后，MPLS L2 VPN延伸2層以太至城域網(wǎng)SR；在城域網(wǎng)SR上開啟MPLS L3 VPN，終結(jié)基站的IP網(wǎng)關(guān)。城域網(wǎng)內(nèi)選取SR，與RNC-CE開啟跨域MPLS L3 VPN互通，實(shí)現(xiàn)cdma2000 1x和Ev-Do的業(yè)務(wù)流傳送。

IP RAN的保護(hù)分為3段：基站路由器與城域網(wǎng)SR之間采用2層偽線（PW）保護(hù)，城域網(wǎng)內(nèi)SR至SR采用FRR實(shí)現(xiàn)快速收斂，城域網(wǎng)SR與RNC-CE之間采用e-BGP動態(tài)路由保護(hù)，城域網(wǎng)SR和RAN-CE側(cè)設(shè)置雙RD加速收斂速度。

對于通過新型以太網(wǎng)作為IP RAN接入延伸時，與MPLS到邊緣方案的不同之處僅在于3層網(wǎng)關(guān)下的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)及保護(hù)。業(yè)務(wù)流量通過新型以太網(wǎng)2層通道邏輯標(biāo)識隔離（如VLAN），通過新型以太網(wǎng)2層快速收斂技術(shù)結(jié)合IP收斂來保證IP RAN接入段的高冗余可靠性。

（3）基站路由器為3層網(wǎng)關(guān)方案

基站路由器作為3層網(wǎng)關(guān)的IP RAN組網(wǎng)示意如圖4所示。基站通過以太方式接入基站路由器，不同基站業(yè)務(wù)通過VLAN標(biāo)識，3層網(wǎng)關(guān)就近終結(jié)在基站路由器上的方案。基站路由器上cdma2000 1x、Ev-Do、動環(huán)監(jiān)控等各類業(yè)務(wù)通過OPTION-A方式接入城域網(wǎng)SR上對應(yīng)的MPLS L3 VPN。城域網(wǎng)與RNC-CE之間采用跨域MPLS VPN互通、e-BGP+雙RD的保護(hù)模式。由此可見，該方案為IP到邊緣的實(shí)施方案。

IP RAN的保護(hù)分為3段式，其中城域網(wǎng)內(nèi)及城域網(wǎng)與RNC-CE之間保護(hù)方式與城域網(wǎng)SR作為網(wǎng)關(guān)的保護(hù)方案相同。而對于基站路由器與城域網(wǎng)SR之間的保護(hù)有以下兩種。

·方式一：BFD+IGP保護(hù)。基站路由器與城域網(wǎng)SR啟用BFD與IGP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層次清晰，設(shè)備實(shí)現(xiàn)及運(yùn)維職責(zé)劃分簡單。

·方式二：偽線（PW）快速保護(hù)。此時，基站路由器與城域網(wǎng)SR開啟IGP和TE-FRR，通過PW over FRR或PW over IGP方式實(shí)現(xiàn)快速切換保護(hù)。該結(jié)構(gòu)基站路由器與城域網(wǎng)SR之間緊耦合，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)入門要求較高。

3.2.3 方案比較

綜上所述3層方案，結(jié)構(gòu)上的關(guān)鍵點(diǎn)都在于3層網(wǎng)關(guān)的位置選擇，距離基站的由遠(yuǎn)及近，3種方案的差異性在于以下幾點(diǎn)。

（1）RNC-CE作為3層網(wǎng)關(guān)

數(shù)量極其有限的RNC-CE需要承受大量基站匯聚上來的VRRP保護(hù)壓力，隨著基站深度覆蓋，RNC-CE將難以終結(jié)海量VRRP組。另外，當(dāng)IP-RAN接入延伸的2層域較大時（除RNC-CE作為3層網(wǎng)關(guān)外，RAN端到端都是2層網(wǎng)），將面臨eNode B和AGW之間緊耦合的問題。同時，大2層域先天的N2問題也會較大地限制網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性。

（2）城域網(wǎng)SR作為3層網(wǎng)關(guān)

如果城域網(wǎng)SR與無線RNC-CE分別劃域，端到端的RAN實(shí)現(xiàn)將涉及跨域，異廠商SR跨域保護(hù)切換將受到雙方參數(shù)調(diào)優(yōu)的影響，可能引入較大延時。同時，2層網(wǎng)絡(luò)與SR之間的保護(hù)切換也是關(guān)鍵因素之一。如果采用不同廠商設(shè)備，2層網(wǎng)絡(luò)與SR之間的切換效果有較大差異。但此時，由于城域網(wǎng)SR分布相對較多，SR終結(jié)VRRP組壓力較小。

（3）基站路由器作為3層網(wǎng)關(guān)

“BFD+IGP”保護(hù)方案跨廠商互通時，某些廠商設(shè)備參數(shù)調(diào)優(yōu)限制將可能引入延時較大。而“偽線保護(hù)”方案基于TE-FRR實(shí)現(xiàn)時，廠商設(shè)備參數(shù)調(diào)優(yōu)效果較好，保護(hù)切換時間在百毫秒內(nèi)。

4 結(jié)束語

IP RAN由于其RNC網(wǎng)關(guān)的IP特性，已經(jīng)決定了其架構(gòu)是3層網(wǎng)絡(luò)。但I(xiàn)P RAN網(wǎng)關(guān)的接入延伸可以基于不同的2、3層技術(shù)實(shí)現(xiàn)。不同技術(shù)、不同廠商組網(wǎng)，端到端的IP RAN質(zhì)量、保護(hù)特性將有差異。因此，IP RAN組網(wǎng)需要綜合考慮業(yè)務(wù)體驗、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和運(yùn)維成本，在等待技術(shù)和設(shè)備進(jìn)一步成熟的同時，根據(jù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和無線核心現(xiàn)狀，盡可能采用同廠商成熟設(shè)備組網(wǎng)。