PTN承载LTE业务适应性分析.docVIP

ptn 承载 lte 业务适应性分析analysis on the adaptability of ptn network carrying the lte era services王义涛，郭晓非，袁秀森（中讯邮电咨询设计院有限公司，河南 郑州 450007）wang yitao，guo xiaofei，yuan xiusen（china information technology designing & consulting institude co.，ltd.，zhengzhou 450007，china）摘要：关键词：分析了 lte 时期的业务需求特点，对 ptn 中部署 l3 vpn 的 5 种模式进行了对比，从设备和网络组织方面对 ptn 承载 lte 时期业务的适应性进行了研 究。长期演进；s1；x2；l3 vpn；分组传送网；组网模式中图分类号：tn915文献标识码：a文章编号：1007-3043（2012）08-0057-06abstract：it analyzes the characteristics of service demand in lte era, compares 5 modes on deploying l3 vpn in ptn, researches the adaptability of ptn carrying services in lte era from the aspects of equipment and networking.keywords：lte; s1; x2; l3 vpn; ptn; networking mode1 lte 时期的 utran 网络架构2g/3g 和 lte 网络架构见图 1。lte 网络架构与2g/3g 的不同之处主要体现在以下2 个方面。0 前言lte 是由 3gpp 制定的移动通信向 4g 演进的体系标准。目前，其定义的 lte r8 标准已予以冻结。中国 移动于 2011 年启动了 td-lte 场外测试，并有可能在23 年内启动商用，这标志着我国移动通信正式步入lte 时代已为时不远了。 分组传送网（ptn）是以分组业务为核心并提供多种业务接入的传输技术。ptn 不仅综合了 ip、mpls 和光传输的技术优势，还具备高可用性、高可靠性、高 效的带宽管理机制和流量工程、便捷的 oam 和网管、 较高的可扩展性和安全性等优势。收稿日期：2012-05-10图 1 2g/3g 和 lte 网络架构x2lte 网络架构epccnmmerans1-us1-mmeenodebenodebenodebs-gws-gwpdn-gw2g/3g 网络架构cs pscnmsc servermcmgwiu-csiu-psranbsc/rncrnciurabisiubiubbtsnodebnodebggsngnsgsna）采 用 扁 平 化 网 络 架 构 。 lte 无 线 接 入 网（e-utran）主要由 enodeb 构成，取消了 2g/3g ran中的bsc/rnc，直接接入epc 设备。b）采用全 ip 化网络架构。lte 核心网采用全 ip的 epc，主 要 由 移 动 管 理 实 体（mme）、服 务 网 关（sgw）、分组数据网关（pgw）等功能实体组成。其 中：mme 主要负责用户及会话管理的所有控制功能， sgw 主要负责用户平面的数据传送、转发及路由切换 等，而pgw 则是所有外部数据网络接入的锚点。320 mbit/s；lte 室内分布系统按 o1 站型配置 1 个 20mhz 小区，上下行按 22 配置，平均带宽达 60 mbit/s，峰值带宽达 110 mbit/s。s1 和 x2 接口的业务流量，约分别占lte backhaul 流量的97%和3%。2.4 qos 需求gsm/edge 和 hsdpa 系统的传输时延分别要求 小于 150 ms 和小于 70 ms。而 lte 系统则对传输时延 提出了更高的要求。据 3gpp 建议，s1 接口传输时延 要求小于 10 ms，x2 接口尚无明确要求，目前可暂执行 s1 接口双向时延小于20 ms 的要求。2.5 时钟传送2lte 时期业务承载需求分析网络演进不可能一蹴而就，lte 时期 2g/3g 和td-lte 要求频率时钟和高精度时间时钟同步，lte 将长期共存，因此需对 lte 时期的业务承载需求进行必要的分析。2.1 utran接口需求a）2g。abis 接口基站侧为 e1，bsc 侧为 e1 或stm-1。b）3g。iub 接口基站侧为 ima e1、stm-1 或 fe，rnc 侧为stm-1 或ge。c）lte。enodeb 与 epc 间通过 s1 接口连接，eno deb 间通过 x2 接口连接。基站侧 s1/x2 为逻辑接口， 通常共用 1 个 ge 接口；mme/sgw 侧一般采用 10ge 接 口。s1 接口又可分为 s1-mme（s1-c）和 s1-u，分别 与 epc 中的 mme 和 sgw 连接，承载信令和业务流；x2 接口主要用于切换时刻业务的传输，通常仅用于相邻 基站间存在x2 接口的逻辑连接。2.2 业务流向特点abis 和iub 接口为点到点静态汇聚型业务流。lte 在 e-utran 中引入了 s1-flex 技术（即若干 组 mme/sgw 组成资源池），提供容灾备份功能，s1 业 务可归属到池内不同的 mme/sgw。资源池和 s1-flex 技术的应用，使得 enodeb 与 sgw/mme 间变成了动态 的多归属结构；而 x2 接口的引入则使得相邻基站间产 生了互联需求。s1/x2 接口的业务流向为基于业务 ip 地址转发。2.3 业务流量单个 2g 基站的典型带宽需求为 12 mbit/s82mbit/s。单个 3g 宏基站典型保证带宽为 16 mbit/s，单个3g 室分站点典型保证带宽为8 mbit/s。lte 宏基站按 s1/1/1 站型配置 3 个 20 mhz 小区， 上下行按 22 配置，平均带宽达 80 mbit/s，峰值带宽达精度与td-scdma 同，分别为0.05 ppm 和1.5 s。3 lte 时期 ptn 设备适应性分析当用 ptn 作为 lte 时期基站回传承载网络时，必 须解决 2g/3g 和 lte 业务的统一承载问题。以下从 5 个方面对lte 时期ptn 设备的适应性进行分析。a）多种接口支持。ptn 设备支持接入 e1、ima、stm-1、fe、ge、10ge 等接口。现网 ptn 设备存在的主 要 问 题 是 ，部 分 厂 家 tdm 业 务 支 持 能 力 较 弱 、stm-1 光接口集成度较低，承载 2g 基站业务时易产生瓶颈。b）高带宽业务流量支持。现网 ptn 设备虽支持 高带宽业务传送，但因核心层交换、背板容量、接口盘 集成度较低，易产生交换容量和接口盘槽位不足等问 题。c）动态业务流向支持。lte 时期的 s1/x2 接口业 务为基于 ip 地址动态转发。这要求承载网络必须支 持 l3 vpn，而现网 ptn 设备均不支持，不能满足网络 需求。在现网 ptn 部署 l3 vpn 时，有通过 ptn 扩容 升级支持 l3 vpn 和 ptn+ce 2 种解决方案。目前，大 多数厂家设备均可通过软件升级支持 l3 vpn，升级后 业务损伤时间可基本控制在秒级以内。ptn 支持 l3 vpn 方案的优势主要体现在核心层 的 one box 上：成本低、能实现端到端的统一网管管 理、便于统一运维、具备端到端的网络保护能力，劣势 是暂无国际标准，规模组网的产品成熟度尚有待进一 步验证；ptn 支持 ptn+ce 方案的优势主要体现在产 品成熟度高、l3 支持好等方面，劣势是核心层 two box 的成本较高（业务开通和网络维护需传输和数据 2 个 专业配合完成）、故障定位难度较大、端到端保护能力核心节点核心节点bsc/rnc/mme/sgwbsc/rnc/mme/sgw核心落地层核心调度层10ge核心节点核心节点10ge骨干汇聚层骨干汇聚节点骨干汇聚节点10ge接入汇聚层接入汇聚节点接入汇聚节点接入节点ge接入节点 接入层接入节点图 2 ptn 典型网络架构受限、ptn 和 ce 为不同厂家时部分互通性能指标尚需进一步改进。由此可知，ptn 支持 l3 vpn 方案的优势 较ptn 支持ptn+ce 方案更大些。d）严格的网络时延要求。lte 网络的时延要求 要比 2g/3g 更为严格：一方面在设备层面要求增强 ptn 设备的处理能力，使其具有更小的传输时延离散 型；另一方面在网络层面要求 ptn 组网趋向扁平化， 使业务在网络中传输时经过的电层节点设备数尽可 能的少。e）高精度时间时钟传送支持。目前，ptn 设备大 部分能支持 1588v2 时间时钟的传送，但要求同一同步 链路的节点数不宜过多（如最多不超过20 个）。由上述分析可知，现网 ptn 设备软件升级支持l3 vpn 或在 ptn 设备与 mme/sgw 间增加 ce 后即能 满足 lte 时期业务承载需求，但 ptn 设备处理能力和 效率仍需提升、交换和背板容量仍需增大、接口盘集 成度仍需提高，同时 ptn 拓扑需逐步实现扁平化、缩 短 业 务 传 输 逻 辑 距 离 ，以 期 减 小 ptn 传 输 时 延 和1588v2 时钟传送损伤。4 ptn 支持 l3 vpn 方案部署4.1 ptn 典型网络架构ptn 典型网络架构一般分为核心层、汇聚层和接 入层。当网络规模较大时，逻辑上可将核心层和汇聚 层分别细分为核心调度层、核心落地层和骨干汇聚 层、接入汇聚层（见图 2）。层次细分的优点是有利于 物理上各业务点接入、网络组织、业务调度及后期网 络扩展。其中：核心落地层负责业务终端，核心调度 层负责核心节点间业务转接和调度，骨干汇聚层负责 各汇聚区业务汇聚与收敛，接入汇聚层负责各综合业 务接入区业务的汇聚与收敛。在市区，可按物理分布将 ptn 划分为几个较大的 汇聚区域，各汇聚区域设置 12 个骨干汇聚节点；在汇 聚区域内选择部分综合业务接入区汇聚机房作为接 入汇聚节点，负责相邻综合业务接入区内业务的汇聚 与收敛。实际上，每个郊县即为一个汇聚区域，可设置 12 个骨干汇聚节点。为便于维护，骨干汇聚节点一般设 置在城区（如县中心机房）。可按片区选择部分乡镇 汇聚机房作为接入汇聚节点，以负责相邻乡镇区域业 务的汇聚与收敛。当郊县规模较小时，也可将骨干汇 聚层和接入汇聚层进行合并。4.2 ptn 支持l3 vpn方案的网络部署模式当采用 ptn 支持 l3 vpn 方案时，按 l3 vpn 的部 署层次，可有5 种部署模式，其比较见表1。由表 1 可知，目前只有部署在核心落地层和核心 调度层以上 2 种模式是比较成熟可行的部署模式。鉴 于部署在骨干汇聚层以上和接入汇聚层以上 2 种模式 启用动态路由协议时，可有效地降低静态路由配置工 作量、减少因网络调整引起的相关业务路由配置修改 工作量（特别是采用 ptn+otn 组网模式的路由域规 模较小时），因此它们是比较有研究和推行价值的；而 全网部署模式则因其路由域规模巨大、实现难度很 大，目前尚看不出有多大的应用前景。4.3 ptn 支持l3 vpn方案业务部署4.3.1 lte业务部署当采用 ptn 支持 l3 vpn 方案承载 lte 业务时， s1/x2 业务在靠近基站侧启用 l3 vpn 的 ptn 设备进 行分离。图 3 是采用核心调度层以上部署模式的案 例。s1/x2 业务在接入层和汇聚层采用 l2 pw 进行封 装，通过 e-line 模型传送，核心节点间采用 ip pw 或 l2 pw 或 vrf 进行封装。每个基站分配 1 个独立的表 1ptn 支持 l3 vpn 方案部署模式的比较度层、骨干汇聚层、接几千置复杂域巨大，实现电信级很大定位难度大态路由协议后，接入本可避免求很高，基本避免了工作量的增加vlan 和 1 个独立网段的 ip 地址。s1/x2 业务在接入汇聚层通过 e-line 模型传送到核心节点，在核心节点 ptn 设 备 内 部 通 过 不 同 的 虚 拟 vlan 子 接 口 终 结 e-line、隔离广播；每个虚拟 vlan 子接口配置 1 个与 对应基站在统一网段的 ip 地址，完成 l2 vpn 到 l3vpn 的桥接；然后，核心节点 ptn 设备根据目的 ip 地址对 s1/x2 业务进行分离，并进行路由转发：s1 业务转 发到归属的 mme/sgw，x2 业务转发到目的基站。路 由转发可采用网管静态配置方式或采用 l3 vpn 动态 路由方式予以实现。enodeb 方 向 和 sgw/mme 方 向 采 用 双 节 点 保护。每个 enodeb 工作和保护 pw 配置到主备核心节 点，核心节点间运行 vrrp，下一跳为 vrrp 保护组的 虚拟 ip 地址；sgw/mme 双归到主备核心节点，核心节 点 在 sgw/mme 方 向 运 行 vrrp；通 过 ptn 的 快 速 oam 和 vrrp 绑定方式，提高 vrrp 保护速度。目前， 大部分厂家的 ptn 设备都能保证倒换时间在 50 ms 以内。核心节点间需采用 l3 vpn frr 保护提供路由层面的双节点保护能力，保证保护倒换时间在 50 ms 以 内。对于 l3 vpn 网络内部的故障，则需采用 ptn 线 性保护或环网保护技术。4.3.2 2g/3g 业务部署lte 时期，2g/3g tdm 业务配置不变，仍采用 l2vpn 端到端配置方式。4.3.3 3g 业务部署现网 iub 接口大部分已 ip 化。lte 时期，若 l3vpn 路由转发采用静态配置方式，建议非 ip 化和 ip 化 的 iub 接口业务仍采用端到端 l2 vpn 配置；若 l3 vpn 路由转发采用动态路由方式，建议 ip 化的 iub 接口业 务参照lte 业务进行配置。4.3.4 olt上联电路部署olt 上联电路一般至汇聚交换机终结，而汇聚交 换机一般安装在接入汇聚节点或骨干汇聚节点。因 此，lte 时期 olt 上联电路的部署方式不变，仍按项目仅部署在核 心落地层部署在核心 调度层以上部署在骨干 汇聚层以上部署在接入 汇聚层以上全网部署l3 vpn 部署层次核心落地层核心落地层、核心调 度层核心落地层、核心调度层、 骨干汇聚层核心落地层、核心调 度层、骨干汇聚层、接 入汇聚层核心落地层、核心调入汇聚层、接入层能否满足 lte 多归属要求满足满足满足满足满足s1/x2 传输时延满足度较易较易较易难度较大难度很大路由域规模小，一般为个位数小，一般不超过 20较小，一般不超过 40较大，一般不超过 150巨大，一般为几百至网络复杂度低，路由域小，配置简 单低，路由域较小，配 置相对简单较低，路由域较小，配置稍 复杂较高，路由域较大，配 置相对复杂很高，路由域巨大，配传输质量及网络健壮性有保障，路由域小，能 实现电信级 50 ms 保 护倒换有 保 障 ，路 由 域 较 小 ，能 实 现 电 信 级50 ms 保护倒换保障难度小，路由域较小， 实现电信级 50 ms 保护倒 换难度小保障难度较大，路由 域较大，实现电信级50 ms 保护倒换有一 定难度保障难度很大，路由50 ms 保护倒换难度可维护性强，复杂度低，故障定 位较易强，复杂度低，故障 定位较易较强，复杂度较低，故障定 位相对容易一般，复杂度较高，故 障定位较困难弱，复杂度很高，故障建网成本低低较低较高很高原 ptn 升级范围小小较小较大巨大配置工作量大，网络调整时相关 业务均需修改配置， 特别是市区容易发生 物理路由误配，造成 安全隐患大，网络调整时相关 业务均需修改配置， 特别是市区容易发 生物理路由误配，造 成安全隐患较大，l3 vpn 开启动态路 由协议后，骨干汇聚层以上 网络调整相关业务不需重 配，物理路由误配情况相对 较少较小，l3 vpn 开启动汇聚层以上网络调整 相关业务不需重配， 物理路由误配情况基小维护成本维护人员技术能力要 求低，但网络频繁调 整导致维护工作量大维护人员技术能力 要求低，但网络频繁 调整导致维护工作 量大维护人员技术能力要求较 高，一定程度上减轻了网络 调整引起的维护工作量的 增加维护人员技术能力要 求较高，较大程度上 减轻了网络调整引起 的维护工作量的增加维护人员技术能力要网络调整引起的维护商用成熟度较成熟较成熟待验证待验证不成熟，因成本、规模 和技术受限，目前尚 无应用案例核心节点核心节点mme/sgwbsc/rnc/mme/sgw备用vrrp 网关 主用vrrp 网关核心落地层核心层ptn 设备根据目 的ip 地址核心调度层10ge将s1/x2 业 务分离核心节点核心节点10ge骨干汇聚层骨干汇聚节点骨干汇聚节点10ge接入汇聚层接入汇聚节点接入汇聚节点ge接入层主用s1 路由 备用s1 路由 主用x2 路由 备用x2 路由图 3 lte 业务部署案例平面。b）发展模式二（设置 2 个骨干汇聚节点）。该发展 模式在 ptn 建设初期即在每个汇聚区设置 2 个骨干汇 聚节点，骨干汇聚层建设 2 个平面，接入汇聚层跨 2 个 骨干汇聚节点组环，接入层和接入汇聚层均按汇聚区 独立组网。该模式业务主备路由在骨干汇聚层分别 配置在 2 个平面上，后期骨干汇聚层扩容时需 2 个平 面配对进行。5.1.2 发展模式比较发展模式一的优势是初期建设成本低，劣势是网 络维护需县间配合，易受到目前维护体制影响；初期 若采用发展模式一，后期汇聚区新设第二骨干汇聚节 点时需将网络调整为发展模式二，容易出现一二平面 间负载严重不均或大量 lsp 标签重配等问题，因此建 网初期有关发展模式的采用问题应予以慎重决策。5.2 ptn+otn联合组网模式ptn+otn 联合组网有将 otn 下沉到骨干汇聚节 点和下沉到接入汇聚节点 2 种模式。考虑到 otn 整体 下沉建设成本过高、接入汇聚节点数量较多、对业务 收敛能力弱，因此建议网络初期采用将 otn 下沉到骨 干汇聚节点模式，接入汇聚层仅组建 ptn 汇聚环，后 期再根据业务需求逐步在接入汇聚节点上叠加 otn 设备。接入层和汇聚层按环形组织。骨干汇聚节点与 核心节点 ptn 设备间通过 otn 系统提供的 10ge/ge 通道直接对接，实现网络扁平化。核心调度层与核心 落地层合并，每个核心节点成对配置 ptn 设备，同时 起到业务落地和局间调度功能。核心节点间根据需 要组织为环形或mesh 形网络，以便于局间调度。对于骨干汇聚层，比较理想的情况是在每个汇聚区设置 2 个骨干汇聚节点，分别组建 otn 一平面和二 平面，以平均分担业务电路。由于建设初期业务量较 小，otn 一般先按 1 个平面建设，后期根据业务需求再 建设二平面。后期扩容建设 otn 二平面时，部分原业 务路由调整至二平面仅需进行 otn 光层调整即可，无 需ptn lsp 标签重配。lte 时期，ptn+otn 联合组网模式 l3 vpn 可采 用核心调度层以上部署或骨干汇聚层以上部署 2 种模 式。采用核心调度层以上部署模式时，基站和 mme/ sgw 方向均为核心节点配对 ptn 设备互为主备 vrrp 网关；采用骨干汇聚层以上部署模式时，基站方向骨 干汇聚节点 1 和骨干汇聚节点 2 互为主备 vrrp 网关，e-line 模型采用端到端l2 vpn 静态隧道承载。5 lte 时期不同 ptn 组网模式适应性分析目前，ptn 有纯 ptn 组网和 ptn+otn 联合组网 2种典型组网模式。5.1 纯ptn 组网模式纯 ptn 组网模式的接入层至核心调度层一般按 环形组织。不同网络层面间及 2 环间尽量采用双节点 互联，以确保单节点故障时不同网络层面及 2 环间网 络安全。lte 时期，建议该组网模式 l3 vpn 采用核心 调度层以上部署模式，以有效地减小业务所经 l3 vpn 设备节点数、缩短传输时延；基站方向，核心节点 a、b 互为主备 vrrp 网关；mme/sgw 方向，核心节点 2 端 落地ptn 设备互为主备vrrp 网关。5.1.1 发展模式根据汇聚区设置骨干汇聚节点的数量，纯 ptn 组 网模式有以下2 种发展模式。a）发展模式一（仅设置 1 个骨干汇聚节点）。该发 展模式的典型特征是接入汇聚层跨相邻 2 个汇聚区组 环，后期扩容时根据需要在相应层面按原结构新建二mme/sgw 方向核心节点配对 ptn 设备互为主备 vrrp 网关。该组网模式更有利于发挥动态路由优势，当l3 vpn 采用动态路由转发时，建议采用骨干汇聚层以 上部署模式。5.3 2种组网模式的比较纯 ptn 组网模式的优势是初期建设成本低，业务 量较小时无需建设 otn。其劣势是：核心节点较多、 基站归属较复杂时电路调度难度大、业务配置复杂； 后期扩容路由改动时大量 lsp 标签需重配，网络调整 工作量大；s1/x2 业务经过的 ptn 节点数较多，增大了 传输时延。因此，该组网模式一般适用于业务量小、 在一定时间内扩容建设 ptn 二平面网络的可能性较 低、核心节点不超过2 个的小型城市。ptn+otn 组网模式的优势是：电路调度方便、业 务配置简单清晰；扩展性强，后期扩容无需修改原电 路 lsp 标签；网络扁平化，s1/x2 业务经过的 ptn 节点 数较少，有利于缩短传输时延，更适合 lte 业务传输； 网络结构更有利于发挥动态路由优势。其劣势是初 期建设成本较高，需同步建设 otn，故该组网模式适 应于业务量较大、核心节点较多的中大型城市。vpn 方案更有利于网络安全、维护和管理。目前，l3vpn 部署在核心层仍是最为简单可行的方案。随着 承载业务量的不断增加，ptn 静态配置方式网络调整 复杂性高的问题会逐步暴露出来，而 ptn 国际标准尚不成熟，不排除未来 ptn 必须支持 l3 动态路由功能。而 ptn+otn 扁平化组网模式后期扩展会更为简单、更有利于发挥动态路由优势、更适应于 lte 时期的业务承载。参考文献：1龚倩，邓春胜，王强，等. ptn 规划建设与运维实战m.北京：人民邮电出版社，2008. 陈晓明，高军诗，李勇，等. td-lte ran 承载网技术方案研究 2j .电信工程技术与标准化，2010（11）.3陈孟奇. ptn l3 组网承载 td-lte 业务的可靠性规划探讨j. 移 动通信，2011（21）.4赵然. lte 标准化及其演进路线j.邮电设计技术，2012（1）.作者简介：王义涛，毕业于重庆邮电学院，工程师，学士，主要从事通信网络咨询规划设计工作；郭 晓非，毕业于重庆邮电学院，工程师，学士，主要从事通信网络咨询规划设计工作；袁秀 森，毕业于西安电子科技大学，主要从事通信网络咨询规划设计工作。6结束语ptn 能适应 lte 时期的业务承载，而 ptn 支持 l