TD-LTE RAN承载网技术方案研究

陈晓明 高军诗 李勇

（中国移动通信集团设计院有限公司 北京 100080）

1 前言

新一代宽带无线移动通信技术（LTE，Long Term Evolution）作为信息通信技术发展方向的代表，逐渐受到各国政府及运营商的关注。TD-LTE作为LTE技术的重要分支，是我国在通信行业取得的重大突破TD-SCDMA标准的后向发展路标和向IMTAdvanced（4G）演进的方向，是我国发展成为通信强国的坚实基础。

北欧运营商TeliaSonera已在瑞典启动了全球首个LTE商用网络，日本NTT DoCoMo和美国Verizon Wireless也宣布开始部署LTE网络，最早将于2011年开始商用。为实现TD-LTE与LTE FDD同时起步、同步发展，推进TD-LTE产业链尤其是终端产品尽快成熟，加速商用化进展，迫切需要通过TD-LTE规模网络试验进行推进。

2 TD-LTE RAN承载需求分析

LTE网络架构主要由eNode B和接入网关（aGW）两部分构成，如图1所示，和2G、3G网络比较，少了RNC。eNode B除具有原Node B功能外，还承担了RNC的大部分功能。aGW作为核心网的一部分，包括3种功能实体：MME（Mobility Management Entity，移动管理实体）、SGW（Service Gateway，服务网关）和PGW（PDN Gateway，分组数据网网关）。

2.1 S1接口承载需求

S1接口为eNode B和aGW之间的接口需求，按照承载的业务不同分为S1-U和S1-C两种接口，S1-U主要承载用户面数据，具体连接eNode B和SGW，S1-C主要承载控制面数据，具体连接eNode B和MME。

在LTE网络中，由于引入了SGW-pool和MME-pool功能，对S1接口提出了Flex的要求，eNode B可以同时归属到多个MME、SGW，与多个MME、SGW建立连接，满足无线网络负载分担、冗余备份的需求，提高网络的利用率和可靠性。

图1 TD-LTE RAN网络结构及接口示意图

2.2 X2接口承载需求

为保证UE在不同eNode B漫游时，用户数据可以在eNode B之间直接进行交换，降低转发时延，LTE引入了X2接口，X2接口为相邻eNode B直接的接口。X2接口要求承载网支持部分Mesh的架构，需要在相邻基站之间建立逻辑连接。

2.3 承载时延需求

要满足LTE的呼通率、服务质量，S1逻辑连接的承载延时要求5～10ms。要满足用户业务的小区切换需求，X2连接的承载延时要求信令面10～20ms，数据面50～100ms，LTE正在计划引入的动态ICIC功能将会对网络时延提出更高要求。

2.4 承载带宽需求

S1接口的不同配置对承载带宽需求如表1所示。

表1 LTE典型带宽需求

而X2接口带宽一般为S1接口的3%，根据上述要求计算如下：

2.4.1 宏基站

按照一个宏基站为S1/1/1，配置3个20MHz小区，上下行按照2:2配置，LTE基站峰值带宽需求约为240Mbit/s，平均带宽（仿真结果）为60Mbit/s。

2.4.2 室内分布站

按照一个室分站为O1，配置1个20MHz小区，上下行按照2:2配置，LTE基站峰值带宽需求约为80Mbit/s，平均带宽（仿真结果）为45Mbit/s。

考虑到PTN的承载效率，LTE基站传输带宽需求如下：

宏基站（S1/1/1） ：峰值带宽320Mbit/s，平均带宽80Mbit/s；

室内分布系统（O1）：峰值带宽110Mbit/s，平均带宽60Mbit/s。

2.5 同步要求

TD-LTE网络除了频率同步要求外，还需要时间同步，精度要求为±1.5us，与TD-SCDMA网络的要求一样。

2.6 LTE-RAN承载需求的特点

（1）高带宽。由于LTE能够为用户提供的无线速率大幅提高，因此对承载网络的带宽需求也成倍增加。

（2）L3需求。由于LTE网络引入S1-flex概念和X2接口，eNode B需要建立到不同的SGW/MME之间的接口，以及相邻eNode B的X2接口，承载网络需要支持L3功能才能对LTE的流量进行疏导。

（3）网络规模更大。LTE实现深度覆盖，在覆盖区域网络节点数将是现有基站数量的2－3倍。

（4）统一承载要求。LTE和2G、3G网络共存，承载网考虑多场景统一接入，现有承载网应具备向分组网络平滑演进的需求。

（5） 高网络可靠性。承载IP化同样要求网络保证高可靠性，故障切换小于50ms。

（6）严格的网络QoS。E2E时延要求小于20ms，比2G、3G需求更严格。

（7）时间同步。TD-LTE需要时间同步。

3 TD-LTE RAN承载网解决方案

通过前面的需求分析可知，LTE-RAN承载相比3G业务的承载，最大的变化在于下面两点：

（1）S1接口需要灵活的调度能力，可以灵活的归属到多个MME/AGW；

（2）在基站之间有X2接口的承载需求。

对于第一点，因为给每个基站建立多条单独的路径归属到不同aGW会导致连接的数量急剧增加，对PTN的处理能力要求也急剧增加，PTN几乎不可能完成，所以需要动态路由转发来解决。动态路由转发部署应控制在核心层完成，这样可以把路由域的规模控制得比较小，提高网络的可扩展性和安全性。

对于第二点，X2接口承载可以在接入、汇聚层内通过L2VPN的方式解决，但带来一个问题是，L2VPN网络规模受限，而且存在广播风暴的风险，由于考虑到X2接口的带宽约占S1带宽的3%～5%左右，因此对于X2也可以利用汇聚核心调度层的动态转发能力来支持。

基于这两点考虑，有几种思路来解决LTE的承载，下面分别对他们进行描述和分析对比。

3.1 PTN+CE路由器方案

接入、汇聚、核心层采用PTN 组网，路由器成对部署在SGW/MME节点，完成IP业务的转发。通过路由器的L3VPN功能，为S1提供灵活的调度能力，以及X2接口的转发能力，如图2所示。

3.2 PTN支持简化L3 VPN方案方案

采用PTN端到端组网，核心层的PTN支持简化L3VPN，提供IP转发能力，满足LTE承载对S1的灵活调度以及X2接口的IP转发需求。对于S1流量：经接入层PTN统一送到核心层PTN，由核心层PTN根据目的IP地址（MME/SGW）查找L3VPN的路由表，封装LSP和L3VPN的标签， 经由核心层设备间的转发到达归属的MME/SGW，如图3所示。

图2 PTN+CE路由器方案

图3 PTN支持简化L3 VPN方案

对于X2流量：经接入层PTN统一送到核心层PTN，由核心层PTN根据目的IP地址（相邻的基站）查找L3VPN的路由表，以决定流量是经由核心层环送往非本地归属的基站；或向下转发，经由本地的L2VPN封装送外相邻的基站。

3.3 “IP RAN”方案

使用路由型设备端到端组网或在接入层使用增强以太网设备，所有业务流量动态转发，使用基于路由器架构的保护倒换方案。业务调度方式与PTN L3VPN方案基本相同。

3.4 方案比较

下面从网络维护、网管能力、保护、同步、投资、安全、时延、网络演进几个方面对上面3种方案进行分析、对比，如表2所示。

通过对比分析，在PTN上集成简化的L3功能方案有以下优势：

PTN统一组网，全部采用静态方式，配置简单，对运维人员要求低，可维护性非常好；

PTN端到端统一网管，可以充分利用PTN网管的优势，提高管理效率；

采用PTN端到端组网，在一种技术PTN体制下的保护，保护能力强；

通过对核心层PTN设备软件升级的方式支持简化L3能力，无设备硬件投资，建设成本较低；

业务路径都在Backhaul的PTN网络内，时延小。

4 PTN支持简化L3 VPN方案原理

PTN设备支持L3 VPN功能，是对PTN提出的新功能要求。下面就PTN支持简化L3 VPN功能的基本原理进行介绍。

4.1 L3VPN技术简介

L3 VPN（Virtual Private Network，虚拟专用网）就是对用户网络进行虚拟的三层互联，对用户来讲，就像是自己的网络接到一个虚拟的路由器上一样。基本网络架构如图4所示。

图4 PTN支持简化L3 VPN基本网络架构示意图

在MPLS骨干网络上为客户提供L3VPN服务，关键技术如下：

隧道技术：PE之间建立LSP，作为L3VPN客户业务的承载隧道；

VPN路由技术：PE之间的VRF路由发布，通过BGP扩展MP-BGP完成；

PE和CE之间的路由发布和学习，通过IGP（OSPF、ISIS、RIP等）完成。

4.2 PTN支持L3VPN方案

PTN为了支持L3的转发能力，借鉴了数据设备的L3 VPN原理，并与PTN技术做了深度的融合，PTN支持L3VPN基本原理图如图5所示。

表2 LTE-RAN承载网技术方案比较

这里PE设备指的是核心层PTN设备，CE设备指的是e-Node B设备。

PE之间的隧道技术仍然采用PTN的静态隧道技术，在PE节点之间建立网状网的PTN静态隧道。PE之间的VRF路

由，可以通过MP-BGP来发布和学习，也可以通过网管配置静态路由来完成。PE和CE之间的路由可通过IGP（OSPF、ISIS、RIP等）实现或在PE上配置到基站的静态路由。

eNode B通过VLAN接入PE节点，PE节点在接收到eNode B的报文后，通过分析报文的IP地址，根据路由表进行判断，转发到相应的PTN隧道至目标PE节点，或者该PE所连接的核心网网元，或是该PE节点所辖的接入层PTN设备。

5 结束语

图5 PTN支持L3VPN基本原理图

在PTN承载LTE的L3VPN方案中，通过在核心节点实现VRF路由，在接入、汇聚层配置E-Line完成L2层网络（接入汇聚）到L3层网络（核心网）的接入。这样在接入汇聚核心，PTN实现端到端组网，方便运维。在核心层提供L3转发，可以有效隔离L2广播，并提供S1接口承载的灵活调度能力，满足SGW、MME Pool的需求。同时L3 IP和L2一样，只作为一种业务类型，通过L3VPN进行承载，NNI侧仍然采用PTN的技术，以充分利用PTN的OAM和保护能力。

TD-LTE的商用化进程已经渐渐走近，面对LTE带来的高带宽、扁平化、低时延等新的承载需求，PTN仍是目前最佳的承载解决方案，同时TD-LTE应对目前的PTN设备提出了新的要求。PTN支持L3 VPN方案可以提供一种简单、可靠、可运维、可管理、成本低的LTE端到端解决方案，为PTN的技术演进指引了方向。但现网部署的PTN设备需要升级才能支持L3 VPN功能，因此在TD-LTE规模试验网络建设时，仍应主要采用PTN+CE的组网方案，同时应进行PTN支持L3 VPN的试点，以推进PTN支持L3 VPN方案的完善，为今后网络部署积累经验。