LTE大发展对传输网络的挑战及应对策略

沈梁华 信咨询设计研究院有限公司综合院总工程师

梅仪国 华信咨询设计研究院有限公司高级工程师

陈炜 中国移动通信集团上海有限公司高级工程师

金光 中国移动通信集团上海有限公司工程师

LTE大发展对传输网络的挑战及应对策略

沈梁华 信咨询设计研究院有限公司综合院总工程师

梅仪国 华信咨询设计研究院有限公司高级工程师

陈炜 中国移动通信集团上海有限公司高级工程师

金光 中国移动通信集团上海有限公司工程师

中国4G牌照已经正式发放，三大运营商开始进行大规模的LTE商用网络建设。本文针对LTE的技术特点，重点探讨LTE大发展对传输承载网络的挑战及应对策略。

2G 3G LTE PTN

1 引言

2010年12月，工业和信息化部批复同意TD-LTE规模试验总体方案，由中国移动承担上海、杭州、南京、广州、深圳、厦门6城市TD-LTE规模技术试验网和北京演示网建设；2013年12月4日，工业和信息化部向中国移动、中国电信和中国联通正式颁发了TD-LTE牌照；2014年6月27日，工业和信息化部批准中国电信、中国联通分别在16个城市开展LTE混合组网试验，标志着中国正式进入了4G时代。

相比较于2G和3G技术，LTE在系统性能上有了跨越式提高，能够为用户提供更加丰富多彩的移动互联网业务；在技术上更为先进，移动用户接入速率更高，同时对传输承载技术也提出了更高的性能和带宽要求。经过近两年的TD-LTE规模试验网建设经验积累，运营商现在已经全面进入LTE大规模商用网络建设阶段。传输网作为基础承载网络，其安全性、可靠性、扩展性、灵活性将直接制约LTE的大发展，本文将重点探讨LTE大发展的背景下对传输网络的挑战及应对策略。

图1 2G/3G与LTE的网络架构示意图

2 LTE网络结构及技术特点

2.1 2G/3G和LTE的网络架构分析

如图1所示，在2G/3G的网络架构下，一个BTS/ NodeB基站只能归属于一个BSC基站控制器/RNC无线网络控制器，电路流量呈汇聚形，业务通过点到点面向连接的E1或者FE专线汇聚方式回传至BSC/RNC；BTS/NodeB之间无网络连接，基站之间不能直接通信，基站间信令的切换需要通过BSC/RNC。

LTE网络架构主要由无线侧和核心网侧两部分构成，无线侧eNodeB除具有原NodeB功能外，还承担了RNC的大部分功能；核心网侧主要包括4种功能实体，即MME（MobilityManagementEntity，移动管理实体）、S-GW（Serving Gateway，服务网关）、P-GW（PDN Gateway，分组数据网网关）和HSS（Home Subscriber Server，归属签约用户服务器）。

在LTE系统架构中，一个eNode B同时归属于多个S-GW/MME；eNodeB之间通过X2接口相连，电路流量呈MESH状，S1业务流量占整个RAN流量的比例在97%以上，X2业务流量占整个RAN流量的比例小于3%。

相较于2G或者3G的无线回传网，LTE的无线回传网需要解决LTE基站与多个核心网元S1接口业务和信令互联，同时要疏导LTE基站间的X2接口流量。

2.2 LTE网络的接口承载要求

图2为LTE网络的接口承载方案。

图2 LTE网络的接口承载方案

（1）S1接口的承载要求

S1接口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eNodeB和SGW；S1-C主要承载控制面数据，具体连接eNodeB和MME。

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。

（2）X2接口的承载要求

为保证UE在不同eNodeB漫游时，用户数据可以在eNodeB之间直接进行交换，降低转发时延，LTE引入了X2接口。X 2接口包含X2-C（各个eNodeB之间控制面间接口）和X2-U（各个eNodeB之间用户面之间的接口）两部分。X2接口要求承载网提供基站与基站之间的转发通道，需要在相邻基站之间建立逻辑连接。

分组传送网要具备L3功能，不能依靠人工配置基站间数量庞大的X2电路，必须由分组设备根据IP地址进行自动转发。

（3）LTE网络的接口承载方案

●S1接口：对于S1接口，通过接入层、汇聚层的L2管道送到核心PTN设备，核心PTN设备再通过L3 VPN转发到相应的SGW/MME，包括本地和远端。

●X2接口：对于X2接口，先通过接入层、汇聚层的L2管道送到核心PTN设备，核心PTN再通过L3VPN转发到汇聚层、接入层的L2管道，向下传送到目的基站。

3 LTE大发展对传输网络的挑战及应对策略

3.1 LTE大发展对传输网络的挑战

（1）带宽需求更大

如表1所示，与2G、3G基站相比，LTE基站的接入带宽需求暴增几十倍以上。传送网需确保每个接入环的LTE基站达到平均带宽的基础上，仍能够保证一个LTE基站达到峰值带宽。每个GE接入环可用总带宽800M，如有一个S222宏站，则其余2G/TD/LTE可用带宽为160M。

（2）站点密度更高

LTE商业化阶段，需要实现LTE网络的深度覆盖，网络节点总数将为现网的2～3倍以上。如表2所示，以GSM基站覆盖范围为基准归一化，2G与LTE在同一区域满覆盖情况下，站点数比为：1（GSM）/2.8（LTE，F频段）/5（LTE，D频段）。

表1 LTE基站的不同配置对际载带宽需求（Mbit/s）

表3 LTE业务分类及性能质量要求

（3）业务分类管理及质量要求更严格

如表3所示，LTE比3G数据业务更丰富且业务性能要求更高，相比2G/3G，传输网络须具备针对不同的业务分类管理和识别功能，具备业务质量在线监测告警功能，具备合理的流量冲突监测和控制策略。

3.2 传输网络的应对策略

（1）LTE传输城域网组网方案

LTE采用了一种革命性的架构，核心机房的RNC设备主要功能下移到eNodeB，核心网则演进到EPC，eNodeB直接连接到EPC，网络逐渐向扁平化和网状网演进，其对带宽、接口、时延、QoS、安全性等均提出更高的需求。TD-LTE业务的带宽需求主要来源于移动数据业务，而数据业务具有流量不确定性和突发性，分组传送网PTN技术承载业务具有收敛汇聚能力强，能有效利用网络带宽资源，节省网络建设成本。如图3所示，PTN L3方式承载LTE需要全网eNodeB和PTN统一规划IP地址，每个核心区域分配一个大网段地址，如10.0.0.0、20.0.0.0；每个核心节点下带的基站，由小网段来区分，如10.1.2.1、10.1.3.1等。每个核心节点配置一个VRI，并配置相应的IPPW标签，不同VRI之间通过IPPW实现转发隔离。每个eNodeB分配独立的VLAN，同时分配一个独立网段的IP地址。S1、X2的业务在接入汇聚通过E-Line来承载，在核心节点处，通过不同的虚拟VLAN子接口，终结E-Line业务（虚拟VLAN子接口需要配置一个和相应基站在同一个网段的IP地址）。

PTN核心层设备负责将X2接口信息按照IP地址转发相邻基站，将S1接口信息按照IP地址转发给SGW/MME或SGW/MME-pool中相应的SGW、MME，以实现多归属需求。当传送S1业务时，在核心节点的VRI下根据IP进行转发，通过本地IP转发到本地的aGW；或通过静态IPPW传送至远端aGW，实现aGW-pool的调度。当传送X2业务时，在核心节点的VRI下根据IP进行转发，通过本地IP转发到同网段内的基站；或通过静态IPPW传送至远端基站。

（2）LTE传输城域网QoS配置管理思路

LTE传输网络的核心资源是“带宽”，从TDM的固定带宽分配转变成动态带宽分配，接入网络的带宽容量总和可以大于网络系统容量，针对不同对象可设置保障带宽（CIR）和最大带宽（PIR），带宽统计复用在获得带宽最大效率的同时，使得带宽资源调度与管理变动复杂多变（见图4）。

●PTN带宽统计复用的特点

——PIR峰值带宽为单条电路能获取的最大传输带宽。

——CIR保证带宽为极端网络拥塞情况下，单条电路能获取的最小传输带宽，在自身业务流量未超过分配的CIR带宽时，CIR也可以被其他业务抢占。

——EIR差值带宽为网络尽力而为去满足的带宽，EIR=PIR-CIR，在环网有剩余带宽时，EIR根据业务优先级进行抢占，优先级越高抢占带宽比例越高。

●PTN带宽配置管理

当LSP1设置为CIR=PIR=1G时，LSP2的CIR受接口3容量限制只能设为0，但是PIR可以设为1G。现假设LSP2一直有1G的流量，则有下面结果：

图3 PTN的LTE解决方案（L2+L3静态IP）

图4 PTN的带宽配置管理示意图

——如果LSP1没有流量，LSP2的1G流量可以无任何丢弃，从接口3转发，该结果表明：CIR配置后若实际带宽不用，可以被别的用户共享实现统计复用。

——如果LSP1开始有速率为A的流量，LSP1的全部流量将无任何丢弃，从接口3转发；同时，LSP2会出现丢包，只有1G-A的流量被转发。该结果表明：CIR配置后若要用，别的用户无法抢占，其效果和刚性管道一样。

——如果LSP1的流量达到1G，LSP1的全部流量无损从接口3转发，LSP2的全部流量被丢弃。该结果表明：PIR是柔性的，可以做到见缝插针，充分利用带宽资源。

●QoS规划的基本原则

网络轻载时，基站能够获得的最大传输带宽受PIR限制，与CIR无关；如果网络未发生拥塞，则满足所有接入业务的无损传送，单业务的最大带宽受限于PIR。

网络拥塞时，基站能够获得的最小传输带宽为CIR，并根据业务优先级获得额外带宽；如果实际流量需求较大并高于CIR，如果环网仍有未分配给CIR的剩余带宽，则根据各业务优先级进行抢占；如果LTE的业务优先级最高，则抢占最多，实际可获得的带宽仍然高于CIR。

某条业务的CIR不用时，可以被其他业务抢占；业务的实际数据速率低于CIR时，其CIR空余部分带宽可以被其他流量需求大的业务抢占；在实际数据速增长时，可以迅速抢占部分CIR，不受网络拥塞、优先级等限制。

CIR之和受限于环网或链路最大带宽，是非常宝贵的有限资源，单个业务的PIR受限于环网或链路最大带宽，但PIR之和不受限制。降低CIR配置可以多配置业务、提高带宽利用率，尤其是实际业务量不大时，不宜配置过高的CIR，易造成网络能力的超常规建设。

（3）LTE传输城域网扩容思路

LTE传输网络的维护部门要基于流量管理手段，实时掌握业务流量，定期进行业务和网络端口流量分析，及时调整业务端口带宽。根据带宽和业务流量管理原则，适时进行网络优化扩容建设，保持传输网络带宽弹性，确保业务快速接入。

——业务适配原则：根据基站类型配置带宽。

——保持弹性原则：网络带宽冗余度不低于40%。

——实时监测原则：可实时监测分析“端口、链路、环”流量，并预警。

——适度超前扩容原则：定期分析环容量，实际流量＞环容量50%，及时进行适度超前网络带宽扩容；实际流量＞环容量60%，必须扩容。

LTE大发展背景下，传输网络要注重架构稳定、调度高效、安全可靠的发展目标，在光纤基础网条件较好的情况下，可以考虑为LTE新建一张承载网络，与2G、3G业务实现分平面承载。

PTN网络的接入层、汇聚层、核心层的带宽可以按照80：60：40比例进行收敛，相应的传输网络扩容建设策略如图5所示。

图5 LTE传输承载网络的带宽规划示意图

●接入层建设思路

在LTE基站大规模建设时，首保站点接入，兼顾架构调整，按需扩容带宽，在综合考虑带宽配置、网络安全性基础上，同步改造优化现网站点，如果改造难度大、周期长，可先接入业务再安排优化改造计划。

接入环上的节点数、路由长度是影响接入环网安全的主要因素，新建的LTE基站尽量成环，GE接入环上节点数量控制在4～6个以内（含下挂链上节点），对于环路节点数量或环路所接入LTEBBU数量较多的站点（7个以上），根据环路带宽需求建设10GE接入环或者双GE接入环。

●汇聚层建设思路

汇聚层主要采用PTN技术，在LTE、集客专线等业务量密集区域，可以按需部署OTN系统，适度超前建设汇聚层的覆盖能力，缩减单个汇聚环的覆盖区域，提高接入能力。

●核心骨干层建设思路

核心层全面采用OTN技术组网，根据业务需求适时引入100G技术，并向格状网络演进，组建环网与点对点直达的系统。

4 结束语

LTE作为4G移动技术在为用户提供高速率接入和丰富业务应用的同时，对传输承载网络新增传输接入节点、扩容网络带宽容量、构建业务分类管理和QoS质量保障策略等方面提出了更新、更高的要求，更加需要在规划阶段未雨绸缪，提前做好应对措施。

2014-11-29）