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LTE及其回传网解决方案浅析

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来源: 作者: 2019-03-13 14:06:19

1 引言

LTE(Long Term Evolution,长期演进)是由3GPP(第三代合作伙伴计划组织)制定的移动通信体系最新标准。实际上,LTE本身也在不断发展演进中,当前已定义的LTE并非人们普遍理解的4G技术,而是一种3.9G或准4G标准,其所对应的R8标准已正式冻结。它以OFDM(正交频分复用)、MIMO(多进多出)等先进的物理层技术为核心,改进并增强了3G空中接口技术,在2×2MIMO,20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的理论峰值速率(在采用4×4MIMO时,下行峰值速率甚至可达326Mbit/s);支持FDD(频分复用技术)和TDD(时分复用技术)两种工作方式,并支持高达500km/h的高速移动;R10是R8的增强版本,其理论峰值速率分别达到了下行1Gbit/s,上行500Mbit/s的水平,因此被称为LTE-Advanced/LTE-A,也就是所谓4G技术。目前,R10正在制定中。

LTE将是今后全球最主要的广域宽带移动通信系统,未来所有的2G/3G/3.5G技术都将殊途同归,统一演进到LTE/LTE-A阶段。但由于各国运营商2G/3G络发展情况不同,对于LTE的演进路线是不同的,目前有如下4种LTE演进路线:

(1)最传统方式演进。即从2G到3G,再向LTE长期演进发展的思路。如Orange是这种稳健策略的典型代表,其主要思路是坚定2G/3G发展战略,LTE则作为长期演进目标。

(2)跳跃式演进。即从2G直接演进到LTE阶段。T-Mobile是这种思路的典型代表,其主要发展策略是限制对3G/HSPA的投资,跳过HSPA+,2010年直接上LTE。

(3)不同体制间(3GPP/3GPP2)切换演进。如Verizon从2010年开始启动从cdma2000/EV-DO到LTE的商用进程。

(4)从TD-SCDMA向LTE演进。这是中国移动特定的演进思路,目前其已明确了要积极推动TD-LTE产业发展的大思路。

2010年国外电信运营商已开始启动首轮商用,北美(Verizon)、欧洲(TMO)、日本(DoCoMo)等运营商均已开始进行商用的部署;欧洲的FT,Telefonica,VDF也已宣布2011年将启动第二轮商用。相对而言,我国的LTE尚处于技术启动阶段,离百万用户以上的大规模商用还需5年左右。特别是近两年在3G方面投资巨大,故短时间内再次发放LTE牌照的可能性不大。因此,这两年将主要以测试、试验及试商用建设为主。

2 LTE对承载络的要求

2.1 LTE络的新变化

LTE的无线接入命名为演进型UMTS陆地无线接入(E-UTRAN),核心则为演进型分组核心(EPC)。与2G/3G络相比,LTE络最显著的新变化主要有:

(1)络结构全IP化。核心取消了CS(电路域),全IP的EPC支持3GPP,非3GPP各类技术统一接入,实现固和移动融合(FMC)。EPC主要由MME(移动管理实体),SGW(服务关),PGW(分组数据关)等几个主要的功能实体组成。其中,MME主要负责用户及会话管理的所有控制功能,相当于2G/3G的SGSN控制平面。SGW主要负责用户平面的数据传送、转发以及路由切换等,相当于2G/3G的SGSN用户平面;PGW是所有外部数据络接入的锚点,类似2G/3G的GGSN功能。

(2)络架构扁平化。传统的3GPP接入由Node B和RNC两层节点构成,而LTE中省去了RNC这一层,eNB(演进型NodeB)直接接入EPC设备,因此E-UTRAN主要由eNB构成,采用这种扁平化结构的目的在于简化络结构、减小络延迟。

(3)引入了两个新的接口。一是支持S1接口的灵活组方式,即所谓S1-flex功能。S1是eNB和MME/SGW之间的接口,2G/3G络中RNC只能和一个核心元连接,但S1-flex允许一个eNB连接到多个MME/SGW POOL(池),实现负载均衡、冗灾等。每个eNB支持最多16个S1接口;另一个重要变化是X2接口,即相邻eNB间的分布式接口,主要用于移动性管理(切换)和相邻小区干扰抑制,每个eNB可定义32个X2接口,实际部署时相邻基站数量由覆盖情况决定。

2.2 LTE对承载的要求

(1)传输带宽。LTE基站的接入带宽相对3G络有了非常显著的提高。根据经验估算,以TD-LTE S111站型为例,eNB的传输带宽至少在440~590M左右。如果采用S222站型,传输带宽将加倍,即880~1180M左右,这几乎是3G基站带宽的10~20倍。

(2)LTE络结构的变化对承载也有较大影响,S1flex和X2接口的引入打破了原有2G/3G汇聚型组架构,这就要求承载在原有的基础上,具有灵活的业务调度能力。

(3)LTE对于QoS和时延的要求比2G/3G严格。LTE将提供比3G更多种类的数据业务(多媒体、视频、交互类等),3GPP详细规范了各类业务的端到端时延和丢包率要求,因此要求承载具有较强的QoS调度能力;3GPP建议S1/X2接口单向时延为2~15ms,NGMA(下一代移动联盟)则要求承载端到端最大时延小于10ms,特殊区域应满足时延不超过5ms的要求。

LTE将实现深度覆盖,eNB节点数将是现有基站数量的2~3倍,承载规模应适应这种组大的需要;LTE将和2G,3G络共存,要求承载不仅具备IP分组业务承载能力,而且也应考虑TDM和IP多业务统一接入的需求;当然,承载IP化同样要求络保证高可靠性,LTE保护需求类似于2G/3G承载的保护,故障切换小于50ms;同时,LTE也具备对于频率同步和时间同步的要求。

3 LTE承载解决方案及分析

由于EPC是实现了全IP化的核心,因此IP骨干是各主要核心元之间的惟一承载。这里的IP骨干,对中国电信而言是CN2,对中国移动则是IP专。故核心的承载方案已无悬念,IP over WDM/OTN是满足当前及未来发展趋势的最佳骨干层解决方案。因此,E-UTRAN承载方案就成为LTE承载的研究重点。

一般情况下,E-UTRAN承载也被称为LTE回传,主要是指城域传送/承载部分(只有少部分流量需经过IP骨干)。其解决方案应满足LTE高带宽、灵活的业务调度、组大、多业务承载、高可靠性和QoS、低时延、时间同步等方面的要求。根据这些需求,业界从不同角度提出多种解决方案。

3.1 端到端PTN解决方案(见图1)

图1 全PTN方案

这是中国移动大规模采用的方案。进一步分,端到端的PTN方案有两种实现方式:第一种是纯L2方式,现有PTN无需支持复杂的L3协议,至上而下采用L2通道;第二种方式需要核心层设备升级支持L3VPN。

纯L2方式下设备实现最简单,对于运维人员要求低,利用静态的LSP解决S1flex和X2分布式接口需求,但存在的缺陷主要是浪费标签的资源,因为这种方式必须从基站到多归属的关之间预先建立多个LSP。虽然采用多段PW/LSP嵌套可从一定程度上节省标签浪费的问题,但总的来说对业务调度的灵活性较差;核心层引入L3的方式可较好地解决纯L2方式的缺陷,即节省了标签资源,又可实现业务的灵活调度,即由核心层L3VPN实现S1 flex或X2等其他调度业务。

3.2 PTN外挂CE路由器的解决方案(见图2)

图2 PTN外挂CE的方案

这种方案仍以PTN为主,实际是对端到端L2 PTN方案的一种引申。即PTN仍维持端到端的L2功能,L3VPN功能由新引入的CE负责,实现S1 flex,X2等动态IP业务。需要注意的是,这里CE是指客户边缘路由器(Customer Edge Router)。

有观点认为这种方案适合大规模组,运维优化,因此很可能是LTE承载应用主流之一,但主要的问题是引入CE路由器可能带来新的故障隐患,如果CE发生故障则会造成整个移动络的瘫痪,故采用一对CE可以一定程度上解决这个问题。

3.3 端到端路由器解决方案(见图3)

图3 全路由器方案

从核心到接入全采用动态路由协议承载IP类业务,采用PWE3管道方式承载TDM/ATM等传统业务。显然此方案处理LTE的动态业务具有天然的优势,具有端到端灵活业务调度能力,无需像L2那样需要预先建立很多的通道。但全路由器方案存在的最大问题就是建成本相对较高、设备功耗较大、另外在组规模上受限。此外,这种大规模动态络对于运维要求最高,且当前路由器的络保护、OAM能力相比PTN设备要弱。因此,这种方案适合规模较小的络,对于国内运营商这种大规模的络适用性较差。

3.4 路由器+IAN/PTN/CE混合组解决方案(见图4)

图4 路由器+PTN/IAN/CE

这种方案的核心/汇聚层采用路由器,接入层采用IAN/PTN/CE,此处CE指电信级以太交换机。进一步可扩展为3种方式:

(1)路由器+PTN的方式。

(2)路由器+CE的方式。

这两种方式本质上都是核心/汇聚层支持L3路由,接入维持静态L2功能。只是PTN(MPLS-TP)和CE(PBT或VPLS)采用的技术体制不同。

(3)核心/汇聚层采用路由器,接入层采用IAN。IAN即综合接入节点设备,是中国电信新定义的一种结合了MPLS-TP和IP/MPLS功能的数据设备。这种方式比较适合拥有丰富IP城域骨干资源的运营商,在实现LTE业务承载的基础上,还可实现对大客户专线及组播等高品质精品业务的综合承载。

目前看来,对于路由器+CE,CE在OAM方面的能力相对较弱;采用路由器+PTN方案,则从某种程度上存在端到端的管理,异质络互通等问题,并出现需要数通和传输专业共同维护无线回传的情况;采用路由器+IAN方案,LTE回传均由端到端的数通产品组,并统一由数通专业运维,故此方案对于固资源丰富的运营商吸引力较大。

4 结束语

LTE回传目前存在端到端的PTN,PTN+CE(客户边缘路由器),端到端的路由器,路由器+IAN/PTN /CE(电信级以太交换机)等几种解决方案。其中,前两种解决方案均以PTN为主,而后两种解决方案以数据设备为主。从技术可行性来讲以上这些方案均可满足LTE回传需求,主要区别在于L3路由的起点。实际上,引入L3功能的原因是在合适的位置提供灵活的业务调度能力,理想的状况是既希望络具备很高的灵活及可靠性,又要做到简单易维护,但这两个方面往往是较难统一的。通常一个较小规模的络灵活性相对较大,而国内运营商络规模往往都很大,故更需要关注可靠性和维护能力。因此,在考虑LTE承载方案选择时,需要找到合适的平衡点。由于络资源状况不同,各运营商的方案选择往往存在差异。

从目前国内的发展情况看,以PTN为主的解决方案已实现大规模商用,故成熟性最好;路由器+IAN这种以数据为主的解决方案创新性较强,适合拥有丰富IP城域资源的运营商,但实际工程应用较少,成熟性有待进一步验证。

尽管LTE在我国大规模商用尚待时日,但各大主流基础络设备提供商均已推出相关承载产品。烽火通信作为国内知名的信息通信产品及解决方案提供商,其PTN产品已相继服务于黑龙江、辽宁、山东、河北、湖北、湖南、江苏等全国多个省市的移动承载建设。在传统光络产品向分组化转型的过程中,烽火通信将继续以客户需求为己任,通过不断的技术和产品创新为处于转型中的电信运营商带来更加全面的解决方案,满足未来不同应用场景下对于LTE承载络建设的需求。

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