面向TD-LTE 时代的移动城域传送网建设思路
2013-01-14孙祾
孙 祾
(吉林大学长春电信工程设计院股分有限公司,长春130012)
0 引 言
中国移动作为世界规模最大的电信运营商,在3G(3rd-Generation)时代承担起拥有我国自主知识产权标准的TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access)第三代移动通信网络的建设与运营。然而,受技术特性、产业链规模能力等因素的影响,中国移动的TD-SCDMA网络同中国电信、中国联通的3G网络相比均存在一定的劣势,尽早引入TD-LTE(Time Division Long Term Evolution)是中国移动迫切和必然的选择。而TD-LTE的引入,将会对现有城域传送网的带宽、时延、IP化和网络结构等方面提出更高的要求。在这种形势下,面向TD-LTE时代的移动城域传送网如何建设,是笔者讨论的主要内容。
1 移动城域传送网现状分析
中国移动城域传送网自2001年开始建设以来,经过十余年的持续建设和优化,已具备相当的规模,基本能满足当前移动业务发展的需求。网络结构基本按核心、汇聚和接入3层结构进行组网。在技术层面,形成以 SDH/MSTP(Synchronous Digital Hierarchy/Multi Service Transport Platform)、DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)技术为基础的城域传送网,这些技术很好地适应了以TDM(Time-Division Multiplexing)语音业务为主、IP化数据业务为辅的运营环境。然而中国移动TD-SCDMA网络商用后,分组业务需求增加,基于IP的数据业务将逐渐成为城域传送网的传输主体。虽然SDH/MSTP也具有一定的多业务承载能力,但基于TDM的内核使其在承载IP分组业务时效率较低、配置复杂、并且灵活性和扩展性也较差,尤其是在业务需求驱动网络向ALL IP化发展进程中,海量IP化业务将使现有传送网无法继续承载业务需求。因此,中国移动在城域传送网中引入PTN(Packet Transport Network)技术,以解决分组业务需求,PTN网络与原有SDH/MSTP网络并行独立组网,分别满足各自承载业务需求。
随着TD-LTE的引入、IP化业务量爆炸式猛增以及城域传送网管道、光缆基础类资源建设难度加大,移动公司将面临着业务需求不断增加和承载网资源有限的双重压力。在这种形式下,移动城域传送网未来的发展和建设,成为当前网络建设的最大困惑。
2 TD-LTE主要技术特点及其承载需求
2.1 TD-LTE的主要技术特点
TD-LTE是新一代宽带移动通信技术,也是我国拥有自主知识产权TD-SCDMA的后续演进技术,其在系统性能上相比3G有了跨越式提高,网络结构也与3G网络发生很大变化(见图1)。
图1 网络结构变化图Fig.1 The change of network structure
从图1可看出,TD-LTE的主要技术特征如下。
1)网络ALL IP化。TD-LTE系统架构是在原有3GPP系统架构基础上演进的,核心网取消了电路域(CS:Circuit Switched),系统由 EPC(Envolved Packet Core)和eNodeB(Evolved Node B)两部分组成。ALL IP的EPC支持3GPP(3rd Generation Partnership Project)和非3GPP等各类技术的统一接入,可实现灵活支持VoIP(Voice over Internet Protocol)以及基于IMS(IP Multimedia Subsystem)的多媒体业务。
2)网络结构扁平化。相比原来3G系统,TD-LTE将系统无线接入部分的RNC(Radio Network Controller)和NodeB合并为eNodeB,取消了原来的RNC。无线部分只有eNodeB,eNodeB除具有原来NodeB功能外,还承担着原RNC的大部分功能。eNodeB通过S1接口直接与EPC连接,简化了网络结构,减少了时延。另外,eNodeB之间可采用Mesh结构通过X2接口直接互联。
3)数据业务宽带化。同TD-SCDMA相比,TD-LTE系统最重要的改进在于采用全新的空中接口技术,既在保持原TDD优点的基础上,引入了多天线(MIMO:Multiple Input Multiple Output)和频分复用(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexiny)技术。从而极大地增加了系统的信道带宽容量,能为用户提供更加丰富多彩的移动互联网业务。
2.2 TD-LTE的承载需求分析
TD-LTE的主要技术特点使其对承载网的需求也相应地发生了很大变化,下面对TD-LTE对承载需求的变化做进一步分析。
1)网络结构。由于TD-LTE网络中eNodeB通过S1接口直接与EPC连接,中间省略了RNC,使网络结构扁平化。而相邻eNodeB之间可通过X2接口直接互联,在接入层将形成网状网结构。但X2接口的流量占总流量的比重很小,且eNodeB之间一般很少有直接的物理路由,所以,X2业务需求应通过承载网核心层设备迂回。因S1和X2均是基于IP寻址的,引入S1和X2接口后,承载网需要支持3层功能才能对TD-LTE流量进行疏导,所以使TD-LTE网不同于原有2G/3G汇聚型的网络结构。
2)带宽需求。根据中国移动在上海世博会开展的TD-LTE演示网络实测的数据表明,在一般典型配置条件下,分别以S1/1/1站型的宏基站和O1站型的室内分布站为例,TD-LTE基站主测区带宽速率如表1所示。
以上仅是TD-LTE演示网络实测和经验估算的数据,在实际应用中,由于区域、场景和环境等因素的不同,实际的带宽流量会有很大差异。另外,在实际工程中,不能按峰值速率配置传送网,因为会造成网络资源的巨大浪费。因此,在实际工程中应按保证带宽需求配置传送网。保证带宽的计算方式也有很多种,通常是按峰值带宽的收敛比计算,也可采用网络仿真的方式计算,具体计算方式及系数的取定要结合网络的实际、业务需求及网络经济效益情况而定。
表1 TD-LTE基站演示网主测区速率Tab.1 TD-LTE base station shows network rate in main area
根据中国移动对6个城市开展的TD-LTE试验网测试结果,同时,充分考虑网络的经济效益及市场环境,以典型的宏基站S1/1/1站型和室内分布站O1站型为例,实际工程中综合取定的主测区带宽流量数据如表2所示。
由表2可以看出,同2G/3G网络的传输带宽需求相比,TD-LTE对城域传输网提出了前所未有的带宽需求[1,2]。
表2 TD-LTE基站试验主测区速率Tab.2 TD-LTE base station test network rate in main area
1)时延。3GPP定义S1时延应小于5 ms,X2理想传输时延约为10~20 ms,可见TD-LTE对承载网的时延要求较高。
2)网络同步。TD-LTE网络对时间同步有要求,目前只有GPS(Global Positioning System)和1588v2能满足其同步要求。与GPS同步方式相比,全网采用1588v2地面同步技术可使投资更低,可作为GPS失效时的同步保护方案,且无国家安全风险。
3 面向TD-LTE移动城域传送网技术分析
通过对TD-LTE的主要技术特点及其承载需求分析可知,在引入S1和X2接口技术以后,其对承载网的灵活调度能力有了更高的要求,也打破了原有2G/3G承载网的架构,相比原有2G/3G承载网需要引入L3-VPN路由技术。因此,从技术选择上看,目前主要有以下几种技术:Native ETH、Native IP、L2-VPN(Layer2-Virtual Private Network)和L3-VPN等可以考虑。对于中国移动网络,可靠性和安全性是承载网的最基本要求。并且,为满足TD-SCDMA网络的商用,中国移动已经建设了一定规模的PTN网络,从既要很好地满足TD-LTE承载需求,又要保护已有投资的角度考虑,Native ETH和Native IP显然不是中国移动最适合的选择。而单纯的L2-VPN在网络扩展性上又会受到一定的制约,全网采用L3-VPN将增加全网建设和运维的成本。因此,采用L2-VPN+L3-VPN技术组合方式,是TD-LTE承载方案的必然选择,即在核心层采用L3-VPN技术,在汇聚和接入层仍然采用L2-VPN技术。而核心层支持L3-VPN功能,具体有两种可实现方式:PTN(Packet Transport Network)+CE(Customer Edge router)和PTN核心层支持L3-VPN功能。
PTN+CE方式是以PTN为主,在传送网汇聚、接入层采用PTN组网,采用端到端的L2-VPN功能,在核心层引入CE负责L3-VPN转发功能,实现核心、汇聚层设备的L3-VPN互联。PTN核心层引入CE后,在传送网内可实现S1和X2接口的灵活调度。但目前PTN与CE互通的保护机制尚不完善,PTN和CE混合组网缺乏端到端的保护能力,不能实现统一网管,需要传输和数据两个专业相互配合,分专业维护;故障定位难度较大,且与PTN相比,CE在OAM(Operation Administration and Maintenance)、保护能力、时间同步等方面还不够完善。
PTN核心层支持L3-VPN功能是全程采用PTN组网,形成PTN端到端的组网模式。即核心层PTN设备具备L3-VPN功能,以实现基于IP地址的电路调度,负责对S1接口的灵活调度以及X2接口的IP转发,支持L2到L3的桥接功能和静态L3-VPN功能,并提供OAM和网络保护。汇聚和接入层仍采用L2-VPN功能,用PW(pseudowire)封装,通过E-Line模型传送相应的业务至核心层PTN设备。该方式能够实现PTN端到端的统一网络管理,便于实现全网的统一维护和管理。另外,PTN的技术特性决定了该方式相比于PTN+CE具有更好的保护能力、更完善的OAM故障和性能管理功能、更严格的QoS和完善的同步机制。
由以上分析并考虑已有网络现状,采用PTN全程组网方式作为其未来面向TD-LTE的城域传送网技术,是中国移动的最佳选择。全程采用PTN技术组网,以PTN核心层支持L3-VPN功能的方式作为其具体组网模式,具体方式如图2所示[3-7]。
图2 PTN核心层支持L3-VPN方案网络结构图Fig.2 The network structure of the core layer PTN supporting L3-VPN
另外,随着接入层对带宽需求的不断增加,汇聚层和核心层将面临巨大的压力,同时受城市管线资源限制,在核心层甚至汇聚层适时引入OTN技术也是很好的选择。OTN是以WDM技术为基础,在光层上组织传送网。OTN克服了传统WDM系统无波长/子波长业务调度、组网和保护等能力弱的缺点,可在光域内实现业务信号的传递、复用、路由选择和监控等功能。尽管OTN技术从本质上而言是TDM技术,但考虑到OTN擅长大颗粒业务调度、超大带宽传输,PTN擅长小颗粒业务调度、灵活接入和汇聚收敛的特性。在城域传送网核心层甚至汇聚层引入OTN技术作为透明传送平台,以OTN+PTN方式组建城域传送网,能起到取长补短的作用。同时,可进一步推动城域传送网向统一融合的扁平化网络方向演进[8-10]。
4 面向TD-LTE移动城域传送网建设思路
4.1 总体网络架构
中国移动城域传送网不论是在物理层面还是逻辑层面,网络结构基本形成以核心层、汇聚层和接入层构建的3层网络结构。通过对TD-LTE的主要技术特点及承载需求分析可以得出,在未来3~5年内,现有承载网的网络架构仍然可以满足业务网的发展需求。另外,在整个城域传送网投资中,基础物理资源即城域传送网的管道和光缆资源占总投资的比重很大。而基础物理资源一旦形成,很难再调整,并且近年随着城市建设越来越规范化,基础物理资源建设难度越来越大,建设成本也在不断增加。保持基础物理资源基本不变,是对多年大量投资的最好保护。因此,面向TD-LTE,中国移动城域传送网应选用PTN技术,网络结构基本保持不变,即核心层、汇聚层和接入层3层架构。其目标网络结构如图3所示。
图3 TD-LTE承载网目标网络结构图Fig.3 The target network structure of the TD-LTE carrier network
4.2 城域传送网接入层建设思路
中国移动城域传送网接入层主要负责移动基站、集团客户、营业厅和部分家庭客户的接入。在TD-LTE发展初期,带宽需求不是很大且兼顾已有PTN网络现状情况下,PTN接入层应将沿用GE(Gigabit Ethernt)组环方式,大型城市及带宽需求很大的区域也可考虑升级或新增10GE环。根据TD-LTE技术特性及带宽需求分析,以典型S1/1/1站型的宏基站为例,按单基站保证带宽80 Mbit/s计算,同时考虑3G站带宽20 Mbit/s,2G站带宽6 Mbit/s,则一个PTN节点的带宽需求为106 Mbit/s。考虑峰值带宽需求,为每个接入环预留200 Mbit/s带宽,可以得出每个接入环(含下挂支链)的节点数为:(1 000 Mbit/s-200 Mbit/s)/106 Mbit/s≈7.5个,因此,每个GE接入环的节点数(含下挂支链)一般应在6~8个之间,具体数量也要根据实际需求确定。由于现网的PTN接入环是为承载3G业务而建设的,环上(含下挂支链)的节点数通常达10个左右或更多。而TD-LTE基站相比2G、3G站,站址更密、带宽需求更大,要求环上节点数更少,组环区域更小。因此,在TD-LTE发展初期,对现有PTN接入环进行大量的改造和优化是中国移动的必然选择,其具体改造和优化方式有如下几种。
1)环路叠加方式。保持原有结构不变,通过多使用一对纤芯,在环上原有各节点设备上均新增线路侧GE光口的方式,直接叠加一个新的接入环。该方式设备投资不大,基本不影响已有业务,但会多占用光缆纤芯资源。
2)跳点组环方式。保持原有结构不变,通过多使用一对纤芯,跳点组环,由一个环演变为两个环,以达到减少环上节点数量的目的,增加单环容量。该方式不增加设备投资,但同样会多占用光缆纤芯资源。
3)拆环方式。充分利用已有或新建少量光缆,通过减少环上节点连通的方式,对原现有接入环进行拆分。此方式无需新增任何设备,但环路拆分和割接将影响现网已有业务,且占用光缆纤芯资源,甚至需求新建光缆和管道。
另外,从网络安全角度考虑,对于不具备后备电源的基站,原则上不应纳入接入环网结构上;接入环也应上联至同一汇聚环的两个汇聚节点上。
在TD-LTE发展中、远期,随着带宽需求的增加,应将PTN接入层通过新增或升级改造为10GE 环[11]。
4.3 城域传送网汇聚层建设思路
汇聚层由具有汇聚节点的设备构成,负责一定区域内的业务汇聚和疏导,用于扩大核心层节点的业务覆盖范围。汇聚层网络结构应以环型为主,汇聚层节点要配置大型PTN设备。采用L2-VPN分组转发功能,以10GE光口组环,汇聚层带宽利用率不应超过70%。根据工程实际经验,接入层、汇聚层和核心层带宽流量收敛比按4∶3∶2取定。由第4.2节可知,每个接入环节点数是6~8个,这里取7个,由此可计算出每个汇聚环最多可接入环个数为:70% ×10 000 Mbit/s×4/3/(7×106 Mbit/s+200 Mbit/s)=10个。当然,在实际工程中,从安全角度和网络的可拓展性方面出发,一般情况下每个汇聚环所带接入环数量不应超过8个。同样,每个汇聚环的节点数量一般为4~6个。在TD-LTE发展初期,当汇聚层容量紧张时,可采用叠加双10GE环的扩容方式,以满足接入层对带宽的需求。
另外,由于TD-LTE站距较小,站址较多,导致现网普遍存在汇聚节点数量不足,结构布局不合理,汇聚机房面积较小,电力系统容量不足及数汇聚机房不双向物理路由等问题,所以将严重制约TD-LTE承载网的发展。中国移动在TD-LTE发展初期,应优先考虑增加新的汇聚节点机房,优化现有汇聚点的结构布局,为承载网的可持续发展打下良好的基础。
在TD-LTE发展中、远期,特别是接入层已升级为10GE环或光缆纤芯资源受限的情况下,则可有两种演进方式:
1)将OTN直接下沉至汇聚层,以PTN+OTN方式组网;
2)在汇聚层部署40GE的PTN设备。
目前商用PTN的线路带宽还停留在GE和10GE水平上,但随着PTN技术的发展,40GE甚至100GE的PTN技术一定会实现商用[12-14]。
4.4 城域传送网核心层建设思路
核心层是实现几个中心局之间的大容量业务调度和多业务传输,并负责与上层网络的连接及与其他网络互连互通,是城域传送网的核心部分。面向TD-LTE,核心层PTN设备负责将X2接口信息按照IP地址转发给相邻基站,将S1接口信息按照IP地址转发到EPC,以实现归属需求。因此,在核心层应通过新建、替换或升级的方式支持L3-VPN功能,实现IP地址的电路调度。根据目前PTN技术的成熟度及TD-LTE发展初期流量不大,核心层PTN应采用10GE组环,每个环节点数量2~4个,其下挂汇聚环数量也不宜超过6个,利用率应控制在70%以内。在TD-LTE发展中远期,可根据40GE和100GE的PTN技术的商用成熟度,在核心层部署40GE甚至100GE的PTN,并组建OTN网络以实现大颗粒业务调度以及核心层的灵活组网需求。
5 结 语
虽然城域传送网中PTN、OTN技术得到了一定的发展,但它仍属新生事物,尚处在不断改进和完善之中,各方面也都在积极探索和研究中,未来还可能会有新技术出现。笔者关于面向TD-LTE时代的移动城域传送网建设思路的研究,是基于笔者对实际工程设计工作的总结和分析,希望其能起到抛砖引玉的作用,对移动运营商的网络建设有所益处。
[1]肖清华,毛卓华,凌文杰,等.TD-LTE容量能力综合分析[J].邮电设计技术,2012(4):37-40.XIAO Qing-hua,MAO Zhuo-hua,LING Wen-jie,et al.Comprehensive Analysis of TD-LTE Capacity Capability [J].Designing Techniques of Posts and Telecommunications,2012(4):37-40.
[2]孙达,韩毅.PTN承载LTE解决方案研究与验证[J].电信科学,2011,27(7):124-127.SUN Da,HAN Yi.Research on PTN LTE-Backhaul Solution and Verification [J].Telecommunication Science,2011,27(7):124-127.
[3]黄晓庆,唐剑锋,徐荣.PTN-IP化分组传送[M].北京:北京邮电大学出版社,2009.HUANG Xiao-qing,TANG Jian-feng,XU Rong.PTN-IP Based Packet Transport[M].Beijing:Beijing University of Posts and Telecommunications Press,2009.
[4]王牧云.PTN支持L3VPN技术的研究与验证[J].电信科学,2012,28(4):119-120.WANG Mu-yun.Research and Verification on PTN Supporting L3VPN Technology[J].Telecommunication Science,2012,28(4):119-120.
[5]单滤斌,虞有池.PTN的Qos技术应用研究[J].邮电设计技术,2011(4):53-55.SHAN Lü-bin,YU You-chi.Research on the Application of QoS Technology of PTN [J].Designing Techniques of Posts and Telecommunications,2011(4):53-55.
[6]刘仲明.PTN从试验走向规模商用需考虑的问题[J].邮电设计技术,2012(4):68-69.LIU Zhong-ming.From Test to Scale Commercial Application:Issues for Consideration on PTN[J].Designing Techniques of Posts and Telecommunications,2012(4):68-69.
[7]余文辉,车伟扬.PTN与SDH的技术比较及发展趋势分析[J].光通信技术,2011,35(12):4-6.YU Wen-hui,CHE Wei-yang.Comparison between PTN and SDH Technology and Analysis of their Evolution [J].Optical Communication Technology,2011,35(12):4-6.
[8]程明,张届新,沈成彬,等.OTN技术在城域网中的演进[J].电信科学,2012,28(8):42-43.CHENG Ming,ZHANG Jie-xin,SHEN Cheng-bin,et al.Evolution of OTN Technologyin Metropolitan Area Network[J].Telecommunication Science,2012,28(8):42-43.
[9]吴峰,刘逢清.OTN与PTN的联合组网研究[J].光通信技术,2012,36(1):8-9.WU Feng,LIU Feng-qing.The Study on the Networking of Optical Transport Network and Packet Transport Network [J].Optical Communication Technology,2012,36(1):8-9.
[10]盛利,汤向栋.移动运营商传送目标网络发展思考[J].电信技术,2012(4):65-67.SHENG Li, TANG Xiang-dong.Thoughts on Development of Mobile Operators Transmission Target Network [J].Telecommunications Technology,2012(4):65-67.
[11]余征然.面向LTE的城域传送网网络架构分析及演进策略研究[J].邮电设计技术,2012(5):41-42.YU Zheng-ran.Analysis of LTE-oriented MAN Transport Network Infrastructure and Research on Evolution Strategy[J].Designing Techniques of Posts and Telecommunications,2012(5):41-42.
[12]荆瑞泉.40GE/100GE和并行OTN接口的标准化和设备发展现状[J].电信科学,2012,28(8):121-123.JING Rui-quan.Standardization and Equipment Status of 40GE/100GE and Parallel OTN Interface [J].Telecommunication Science,2012,28(8):121-123.
[13]KIM ROBERTS.100G-Key Technology Enablers of 100 Gbit/s in Carrier Networks[EB/OL].(2001-03-06).[2012-08-18].http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=NFOEC-2011-NWA1.OFC2011.
[14]JOHN D AMBROSIA.40Gigabit Ethernet and 100Gigabit Ethernet Technology Overview[R/OL].(2011-01-20).[2012-08-18].http://www.ethernetalliance.org/files/document_files/40G_100G_Tech_overview.pdf.