LTE海量基站业务承载网络优化方案分析

2013-02-28杨广铭梁筱斌马培勇

电信科学 2013年1期

杨广铭，梁筱斌，阎璐，马培勇

（中国电信股份有限公司广州研究院广州510630）

1 引言

2013年是LTE发展的关键年，全球主流运营商均选择具备全业务综合承载能力的IP RAN作为LTE基站的承载网。但由于目前IP RAN尚处于试商用阶段，尚缺乏大规模建设的系统化组网方案。本文通过分析LTE海量基站业务场景下IP RAN网络优化、OAM、接入设备的即插即管理、网络与业务建模及批量配置下发等需求和实现方式，给出了各自的解决方案，为运营商提升LTE业务的网络承载能力、实现承载网络的灵活性和可扩展性、降低运维的工作量及复杂度、提高业务的开放能力与效率都具有重要作用。

2 LTE基站承载需求

与现有的3G相比，由于其覆盖范围和业务流量流向的不同，LTE基站对承载网的性能和组网需求和3G基站都有较大的不同，具体包括以下内容。

·LTE基站采用密集方式进行部署，其基站密度大约为3G基站的两倍，在LTE规模商用后，国内大型城市LTE基站可达到数千台甚至上万台的数量级别，其承载网络的接入节点数量也将远超过3G基站承载网节点。LTE承载网建设不仅要考虑承载方案的可行性、安全性、灵活性与扩展性，更要着重考虑承载网络的建设和运营成本。

·传统的IP承载网络路由域，其设备数量一般在数百台左右。而在LTE业务承载网络中，单个地市的节点数量在数千台甚至上万台，这就要求承载网络具备更高的实时故障检测、快速故障倒换和OAM能力。

·LTE基站带宽理论值可达到300 Mbit/s左右，是3G基站的10倍以上；此外，LTE基站业务还具有低时延、扁平化、多点化等特点。因此，要求其承载网络具备灵活全互联组网与流量负载分担能力，以减轻业务流量对承载网络的压力，从而实现对承载网络的优化。

·LTE基站之间存在互联X2接口，在进行基站之间的切换时，X2接口存在信令与用户数据流量的交换需求。根据高通公司的研究结果，X2接口时延增加5 ms，会使得终端用户的吞吐量降低20%。因此，要求承载网络具备X2接口流量的就近转发能力，从而有效地降低X2接口时延。

·LTE基站业务不仅包括移动互联网业务，也包括实时业务如IP语音、交互式视频、多媒体多播（eMBMS）以及在线实时交互游戏等。这也要求其承载网络具备对实时业务的低时延传送与高质量保障能力，同时实现各种业务的差异化运营与管理。

现有3G基站业务主要采用MSTP承载，但由于MSTP为刚性管道，适用于固定码率的TDM话音业务；而对突发性强且分组长度可变化的分组业务，MSTP存在承载效率较低、链路调整困难、不支持灵活的多点访问、不支持多播需求等问题。这些都会带来移动业务开放低效、运维工作量过大、运营成本过高等问题。基于LTE承载需求特性和MSTP的不足，MSTP明显不足于完成LTE承载的重任，而IP RAN则成为LTE承载的最优选择。

图1 IP RAN典型组网架构

3 LTE基站业务承载组网方案优化设计

3.1 总体方案架构设计

考虑到运营商的接入传输光缆资源分布，IP RAN接入层面通常采用环形组网架构，即多个IP RAN接入节点A设备通过组环上连到两台汇聚节点B设备，B设备形成双归属架构（称为一个汇聚组）来提供跨节点的可靠性保障。其组网架构如图1所示。

LTE基站业务，为了保障业务的安全性，通常采用MPLS VPN承载进行逻辑隔离。由于LTE海量基站使得IP RAN接入节点的数量庞大，为了降低IP RAN接入节点设备的成本，将其功能尽可能简化与模型化。在IP RAN承载方案设计上考虑在接入节点设备上配置主备PW来提供跨汇聚节点的可靠性保护能力，分别终结在汇聚节点设备的L3 VPN中，汇聚节点设备以上网络架构配置的L3 VPN来实现网络的灵活互联。

具体设计方案如下。

·在接入IGP区域，LTE基站通过PW接入汇聚设备的PW网关，多条PW收敛于同一网关；接入设备仅为业务流量提供二层管道；网关上配置本地代理ARP实现同网段内基站流量的互通。在核心IGP区域，设备为业务流量提供L3 VPN管道，汇聚设备和CE为L3 VPN边缘。

·每台接入设备分别建立到2台汇聚设备的主备PW，主备PW状态仅在接入设备本地维护。

·基站通过静态默认路由指向PW网关，接入设备优选主PW发送上行流量，备用PW不传送用户上行数据流量，但可与主PW同时向网关发送基站ARP信息，以保持2台网关ARP信息的同步；当下行业务流量到达PW网关后，基站从主备PW均可接收流量。从基站看，业务流量在主备PW中具备单发双收特性。

·2台汇聚设备均不感知PW的主备状态，其PW网关均为UP状态，且同时将直连的PW网段路由和该网段下明细主机路由向L3 VPN通告，并从CE学习EPC网元的业务路由；由于主备PW具备单发双收特性，下行业务流量可实现核心IGP域内的BGP负载均衡，从而提高了核心IGP区域的链路利用效率，实现了对LTE S1接口的优化。

图2 IP RAN分域设计示意

3.2 网络分域优化方案

IP RAN网元数量众多，若采用单一IGP域方案，会造成故障影响大、倒换收敛慢等问题。因此有必要对网络路由进行分域，将IP RAN在逻辑上分割为多个不同子域，各子域之间互不交互路由，业务通过骨干网层面实现互通，从而提升网络的顽健性。IP RAN分域设计示意如图2所示。

具体到方案上，IP RAN接入节点A设备到汇聚节点B设备之间采用OSPF协议；以一对汇聚设备为界，下挂的接入设备归属于同一个OSPF域，并以接入环为单位划分不同stub area；不同对汇聚设备之间的OSPF进程不互通。

汇聚节点B设备到EPC网元前置RNC-CE路由器之间的骨干网层面考虑采用ISIS协议来适配大规模的设备的组网要求。接入网OSPF与骨干网ISIS之间路由不互通。

3.3 多基站共享IP RAN网关承载优化方案

未来LTE基站数量庞大，而PW为点到点伪线，每台基站均对应一个PW网关，这会带来IP地址规划与管理异常复杂和极大浪费的问题。因此，需要对基站的网关模型进行优化设计，将多个基站配置在同一个网段，即多条PW收敛终结于同一网关（PW网关收敛N∶1方式），并部署相应的优化方案，如图3所示。

图3 PW网关收敛N∶1方式示意

3.4 X2接口流量就近转发承载方案

基于基站之间X2接口切换的信令与用户数据流量在汇聚节点B层面进行就近交换。根据实际的组网情况，X2流量的交互路径有所不同，主要分为如下3种情况：

·发生X2切换的基站同时归属于同一个汇聚节点B设备上的3层网关（如图4所示）；

·发生X2切换的基站分别归属于同一个汇聚组B1与B2上的3层网关（如图5所示）；

·发生X2切换的基站分别归属于不同汇聚组节点的3层网关（如图6所示）。

4 IP RAN故障倒换要求及部署方案

4.1 IP RAN设备的故障倒换要求

为满足LTE基站业务承载需要，要求IP RAN在典型故障场景下（接入环链路中断、接入设备脱网、汇聚设备脱网等），故障倒换端到端收敛时间在300 ms以内。

图4 同一汇聚节点下X2接口流量就近转发示意

图5 同一汇聚组内不同汇聚节点间X2接口流量就近转发示意

图6 不同汇聚组之间的X2接口流量就近转发示意

4.2 IP RAN故障检测及倒换部署方案

（1）接入IGP区域故障检测与路由快速收敛

采用PW+BFD进行故障的检测和路由的快速收敛。

（2）核心IGP区域故障检测和路由快速收敛

·在LSP层面，采用BFD for IGP/LDP实现域内亚秒级收敛或部署FRR实现关键链路保护，实现骨干MPLS区域50 ms故障快速倒换。

·在MP-BGP层面，部署双RD（一对汇聚设备或一对CE分别配置不同的RD）保护实现MP-BGP的快速收敛。

5 IP RAN接入设备的即插即管理实施方案

IP RAN接入设备位于各本地网接入层，具有部署密集、数量庞大和运维管理工作量巨大等特点；而运营商普遍存在接入网运维人员人手严重不足的问题。因此，需要在IP RAN引入接入设备即插即管理，现场维护人员只需负责设备的线路连接和上电，在启动完成后即可被远程网管系统统一管理，从而有效降低现场运维难度，提高业务交付效率。IP RAN接入设备即插即管理有两种实现方案。

5.1 方案一：DHCP方案

新进网接入设备通过内置接口发送DHCP请求报文，DHCP请求报文携带Option 60、61等设备信息，上游设备进行DHCP中继，同时在报文中插入Option 82属性，Option 82属性包括上游设备名、接口名称以及VLAN等信息，网管系统（DHCP服务器）根据DHCP请求报文携带的设备信息对新进网设备进行合法性认证，并为新进网设备分配地址资源。在新进网设备顺利完成地址分配后，网管系统接管新进网设备的管理，通过接口实现配置下发，新进网设备进入被管理状态。

该方案优点在于基于现有标准，各设备厂商均可很好地支持；缺点在于部署该方案必须预先规划好接入IGP区域的物理拓扑和新插入设备的管理地址，不利于物理拓扑的自动发现和灵活管理以及在破环新增设备场景下的应用。

5.2 方案二：PPPoE方案

该方案中设备互连采用动态OSPF over PPPoE进行连接和邻居发现，无需配置互联接口地址，简化了即插即管理过程。接入和汇聚设备出厂时固化一个loopback接口的IP地址（可根据设备ID或其他机制生成，保证每个设备在全网的唯一性，并可供网管系统进行入网认证）；新插入接入设备仅包含该loopback接口地址和默认的用户名/密码，其余为零配置。当新插入接入设备入网时，其与已在网设备连接的接口会借用固化的loopback接口（ID足够大）地址，与其直连的设备运行PPPoE会话，并在PPPoE会话上运行OSPF，建立OSPF邻居。网管系统和新插入A设备分别学习到对方地址，新插入A设备进入可管理状态；同时，B设备通过标准机制向网管系统通告拓扑变化信息，使网管系统可实现IP RAN设备物理拓扑的自动发现，网管通信流量通过Global接口转发。

该方案优点在于接入IGP区域物理拓扑和设备管理地址不需提前规划，支持物理拓扑的自动发现，支持灵活破环新增设备；缺点在于目前有部分设备厂商不支持该方案，跨厂商灵活组网存在困难。