4G一体化小基站网关建设方案研究

宋文韬，王世魁，黎丹

4G一体化小基站网关建设方案研究

宋文韬1，王世魁2，黎丹3

（1.中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080；2.中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司，黑龙江 哈尔滨 150080；3.中国移动通信集团公司，北京 100032）

为优化小基站建设，提升网络覆盖水平，对4G一体化小基站网关的架构及功能进行了介绍，展示了其对小基站的安全和信令管理的重要作用；同时，还分类阐述了小基站网关组网方案和部署方式，总结给出小基站网关建设的指导建议。

4G一体化小基站 网关 组网方案 部署方式

1 引言

当前已进入4G网络建设的饱和阶段，相比于宏基站，4G小基站作为一种低成本室内覆盖解决方案，常被用作蜂窝网络覆盖的有效补充和容量扩充手段，被广泛用于网络覆盖或容量不足，建设难度相对较大且具备自有回传资源的场景[1]。但小型化基站覆盖范围较小，布点规模多，直接接入核心网会占用大量信令资源，同时，小基站传输通道的信息安全性也需重点考虑，所以在小基站接入核心网之前的网关设备，对小基站的安全和信令管理起着至关重要的作用[2]。

本文以中国移动的4G一体化小基站网络建设形式为例，介绍了4G小基站系统，小基站网关的主要功能、组网方案以及部署方式。

2 4G一体化小基站系统简介

按照功率和覆盖能力，4G基站分为“宏、微、皮、飞”基站[3]，如表1所示。

表1 4G基站分类表

4G小基站一般是指单载波（20 MHz带宽）功率在500 mW以下的集成化设备，主要分为一体化基站（集成了BBU、RRU、天线）或一体化RRU（集成RRU和天线）设备。基站按照单载波功率大小可细分为宏、微、皮、飞四种，文中所提小基站为皮基站（100 mW～500 mW）和飞基站（100 mW以下）两类。由于小基站数量多、覆盖范围小，需接入小基站网关设备后再连接至EPC（Evolved Packet Core，核心分组网演进），其它基站均直接连接至EPC[4]。

4G一体化皮基站系统主要由一体化皮基站、一体化皮基站网关及网管系统构成[5]，如图1所示。

◆小基站为终端提供LTE接入，和终端进行空口通信。

◆网关包括安全网关和信令网关，安全网关对皮基站设备进行双向认证，保证传输通道的安全；信令网关进行S1接口信令面的汇聚，降低对MME（Mobility Management Entity，移动管理节点功能）的信令压力。

◆网管系统对皮基站、皮基站网关进行管理，包括参数配置和性能管理。

3 4G一体化小基站网关

3.1 4G一体化小基站网关架构

一体化小基站网关是一个位于核心网边界的网元，小基站网关网络连接拓扑图如图2所示。

从EPC核心网来看，网关相当于一个eNodeB；从小基站角度看，网关相当于一个EPC网络。一体化小基站既可以像宏基站一样直接接入到核心网，也可以经一体化小基站网关再接入到核心网。

3.2 4G一体化小基站网关功能

一体化小基站网关具有安全网关和信令网关两个功能。其中，信令网关进行S1接口信令面的汇聚，降低对MME的信令压力；安全网关对小基站设备进行双向认证，保证传输通道的信息安全，同时安全网关能够实现S1接口用户面的汇聚。

（1）安全网关功能

安全网关的主要作用包括保证业务安全和设备安全两个方面[6]。

1）保障业务安全：在小基站进行第三方回传和GPON（Gigabit-Capable Passive Optical Network，吉比特无源光网络）回传方式时（非信任域）[7]，考虑到传输数据的安全，要对数据包进行加密和完整性保护。

2）保障设备安全：对设备进行认证，防止非法AP接入，防止对核心网进行DOS（Denial Of Service，拒绝服务）攻击来获取核心网内部信息，或者非法小基站诱骗用户接入，监听用户通信内容等。

图1 4G一体化小基站系统架构

图2 4G一体化小基站网关网络连接拓扑图

4G一体化小基站网关安全管理功能网络连接拓扑图如图3所示。

小基站通过安全网关与小基站之间采用S1接口，安全网关与核心网之间采用S1-U接口。

（2）信令网关功能

信令网关作为控制面的集中器，主要用于支持宏微切换互操作以及汇聚信令[8]。

1）宏微切换互操作：通过信令网关的移动性管理等功能，可实现目前20位eNB ID的宏基站与28位eNB ID的小基站间的切换互操作。

2）汇聚信令：通过信令网关的S1接口管理等功能，对小基站进行信令汇聚，减少公共信令，节约核心网接入链路。

为规避安全风险，安全网关还支持双向认证功能，实现对小基站设备/用户的认证，避免非法皮基站/用户带来的安全风险。经研究分析，根据国际标准方案，通过在一体化小站出厂时预置设备证书和运营商CA根证书可最大程度地提高安全性，在国际上运营商已有应用案例，该解决方案成熟度高、成本低，有较高的可行性。

4 4G一体化小基站网关组网方案

4G小基站的回传可分为小基站至网关和网关至EPC两部分。

4.1 4G小基站至网关

4G一体化小基站网关与小基站之间采用标准S1接口，网络层基于IP承载。理论研究中，4G小基站至小基站网关有5个可选方案[9]，如图4所示。

（1）PON+CMNET：对于部署在PON（Passive Optical Network，无源光网络）覆盖区域的4G小基站，原则上采用PON+CMNET（China Mobile Network，中国移动互联网）回传方案，即末端采用PON接入，通过OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）上联至BRAS（Broadband Remote Access Server，宽带远程接入服务器），经城域数据网、省干CMNET后连接至4G小基站网关。

（2）PTN+CMNET：在小基站没有PON网络但有PTN（Packet Transport Network，分组传送网）资源的情况下，可以采用L2 PTN接入方式，通过PTN连接至BRAS，此情况下PTN和BRAS间可通过LAG（Link Aggregation Group，链路汇聚组）保护方式连接。其它类同PON+CMNET。

（3）PON+PTN：对于不具备或不便于采用CMNET回传、但末端只有PON网络资源时，可通过PON接入。

图3 4G一体化小基站网关安全管理功能网络连接拓扑图

图4 4G小基站回传方案示意图

（4）全程PTN：对于不具备或不便于采用CMNET回传、且基站侧具有PTN设备，或该基站回传质量要求较高的情况，建议采用全程PTN方案。

（5）第三方回传：当末端不具备自有网络时，可通过第三方网络实现小基站回传。

结合网络实际情况、业务质量、操作维护难度等多方面因素分析，建议如下：

◆对于飞基站，一般通过有线宽带、互联网专线等互联网端口接入，原则上应采用PON+CMNET（方案一）方案连接至小基站网关。无自有资源时可使用第三方资源实现回传。

◆对于皮基站，原则上应采用PON/PTN+CMNET（方案一和方案二）方案连接至网关，新建接入设备时优先考虑PON设备，即选择PON+CMNET（方案一）。原则上不采用第三方资源回传。

◆鉴于4G小基站，尤其是飞基站的数量较多、可规划性较差，采用PON+PTN或全程PTN（方案三和方案四）的方案会大大增加4G宏/微基站回传网络规划的复杂性。同时，为实现4G小基站自启动功能，L3 PTN需要与CMNET互联，这将引入较大的安全风险，原则上不考虑。

4.2 4G小基站网关至EPC

4G一体化小基站网关与MME之间的S1-MME接口、与SAEGW之间的S1-U接口均基于IP承载。4G小基站网关至EPC主要有两种方式：

（1）通过PTN方式：对于小基站网关设备端口少、流量不大、EPC数量较多、EPC需要组POOL的情况，可采用和宏站公用端口资源的方式，通过L3 PTN连接至EPC。此方案无需EPC扩容或改造，只需对PTN网络进行扩容或改造即可。

（2）直连方式：对于EPC数量较少且端口多、网关设备端口多、小基站流量较大时，可采用小基站网关和EPC直连方式，即通过光纤或WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分复用）/OTN（Optical Transport Network，光传送网）进行连接。但目前的4G小基站网关设备端口有限，建设初期流量不大，因此近期不建议采用此方案。

为减少网关和EPC设备端口配置，实现基站灵活归属不同EPC的功能，网关至EPC间原则上首选经过L3 PTN的方式，次选直连方式。同时，4G一体化皮基站信令网关还需具备虚拟网关和接入多个MME POOL的功能，如图5所示。

4G一体化皮站信令网关可虚拟成多个逻辑网关，和同一个MME建立多条S1连接，申请多个eNB ID；同时支持多MME POOL，支持业务的有效负荷分担。

5 小基站网关部署方式

根据网关能力和部署方式的不同，有两种部署方案，一是全省集中部署，二是与核心网节点同区域部署[10]，如图6所示。

方案一：全省集中部署，各省集中在省会城市放置网关。对于EPC分区部署的省份，存在路由迂回，需打通EPC分区之间的PTN网络。

方案二：分区部署，与EPC节点部署位置一致，在片区中心建设网关。与核心网部署相对应，不存在路由迂回。

考虑到方案一需打通EPC分区之间的PTN网络，以及小基站规模进一步增加后网关仍将依据EPC分区进行建设，所以在实际建设中建议尽量采用方案二。

6 结束语

图5 4G小基站信令网关连接MME POOL示意图

4G小基站为室内覆盖解决方案提供了多种选择，具有低成本、部署快、易安装等优点。为加快推进小基站建设，进一步提升深度覆盖水平，部署小基站网关是各省目前重要的网络建设内容之一。本文详细阐述了小基站网关的构架及其功能，对小基站网关各种组网方案进行了对比分析，并给出了部署方式的建议。未来随着小基站建设的大规模发展、网关支撑能力的提升，对小基站设备移动性和安全管理等功能的要求还将进一步提高。

图6 4G小基站网关部署方案示意图

[1] 沈嘉,索士强,全海洋,等. 3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2008.

[2] 王俊. 3G移动通信系统网关技术应用研究[J]. 通信技术, 2011,44(3): 120-122.

[3] 伍岳. 一体化小基站在4G深度覆盖中的应用研究[J]. 邮电设计技术, 2016(7): 63-66.

[4] 李新,王四海,杨光,等. LTE微站应用以及宏微协同组网研究[J]. 邮电设计技术, 2015(9): 18-21.

[5] 王成帅. 4G一体化皮飞基站建设方案研究[J]. 广东通信技术, 2016,36(7): 48-50.

[6] 白晓媛,夏俊杰,王光全,等. LTE安全解决方案研究[J].邮电设计技术, 2016(1): 21-25.

[7] 宋文姝,薛连双,裴巍. PON网络中家庭网关远程管理模式的探讨[J]. 电信网技术, 2011(10): 30-34.

[8] 章海松. 下一代移动核心网中信令网关设备功能的分析与设计[D]. 成都: 西南交通大学, 2007.

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[10] 张晟,商亮,孔建坤,等. 4G小基站系统原理、组网及应用[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2015. ★

宋文韬：工程师，硕士毕业于哈尔滨工业大学，现任职于中国移动通信集团设计院有限公司，主要从事GSM、TD-SCDMA及TD-LTE等移动通信系统的规划、咨询和设计工作。

王世魁：工程师，硕士毕业于哈尔滨工业大学，现任职于中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司，主要研究方向为核心网，无线网络规划、设计及优化。

黎丹：工程师，硕士毕业于天津大学，现任职于中国移动通信集团公司，研究方向为核心网，无线通信系统的规划、咨询和设计。

Study on Construction Scheme of 4G Integrated Small Base Station Gateway

SONG Wentao1, WANG Shikui2, LI Dan3
(1. China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China; 2. China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Heilongjiang Branch, Harbin 150080, China; 3. China Mobile Group Co., Ltd., Beijing 100032, China)

In order to optimize the construction of small base stations and enhance the network coverage, the architecture and functions of 4G integrated small base station gateways were introduced. The significance of 4G integrated small base station gateways to the small base station security and signaling management was presented. In addition, the networking scheme and deployment mode of small base station gateways were elaborated. Finally, the guiding suggestions on the construction of small base station gateways were summarized.

4G integrated small base station gateway networking scheme deployment mode

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.15.007

TN915

A

1006-1010(2017)15-0035-05

宋文韬,王世魁,黎丹. 4G一体化小基站网关建设方案研究[J]. 移动通信, 2017,41(15): 35-39.

2017-04-21

责任编辑：文竹 liuwenzhu@mbcom.cn