LTE时代分组传送网的演进策略
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【摘 要】通过分析分组传送网络对三层技术、UTRAN多接口综合接入、高带宽、时延要求的适应性，详细介绍了分组传送网对lte网络的支持能力，并给出了分组传送网的演进思路和规划策略，从而为建设可平滑演进的分组传送网提供参考依据。
【关键词】LTE 分组传送网 适应性 演进策略
中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2013）-21-0032-06
1 前言
随着分组传送网的建设和优化，其对3G PS域业务的承载优势已经得到体现和认可。LTE时代即将到来，高带宽、低时延又对移动回传提出新的要求，使得原有承载网络模型显出一定的局限性。本文在分析分组网络承载性能的基础上，提出了分组传送网演进思路和规划策略。
2 分组传送网络对LTE网络的适应性分析
2.1 分组传送网络对三层技术的适应性分析
2G/3G网络与LTE网络将长期共存的现状和全业务的综合接入定位，决定了传送网必须适应无线技术发展不同阶段的差异化需求。TDM/ATM基站业务或专线既需要采用PWE3的L2VPN端到端的仿真，又需要点对多点技术进行IP化3G基站和RNC归属关系的灵活调整；LTE基站需要端到端的L3技术或L2+L3的方式承载eNodeB和EPC间的S1业务及相邻eNodeB之间的X2业务均要求点到多点的连接；而政企L3VPN专网业务、IPTV业务更需要基于IP路由信息做三层寻址转发。分组传送网络需要支持二层和三层技术已成为各运营商的共识。
以IP/MPLS（Multi-Protocol Label Switching，多协议标签交换）技术为核心的分组设备具有较强的三层功能，能够支持路由的动态建立和全网自动更新收敛，通过路由和MPLS技术支持节点之间的各种逻辑连接。支持三层的分组技术也使得网络的多业务承载成为可能，既实现了快速调整业务路由，又降低了配置复杂度。
早期建设的PTN网络都是二层的网络，业务路由均采用静态配置，无法随着网络的突发变化做到自动更新和动态调整。
目前有通过设备软件升级支持L3功能和分组L2设备+CE路由器两种解决方案，大多数厂家核心汇聚设备可通过软件升级支持L3技术。升级分组L2设备支持L3VPN方案的优势主要是成本低、可实现统一网管、便于维护、具备端到端的网络保护能力，需要注意的是，全三层的分组网络由于路由域巨大，实现电信级50ms保护倒换难度较大。
分组L2设备+CE路由器方案的优势主要体现在产品成熟度高、L3支持好等方面；其劣势是业务开通及网络维护需传输和数据两个专业配合完成、故障定位难度较大、端到端保护能力受限，分组设备和CE路由器为不同厂家时，部分互通性能指标尚需进一步改进。
2.2 分组传送设备对UTRAN多接口综合接入的适应性分析
传统GSM网络Abis接口基站侧为E1接口，BSC侧为E1或STM-1接口；3G WCDMA网络Iub接口基站侧为IMA E1和FE接口，RNC侧为STM-1或GE接口；LTE阶段eNodeB侧S1/X2为逻辑接口，通常共用1个GE接口，MME/SGW侧一般采用10GE接口。
网络的演进不能一蹴而就，这也就意味着新的传送网需要支持2G/3G/LTE多种业务接入，分组设备恰好具备满足多接口支持能力的特点，能够支持接入E1、IMA E1、STM-1、FE、GE、10GE等接口，部分设备具有升级支持40GE甚至是100GE接口能力。但现有分组设备的主要问题是部分厂家TDM业务支持能力较弱、E1/STM-1接口集成度低，承载TDM业务能力不足。
2.3 分组传送网络对高带宽的适应性分析
分组传送技术之所以能提高网络的带宽利用率，主要是由业务的突发性和设备的统计复用功能决定的。采用统计复用机制后，业务突发性越强，互补性就越强；规模越大，统计复用带来的带宽收益就越可观。
在网络建设初期，启动收敛功能时可以不设置收敛比或者设置较小的收敛比；网络运行一段时间后，再根据网管运行数据及时修改网管设备参数。到LTE阶段，随着网络业务的逐步增多，也可适当地提高收敛比以适应网络发展需要，这样语音、信令等CIR业务不会受到影响，PIR业务可能会出现业务拥塞但不会出现业务中断。此外，分组传送网层次化的QoS策略、流量工程等技术使得网络资源能得到充分利用，从而达到对高带宽业务流量支持的能力。
2.4 分组传送网络对时延要求的适应性分析
分组传送网络趋向扁平化和IP化，缩短了业务传输的逻辑距离，使业务在网络中传输时经过的电层节点设备数减少，传输经过路由、转发次数尽可能减少；MPLS技术对数据路径进行规划，减少路由上等待转发的时间，尽可能减少接入环层层嵌套和接入环路站点过多的情况，从而满足LTE承载端到端、稳定的低时延需求。
LTE承载上，运营商更倾向于采取基于Cell定长包转发的分组传送设备实现，通过需要尽量减少L3处理环节和路由跳数的方式以应对比2G/3G时延要求更为严格的LTE网络。
3 网络规划及现有网络演进策略
3.1 网络组织架构演进策略
分组传送网典型的网络架构一般分为核心层、汇聚层和接入层（见图1）。网络规模较大的地区，汇聚层一般又分为骨干汇聚层和边缘汇聚层。网络结构清晰化有利于业务点接入，便于业务调度及后期网络扩展。
（1）核心层规划策略
作为多业务的传送平台，核心层网络建设应遵循结构清晰、高效灵活、安全可靠、便于维护和管理的建设原则，满足大容量业务调度的需求。核心层网络初期多为环网结构，随着业务的发展可以逐步过渡到网状结构。
LTE时期，考虑到设备性能的局限性，可以在各个核心节点间建设互相分担、互为备份的双平面网状网。考虑到技术的发展和带宽的需求，对于核心层调度压力大的地市，也可以通过OTN（Optical Transport Network，光传送网）技术解决业务激增带来的传输环路带宽和局间纤芯压力，40G/100G技术成为解决网络带宽瓶颈的另一期待。
一般地区有2～4个核心节点，RNC/BSC设备和分组核心设备通常部署在同一节点的不同机房内。为了保证网络的调度灵活和安全可靠，建议分组核心设备和RNC/BSC设备的对接通过落地设备承载。在RNC设备较多的机房布置一对甚至是多对落地设备具有以下优势：
可以减少和骨干汇聚设备之间连接的光口数。如果仅有落地设备，那么N个落地设备需要和M个骨干汇聚设备全连接，连接数量由（N*M）减少到（N*2+M*2）（2是核心设备的量）；若采用核心调度+落地设备的方式，端口数变成了（N*2+M*2）（2是核心设备的量），这样既减少了端口连接数量，也降低了市到县层面的OTN设备投资或者光缆建设投资。
落地设备和核心调度设备、RNC之间一般是网状连接，按RNC区域布局落地设备既可以减少落地设备和RNC连接的端口数量，又避免了不同机房部署扩展设备造成的局间光缆或者层间光缆的使用。同时，还降低了对核心设备和落地设备的能力要求。
（2）汇聚层规划策略
1）骨干汇聚层
为了和城区、乡镇的汇聚节点区别，传输专业通常把区县的中心机房称为骨干节点、其他的汇聚节点称为边缘汇聚节点，网络结构也分为骨干汇聚层和边缘汇聚层。
骨干汇聚层完成多业务颗粒的分区域汇聚、传送和调度，并向核心节点转接传送。骨干汇聚设备可以通过扩展核心层设备的端口密度、种类和处理能力，解决接入节点到核心层之间光纤资源紧张的问题。
骨干汇聚层拓扑多采用环形结构，与核心层设备一般通过DNI方式连接，原MSTP网络骨干汇聚环环上节点数目一般为4～6个。随着3G分组域业务的发展和LTE业务的规划，为了保证网络的扩展性，通过在区县设置互为备份的骨干设备，骨干汇聚组网结构由原来的环形结构逐渐向口子形网络发展。在LTE初期，分组骨干汇聚环路可以通过叠加环路的方式应对业务的发展；在LTE中后期，40G/100G技术和P-OTN技术的引入将成为解决带宽的主要途径。
与传统的SDH传输网相比，分组网承载的业务颗粒和业务特性优于传统数据网络的树形网络结构。在区县中心机房通过设置业务分担、互为备份的骨干设备，口字形或全连接的方式上联至核心设备具有以下优点：
骨干层带宽扩容便捷，降低了骨干层节点业务穿通成本，提高了骨干汇聚节点的利用效率。当某个节点的某个方向带宽不足时，增加一条链路即可降低光缆或波分扩容成本。
减少了业务调度的层次，取得了网络扁平化的效果。业务汇聚至骨干节点后，只需经过一跳便可到达目标核心节点，这不仅提高了路由管理效率，而且还提高了业务安全性、降低了时延。
节省了资源。设置骨干汇聚节点后，该汇聚区域内的汇聚环路都可以直接上联至骨干汇聚设备，避免了大量边缘汇聚环路同核心设备的全连接，节省了光缆或者OTN波道的资源，防止出现大量市到县光缆同路由使用问题。另外，在网络建设初期业务量较小的情况下，汇聚设备具有的统计复用功能既减少了核心层的压力，也节省了端口和带宽资源，降低了建网成本。
2）边缘汇聚层
边缘汇聚层的网络结构以环形为主，主要功能是对于接入层上传业务进行收容整合，其建设原则主要是考虑到带宽需求及便捷接入覆盖需求。与骨干汇聚设备一般通过DNI方式连接，边缘汇聚环环上节点数目一般为4～6个。
边缘汇聚节点按照分布地区不同，可以分为城区汇聚节点和乡镇/行政村汇聚节点两类。乡镇/行政村边缘汇聚环路一般不存在带宽容量不足的问题，主要解决挂接的便捷性；城区的边缘汇聚环除了考虑大客户接入的便捷性，更重要的是便于业务调度及对上行业务的汇聚收敛。对于边缘汇聚环容量不足的情况，一般可以通过大环的拆分或者环路的升级扩容来实现，由于城区汇聚节点和骨干汇聚节点都在城区，也便于扩容。建议边缘汇聚层分区域建设的主要原因是：为避免因某段业务过大而出现的环路调整或者整体升级。
边缘汇聚环容量分析：以10GE边缘汇聚环为例计算，按照50%的保护余量及环路双方向容量计算，考虑报文与开销的封装，10GE汇聚环路可用带宽大于8 000M。3G网络时期，接入站点带宽需求主要是HSPA+、2G和大客户接入需求，单站移动带宽为40M（26M+4M+10M），这样一个10GE边缘汇聚环可以满足约200个站点的业务上行需求，再考虑边缘汇聚环引入的收敛，初期挂接基站数量可以大于200个。LTE时期，LTE站点的分组设备按照CIR值100M配置，一个10GE边缘汇聚环可以满足约80个站点的业务上行需求。
接入层实际带宽需求的增加，也势必引起边缘汇聚层容量的扩大。3G及LTE发展初期，考虑到前期配置及波分承载成本，边缘汇聚环路叠加成双10GE环仍然是主要应对模式；LTE中后期，边缘汇聚层需引入40G/100G技术或采用边缘OTN技术；部分地区可考虑边缘汇聚层Mesh组网，因业务选择路由较多，规划时应注意每一条管道的CIR，逐跳验证业务路径的带宽使用情况。
（3）接入层规划策略
边缘层的网络结构以环形为主、星形及链形为辅。接入层环与汇聚层可以根据业务等级和网络资源情况选择单节点或双节点方式衔接。如果汇聚层采用单节点上联方式，建议同区域的基站接入不同的接入环，插花式组网还可以实现业务分担。
当然无论采用何种方式，无线带宽需求都是一个硬性指标，如果接入环采用环网结构，那么城区的接入环会越来越小。接入层的建设也可以在部分业务需求量大的站点按照分散布点提前考虑，接入点放置10GE接入设备，单节点双上联至汇聚点，不做组环考虑；对部分地区业务量过大的或者已经建立了综合业务节点的，可以进行边缘OTN网络的部署。目前GE接入环路一般通过“拆环、环路叠加、环路升级”三种方式进行改造。
接入环容量分析：GE环路实际可以提供2G的带宽，当所有业务都需要配置为1：1保护时，实际的资源利用率为50%，即GE环路可以按照1G的带宽规划，考虑报文与开销的封装，环路有效带宽约为80%。
3G网络时期，按照网络站点均为HSPA+配置，并考虑大客户接入需求，按照单站移动回传数据域业务需求为21M、电路域需求为4M、大客户需求为15M测算，得出单站业务带宽为40M。GE环路有效带宽为800M，可以满足20个站点的业务上行需求。LTE时期，LTE站点的分组设备需要提供100M保证带宽，按照现有接入网结构，单个GE环路接入超过8个LTE节点就无法满足带宽需求。
接入层的带宽成为制约业务上行的关键。但是考虑到单站带宽需求和无线的布点情况，可以通过建立综合业务点或者BBU池的概念，在这种节点放置可以平滑升级的分组接入设备，满足未来业务发展的需求。
3.2 分组设备的分层分域策略
随着业务的不断增长，汇聚层的LSP数量将显著增加，如果不对收敛上来的LSP进行重新汇聚，对其保护负担会随之增加，而且全程端到端配置使得在汇聚设备故障后存在大量的倒换隐患。因此，对于二层VPN或传统TDM业务，可以通过PW交换功能将多个LSP外层隧道汇聚到一个LSP，这样既减轻了核心层设备的LSP隧道压力，又降低了LDP Peer的数量，极大地提高了网络的扩展性。
分组传送网保护规划中，分组接入设备到核心设备一般是分两段承载：从接入设备到骨干汇聚设备是第一段；从骨干汇聚设备到核心设备是第二段，两段的关系是层次化VPN。其划分依据主要是业务调整的频繁性，第一段通常认为业务变动较频繁，包括业务的增删改及破环加点等操作；第二段跨过汇聚层和核心层，相对固定，不会经常有业务调整。
部分厂商的分组传送网络采用全三层设备，在目前阶段已开启了全三层的功能。为实现不同路由域的路由隔离，降低接入环节点上的路由压力，隔离网络故障，分组网通过IGP多进程协议来划分路由域。采用独立的自治域组织路由策略不仅可以减少路由震荡，而且还降低了较大网络规模对设备性能的要求。
3.3 设备的选型策略
经过近两年的建设和维护，各地运营商对分组传送设备选型及配置有了新的认识。为保证网络扩容方便和网络的安全，设备的选择应注意以下问题：
（1）分组设备虽然没有高低阶交叉能力的限制，但设备的吞吐量、转发率、槽位能力和支持高速率端口的数量成为以后设备扩容的关键。分组设备应考虑网络的发展和综合接入需求、冗余能力和平滑升级能力。
（2）核心设备需要配置支持1588v2功能的板卡，以满足即将到来的LTE业务需求；网络侧接口配置在不同槽位的物理板件上，以降低故障的隐患。
核心汇聚设备配置中高密度板卡，通过扩展机架配置低速业务（155M/FE/2M）的槽位以满足和业务网的对接，使得设备具有一定量的空余槽位和空余接入能力。另外，核心汇聚层宜采用L3分组设备，汇聚设备应支持L2到L3的桥接和收敛能力；汇聚交叉容量要能够满足所挂环数量nx800M+线路交叉容量。
（3）接入层设备需具备丰富的接口接入能力，在业务发展潜力的地区要配置能平滑升级的设备。
通过分析各接入业务的需求，从经济成本、各厂家的设备性能、运维习惯综合比较，选择与本地相适宜的分组传送设备。
3.4 分组传送网络采用的保护策略
在电信级分组网络中，对于业务的中断和恢复时间要求比传统数据网络更为严格，这就对分组传送网的保护技术提出了更高的要求。在分组传送网中可用的保护技术种类繁多，常用的有：线性保护、环形保护、保护和设备级保护，分组传送网和原MSTP传送网的保护策略有着较大的差别，分组传送网在网络侧采用TE FRR、VPN FRR、IP FRR等数据网络常用的保护方式。随着各种保护标准逐步发展和成熟，分组传送网的综合解决方案涉及多种保护技术叠加和互相配合，在各种层次保护之间需要配置保护迟滞时间，以避免因多重保护导致的保护振荡现象。
4 结束语
随着3G数据业务需求增加以及未来LTE技术对移动回传网的新需求，建设层次清晰、扩容方便、承载安全的多业务传送网络将成为各运营商的共识。本文通过分析LTE网络要求和分组传送网的瓶颈，提出了可平滑演进到LTE承载的组网思路，使网络架构更具LTE承载的能力，以便为移动、交换、数据、互联网等业务的跨越发展提供更优质、更安全、更稳定的传输通道。
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