基于分組承載網(wǎng)的LTE業(yè)務(wù)需求分析

摘要：在LTE網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)的扁平化和諸多新型接口的出現(xiàn)對(duì)底層承載技術(shù)提出了新的需求，本文主要從三層業(yè)務(wù)承載能力、基站帶寬、時(shí)延抖動(dòng)等幾個(gè)方面分析了LTE網(wǎng)絡(luò)對(duì)于分組承載網(wǎng)的要求。

1、前言

隨著全球3G技術(shù)的大規(guī)模商用部署，特別是增強(qiáng)型3G技術(shù)HSPA/HSPA+的普及和推廣，大大的推動(dòng)了移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。用戶(hù)對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的劇烈增加，直接導(dǎo)致了3G網(wǎng)絡(luò)容量以及業(yè)務(wù)承載壓力的猛增。為此，大部分運(yùn)營(yíng)商和3GPP開(kāi)始全力推動(dòng)下一代新一代寬帶無(wú)線(xiàn)技術(shù)LTE的發(fā)展。

在LTE的推動(dòng)過(guò)程中，承載網(wǎng)作為電信網(wǎng)的基礎(chǔ)，其規(guī)劃和建設(shè)應(yīng)該優(yōu)先于業(yè)務(wù)的發(fā)展和演進(jìn)。承載網(wǎng)的分組化是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)，另一方面，移動(dòng)業(yè)務(wù)的需求變化也決定了網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)方式。本文將對(duì)基于分組承載網(wǎng)的LTE業(yè)務(wù)需求進(jìn)行分析。

2、LTE網(wǎng)絡(luò)承載要求

LTE的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)對(duì)于分組承載網(wǎng)提出了更高的要求，網(wǎng)絡(luò)扁平化、X2接口的引入、S1接口的多樣性均提出了不同的承載需求。在LTE環(huán)境下，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。與傳統(tǒng)3G網(wǎng)絡(luò)相比，LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加扁平化、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)功能也更加復(fù)雜。

圖1. LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

在LTE網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，出現(xiàn)了三個(gè)新型的結(jié)構(gòu)分別為：

1） S1接口：連接eUTRAN和ePC之間的接口，具有較強(qiáng)的開(kāi)放性，負(fù)責(zé)用戶(hù)UE的高清視頻點(diǎn)播、高清視頻監(jiān)控、實(shí)時(shí)RGB在線(xiàn)游戲、音樂(lè)下載和移動(dòng)電視、高速上網(wǎng)等用戶(hù)業(yè)務(wù)的連接承載。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)需要，采用不同廠(chǎng)家設(shè)備構(gòu)架eUTRAn和ePC，從而提高了LTE網(wǎng)絡(luò)的靈活性。為了支持網(wǎng)絡(luò)冗余和跨網(wǎng)元間的流量負(fù)載分擔(dān)，每一個(gè)eNode可以通過(guò)S1接口與不同S-GW或者PDN-GW相連。

2） X2接口：實(shí)現(xiàn)eNode基站之間的互聯(lián)互通，X2接口的引入可以進(jìn)一步激發(fā)LTE設(shè)備制造商的競(jìng)爭(zhēng)，用戶(hù)在不同基站之間的切換更加頻繁，網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和可升級(jí)性能力大大增強(qiáng)。為了保證不同基站之間的互通，X2接口需要引入三層路由功能，從而實(shí)現(xiàn)在基站群之間基于IP地址的尋址和路由。當(dāng)UE設(shè)備處于激活模式下，X2接口可以支持LTE無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的移動(dòng)性，具體包括：源eNode到目的eNode之間的上下報(bào)文傳遞；源eNode到目的eNode之間用戶(hù)平面隧道的控制；不同eNode之間的切換；上行負(fù)載管理；一般管理和錯(cuò)誤處理功能。

3） LTE-Uu接口：eUTRAN和UE之間的無(wú)線(xiàn)接口，Uu是UE設(shè)備接入到系統(tǒng)的固定部分的接口，是eUTRAN中最為重要的接口之一，但由于不涉及到底層承載方面的需求，對(duì)于分組承載的影響不大。

總體來(lái)說(shuō)，X2接口，定位于改善用戶(hù)跨基站移動(dòng)切換時(shí)的體驗(yàn)。當(dāng)切換完成后，業(yè)務(wù)還是要經(jīng)過(guò)S1進(jìn)行傳輸。由于切換只發(fā)生在相鄰基站之間，因此在X2接口設(shè)計(jì)上，主流運(yùn)營(yíng)商明確要求僅允許相鄰基站之間存在邏輯連接，而非相鄰基站不允許互通。從避免一個(gè)基站故障擴(kuò)散到其他基站的角度考慮，避免所有基站全MESH互通也是合理的。

與傳統(tǒng)3G/B3G相比，LTE是一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的扁平化和諸多新型接口的出現(xiàn)對(duì)底層承載技術(shù)提出了新的需求，主要從業(yè)務(wù)承載、基站帶寬、時(shí)延抖動(dòng)、時(shí)間同步等幾個(gè)方面對(duì)分組承載網(wǎng)絡(luò)有著新的要求。

3、業(yè)務(wù)承載能力分析

傳統(tǒng)3G/B3G網(wǎng)絡(luò)基本上需要底層承載網(wǎng)提供二層能力即可，即通過(guò)基于MAC地址的轉(zhuǎn)發(fā)就可以滿(mǎn)足上層移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)回傳的需要。從NodeB到RNC之間，通過(guò)某種特定的承載技術(shù)，配置一條二層交換通道，實(shí)現(xiàn)基站業(yè)務(wù)的回傳，如果采用MSTP技術(shù)，直接通過(guò)VC交換，采用剛性管道方式。

但在LTE網(wǎng)絡(luò)中，S1和X2接口的引入對(duì)于底層承載提出了三層交換的需求，單純的傳統(tǒng)基于MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)的二層交換能力無(wú)法滿(mǎn)足S1/X2接口的多樣性，即無(wú)法實(shí)現(xiàn)eNode與多個(gè)S-GW和P-GW之間的互通以及多個(gè)eNode基站之間的互通。

具體來(lái)說(shuō)，LTE網(wǎng)絡(luò)對(duì)于三層交換能力的需求主要體現(xiàn)在：

1）需求1：多個(gè)eNode基站之間通過(guò)X2接口進(jìn)行互通

X2接口的引入是LTE網(wǎng)絡(luò)一大特色之一，但為了保證在多個(gè)基站之間的靈活切換，在基站池中，需要將每一個(gè)eNode基站看做一個(gè)帶有獨(dú)立IP地址的物理通訊單元，X2接口之間的業(yè)務(wù)流需要采用三層路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)在不同eNode基站之間的路由功能，從而提高整個(gè)eNode基站池的靈活性。

在城域網(wǎng)層面，不同eNode基站需要通過(guò)接入環(huán)接入到承載網(wǎng)中，從理論上分析，為了實(shí)現(xiàn)X2接口的傳輸，接入環(huán)上的傳輸設(shè)備需要支持三層功能，這是最為簡(jiǎn)單易行的組網(wǎng)方案，但成為較為昂貴，并不是最佳選擇。

圖2. LTE網(wǎng)絡(luò)中S1和X2接口示意圖

雖然X2接口在LTE網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中很重要，但其對(duì)于三層路由功能的緊迫性并不是非常明顯，主要體現(xiàn)在：

首先，經(jīng)分析，X2接口流量主要考慮在U-Plan面的流量，通過(guò)用戶(hù)在不同eNode之間的切換來(lái)對(duì)其流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)設(shè)定在某一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，估計(jì)占LTE網(wǎng)絡(luò)總流量3%左右，即基于X2接口的三層流量并不是LTE網(wǎng)絡(luò)中的主要組成部分，LTE網(wǎng)絡(luò)中的大部分流量仍然以二層業(yè)務(wù)為主；其次，如圖3示出了eNode網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為了避免eNode基于MESH組網(wǎng)時(shí)基站之間流量交互過(guò)于頻繁，在LTE網(wǎng)絡(luò)中，一般采用六邊形基站組網(wǎng)方案，即一個(gè)eNode基站最多與周邊六個(gè)eNode基站進(jìn)行通信，這樣可以大大降低eNode基站之間，即X2接口的信息流量。

圖3. LTE網(wǎng)絡(luò)eNode基站之間X2連接示意圖

2）需求2：?jiǎn)为?dú)一個(gè)eNode基站通過(guò)S1接口與多個(gè)S-GW和P-GW互通

在eUTRAN網(wǎng)絡(luò)中，為了保證網(wǎng)絡(luò)流量冗余和多網(wǎng)元之間的負(fù)載分擔(dān)，同一個(gè)eNode基站需要與多個(gè)不同S-GW和P-GW進(jìn)行互通，為了實(shí)現(xiàn)在不同GW之間的連接，S1接口必須要支持基于三層IP尋址的路由功能，在eNode和不同GW之間建立相應(yīng)的業(yè)務(wù)路由通道。由于給每個(gè)基站建立多條單獨(dú)的路徑歸屬到不同S-GW和P-GW會(huì)導(dǎo)致連接數(shù)量的急劇增加，導(dǎo)致高昂成本。因此需要在承載網(wǎng)中引入IP路由轉(zhuǎn)發(fā)功能（L3 VPN）

在城域?qū)用妫琒1接口對(duì)于匯聚環(huán)和核心環(huán)，因此需要在匯聚核心環(huán)中，增加路由器等三層設(shè)備，滿(mǎn)足S1接口三層IP路由尋址功能的需要。

圖4. LTE網(wǎng)絡(luò)匯聚層示意圖

3）需求3：S-GW和P-GW對(duì)于VLAN能力處理較弱需要三層功能的支持

在3G基站回傳網(wǎng)絡(luò)中，由于RNC對(duì)于二層VLAN處理能力很弱，限制了接入層基站接入的數(shù)量，在基站接入數(shù)量規(guī)模較大的情況下，通用做法是在RNC之前增加兩臺(tái)CE路由器，一方面終結(jié)二層基站回傳業(yè)務(wù)，另一方面，開(kāi)啟三層路由功能，滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增加的要求。

這個(gè)問(wèn)題在LTE網(wǎng)絡(luò)中仍然存在，即S-GW和P-GW對(duì)于二層處理功能根本無(wú)法滿(mǎn)足eNode規(guī)模較大時(shí)的需要，必須通過(guò)增加路由器設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展。在LTE基站回傳網(wǎng)絡(luò)中，CE路由器的設(shè)置可以有兩種選擇，第一種方案選擇是與3G基站回傳網(wǎng)絡(luò)類(lèi)似，如圖5所示，在S-GW和P-GW前面以負(fù)載分擔(dān)的方式放置CE路由器，第二種方案選擇是考慮到S2接口三層路由功能的需要，如圖6所示，直接采用路由器在核心環(huán)部署一個(gè)三層網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)路由器之間采用全MESH組網(wǎng)方案，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流的動(dòng)態(tài)靈活建立。

圖5. 在S-GW前面放置CE設(shè)備方案示意圖（方案1）

圖6. 核心層路由器MESH組網(wǎng)方案示意圖（方案2）

方案1更貼近于3G基站回傳網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)部署難度不大，但在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，CE路由器上的負(fù)載較重，即使目前這種雙備份組網(wǎng)方案，一旦路由器設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)嚴(yán)重影響上層LTE網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，方案2網(wǎng)絡(luò)更加可靠安全，但由于是全連接組網(wǎng)模型，網(wǎng)絡(luò)可靠可管理能力較弱，而且建設(shè)成本很高。

4、傳輸組網(wǎng)帶寬分析

在進(jìn)行分組承載網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃時(shí)，一般考慮保證傳輸速率即可，假設(shè)一個(gè)LTE單基站帶寬為100M，則根據(jù)目前經(jīng)驗(yàn)，如表1所示，在接入層、匯聚層和核心層分別所需要的帶寬容量：

表1. 接入層、匯聚層和核心層的帶寬容量需求

5、傳輸性能分析

在LTE網(wǎng)絡(luò)中，時(shí)延對(duì)于用戶(hù)體驗(yàn)感知影響非常大。由于業(yè)務(wù)需要通過(guò)底層承載網(wǎng)進(jìn)行傳輸，承載設(shè)備之間的轉(zhuǎn)發(fā)和存儲(chǔ)是LTE業(yè)務(wù)時(shí)延的主要原因。在設(shè)計(jì)承載網(wǎng)時(shí)，必須保證在承載網(wǎng)中傳輸?shù)臅r(shí)延小于LTE業(yè)務(wù)所能允許的最大時(shí)延。表2列出了LTE網(wǎng)絡(luò)中各類(lèi)業(yè)務(wù)的時(shí)延要求。

表2. LTE網(wǎng)絡(luò)中各類(lèi)業(yè)務(wù)的時(shí)延需求

表3至表6列出了分組傳送設(shè)備、OTN設(shè)備和路由器設(shè)備在傳送以太網(wǎng)業(yè)務(wù)時(shí)，不同數(shù)據(jù)包封裝大小對(duì)應(yīng)的單設(shè)備時(shí)延，由此可以看出，對(duì)于以太網(wǎng)業(yè)務(wù)，分組傳送設(shè)備時(shí)延一般在40-50us左右，OTN設(shè)備延時(shí)一般在60us左右，路由器設(shè)備由于需要處理三層功能，時(shí)延稍大，但也在200-300us左右。

表3. 分組傳送設(shè)備時(shí)延表

表4. OTN設(shè)備時(shí)延表

表5. 路由器設(shè)備時(shí)延表

6、結(jié)束語(yǔ)

隨著移動(dòng)通信技術(shù)演進(jìn)至LTE時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)的扁平化和諸多新型接口的出現(xiàn)對(duì)底層承載技術(shù)提出了如三層業(yè)務(wù)承載能力、基站帶寬和時(shí)延抖動(dòng)等新的需求。這也標(biāo)志著承載網(wǎng)正向著分組IP化的方向發(fā)展。

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