基于PTN的TD-LTE承载方式研究
来源：中兴通讯技术
作者：刘永亨，林龙智，周小永
（中国移动集团广州分公司）
摘要：LTE是全球高速移动通信系统的发展方向，TD-LTE网络引进了全新的S1接口和X2接口，也对承载网络提出了前所未有的高带宽、低时延以及灵活的业务转发和调度能力之要求。PTN网络拥有完善的多业务承载、QoS和统计复用功能，能够满足TD-LTE网络的高带宽、低时延要求。
Abstract：
Key words :
移动通信的发展方向是移动互联网，未来的竞争热点是移动宽带数据业务。在移动互联网时代，应用业务的种类越来越丰富，业务流量越来越大，QoS要求越来越高。现有的2G、3G网络已无法满足要求，为此，2004年3GPP提出了3G长期演进系统LTE（Long Term Evolution）。作为新一代宽带移动通信技术，LTE有FDD和TDD两种无线空中接口模式。TD-LTE是针对我国自主研发的3G技术标准TD-SCDMA的演进方案，在保持TDD优点的同时采用了正交频分复用技术OFDM和多天线技术MIMO。TD-LTE网络将为用户提供高带宽、高QoS保障、全IP化、丰富的移动互联业务。
TD-LTE承载需求
与2G、3G网络相比，TD-LTE网络具有扁平化、All IP、Mesh化特点。2G、3G网络中的BTS/BSC或者NodeB/RNC，在TD-LTE网络中统一由eNodeB实现，HLR和AUC统一由HSS实现，S-GW和P-GW可以由aGW统一实现，这种结构的扁平化使网络更为简化，网元层次的减少也减小了网络时延。TD-LTE网络中只有PS（分组交换）域而没有CS（电路交换）域，全IP化的EPC兼容各种技术的统一接入。eNodeB可以同时归属于多个MME/aGW，eNodeB之间也通过X2接口相互连接，形成Mesh形的网络结构，这样的结构使UE能在整个网络中自由移动，保证无缝切换。
TD-LTE网络的如上特点对传输
承载网提出了更高的要求，它应该具备高带宽、低时延、灵活的业务调度和H-QoS保障。
● 高带宽：相比于BTS/NodeB几兆到几十兆的传输带宽要求，eNodeB对承载网络提出了前所未有的高带宽要求，据2011年工信部在广州、深圳、上海、南京、杭州、厦门开展的TD-LTE网络规模试验中测得，主测区域单宏基站的峰值带宽要求为640Mbps。
● 低时延：S1-U接口的时延要求为5ms，X2接口的时延要求为10ms，S1-C接口的时延要求为100ms，可见S1-U对时延的要求最为严格，应是网络设计保障的重点。
● 灵活的业务调度：X2接口的引入使得移动业务回传从多点对点模式转变为多点对多点模式，而且X2接口的数量随着eNodeB数量的增加是呈指数上升的；另外，S1-flex接口的引入，使得eNodeB和MME/aGW交界处的路由随时都可能发生变化；所有这些都要求传送网络必须具有更加灵活的业务调度能力。
● H-QoS保障：TD-LTE将促进诸如交互类、流媒体类、视频类等业务的迅猛发展，QoS等级划分也更加细致，因此要求传送网具备层次化QoS（H-QoS）保障能力，针对不同等级业务提供不同的QoS服务。eNodeB承载有两个关键的要求：一是保障高等级业务优先转发；二是保障拥塞发生时重要基站业务的可用性。
基于
PTN的承载方式
根据TD-LTE网络的承载需求，各科研机构提出了各种承载网组网方案，主流的有IP RAN路由方案、aGW路由方案、PTN+CE方案和PTN核心层支持L3 VPN方案（简称L3PTN方案）。
IP RAN路由方案是一种端到端的路由器解决方案。该方案的可扩展性差，对运维要求高，网络规模受限，且路由器网络的保护能力、OAM能力比PTN网络差，不适用于大规模的网络。aGW路由方案中，传送网采用端到端L2 PTN网络，利用L2 VPN（二层虚拟专用网）实现X2接口业务转发，利用aGW的集成L3功能实现S1接口业务的灵活调度。该方案中aGW执行IP路由处理和S1接口高度，这势必严重影响其业务处理能力，且需要对EPC进行扩容，成本较高。PTN+CE和L3PTN是中国移动重点关注的两种TD-LTE承载网组网方案，他们很好地利用了已有的PTN网络，有利于PTN网络向TD-LTE传送网的平滑演进，同时具有很强的可扩展性和安全性。下面将对这两种承载方案进行分析研究。
PTN+CE承载方案
在PTN+CE组网方式中，传送网的接入层和汇聚层采用PTN构建L2网络，为X2接口和S1接口提供E-Line专线业务，而核心层采用路由器CE构建L3 VPN网络，实现X2接口业务的转发和S1接口业务的灵活调度。CE路由器负责将X2接口信息按照IP地址转发相邻基站，将S1接口信息按照IP地址转发给S-GW/MME或S-GW/MME pool中相应的S-GW、MME，以实现多归属需求。两台CE之间运行虚拟路由器冗余协议（VRRP），通过设定一个虚拟IP地址作为默认网关，在主用网关不可用时，这个虚拟IP地址就会映射到一个备用网关，从而实现主备网关的保护，如图1所示。
采用路由器构建L3 VPN网络，应在骨干网边缘路由器（PE）之间建立标签交换路径（LSP）作为L3 VPN业务的承载隧道。PE之间通过多协议扩展边界网关协议（MP-BGP）发布虚拟路由转发表（VRF），实现VPN路由。PE和CE之间通过路由信息协议（RIP）、开放最短路径优先（OSPF）路由协议、中间系统到中间系统（IS-IS）路由协议等内部网关协议（IGP）完成路由的发布和学习。
接入层和汇聚层采用已有的PTN网络，且只需要提供L2功能，技术较为成熟。核心层的路由器自身具有L3处理能力，能满足X2、S1业务的灵活调度和低时延的要求。同时，L3功能的引入有效地防止广播风暴的产生。
L3PTN承载方案
在L3PTN组网方式中，整个传送网采用端到端PTN网络，接入层和汇聚层仍采用L2 VPN功能，在核心层引入L3功能，实现X2接口业务的IP转发和S1接口业务的灵活调度，如图2所示。核心层PTN设备引入的L3功能包括L2到L3的桥接功能和静态L3路由功能。一般要求处于L3PTN网络和L2网络交界处的设备，包括与L2PTN网络对接的L3PTN设备和与核心网设备对接的L3PTN设备，必须具备L2到L3的桥接功能。而目前TD-LTE规模试验网中，L3PTN设备的静态L3路由功能是由PTN隧道技术结合L3 VPN路由技术实现。接入层和汇聚层通过PWE3封装，采用E-Line专线将X2、S1业务传送到核心层PTN节点，在其内部进行L2到L3的桥接，核心节点之间采用L3 VPN封装。VPN路由有两种配置方式：网管静态配置或者MP-BGP（多协议-边界网关协议）。
S1业务经核心层PTN设备根据目的IP地址查找L3 VPN路由表，封装LSP和L3 VPN标签，由核心层网络转发到达归属的MME/aGW；X2业务经核心层PTN设备根据目的IP地址查找L3 VPN路由表，向下转发并经本地L2 VPN封装送往相邻基站，或者由核心层送往非本地基站。L3PTN网络能够在原有灵活多样的L2保护机制基础上，结合L3保护方式，提供强大的保护能力。
PTN+CE和L3PTN的比较
在网络管理和维护方面，PTN+CE方案由于采用多专业设备混合组网，存在维护界面接口，故障定位存在困难；无法实现统一网管，其业务开放和网络维护需要联合多专业开展，网络管理困难。L3PTN方案由于整个回传网络采用PTN组网，可以实现全网的统一管理和维护，在网络安全性和可维护性方面具有较大优势。
在网络的保护能力方面，PTN+CE方案需要PTN网络和路由器网络配合完成保护功能，由于路由器网络的保护能力比PTN差，两者互通的保护机制也不完善，从而降低了整个PTN+CE网络的保护效果。L3PTN方案采用PTN端到端的组网，保护能力较强。
在时钟同步方面，由于目前路由器尚不支持1588v2技术，PTN+CE方案时钟同步能力较差；而L3PTN方案可以实现全网PTN设备的1588v2时钟同步支持。在时延方面，L3PTN方案由于业务路径都在PTN网络内，时延较小。
在信息安全方面，PTN+CE方案中接入层和汇聚层采用E-Line业务，能有效地隔离广播风暴。L3PTN方案的汇聚接入采用LSP专线开放，由核心层PTN设备通过L3转发来支持X2接口业务，实现彻底的业务隔离。
在网络平滑演进方面，PTN+CE方案由于引入了核心路由器而割裂了回传网络，不利于回传网络的融合演进。L3PTN方案则通过升级现有PTN网络，加载L3功能，推动PTN技术的前进，符合网络演进方向。
在投资方面，PTN+CE方案需要在核心层新增路由器，或者在核心网路由器上增加新的板卡，成本较高。L3PTN方案通过对核心层PTN设备进行软件升级加载L3功能，无需设备硬件投资，成本较低。
PTN+CE方案和L3PTN方案的比较可归纳如表1。
LTE是全球高速移动通信系统的发展方向，TD-LTE是LTE的一个重要分支。TD-LTE网络引进了全新的S1接口和X2接口，也对承载网络提出了前所未有的高带宽、低时延以及灵活的业务转发和调度能力之要求。PTN网络拥有完善的多业务承载、QoS和统计复用功能，能够满足TD-LTE网络的高带宽、低时延要求，其强大的OAM能力和静态L3功能可满足S1、 X2接口业务的灵活调度需求，是TD-LTE承载网络的重要解决方案。相比于PTN+CE方案，L3PTN方案在PTN设备上集成简化L3功能实现端到端的IP化LTE承载，具有明显的优势，尤其对于已经建成大量PTN承载网的网络建议采用。
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