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      TD-LTE回傳網絡和時間同步解決方案研究[圖]
      [ 通信界 / 佚名 / www.sdgj0817.com / 2012/10/20 16:57:47 ]
       

      1 引言

      TD-LTE作為IMT-Advance主流技術之一,將使得移動網絡真正進入移動寬帶時代。相比現有2G,3G移動通信系統,TD-LTE對回傳網絡在高帶寬、低時延、橫向轉發、時間同步地面傳送等方面提出了更高要求。

      ●首先,帶寬需求由2G/3G時期的幾兆、幾十兆發展到LTE時期的幾百兆。

      ●其次,LTE需要提供靈活的QoS和更嚴格的端到端時延,根據3GPP規定,對時延要求最嚴格的實時游戲類業務,從用戶終端到服務器的端到端單向時延為50ms,其間傳輸時延需要在10ms以內。

      ●第三,LTE引入了相鄰基站間互聯(X2接口)和基站多歸屬(S1-Flex)需求,導致回傳網絡由點到點的匯聚型網絡轉變為點到多點或多點到多點的路由型網絡,現有2G/3G回傳網絡已無法滿足這種橫向轉發需求。

      ●第四,TD-LTE空中接口需要高精度時間同步,要求不同小區間空口同步偏差不大于3?s,因此需要在TD-LTE回傳網絡中傳送高精度的時間同步信號。

      分組傳送網(PTN)能夠提供高效率的多業務承載,具備強大的保護,OAM和網管功能,靈活的統計復用和QoS能力,滿足TD-LTE高帶寬、低時延的要求,還可為TD-LTE系統提供精確時間和頻率同步信息傳送,因此中國移動已選擇PTN作為TD-LTE回傳主要解決方案。另一方面,TD-LTE時期,OTN設備可能逐漸下沉至城域匯聚機房,需進一步推進OTN支持1588v2時間同步技術,實現OTN+PTN的時間同步地面傳送組網。

      本文面向TD-LTE回傳網絡需求,提出了各項關鍵問題解決方案:

      ●首先,為滿足高帶寬需求,提出PTN向更大容量、更高速率接口方向發展。

      ●其次,為滿足橫向轉發的需求,PTN提供核心層增強L3功能和核心層對接CE路由器兩種解決方案。

      ●第三,為滿足TD-LTE回傳組網需求,提出PTN在業務,OAM,保護,QoS和同步實現全面互通。

      ●第四,為滿足高精度時間同步的需求,提出OTN和PTN共同組網提供時間同步地面傳送方案。中國移動已在以上4方面開展了大量的研究、測試和試點工作。

      2 高速接口PTN引入分析

      TD-LTE時期假設每基站保證帶寬和峰值帶寬分別為120M和450M,每接入環6節點、每匯聚環6節點,每匯聚節點帶6個接入環,則匯聚環帶寬總需求為6×6×(6×120M+330M)=37.8G,現有10GE接口速率PTN無法滿足需求。對于40G/100G接口技術,可從標準、產品成熟度和成本三方面衡量其成熟度。

      ●在國際標準方面

      2010年6月,針對40G/100G以太網技術的IEEE 802.3ba標準獲得IEEE通過,該標準規定了4×40GBased LR4即40G傳輸10km的具體要求,4×100GBased-ER4和4×100GBased-LR4即100G傳輸40km和10km的具體要求,對于40G傳輸40km的標準,暫時沒有相應的國際標準規范。據悉,多個單位均在著力推進4×40GBased ER4即40G傳輸40km的國際標準。

      ●在產品成熟度方面

      40GE推出時間普遍要早于100GE,主要原因是在芯片、光模塊、系統架構等方面,40GE較100GE更易于實現。

      ●在成本方面

      100GE接口價格需等一個較長周期后才能成為市場接受的價格。此外,在具體考慮影響40G/100G應用的因素時,還需要著眼于網絡的全局,除了傳輸網絡設備外,還有客戶端設備、核心網設備等,同時要考慮對現有網絡的兼容性。

      鑒于以上分析,40G系統可滿足TD-LTE初期匯聚層帶寬需求,且近期100G系統技術成熟度較低、成本較高,因此初步建議下一代大容量PTN設備首先引入40G接口。

      目前,PTN設備40G接口技術主要有3種,即4×10GE端口聚合,40GE(并聯、串聯)和40G OTU3方式。4×10GE端口聚合方式從原理上就決定了無法提供理想的速率倍增,并且消耗光纖資源;40G OTU3方式價格偏高,與OTN下沉至匯聚層方案相比,優勢不大;而40GE方式在以太網功能、傳輸距離、成本方面具有一定優勢。綜合考慮,40GE接口更易于與低速率PTN設備組網,且成本較低,當前應推動40km傳輸標準和技術成熟。

      3 基于PTN的TD-LTE回傳方案

      為滿足LTE時期相鄰基站間X2接口互聯和基站多歸屬(S1-Flex)的需求,PTN提供了核心層增強L3功能(PTN L3)和核心層對接CE路由器兩種解決方案,核心層增強L3功能的方案中由PTN完成橫向流量的轉發,核心層對接CE路由器的方案由CE路由器完成橫向流量的轉發。3.1 核心層PTN增強L3功能技術方案L3 PTN實現TD-LTE回傳組網圖1所示。L3 PTN方案中,PTN匯聚接入設備仍沿用現有的L2網絡,僅在核心設備引入簡化L3功能,通過靜態L3 VPN承載S1和X2業務。

        圖1 核心層PTN增強L3方案承載TD-LTE組網示意圖

      PTN核心設備引入的L3功能包括L2~L3的橋接功能和靜態L3路由功能。L2~L3橋接功能是指PTN設備終結L2 PW,并通過IP地址網段劃分,對相同網段內的PW進行收斂,再通過靜態L3 VPN方式進行L3路由轉發。通常,處于L3 PTN網絡與L2網絡交界處的設備需要具備這種L2/L3橋接功能,包括與L2 PTN網絡對接的L3 PTN設備和與客戶側核心網設備對接的L3 PTN設備。另外,靜態L3路由功能可以由PTN隧道技術結合L3 VPN路由技術方式實現。

      L3 PTN方案中較為重要的方案是保護機制和網元配置管理功能。保護機制方面,L2 PTN就具備靈活多樣的保護機制,如1:1/1+1 LSP,環網,雙歸等保護,因此L3 PTN網絡天然具有強大的保護機制,在原有L2保護基礎上,結合L3保護方式如虛擬路由器冗余協議(VRRP)和VPN快速重路由(VPN FRR)等,提供抗多種故障場景的保護能力。

      VRRP是L3網絡中的一種IP主備網關的保護協議,一般設定一個虛擬IP地址作為默認IP網關,如果主用網關不可用,這個虛擬 IP 地址就會映射到一個備用網關,從而完成主備網關的互相保護。L3 PTN中VRRP的保護主要可分為以下兩個場景:

      ●場景一:面向客戶側SGW/MME設備的主備網關保護

      采用兩端PTN設備與SGW/MME對接,并配置為主備網關,當 PTN設備失效和接入鏈路失效時,如圖2(a)所示,主用網關將不可達,此時VRRP保護將默認網關IP映射為備用網關,而SGW/MME設備并不需要額外機制配合這種VRRP主備用網關切換。

        圖2 L3 PTN VRRP保護示意圖

      ●場景二:面向基站側的主備網關保護

      如圖2(b)所示,采用匯聚到核心雙掛的方式,L2/L3橋接PTN面向eNB形成主備用網關。同樣,當設備失效或接入鏈路失效時,啟用VRRP保護將默認網關IP指向備用網關,基站側也并不需要其他機制配合VRRP保護。

      此外,L3 PTN網絡中多種保護方式可相結合使用,VRRP可與雙歸和VPN FRR配合使用, VPN FRR也可與L2的線性、環網保護配合使用,保護機制多種多樣,極大地提高了LTE回傳網絡的安全性。

      在網元管理配置方面,由于L3 PTN網絡采用靜態L3 VPN路由方式,路由表配置是通過網管配置下發的,因此網管是L3 PTN的重要功能。L3 PTN在繼承了L2 PTN的圖形化、易操作的網管的基礎上,在配置、故障、性能管理三大部分增加了L3相應的功能。

      配置管理中主要新增靜態L3VPN業務的配置管理功能、VRRP和VPN FRR保護配置管理功能等。由于L3 VPN業務和路由配置量較大,可基于業務模板進行L3 VPN創建,并借由輔助工具實現端到端L3 VPN路由計算和路徑建立,減少配置工作量。故障管理中主要新增支持L3保護的告警上報、定位功能,L2/L3橋接節點對L2/L3業務信息查詢及告警上報功能;為了更好的繼承PTN網絡端到端的保護,對于L2和L3組合業務,網管還應該具有相關告警關聯分析功能。此外,還需新增針對VRF的L3 VPN業務的實時流量監視及性能統計。

      3.2 核心層PTN對接CE路由器技術方案

      PTN+CE實現TD-LTE回傳組網如圖3所示。PTN+CE方案中,PTN的核心層、匯聚層和接入層設備都保持不變,通過二層方式將基站流量傳輸至CE路由器。PTN與CE之間通過交互以太報文互通。由CE路由器作為基站的網關,實現三層流量轉發功能。

        圖3 PTN+CE方案承載TD-LTE組網示意圖

      采用PTN+CE方案,在PTN和CE之間有兩種對接方式,分別是方式一PTN內部建立主備PW,和方式二PTN內部建立VPLS。采用方式一時,VRRP心跳報文運行在兩臺CE設備之間,為提高心跳報文鏈路可靠性,宜采用多鏈路捆綁方式實現。采用方式二時,VRRP心跳報文運行在PTN與CE互聯的鏈路上。

      4 PTN互通性研究

      TD-LTE時期SGW單設備落地,使得PTN L3方案存在核心層PTN互通組網的需求,此外,為了保證服務和成本、增強網絡開放性,各地市的PTN網絡有可能采用兩家或以上設備商產品組網,為實現承載業務的端到端管理,PTN也存在組網互通性需求;ネ☉脠鼍爸饕蟹謱踊ネê头钟蚧ネ▋煞N場景。PTN設備間互通主要包括業務,保護,OAM,QoS和同步5個層面的互通。

      PTN互通模型主要有UNI(用戶網絡接口)互通模型和NNI(網絡—網絡接口)互通模型。UNI互通模型是指兩端PTN設備通過業務適配模塊進行互聯,即業務接口互通(見圖4),一端設備將MPLS-TP隧道進行PWE3解封裝恢復業務報文后傳送到另一端設備,另一端設備再將該業務進行PWE3封裝后進入MPLS-TP隧道。NNI互通模型是指兩端PTN設備通過線路適配模塊進行互聯,即網絡/線路接口互通(見圖5),兩端設備直接實現MPLS-TP隧道對接。

        圖5 NNI互通模型

      UNI互通模型對互通的每一端設備而言,對端設備可以看作是與基站、各類客戶一樣的客戶側設備,來自互通接口的是業務。因此,在PTN互通性研究中,NNI互通模型更為關鍵,也較難實現。

      在業務,保護,OAM,QoS和同步5個層面互通要求中,業務互通是最基本的要求和前提,首先要保證業務能基于UNI接口和NNI接口進行互通。在此基礎上,重點是實現保護互通和OAM互通,后文將分別加以分析。此外,PTN設備需支持DiffServ模式的端到端QoS,并采用一致的QoS優先級映射表實現DSCP,VLAN PRI,TC的相互映射。最后是實現頻率和時間同步的互通,頻率同步主要基于標準的同步以太網實現,時間同步采用IEEE 1588v2帶內以太網方式或1PPS+TOD帶外接口方式實現。

      4.1 PTN保護互

      通PTN可為基站和各類客戶業務提供50ms端到端保護,保證網絡的可靠性。PTN保護分為UNI接口保護和網絡內保護,在互通時,UNI接口需要支持1+1/1:1 MSP保護互通(對于SDH接口)和LAG保護互通(對于以太網接口),PTN網絡內需要支持MPLS-TP定義的1:1 LSP線性保護方式互通(基于NNI互通模型)。

      由于ITU-T對于MPLS-TP的線性保護標準尚未完成,目前設備實現主要參考ITU-T G.8031以太網線性保護標準。PTN采用1:1線性保護方式時,在正常情況下,業務運行在工作路徑上,在故障時期業務切換到保護路徑上;當業務恢復以后,兩個端節點PTN設備不立即將業務切換回切至工作路徑,而是分別設置WTR定時器,等待WTR定時器結束后再回切。WTR主要作用是阻止由于間歇性故障而引起的頻繁保護倒換操作。

      中國移動在深圳TD-LTE規模試驗網測試時發現,ITU-T標準對于1:1線性保護的WTR(等待恢復)狀態處理機制的規定存在缺陷,導致PTN設備廠家實現有差異,在互通時保護倒換回切時間超標。由于兩端PTN設備的WTR設置可能不一致或者設置一致但WTR結束時間存在瞬間差異,先結束WTR的一端立即返回至工作路徑(即短超時方案),而此時對端設備WTR尚未結束、因而業務可能仍駐留在保護路徑上(即長超時方案)。分別采用短超時和長超時方案的兩個廠家在進行線性保護互通時,可能引起業務中斷。

      因此,對線性保護互通方案進行改進,建議采用長超時方案,并對于ITU-T標準中新定義“中間狀態”不進行切換動作,使得先結束WTR一端可以等待對端WTR結束后再一起回切。該方案已被CCSA(中國通信標準化協會)國內標準和ITU-T國際標準采納,主流廠家設備也已支持并通過測試。4.2 基于ITU-T G.8113.1的OAM機制互通PTN OAM主要為配合網管在設備上實現故障檢測和快速定位、時延、丟包率等性能監測等功能,需要基于特定的OAM報文實現。PTN設備承載業務主要采用以太網接口,在UNI接口和NNI接口需支持多種OAM功能,如在UNI側需實現基于IEEE 802.3ah標準和基于ITU-T Y.1731協議的以太網業務OAM功能,在NNI側應遵循最新的ITU-T G.8113.1標準實現PTN網絡層面的OAM互通(見表1)。

        表1 采用G.8113.1的PTN OAM報文編碼格式字段描述

      為實現PTN網絡內基于G.8113.1的OAM互通,中國移動提出對MPLS-TP OAM的報文封裝字段進行統一要求,主要改進包括Ether Type,Channel Type,TC,TTL,MEL,Version等。相關內容已經被CCSA標準采納。

      5 OTN+PTN(L2/L3)時間同步傳送組網

      TDD系統的接收和發送工作在同一頻段,這種技術能夠大大提高頻譜資源的利用率,但同時也需要各個基站小區保持高精度的時間同步,不然會造成嚴重的收發互相干擾的問題。實現時間同步,傳統的解決方案是為每個基站配置GPS同步模塊,但是GPS模塊成本高,維護難,故障率高,而且有安全隱患,所以中國移動很早就開始布局1588 v2地面傳送時鐘同步的方式為TDD基站提供時間同步。當前,通過PTN網絡來實現1588v2時鐘信號的地面傳送,為TD-SCDMA基站提供時間同步,已經廣泛用于中國移動現網。

      LTE回傳網絡引入了橫向流量模型并且需要支持低時延的傳送,這個需求推動PTN核心層設備需要具備L3的功能,能夠實現根據IP地址轉發LTE S1-Flex和X2業務。PTN核心層設備開通L3功能后支持時間同步的能力需要進行驗證。

      針對這些新需求,中國移動在深圳TD-LTE規模實驗網中,分別進行了L3 PTN+L2 PTN聯合組網場景以及OTN+PTN聯合組網場景下傳送時間同步的測試,測試的組網場景如圖6所示。

        圖6 L3 PTN+L2 PTN聯合組網以及OTN+PTN聯合組網傳送時間同步示意圖

      測試結果表明采用1588v2協議的L3 PTN+ L2 PTN聯合組網以及OTN+PTN聯合組網傳送時間同步信號的系統可以很好地滿足TD-LTE系統的要求。

      6 結束語

      LTE是未來高速移動通信系統的發展方向,其中的TD-LTE制式可以借助現有TD-SCMDA的產業優勢,是中國移動的首選。中國移動面向TD-LTE對回傳網絡提出的新需求,研究和制定了一系列解決方案,并進行了相關測試和試點驗證,包括推動PTN向更大容量、更高速率接口方向發展,并借助其統計復用、多業務承載、QoS能力,充分保證TD-LTE所需高帶寬、低時延要求;借助PTN強大的保護和OAM能力以及增強L3功能或與CE路由器對接的方案,確保TD-LTE S1-Flex和X2接口轉發需求;推動PTN全面互通,滿足TD-LTE回傳網絡互通需求;推動OTN支持時間同步,提供OTN與PTN組網傳送高精度時間同步,滿足TD-LTE高精度時間同步的需求。隨著LTE進程的不斷推進,各項解決方案仍將進一步豐富完善,助力TD-LTE回傳網絡建設和應用。

       

      作者:佚名 合作媒體:不詳 編輯:顧北

       

       

       
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