LTE承載網網絡規劃探討

1、LTE承載網網絡規劃概述

        LTE是無線網絡最主要的技術趨勢，在北美，日韓，北歐等市場上已經大規模運營，中國市場也馬上會迎來LTE應用的浪潮。相對2G/3G，LTE不但帶來高的頻譜效率，給用戶更大的帶寬，也因為其扁平架構和低時延設計，給用戶更好的體驗。LTE承載網的規劃設計，也因為LTE的新變化，帶來很多新的規劃和設計點。因此，做好LTE承載網網絡規劃設計，前提之一是必須理解LTE承載網的新需求，包括X2和S1-flex帶來的多點互通需求，單站150M～450M的帶寬以及與此相關網絡收斂比規劃需求，EPC集中部署帶來的IPRAN和IP CORE跨域設計需求，多業務承載帶來的QOS需求，以及安全需求和時鐘需求等等。對于這些需求，本文假設讀者都已經完全理解，不做深入闡述分析，如需要可參考相關文獻資料。

       同時，針對一個具體運營商網絡的LTE承載網規劃，需要把該運營商業務規劃作為LTE承載網絡規劃設計的基本輸入，需要對運營商LTE及FMC業務規劃進行分析，一般情況下，要根據運營商在不同場景，如大城市，中型城市，縣鄉鎮，旅游景點等不同用戶規模，不同業務類型，不同基站制式和密度，不同光纖機房等基礎資源情況，進行分類，根據在不同場景下運營商的業務規劃和建設節奏，進行網絡規劃。

        另外，LTE承載網絡的建設，一般會在2G/3G承載網上演進和發展，運營商現網對LTE的支持能力和薄弱環節，需要進行網絡的評估，這需要對運營商現網信息進行收集和分析，了解運營商當前網絡的方案，規模，業務承載模式，機房光纖等基礎設施，進行系統性評估，得到當前網絡支持LTE的能力，便于后續針對性規劃及網絡遷移設計。

        本文重點關注通用的LTE承載網網絡架構的規劃，從以下各個方面分別進行探討，給出LTE承載網網絡規劃設計的原則和基本方法：

帶寬和收斂比規劃

網絡架構規劃

控制平面規劃

IP/VLAN規劃

可靠性規劃

QOS規劃

時鐘同步規劃

        具體到一個運營商網絡，需要結合業務規劃和現網評估情況，使用上述原則和方法來進行網絡規劃和設計。

2、帶寬/及收斂比規劃設計

        傳統的2G/3G承載網，基本上沒有考慮收斂比，承載網按無線基站帶寬需求1：1端到端預留，由于無線基站帶寬需求較小，這種粗放的規劃方式最簡單易行。而LTE網絡中，單基站帶寬會達到150M～450M，端到端1：1預留的代價非常大，這種方式難以為繼。另一方面，LTE網絡中數據業務成為主流，數據業務的統計復用特點，加上用戶資費包封頂等原因的存在，使得承載網的帶寬帶寬規劃上必須考慮收斂比。本節主要闡述收斂比規劃的思路和原則。

        在規劃承載帶寬和收斂比過程中，我們必須理解無線基站的峰值帶寬和均值帶寬，這里我們參考NGMN的建議，分析基站帶寬時，分busy time和quiet time兩種場景。

       Busy time是指大量UE在一個基站下，由于每個UE的位置和信號強度不同，多UE之間也存在資源爭搶和分配，整體的帶寬趨向一個平均值，稱為busy time mean。

       Quiet time是指少量甚至一個UE在一個基站下，這時基站帶寬會變化較大，當一個UE靠近基站，信號強度高，可能采用高效的編碼方式，該UE可以使用到該小區的所有資源，基站帶寬達到峰值，稱為Peak.

       按NGMN的仿真，以及無線廠家的經驗值，均值和峰值之比，一般是1/3～1/6之間。

      另外，需要注意的是，由于下行帶寬是上行帶寬的4～6倍，網絡帶寬規劃的工程實踐中，關注下行帶寬即可以滿足要求，在XDSL和GPON等不對稱承載技術中，才需要專門考慮上行。

       帶寬和收斂比規劃方法概述：

       方法一，基站粒度估算法：單基站帶寬×覆蓋基站數×經驗收斂比，這個方法中，經驗收斂比難以獲取，有些運營商規劃成端到端4:3:2收斂，也有無線廠家給出端到端3：1收斂等數據，可以參考。

       方法二，用戶粒度估算法：在網絡匯聚和核心層，可以考慮基于用戶規模和用戶平均帶寬的估算方法。同時根據對網絡流量的統計，定期或不定期擴容。這是一種pay as you grow的模式。

2.1 單基站帶寬計算方法

        單基站帶寬的計算方法，一般考慮頻譜資源，MIMO階數，UE類型，有無IPsec等等進行計算，承載網側可以找無線規劃部門獲取單站帶寬需求數據，下表來自NGMN，供參考。

       按NGMN的計算方式， 單基站帶寬B = max (N x busy time mean, Peak) ，這個公式假設，承載網只需滿足每個小區都達到均值帶寬，或者滿足一個基站達到峰值帶寬。其意義在于，在忙時，一個基站下的多個小區帶寬都達到均值，在閑時，只需要一個小區達到峰值。單基站的帶寬規劃，只要選擇其中較大的值即可。

2.2 用戶粒度估算法

       基于用戶帶寬信息的網絡規劃方法，基本原理是基于忙時用戶平均帶寬×用戶數得到總的帶寬需求：

      帶寬需求可以從無線核心網部門直接獲取，如果獲取不到，可以采用如下方法計算。

      規劃期內帶寬需求 = 規劃期內忙時平均用戶帶寬×規劃期內用戶規模

      規劃期內用戶規模和規劃期內平均用戶帶寬，可以從運營商無線部門獲取，或者基于當前數據及增長率估算。

2.3 接入環容量規劃

       由于接入環一般在10個基站左右，統計復用效用不明顯，建議不收斂或少收斂。因此，可采用方法一，基站粒度估算法，計算方法：單基站帶寬×環上基站數×收斂比，在接入層，建議收斂比等于1.

2.4 匯聚層容量規劃

        匯聚層根據覆蓋基站數和用戶規模，可以選擇兩種不同的規劃方式，兩種方式規劃出的帶寬需求，可以互相參考，根據情況選取折中值。

        方法一，采用基站粒度估算法，單基站帶寬×覆蓋基站數×收斂比，匯聚層收斂比，可以選擇4：3或者2：1等

       方法二，采用用戶粒度估算法，適用匯聚層覆蓋基站數較大，或者業務發展初期，計算方法：忙時用戶平均帶寬×匯聚層覆蓋用戶數

2.5 核心層容量規劃

        核心層匯聚大量基站，網絡流量與無線用戶規模及使用習慣相關，建議選擇方法二，基于用戶粒度估算法，容量規劃參考無線網絡業務數據，進行未來3到5年的規劃；計算方法：忙時用戶平均帶寬×總用戶數，一般來說，這種算法計算帶寬會偏小，適用于網絡發展初期，伴隨用戶和流量增長，再做網絡擴容。

3、網絡架構規劃設計

      3.1 網絡邏輯規劃

       移動承載網絡中，IP節點達到10K到幾十K，規模遠遠大于傳統的IP城域網或IP骨干網絡，IPRAN網絡的邏輯架構規劃，如何規劃解決大規模組網可擴展性，成為網絡架構規劃的首要問題。

       基于目前成熟的技術方案，可行的架構是層次化VPN架構，即通過引入業務分層點，分割大規模網絡為多個小規模網絡，通過SPE的業務處理，完成端到端業務的處理，在本地網內，這將是主要的技術架構。

       同時，由于EPC集中部署的現實，LTE必然要跨越本地網，經過省干網絡，到達EPC機房，這里就涉及跨域方案的規劃和不同技術選擇考慮，本節重點分析這些內容。

3.2 本地網內分層架構規劃

       接入匯聚層分層的業務模型如上圖所示，不同業務類型選擇了不同的分層方式，主流技術選擇是HVPN，L2VPN+L3VPN，MS-PW等技術，實現業務架構的分層。這種分層架構的引入，使得IGP可以分層分域，MPLS隧道分段，避免端到端隧道和OAM部署，同時通過私網路由策略控制，限制CSG上的私網路由數量，這種分層架構可以極大提高網絡的擴展性，實現LTE網絡幾十K網絡節點的組網要求，而且不必增加對CSG設備的性能和成本要求。因此，業務分層的架構作為本地網內LTE網絡規劃的首選架構。

3.3 核心層跨域架構規劃

       前面提到，由于EPC部署在省中心機房，在LTE階段，承載網面臨跨本地網和省干的需求；同時，跨域專線的需求也很常見。但是，由于存在多種跨域技術，如何選擇和規劃，是LTE承載網需要仔細分析和考慮的。

       目前存在的一些跨域技術，包括Option A，Option B，Option C/Seamless MPLS，CSC，L2Overlay等等。

       這些技術的細節本文不做詳細論述，如需要可參考相關文獻資料，下表是各種技術適合的場景分析：

       LTE承載VPN數量少，運維團隊劃分清晰，IPRAN由本地網維護，IPCORE是省中心維護，這種情況，適合的跨域方案是OptionA。

4、IP/VLAN規劃原則

       在LTE承載網絡的規劃中，IP和VLAN的規劃，并不存在技術問題，但需要考慮如何節省IP地址資源，同時無線基站的IP和VLAN規劃，也要避免承載網側復雜的配置。VLAN的規劃，有時要考慮傳統的運維習慣，基于VLAN來標識基站，即采用每基站每VLAN的規劃方案。

       IP地址規劃：對于移動承載網絡，IP地址可分為Loopback/管理地址、設備互聯地址、業務地址，均可以采用私網IP（或者公網私用）進行規劃。

        VLAN規劃：E2E L3VPN方案，VLAN區分同一接口的不同業務，建議全網按業務規劃相同VLAN，免去按每基站的VLAN規劃工作。對于L2+L3方案，網絡的L2部分，需要采用不同的VLAN ID標識不同基站，符合L2網絡運維習慣，方便問題定位。

        對無線系統的建議：為簡化網絡部署方案，減少VLAN，IP地址以及相應VPN數據的規劃和配置，基站和承載設備對接時，建議盡量減少VLAN和IP地址，目前一般采用一個IP/VLAN作為業務接口，另外一個IP/VLAN作為管理接口。不建議S1和X2采用不同的VLAN和不同IP地址。

        對于無線基站，建議采用接口IP作為業務IP地址，避免在承載網路由器上配置靜態路由，降低部署難度。

5、控制面規劃

       在LTE承載網中，控制面規劃的重點，是考慮如何應對大規模組網的訴求，滿足前面提到分層的網絡架構，下面分別在IGP，BGP，LDP，RSVP-TE方面，給出規劃建議，以滿足大規模組網的要求。

5.1 IGP規劃

       IGP協議的選擇，根據運維團隊的能力，現網的匹配度進行IGP協議選擇OSPF或ISIS鏈路狀態型協議。

       LTE承載網的IP節點數在10K以上，基于目前的設備能力，IGP的規劃必須分層分域。通過IGP的分層分域，避免協議數據庫過大，降低設備CPU壓力；實現故障域間隔離，增強網絡健壯性；較小的IGP有更短的故障收斂時間

5.2 隧道規劃

       隧道技術主要包括LDP，RSVP-TE兩種方式。

       LDP LSP隧道特點：配置簡單，自動使能標簽；可通過LDP FRR做到路徑快速收斂；隧道數量不易控制，帶寬不可控；LDP FRR使用場景受限；保護倒換依賴于路由快速收斂，性能稍弱；適用于full mesh轉發的LTE X2業務。

       RSVP TE隧道特點：建立可控性強，路徑調度能力強，帶寬控制能力強；保護倒換手段豐富，推薦使用Hot-Standby,也可使用隧道保護；倒換性能較好；配置相對復雜，需指定宿端；適合于點到點業務模型(如UMTS ETH業務和LTE S1業務)

       對于LTE承載，如果對S1的倒換要求較高，可采用RSVP TE+LDP的隧道方式，兼顧S1保護倒換性能和X2就近互通業務需求。

5.3 BGP規劃

       L3VPN需要部署IBGP，為了滿足可擴展性，組大網要求，標準的技術是部署路由反射器RR，HVPN就是借助RR技術實現，在ASG設備上部署inline RR功能，并對VPN路由進行下一跳修改NHS。匯聚環一般部署獨立RR，RSG和ASG對獨立RR來說是RR Client。

6、可靠性規劃設計

      可靠性規劃，首先要在網絡物理拓撲上充分考慮，保證物理拓撲有迂回路徑，如環網，雙歸屬，口字形組網，Mesh組網等常見組網方式，分別適用于不同的網絡位置，如，接入層推薦使用環網，匯聚層可用環形或雙歸，核心層建議使用Mesh組網，跨越對接建議口字形組網。

      在IPRAN網絡中，可靠性技術可以分為兩類，第一類是保護切換類，第二類是收斂恢復類。

      對于第一類，基本原理是在數據面建立主備兩個轉發路徑，通過OAM技術檢測主用路徑，發現故障后迅速倒換到事先建立好的備用路徑。

      第二類，基本原理是發現故障后，通過控制平面重新計算路由，給數據面下發新的轉發路徑，一般情況下收斂性能弱于第一類。

      因此在移動承載解決方案中，一般建議采用第一類，保護切換技術做為可靠性方案。

6.1 故障檢測技術

     故障檢測技術，是可靠性方案的前提，一般使用BFD，MPLS OAM等技術實現，設備需要具備基于硬件的OAM和BFD實現，在大規模組網情況下保證高性能。

     故障檢測技術一致性，為簡化部署，各層次的故障檢測，盡量部署相同的機制，建議使用BFD作為故障檢測技術。BFD可以應用到鏈路層，隧道層，業務層，以及網關保護的檢測。

     故障檢測技術的選擇，需要考慮穿越中間網絡，盡量不對中間網絡有特殊要求，從這個角度，BFD是較好的選擇。

     多層故障檢測技術，需要在發包間隔上給予規劃，或者使用Holdoff機制，避免多層倒換。

6.2 鏈路級保護

       如下圖所示，鏈路層保護，主要是IMA，MLPPP，ETH Trunk等保護技術，一般在鏈路層實施，用于用戶側業務保護，以及重要鏈路的可靠性提升，如兩臺PE設備之間。

6.3 網絡級保護

        網絡級保護是端到端的保護技術，又可細分為隧道保護，業務保護，網關保護，具體故障點和相應保護技術如下。

7、QOS規劃設計

       LTE網絡的QOS規劃，為簡化部署，常見的QOS方案采用Diffserv技術，網絡的不同位置設備，完成不同的功能，基本的方案如下。

      這種方案，QOS規劃主要解決無線系統的QOS標記和網絡QOS標記相互映射的問題，具體的映射機制，如下所示：

8、時鐘方案規劃

       時鐘的規劃，首先要識別基站的時鐘需求，不同制式無線基站對時鐘的需求不同，簡單分類可以分為頻率同步需求和時間同步需求，對應的技術分別是同步以太和1588V2，這些技術都必須逐跳部署。所以，還需要考慮網絡中有不支持時鐘能力的設備，需要考慮穿越中間網絡的方案規劃，基本的方案選擇如下圖所示：

       越第三方網絡場景：雙時鐘源接入雙server，server間通過同步以太進行頻率同步。通過1588ACR技術，將時鐘信息從穿越第三方網絡的報文中恢復出并由client接受，下游再通過同步以太傳遞頻率同步信息。

       1588v2頻率時間同步：接入外部時鐘源，下游設備通過PTP協議逐條傳遞，通過BMC算法防止成環。

       SyncEth頻率同步：接入外部時鐘源，全網開啟SSM協議，同步信息逐跳傳遞。

       SyncEth頻率/1588時間同步：1588與SyncEth同時開啟，SyncEth進行頻率同步，1588v2進行時間同步。

9、總結

      本文在LTE承載的帶寬收斂比規劃，架構規劃，控制面，可靠性，QOS，時鐘等關鍵內容給出了規劃指導原則，限于篇幅，不能深入探討。同時，LTE承載網絡的規劃，涉及的內容方方面面，本文也無法一一涵蓋。 對于具體一個運營商LTE承載網絡，除了上述闡述的一些規劃思想和原則，還需要根據運營商業務的規劃和節奏，以及現網能力的評估結果，進行針對性的量化規劃設計。

      LTE網絡部署運營，規劃設計先行。通過專業的LTE網絡規劃，確保LTE承載網的業務承載能力，可擴展性，可靠性，可維護性等架構方面的競爭力，最終提升客戶的體驗，降低網絡的CAPEX和OPEX。

       華為公司規劃并建設了國內外大量的3G IPRAN網絡及LTE承載網絡，在LTE及IPRAN網絡規劃領域，積累了大量的規劃和設計經驗，可以成為運營商在LTE承載網絡規劃領域的合作伙伴。