基于分组承载网的LTE业务需求分析

摘要：在LTE网络的演进过程中，网络的扁平化和诸多新型接口的出现对底层承载技术提出了新的需求，本文主要从三层业务承载能力、基站带宽、时延抖动等几个方面分析了LTE网络对于分组承载网的要求。

1、前言

随着全球3G技术的大规模商用部署，特别是增强型3G技术HSPA/HSPA+的普及和推广，大大的推动了移动多媒体业务和移动互联网的发展。用户对移动数据业务需求的剧烈增加，直接导致了3G网络容量以及业务承载压力的猛增。为此，大部分运营商和3GPP开始全力推动下一代新一代宽带无线技术LTE的发展。

在LTE的推动过程中，承载网作为电信网的基础，其规划和建设应该优先于业务的发展和演进。承载网的分组化是未来网络发展的必然趋势，另一方面，移动业务的需求变化也决定了网络的演进方式。本文将对基于分组承载网的LTE业务需求进行分析。

2、LTE网络承载要求

LTE的网络演进对于分组承载网提出了更高的要求，网络扁平化、X2接口的引入、S1接口的多样性均提出了不同的承载需求。在LTE环境下，无线网络的网络结构模型如图1所示。与传统3G网络相比，LTE网络结构更加扁平化、网络结构功能也更加复杂。

图1. LTE网络架构图

在LTE网络环境下，出现了三个新型的结构分别为：

1） S1接口：连接eUTRAN和ePC之间的接口，具有较强的开放性，负责用户UE的高清视频点播、高清视频监控、实时RGB在线游戏、音乐下载和移动电视、高速上网等用户业务的连接承载。移动网络运营商可以根据需要，采用不同厂家设备构架eUTRAn和ePC，从而提高了LTE网络的灵活性。为了支持网络冗余和跨网元间的流量负载分担，每一个eNode可以通过S1接口与不同S-GW或者PDN-GW相连。

2） X2接口：实现eNode基站之间的互联互通，X2接口的引入可以进一步激发LTE设备制造商的竞争，用户在不同基站之间的切换更加频繁，网络的可扩展性和可升级性能力大大增强。为了保证不同基站之间的互通，X2接口需要引入三层路由功能，从而实现在基站群之间基于IP地址的寻址和路由。当UE设备处于激活模式下，X2接口可以支持LTE无线系统内部的移动性，具体包括：源eNode到目的eNode之间的上下报文传递；源eNode到目的eNode之间用户平面隧道的控制；不同eNode之间的切换；上行负载管理；一般管理和错误处理功能。

3） LTE-Uu接口：eUTRAN和UE之间的无线接口，Uu是UE设备接入到系统的固定部分的接口，是eUTRAN中最为重要的接口之一，但由于不涉及到底层承载方面的需求，对于分组承载的影响不大。

总体来说，X2接口，定位于改善用户跨基站移动切换时的体验。当切换完成后，业务还是要经过S1进行传输。由于切换只发生在相邻基站之间，因此在X2接口设计上，主流运营商明确要求仅允许相邻基站之间存在逻辑连接，而非相邻基站不允许互通。从避免一个基站故障扩散到其他基站的角度考虑，避免所有基站全MESH互通也是合理的。

与传统3G/B3G相比，LTE是一个全新的网络结构，网络的扁平化和诸多新型接口的出现对底层承载技术提出了新的需求，主要从业务承载、基站带宽、时延抖动、时间同步等几个方面对分组承载网络有着新的要求。

3、业务承载能力分析

传统3G/B3G网络基本上需要底层承载网提供二层能力即可，即通过基于MAC地址的转发就可以满足上层移动网络业务回传的需要。从NodeB到RNC之间，通过某种特定的承载技术，配置一条二层交换通道，实现基站业务的回传，如果采用MSTP技术，直接通过VC交换，采用刚性管道方式。

但在LTE网络中，S1和X2接口的引入对于底层承载提出了三层交换的需求，单纯的传统基于MAC地址转发的二层交换能力无法满足S1/X2接口的多样性，即无法实现eNode与多个S-GW和P-GW之间的互通以及多个eNode基站之间的互通。

具体来说，LTE网络对于三层交换能力的需求主要体现在：

1）需求1：多个eNode基站之间通过X2接口进行互通

X2接口的引入是LTE网络一大特色之一，但为了保证在多个基站之间的灵活切换，在基站池中，需要将每一个eNode基站看做一个带有独立IP地址的物理通讯单元，X2接口之间的业务流需要采用三层路由转发功能，实现在不同eNode基站之间的路由功能，从而提高整个eNode基站池的灵活性。

在城域网层面，不同eNode基站需要通过接入环接入到承载网中，从理论上分析，为了实现X2接口的传输，接入环上的传输设备需要支持三层功能，这是最为简单易行的组网方案，但成为较为昂贵，并不是最佳选择。

图2. LTE网络中S1和X2接口示意图

虽然X2接口在LTE网络环境中很重要，但其对于三层路由功能的紧迫性并不是非常明显，主要体现在：

首先，经分析，X2接口流量主要考虑在U-Plan面的流量，通过用户在不同eNode之间的切换来对其流量进行统计，通过设定在某一个时间段内，估计占LTE网络总流量3%左右，即基于X2接口的三层流量并不是LTE网络中的主要组成部分，LTE网络中的大部分流量仍然以二层业务为主；其次，如图3示出了eNode网络拓扑结构，为了避免eNode基于MESH组网时基站之间流量交互过于频繁，在LTE网络中，一般采用六边形基站组网方案，即一个eNode基站最多与周边六个eNode基站进行通信，这样可以大大降低eNode基站之间，即X2接口的信息流量。

图3. LTE网络eNode基站之间X2连接示意图

2）需求2：单独一个eNode基站通过S1接口与多个S-GW和P-GW互通

在eUTRAN网络中，为了保证网络流量冗余和多网元之间的负载分担，同一个eNode基站需要与多个不同S-GW和P-GW进行互通，为了实现在不同GW之间的连接，S1接口必须要支持基于三层IP寻址的路由功能，在eNode和不同GW之间建立相应的业务路由通道。由于给每个基站建立多条单独的路径归属到不同S-GW和P-GW会导致连接数量的急剧增加，导致高昂成本。因此需要在承载网中引入IP路由转发功能（L3 VPN）

在城域层面，S1接口对于汇聚环和核心环，因此需要在汇聚核心环中，增加路由器等三层设备，满足S1接口三层IP路由寻址功能的需要。

图4. LTE网络汇聚层示意图

3）需求3：S-GW和P-GW对于VLAN能力处理较弱需要三层功能的支持

在3G基站回传网络中，由于RNC对于二层VLAN处理能力很弱，限制了接入层基站接入的数量，在基站接入数量规模较大的情况下，通用做法是在RNC之前增加两台CE路由器，一方面终结二层基站回传业务，另一方面，开启三层路由功能，满足网络规模增加的要求。

这个问题在LTE网络中仍然存在，即S-GW和P-GW对于二层处理功能根本无法满足eNode规模较大时的需要，必须通过增加路由器设备对网络进行扩展。在LTE基站回传网络中，CE路由器的设置可以有两种选择，第一种方案选择是与3G基站回传网络类似，如图5所示，在S-GW和P-GW前面以负载分担的方式放置CE路由器，第二种方案选择是考虑到S2接口三层路由功能的需要，如图6所示，直接采用路由器在核心环部署一个三层网络，每一个路由器之间采用全MESH组网方案，实现业务流的动态灵活建立。

图5. 在S-GW前面放置CE设备方案示意图（方案1）

图6. 核心层路由器MESH组网方案示意图（方案2）

方案1更贴近于3G基站回传网络，网络部署难度不大，但在网络规模较大时，CE路由器上的负载较重，即使目前这种双备份组网方案，一旦路由器设备出现问题，会严重影响上层LTE网络的运行，方案2网络更加可靠安全，但由于是全连接组网模型，网络可靠可管理能力较弱，而且建设成本很高。

4、传输组网带宽分析

在进行分组承载网络容量规划时，一般考虑保证传输速率即可，假设一个LTE单基站带宽为100M，则根据目前经验，如表1所示，在接入层、汇聚层和核心层分别所需要的带宽容量：

表1. 接入层、汇聚层和核心层的带宽容量需求

5、传输性能分析

在LTE网络中，时延对于用户体验感知影响非常大。由于业务需要通过底层承载网进行传输，承载设备之间的转发和存储是LTE业务时延的主要原因。在设计承载网时，必须保证在承载网中传输的时延小于LTE业务所能允许的最大时延。表2列出了LTE网络中各类业务的时延要求。

表2. LTE网络中各类业务的时延需求

表3至表6列出了分组传送设备、OTN设备和路由器设备在传送以太网业务时，不同数据包封装大小对应的单设备时延，由此可以看出，对于以太网业务，分组传送设备时延一般在40-50us左右，OTN设备延时一般在60us左右，路由器设备由于需要处理三层功能，时延稍大，但也在200-300us左右。

表3. 分组传送设备时延表

表4. OTN设备时延表

表5. 路由器设备时延表

6、结束语

随着移动通信技术演进至LTE时代，网络的扁平化和诸多新型接口的出现对底层承载技术提出了如三层业务承载能力、基站带宽和时延抖动等新的需求。这也标志着承载网正向着分组IP化的方向发展。

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