TD-LTE回傳網(wǎng)絡(luò)和時間同步解決方案研究

1 引言

TD-LTE作為IMT-Advance主流技術(shù)之一，將使得移動網(wǎng)絡(luò)真正進入移動寬帶時代。相比現(xiàn)有2G，3G移動通信系統(tǒng)，TD-LTE對回傳網(wǎng)絡(luò)在高帶寬、低時延、橫向轉(zhuǎn)發(fā)、時間同步地面?zhèn)魉偷确矫嫣岢隽烁咭蟆?/p>

●首先，帶寬需求由2G/3G時期的幾兆、幾十兆發(fā)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(jù)3GPP規(guī)定，對時延要求最嚴格的實時游戲類業(yè)務(wù)，從用戶終端到服務(wù)器的端到端單向時延為50ms，其間傳輸時延需要在10ms以內(nèi)。

●第三，LTE引入了相鄰基站間互聯(lián)（X2接口）和基站多歸屬（S1-Flex）需求，導(dǎo)致回傳網(wǎng)絡(luò)由點到點的匯聚型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)辄c到多點或多點到多點的路由型網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)有2G/3G回傳網(wǎng)絡(luò)已無法滿足這種橫向轉(zhuǎn)發(fā)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(qū)間空口同步偏差不大于3?s，因此需要在TD-LTE回傳網(wǎng)絡(luò)中傳送高精度的時間同步信號。

分組傳送網(wǎng)（PTN）能夠提供高效率的多業(yè)務(wù)承載，具備強大的保護，OAM和網(wǎng)管功能，靈活的統(tǒng)計復(fù)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(tǒng)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(shè)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(shù)，實現(xiàn)OTN+PTN的時間同步地面?zhèn)魉徒M網(wǎng)。

本文面向TD-LTE回傳網(wǎng)絡(luò)需求，提出了各項關(guān)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(fā)展。

●其次，為滿足橫向轉(zhuǎn)發(fā)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(wǎng)需求，提出PTN在業(yè)務(wù)，OAM，保護，QoS和同步實現(xiàn)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(wǎng)提供時間同步地面?zhèn)魉头桨?。中國移動已在以?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(shè)每基站保證帶寬和峰值帶寬分別為120M和450M，每接入環(huán)6節(jié)點、每匯聚環(huán)6節(jié)點，每匯聚節(jié)點帶6個接入環(huán)，則匯聚環(huán)帶寬總需求為6×6×（6×120M+330M）=37.8G，現(xiàn)有10GE接口速率PTN無法滿足需求。對于40G/100G接口技術(shù)，可從標準、產(chǎn)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(wǎng)技術(shù)的IEEE 802.3ba標準獲得IEEE通過，該標準規(guī)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(yīng)的國際標準規(guī)范。據(jù)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(chǎn)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(tǒng)架構(gòu)等方面，40GE較100GE更易于實現(xiàn)。

●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(yīng)用的因素時，還需要著眼于網(wǎng)絡(luò)的全局，除了傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備外，還有客戶端設(shè)備、核心網(wǎng)設(shè)備等，同時要考慮對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的兼容性。

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

目前，PTN設(shè)備40G接口技術(shù)主要有3種，即4×10GE端口聚合，40GE（并聯(lián)、串聯(lián)）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(yōu)勢不大；而40GE方式在以太網(wǎng)功能、傳輸距離、成本方面具有一定優(yōu)勢。綜合考慮，40GE接口更易于與低速率PTN設(shè)備組網(wǎng)，且成本較低，當前應(yīng)推動40km傳輸標準和技術(shù)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(lián)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(zhuǎn)發(fā)，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(zhuǎn)發(fā)。3.1 核心層PTN增強L3功能技術(shù)方案L3 PTN實現(xiàn)TD-LTE回傳組網(wǎng)圖1所示。L3 PTN方案中，PTN匯聚接入設(shè)備仍沿用現(xiàn)有的L2網(wǎng)絡(luò)，僅在核心設(shè)備引入簡化L3功能，通過靜態(tài)L3 VPN承載S1和X2業(yè)務(wù)。

圖1　核心層PTN增強L3方案承載TD-LTE組網(wǎng)示意圖

PTN核心設(shè)備引入的L3功能包括L2~L3的橋接功能和靜態(tài)L3路由功能。L2~L3橋接功能是指PTN設(shè)備終結(jié)L2 PW，并通過IP地址網(wǎng)段劃分，對相同網(wǎng)段內(nèi)的PW進行收斂，再通過靜態(tài)L3 VPN方式進行L3路由轉(zhuǎn)發(fā)。通常，處于L3 PTN網(wǎng)絡(luò)與L2網(wǎng)絡(luò)交界處的設(shè)備需要具備這種L2/L3橋接功能，包括與L2 PTN網(wǎng)絡(luò)對接的L3 PTN設(shè)備和與客戶側(cè)核心網(wǎng)設(shè)備對接的L3 PTN設(shè)備。另外，靜態(tài)L3路由功能可以由PTN隧道技術(shù)結(jié)合L3 VPN路由技術(shù)方式實現(xiàn)。

L3 PTN方案中較為重要的方案是保護機制和網(wǎng)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(huán)網(wǎng)，雙歸等保護，因此L3 PTN網(wǎng)絡(luò)天然具有強大的保護機制，在原有L2保護基礎(chǔ)上，結(jié)合L3保護方式如虛擬路由器冗余協(xié)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(wǎng)絡(luò)中的一種IP主備網(wǎng)關(guān)的保護協(xié)議，一般設(shè)定一個虛擬IP地址作為默認IP網(wǎng)關(guān)，如果主用網(wǎng)關(guān)不可用，這個虛擬 IP 地址就會映射到一個備用網(wǎng)關(guān)，從而完成主備網(wǎng)關(guān)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(cè)SGW/MME設(shè)備的主備網(wǎng)關(guān)保護

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

圖2　L3 PTN VRRP保護示意圖

●場景二：面向基站側(cè)的主備網(wǎng)關(guān)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(wǎng)關(guān)。同樣，當設(shè)備失效或接入鏈路失效時，啟用VRRP保護將默認網(wǎng)關(guān)IP指向備用網(wǎng)關(guān)，基站側(cè)也并不需要其他機制配合VRRP保護。

此外，L3 PTN網(wǎng)絡(luò)中多種保護方式可相結(jié)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(huán)網(wǎng)保護配合使用，保護機制多種多樣，極大地提高了LTE回傳網(wǎng)絡(luò)的安全性。

在網(wǎng)元管理配置方面，由于L3 PTN網(wǎng)絡(luò)采用靜態(tài)L3 VPN路由方式，路由表配置是通過網(wǎng)管配置下發(fā)的，因此網(wǎng)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(wǎng)管的基礎(chǔ)上，在配置、故障、性能管理三大部分增加了L3相應(yīng)的功能。

配置管理中主要新增靜態(tài)L3VPN業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)和路由配置量較大，可基于業(yè)務(wù)模板進行L3 VPN創(chuàng)建，并借由輔助工具實現(xiàn)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(jié)點對L2/L3業(yè)務(wù)信息查詢及告警上報功能；為了更好的繼承PTN網(wǎng)絡(luò)端到端的保護，對于L2和L3組合業(yè)務(wù)，網(wǎng)管還應(yīng)該具有相關(guān)告警關(guān)聯(lián)分析功能。此外，還需新增針對VRF的L3 VPN業(yè)務(wù)的實時流量監(jiān)視及性能統(tǒng)計。

3.2 核心層PTN對接CE路由器技術(shù)方案

PTN+CE實現(xiàn)TD-LTE回傳組網(wǎng)如圖3所示。PTN+CE方案中，PTN的核心層、匯聚層和接入層設(shè)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(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)三層流量轉(zhuǎn)發(fā)功能。

圖3　PTN+CE方案承載TD-LTE組網(wǎng)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(nèi)部建立主備PW，和方式二PTN內(nèi)部建立VPLS。采用方式一時，VRRP心跳報文運行在兩臺CE設(shè)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(xiàn)。采用方式二時，VRRP心跳報文運行在PTN與CE互聯(lián)的鏈路上。

4 PTN互通性研究

TD-LTE時期SGW單設(shè)備落地，使得PTN L3方案存在核心層PTN互通組網(wǎng)的需求，此外，為了保證服務(wù)和成本、增強網(wǎng)絡(luò)開放性，各地市的PTN網(wǎng)絡(luò)有可能采用兩家或以上設(shè)備商產(chǎn)品組網(wǎng)，為實現(xiàn)承載業(yè)務(wù)的端到端管理，PTN也存在組網(wǎng)互通性需求。互通應(yīng)用場景主要有分層互通和分域互通兩種場景。PTN設(shè)備間互通主要包括業(yè)務(wù)，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(wǎng)絡(luò)接口）互通模型和NNI（網(wǎng)絡(luò)—網(wǎng)絡(luò)接口）互通模型。UNI互通模型是指兩端PTN設(shè)備通過業(yè)務(wù)適配模塊進行互聯(lián)，即業(yè)務(wù)接口互通（見圖4），一端設(shè)備將MPLS-TP隧道進行PWE3解封裝恢復(fù)業(yè)務(wù)報文后傳送到另一端設(shè)備，另一端設(shè)備再將該業(yè)務(wù)進行PWE3封裝后進入MPLS-TP隧道。NNI互通模型是指兩端PTN設(shè)備通過線路適配模塊進行互聯(lián)，即網(wǎng)絡(luò)/線路接口互通（見圖5），兩端設(shè)備直接實現(xiàn)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(shè)備而言，對端設(shè)備可以看作是與基站、各類客戶一樣的客戶側(cè)設(shè)備，來自互通接口的是業(yè)務(wù)。因此，在PTN互通性研究中，NNI互通模型更為關(guān)鍵，也較難實現(xiàn)。

在業(yè)務(wù)，保護，OAM，QoS和同步5個層面互通要求中，業(yè)務(wù)互通是最基本的要求和前提，首先要保證業(yè)務(wù)能基于UNI接口和NNI接口進行互通。在此基礎(chǔ)上，重點是實現(xiàn)保護互通和OAM互通，后文將分別加以分析。此外，PTN設(shè)備需支持DiffServ模式的端到端QoS，并采用一致的QoS優(yōu)先級映射表實現(xiàn)DSCP，VLAN PRI，TC的相互映射。最后是實現(xiàn)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(wǎng)實現(xiàn)，時間同步采用IEEE 1588v2帶內(nèi)以太網(wǎng)方式或1PPS+TOD帶外接口方式實現(xiàn)。

4.1 PTN保護互

通PTN可為基站和各類客戶業(yè)務(wù)提供50ms端到端保護，保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性。PTN保護分為UNI接口保護和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)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(wǎng)接口），PTN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)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(shè)備實現(xiàn)主要參考ITU-T G.8031以太網(wǎng)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(yè)務(wù)運行在工作路徑上，在故障時期業(yè)務(wù)切換到保護路徑上；當業(yè)務(wù)恢復(fù)以后，兩個端節(jié)點PTN設(shè)備不立即將業(yè)務(wù)切換回切至工作路徑，而是分別設(shè)置WTR定時器，等待WTR定時器結(jié)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(guī)模試驗網(wǎng)測試時發(fā)現(xiàn)，ITU-T標準對于1：1線性保護的WTR（等待恢復(fù)）狀態(tài)處理機制的規(guī)定存在缺陷，導(dǎo)致PTN設(shè)備廠家實現(xiàn)有差異，在互通時保護倒換回切時間超標。由于兩端PTN設(shè)備的WTR設(shè)置可能不一致或者設(shè)置一致但WTR結(jié)束時間存在瞬間差異，先結(jié)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(shè)備WTR尚未結(jié)束、因而業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)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(tài)”不進行切換動作，使得先結(jié)束WTR一端可以等待對端WTR結(jié)束后再一起回切。該方案已被CCSA（中國通信標準化協(xié)會）國內(nèi)標準和ITU-T國際標準采納，主流廠家設(shè)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(wǎng)管在設(shè)備上實現(xiàn)故障檢測和快速定位、時延、丟包率等性能監(jiān)測等功能，需要基于特定的OAM報文實現(xiàn)。PTN設(shè)備承載業(yè)務(wù)主要采用以太網(wǎng)接口，在UNI接口和NNI接口需支持多種OAM功能，如在UNI側(cè)需實現(xiàn)基于IEEE 802.3ah標準和基于ITU-T Y.1731協(xié)議的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)OAM功能，在NNI側(cè)應(yīng)遵循最新的ITU-T G.8113.1標準實現(xiàn)PTN網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)PTN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)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(tǒng)一要求，主要改進包括Ether Type，Channel Type，TC，TTL，MEL，Version等。相關(guān)內(nèi)容已經(jīng)被CCSA標準采納。

5 OTN+PTN（L2/L3）時間同步傳送組網(wǎng)

TDD系統(tǒng)的接收和發(fā)送工作在同一頻段，這種技術(shù)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(qū)保持高精度的時間同步，不然會造成嚴重的收發(fā)互相干擾的問題。實現(xiàn)時間同步，傳統(tǒng)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?zhèn)魉蜁r鐘同步的方式為TDD基站提供時間同步。當前，通過PTN網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)1588v2時鐘信號的地面?zhèn)魉?，為TD-SCDMA基站提供時間同步，已經(jīng)廣泛用于中國移動現(xiàn)網(wǎng)。

LTE回傳網(wǎng)絡(luò)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(shè)備需要具備L3的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)IP地址轉(zhuǎn)發(fā)LTE S1-Flex和X2業(yè)務(wù)。PTN核心層設(shè)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(guī)模實驗網(wǎng)中，分別進行了L3 PTN+L2 PTN聯(lián)合組網(wǎng)場景以及OTN+PTN聯(lián)合組網(wǎng)場景下傳送時間同步的測試，測試的組網(wǎng)場景如圖6所示。

圖6　L3 PTN+L2 PTN聯(lián)合組網(wǎng)以及OTN+PTN聯(lián)合組網(wǎng)傳送時間同步示意圖

測試結(jié)果表明采用1588v2協(xié)議的L3 PTN+ L2 PTN聯(lián)合組網(wǎng)以及OTN+PTN聯(lián)合組網(wǎng)傳送時間同步信號的系統(tǒng)可以很好地滿足TD-LTE系統(tǒng)的要求。

6 結(jié)束語

LTE是未來高速移動通信系統(tǒng)的發(fā)展方向，其中的TD-LTE制式可以借助現(xiàn)有TD-SCMDA的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，是中國移動的首選。中國移動面向TD-LTE對回傳網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(fā)展，并借助其統(tǒng)計復(fù)用、多業(yè)務(wù)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(zhuǎn)發(fā)需求；推動PTN全面互通，滿足TD-LTE回傳網(wǎng)絡(luò)互通需求；推動OTN支持時間同步，提供OTN與PTN組網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)建設(shè)和應(yīng)用。