MSTP技术在3G传输网络中的应用研究

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1、引言

　　3G移动通信业务是移动通信未来业务发展的重点，传送网对于3G业务起着重要的支撑和保障作用。基于SDH的MSTP多业务平台很好地融合了SDH，ATM，IP技术，能够提供多种业务接口和处理能力，可以方便有效地支持语音和分组数据业务，并能充分利用已有的SDH网络，成了许多运营商在建设3G传输网时的一个很好的选择。

　　本文以目前最有可能采用、对传输接口要求最全面的WCDMA系统为例，从MSTP新技术、3G网络对传输的新要求以及MSTP新技术在3G传输网络中的应用分析等方面展开论述，并提出在3G发展不同阶段(不同版本)的MSTP组网解决方案。

2、MSTP新技术

　　早期的MSTP城域网是在SDH设备上加入透传数据业务的功能，实现数据业务的传送，此网络对于网络带宽的利用和数据方面的处理是很弱的。后来在此基础上加入了二层交换的功能，实现数据的二层交换和汇聚，真正意义上的MSTP网络才开始形成，国内现在的MSTP城域网大都基于这样的技术。而随着技术发展，新型的MSTP设备加入了链路容量自动调整(LCAS)机制、以太环网带宽公平接入和拥塞控制以及内嵌RPR等功能，进一步增强了城域网功能。下面将具体讨论其实现机制和应用。

　　2.1　虚级联和LCAS功能

　　虚级联和LCAS是衡量MSTP带宽是否有效利用的重要指标。虚级联实现了带宽动态调整，通过虚级联实现业务带宽和SDH虚容器之间的适配，比连续级联更好地利用SDH链路带宽，提高了传送效率；LCAS可以根据业务流量对所分配的虚容器带宽进行动态调整，而且在这个调整过程中不会对数据传送性能造成影响。

　　在SDH网络中，虚级联实现相对简单，最重要的是参与虚级联VC容器序列号SQ的传送，以保证系统在末端能够将传送信号的VC重新排队重组。而在LCAS更多的是实现双向通信的控制信息的传送，如CTRL，MST等。虚级联和LCAS功能实现都是通过同一个字节实现的。在VC-3/VC-4采用的是H4字节(H4是通道开销字节)。其构成两重复帧，第一重复帧由16帧组成，第二重复帧长256。要完成一组VCG(虚级联组)控制信息的传输，需要1复帧16帧，也就是2ms时间，一个VCG最多由256个VC组成。

　　在低阶VC-12中，LCAS实现是通过K4字节中的比特2来实现的，其中比特1来传送信号标识，也就是VC-12承载的信号类型。比特2传送虚级联序号和LCAS控制信号。其中K4是4帧的复帧结构，也就是每隔500us出现一次。LCAS控制信息是K4的32复帧构成。完成一组LCAS信息单向传送需要4×25us×32=16ms。

　　LCAS确保了工作在虚级联状态下的SDH通路，在一个或几个VC通路出现故障时，数据传输能够保持正常。一般说通过网管增加或者删除虚级联组中成员时，系统可以实现“不丢包”，即平滑增减；对于因为“断纤”或者“告警”等原因导致的删除虚级联组成员时，有少量丢包，这是由于突发的系统故障反馈必须从业务末端到首端，再从首端到末端，有一个LCAS信息传送和系统调整过程，一般需要几十ms或者更多。其中，VC-3/4虚级联组对业务的影响小一些，VC-12虚级联组业务受损时间长一些，因为要传输同样的LCAS控制信息内容，需要VC-12复帧长度更长。

　　2.2　融合了RPR技术的MSTP

　　弹性分组环(RPR)是一种新的MAC层协议，是为优化数据包的传输而提出的，它不仅有效地支持环形拓扑结构、在光纤断开或连接失败时可实现快速恢复，而且具备数据传输的高效、简单和低成本等典型以太网特性。RPR因拥有1:3预订(over-subscription)、空间复用、均衡、双环工作、多点传送等技术，与单纯基于SDH的MSTP技术组网相比有带宽效率上的优势。RPR建立在当今流行的技术之上，单纯的RPR技术无法构建实际网络，因此运营商、服务提供商及企业用户不必淘汰现有的网络设备，只要向其中加入RPR设备即可。在此背景之下，SDH+RPR成为城域传送网的最佳解决方案。SDH灵活的组网方式提供最大数量的环间互联，用于数据传送，同时对话音业务实现真正的TDM支持。RPR实现数据业务便捷的用户隔离和带宽管理，使现有SDH网络不断演进。

　　融合了RPR技术的MSTP通过将RPR功能集成在一块单板上，并将RPR单板插入SDH设备的相应子架槽位，即可以对接入的Ethernet业务(基于802.3MAC帧)和纯粹的RPR业务(基于新型的802.17MAC帧)进行高效处理，包括公平带宽处理、RPR环业务保护、严格的用户隔离和真正的业务分级CoS以及QoS保证等。在SDH环网中，目前内嵌RPR多占用VC-4或VC-4-4c(在10Gbit/sMSTP也可以为VC-4-16c)速率作为共享带宽，RPR占用的SDH通道带宽可根据需要灵活配置，内嵌RPR多占用VC-4或VC-4-4c(在10Gbit/sMSTP也可以为VC-4-16c)速率作为共享带宽，即随着未来数据业务的不断增加，可在SDH网络中逐步增加分配给RPR的带宽，相应减少窄带语音等TDM业务的带宽，无须更新设备即可实现网络应用的不断拓展。

　　RPR模块利用环路RPR MAC技术，实现报文在目的节点被接收并从环路剥离，有效利用环网带宽。系统具有环网的带宽公平共享和优先级抢占功能。可以把不同802.1p值或TOS值的流量映射到RPR环网的不同服务类型中，进行优先级划分，同一优先级的流量可以公平共享环路带宽。支持对环路带宽的自动调整，当有新的流量产生时，各流量动态调整发送速率，达到公平共享带宽资源。接入的以太网业务映射到RPR MAC层时，可以采用IEEE802.17中定义的远程转发(Remote forwarding)方式，实现对IEEE802.3 MAC帧的透明传送；并能够识别IEEE 802.1q规定的数据帧，根据VLAN信息转发/过滤数据帧。

　　内嵌式RPR支持拓扑自动发现和环网智能保护，针对数据业务提供小于50ms的快速分组环保护，可以保护由于节点失效或链路失效产生的故障。RPR保护倒换支持两种方式，Wrap保护倒换与Steering保护倒换，其中Wrap保护倒换时间短一些。RPR技术还可实现VLAN地址扩展和重用，突破传统以太网二层交换的4096个地址的限制，从而适应电信级城域公网应用。即使在相同的VLAN ID的情况下，仍能够区分不同用户的业务流，实现双VLAN标签的强大功能，以区分运营商和用户自定义的VLAN标签。

　　RPR功能并不排斥二层交换功能。有些厂商设备只支持RPR功能，而没有二层处理。这样可能会影响RPR功能的发挥，特别是对业务QoS支持。如果没有二层处理的话，就无法识别Incoming输入信号的IEEE802.1p帧结构，对输入信号的等级无法区分，系统只能实现基于端口的QoS。另外，也无法实现对VLAN标识识别，无法完成基于VLAN的许多功能，如速率限制、带宽共享等。

　　2.3　采用MPLS技术的MSTP城域网

　　另外，也有厂商开发采用MPLS技术的MSTP城域网。MPLS技术在以太网和SDH间引入了中间智能适配层，将以太网的业务要求适配、映射到SDH通道上，并采用GFP高速封装协议，支持虚级联和LCAS。

　　MPLS自身并不是一个和RPR竞争的技术，因为RPR也可以运载MPLS数据包。但是在以太网中实行MPLS能极大提高服务质量，在某些应用中可以达到“足够好”和“可接受”的水平，这使城域以太网成为与RPR竞争的技术。

　　在国外资料显示有厂商将MPLS技术叠加在内嵌式RPR上，并使用SDH作为承载层，该方案在完备了设备功能的同时也增加了设备的复杂度，具体效果和实用化有待观察。

3、目前3G网络对传输的要求分析

　　3G作为传输网的一种业务网，需要传送网提供支撑，就WCDMA网络设备在传输网络上的配置位置来看，3G接入网络主要依赖城域传输网来提供传输支撑。从组网结构上看，城域传输网由三层结构组成，即接入层、汇聚层、核心层。由于RNC和MSC的数量接近并常常位于同一机房，在传输组网时可将RNC和MSC统一规划到城域传输网的核心层；核心层承担RNC，MSC，GMSC，SGSN，GGSN间的传输；接入层传输网络主要完成基站(BTS或Node B)与基站控制器(BSC或RNC)之间业务的接入和传送功能；由于Node B通常很分散，由Node B到RNC间的传输常常需要经过接入和汇聚两层网络。

　　对于传输网的建设，我们最关心的实际上是Iub，Iur，Iu三种物理接口，这三种物理接口的类型及速率等级(业务容量)直接影响了城域传输网络的组网形式。在WCDMA 3G核心网，在R99和R4版本中，Iu接口是连接UTRAN和CN的接口，负责关口局之间的传输。关口局之间的传输主要是MSC和PSTN及ISDN之间的电路域传输需求和GGSN与Internet关口局之间的分组域传输需求。电路域接口一般为若干个E1和STM-1的TDM电路接口，分组域接口根据上行数据网络实际构建情况可分别采用ATM交换机所需的STM-1/4接口或路由器所需的STM-1/4的POS口，以及FE，GE接口；而在WCDMA 3G接入网，在R99或R4版本中，Iub为Node B和RNC之间的物理接口，实际设备在Node B侧常具有若干个E1，IMA E1接口和信道化、非信道化STM-1接口，在RNC侧，常具有大量的E1，IMA E1和信道化STM-1/4接口；Iur为RNC与RNC之间的接口，主要是STM-1/4接口。

　　因此，从接口类型上来看，3G网络同2G/GPRS网络相比并无特殊变化，传输仍然是以标准的E1，STM-n接口和用于传送数据的POS接口为主导，但是在3G设备中使用ATM技术来承载话音业务和数据业务，并提供相应的统计复用、QoS保证等机制。ATM协议封装的数据可以转换成标准的STM-n或其他传输接口以便传输网络使用，也可以在传输网络上实现ATM数据汇聚和整合。具体的传输需求还与主流厂商开发的无线设备的传输接口、数据处理能力等有关。

　　3G传输网建设重点是负责基站业务传输的城域传输网络，由于基站数量巨大，每个大中城市有上千个基站，该部分电路直接关系到3G网络服务的质量。因此，3G城域传输网的建设不仅要考虑基站传输的巨大带宽需求，同时还要考虑能有足够富裕的带宽以替换原来租用的传输电路，以及满足集团用户、大客户的宽带数据接入的需要。

4、MSTP技术在3G传输网络中的应用

　　基于SDH的MSTP多业务平台很好地融合了SDH，ATM，IP技术，能够提供多种业务接口和处理能力，可以根据网络的发展来动态调整ATM，IP，TDM网络的容量，实现高效的传送。目前，国内主流制造商的MSTP设备在城域接入/汇聚层网络中得到了广泛应用，运行稳定。

　　3G网络需要承载诸如384kbit/s的高速数据业务，需要考虑数据业务具有突发性强、峰值/均值比高的特点，在R99和R4版本上，用户数据采用ATM封装格式。ATM交换技术本质上是一种信元交换技术，可以提供对业务的统计复用能力。通过ATM统计复用，可更好满足突发的无线数据业务，降低峰值/均值比，从而提高传输网的带宽利用率。这样可以采用MSTP多业务平台的多种业务接口和处理能力，组网来满足3G网络的传输需求。

　　在采用MSTP承载3G业务的具体实施过程中，由于MSTP平台具有ATM信元的处理能力，可以提高ATM数据通道的带宽利用率，其涉及到不同形式的汇聚功能。因此，在城域传送网的接入层和汇聚层中什么地方进行ATM信元处理则关系到带宽利用率的提高程度和设备成本的高低。为此，下面将对MSTP承载3G业务时的不同汇聚方案，即接入点采用ATM处理、汇聚点采用ATM处理和透明传输(不采用ATM处理)进行分析比较。

　　(1)接入点采用ATM处理

　　接入点采用ATM处理的汇聚方案如图1所示。此时，Node B提供STM-1(ATM)接口或N×E1(IMA)，在接入点的MSTP设备处进行ATM信元的处理。此时，在接入层提供ATM VP-Ring来提高带宽利用率。此方案的优点是每个接入层MSTP设备都提供ATM处理，带宽利用率高，此外网络管理和升级方便，而且RNC仅需要有STM-1(ATM)接口。但同时带来的缺点是，接入侧若采用STM-1速率，无法提供额外业务，但若采用STM-4，成本较高；接入点数量很大，若都采用ATM处理，则整体成本很高，每块具有IMA处理功能的ATM处理板价格几乎等同于接入点设备本身(紧凑型)；现在基站接入系统无法应用，需要改造等。所以，由于提供了STM-1接口，此汇聚方案可适用于业务量很大的地区或3G业务的高速发展时期。


图1　接入点ATM处理

　　(2)汇聚点采用ATM处理

　　汇聚点采用ATM处理的汇聚方案如图2所示。此时，Node B仅提供IMA的ATM 2M接口，传送网的接入层MSTP设备并不进行ATM有关的处理，而是把ATM处理的任务留给汇聚层MSTP节点来进行。此时，在传送网汇聚层可形成ATM VP-Ring来提高带宽利用率。此方案的优点是，只需要在汇聚节点进行ATM处理，而且RNC只需提供STM-1(ATM)接口，节省了RNC设备的端口数量，这样成本较低；由于已经进行了ATM汇聚和复用，可以减轻RNC设备的数据处理压力；接入层只需要STM-1速率传送，充分利用现有基站设备；具有一定的数据汇聚比；网络管理和业务升级灵活等；而且汇聚节点相对于接入节点数目较少，增加ATM处理功能不会增加较大投资。


图2　会聚点采用ATM处理

　　(3)透明传送

　　透明传送的汇聚方案如图3所示。此时，传送网络并不进行ATM信元相关的处理，而把ATM信元的处理功能完全留给了RNC来进行。此时，传送网的带宽利用率不高(此时依然可采用LCAS，VC和GFP等技术，依然可提高带宽利用率和动态带宽管理)，而且RNC的ATM信元处理负担相对增加(即所有交换功能都在RNC进行处理)。如果RNCE1端口数量不足且不支持信道化STM-1接口，则可通过在RNC所处传输节点配置支持IMA反向变换功能和ATM处理功能的板卡，RNC设备提供非信道化STM-1接口来解决。


图3　透明传送

　　综上所述，对于采用MSTP平台承载3G业务的汇聚方式，不同运营商可根据自身网络情况选择适合的方案。对于已经拥有基于SDH技术组网的基础传输网络的运营商，建议在3G网络建设初期采用第三种方案，即RNC-Node B之间采用传统基于传统SDH技术的MSTP组网，采用E1或IMA E1透传方式解决3G基站接入传输。随着3G网络发展和数据业务的增加，可采用第二方案，在汇聚层面处进行ATM信元处理和统计复用。

　　从WCDMA的发展情况来看，目前的商用化的版本R99，R4网络采用ATM协议体系，将来向全网IP模式逐步演进。届时，对于采用MSTP平台的组网方式，只须更换或增加相关的模块，不必对传输网进行重大改动，同时可灵活选用不同的组网保护技术(VP-Ring，RPR，SDH保护等)以满足业务传送需要。MSTP可实现多种业务在统一传输平台的传送，在与3G组网时，可通过灵活地配置相关模块，满足3G多种信号的传输要求。因此，MSTP，尤其是引入ATM功能的MSTP，可以实现传输和ATM处理的结合，是3G传输需要重点考虑的技术。

5、向纯IP演进的3G移动通信系统传输解决方案探讨

　　纯IP网络是电信发展的方向，3G的R5版本定义了一个以为IP基础的系统，对于传输网络来说，由于语音与数据同时传输，MSTP不仅要能够支持IP的接口，还应针对不同的业务提供相应的QoS的保证。由于目前的以太网技术是面向无连接，没有足够的QoS处理能力。为了能将真正的QoS引入以太网业务，需要在以太网和SDH间引入一个中间的智能适配层来处理以太网业务的QoS。因此，在MSTP内引入RPR，MPLS机制能够比较好地解决这一问题。

　　同时应该看到，以IP为核心的承载网络是网络整体发展的方向，是由于IP网络的灵活性，生存能力，效率等因素决定的。但这并不表示IP网络的部署需要一夜之间就可以建成，从资源利用和网络建设和运营的角度而言，IP并不是带来成本节约的惟一因素，比IP更为重要的是关注如何发挥现有的网络资源的潜力，关注如何考虑建设光缆资源的配置方式，如何考虑从现有TDM网络向分组网络的平滑过渡。

　　现有的移动运营商的城域传送网有大量的传统SDH/PDH传输设备，由于原有SDH/PDH设备要实现WCDMA R5版本IP接入具有一定困难，为了利用现网上大量的SDH/PDH设备，可以采用在IP业务接入端用一端EOE(EthernetoverE1)设备，在中心/汇聚点采用MSTP的EOE汇聚板实现大量EOE的汇聚，并进一步支持以太二层共享和汇聚，从而为在现有网络中实现WCDMA R5版本接入奠定了基础。图4是MSTP和EOE结合解决方案，在中心/汇聚点的MSTP设备上插入EOE汇聚板，将来自不同方向的EOE业务进行解封装，并汇聚后以FE/GE接口送给BSC。这样节省了中心点的大量EOE设备和大量上连FE端口，并可以充分利用SDH网络的保护能力。


图4　新型EOE+MSTP混合解决方案实现WCDMA R5及以上版本IP接入

　　EOE+MSTP解决方案能很好利用现有SDH设备，能提供电信级保护，适合3G业务的应用需求，在建设初期投入较少时，是一种可考虑的过渡解决方案。随着3G业务的高速发展和IP组网技术的发展，整个3G传输网络将逐步过渡成全IP设备组网。

6、结束语

　　传输网作为电信网的基础，其规划和建设在整个3G网络发展中将扮演重要角色。通用的基础传输平台的建设需充分考虑移动语音和数据业务开展之间的结合，快速发展的宽带业务、流媒体业务与3G业务的共同开展。在各种技术选择中，笔者认为新一代多业务传送平台MSTP能实现3G业务的快速开展和提供；通过多业务的统一管理可有效降低运营成本；通过语音和数据的多种协调保护机制可有效提高通信服务质量，从而使运营商在市场竞争中最大限度赢得主动。我们相信MSTP技术将通过自身不断的发展，充分考虑各种应用的传输需求，将与3G移动通信系统相得益彰，与时俱进。