LTE及其回传网解决方案浅析

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LTE（Long Term Evolution,长期演进）是由3GPP（第三代合作伙伴计划组织）制定的移动通信体系最新标准。实际上，LTE本身也在不断发展演进中，当前已定义的LTE并非人们普遍理解的4G技术，而是一种3.9G或准4G标准，其所对应的R8标准已正式冻结。它以OFDM（正交频分复用）、MIMO（多进多出）等先进的物理层技术为核心，改进并增强了3G空中接口技术，在2×2MIMO，20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的理论峰值速率（在采用4×4MIMO时，下行峰值速率甚至可达326Mbit/s）；支持FDD（频分复用技术）和TDD（时分复用技术）两种工作方式，并支持高达500km/h的高速移动；R10是R8的增强版本，其理论峰值速率分别达到了下行1Gbit/s，上行500Mbit/s的水平，因此被称为LTE-Advanced/LTE-A，也就是所谓4G技术。目前，R10正在制定中。
LTE将是今后全球最主要的广域宽带移动通信系统，未来所有的2G/3G/3.5G技术都将殊途同归，统一演进到LTE/LTE-A阶段。但由于各国运营商2G/3G网络发展情况不同，对于LTE的演进路线是不同的，目前有如下4种LTE演进路线：
（1）最传统方式演进。即从2G到3G，再向LTE长期演进发展的思路。如Orange是这种稳健策略的典型代表，其主要思路是坚定2G/3G发展战略，LTE则作为长期演进目标。
（2）跳跃式演进。即从2G直接演进到LTE阶段。T-Mobile是这种思路的典型代表，其主要发展策略是限制对3G/HSPA的投资，跳过HSPA+，2010年直接上LTE。
（3）不同体制间（3GPP/3GPP2）切换演进。如Verizon从2010年开始启动从cdma2000/EV-DO到LTE的商用进程。
（4）从TD-SCDMA向LTE演进。这是中国移动特定的演进思路，目前其已明确了要积极推动TD-LTE产业发展的大思路。
2010年国外电信运营商已开始启动首轮商用，北美（Verizon）、欧洲（TMO）、日本（DoCoMo）等运营商均已开始进行商用网的部署；欧洲的FT，Telefonica，VDF也已宣布2011年将启动第二轮商用。相对而言，我国的LTE尚处于技术启动阶段，离百万用户以上的大规模商用还需5年左右。特别是近两年在3G方面投资巨大，故短时间内再次发放LTE牌照的可能性不大。因此，这两年将主要以测试、试验网及试商用网建设为主。
2 LTE对承载网络的要求
2.1 LTE网络的新变化
LTE的无线接入网命名为演进型UMTS陆地无线接入网（E-UTRAN），核心网则为演进型分组核心网（EPC）。与2G/3G网络相比，LTE网络最显著的新变化主要有：
（1）网络结构全IP化。核心网取消了CS（电路域），全IP的EPC支持3GPP，非3GPP各类技术统一接入，实现固网和移动融合（FMC）。EPC主要由MME（移动管理实体），SGW（服务网关），PGW（分组数据网关）等几个主要的功能实体组成。其中，MME主要负责用户及会话管理的所有控制功能，相当于2G/3G的SGSN控制平面。SGW主要负责用户平面的数据传送、转发以及路由切换等，相当于2G/3G的SGSN用户平面；PGW是所有外部数据网络接入的锚点，类似2G/3G的GGSN功能。
（2）网络架构扁平化。传统的3GPP接入网由Node B和RNC两层节点构成，而LTE中省去了RNC这一层，eNB（演进型NodeB）直接接入EPC设备，因此E-UTRAN主要由eNB构成，采用这种扁平化结构的目的在于简化网络结构、减小网络延迟。
（3）引入了两个新的接口。一是支持S1接口的灵活组网方式，即所谓S1-flex功能。S1是eNB和MME/SGW之间的接口，2G/3G网络中RNC只能和一个核心网元连接，但S1-flex允许一个eNB连接到多个MME/SGW POOL（池），实现负载均衡、冗灾等。每个eNB支持最多16个S1接口；另一个重要变化是X2接口，即相邻eNB间的分布式接口，主要用于移动性管理（切换）和相邻小区干扰抑制，每个eNB可定义32个X2接口，实际部署时相邻基站数量由覆盖情况决定。
2.2 LTE对承载网的要求
（1）传输带宽。LTE基站的接入带宽相对3G网络有了非常显著的提高。根据经验估算，以TD-LTE S111站型为例，eNB的传输带宽至少在440~590M左右。如果采用S222站型，传输带宽将加倍，即880~1180M左右，这几乎是3G基站带宽的10~20倍。
（2）LTE网络结构的变化对承载网也有较大影响，S1flex和X2接口的引入打破了原有2G/3G汇聚型组网架构，这就要求承载网在原有的基础上，具有灵活的业务调度能力。
（3）LTE对于QoS和时延的要求比2G/3G严格。LTE将提供比3G更多种类的数据业务（多媒体、视频、交互类等），3GPP详细规范了各类业务的端到端时延和丢包率要求，因此要求承载网具有较强的QoS调度能力；3GPP建议S1/X2接口单向时延为2~15ms，NGMA（下一代移动联盟）则要求承载网端到端最大时延小于10ms，特殊区域应满足时延不超过5ms的要求。
LTE将实现深度覆盖，eNB节点数将是现有基站数量的2~3倍，承载网规模应适应这种组大网的需要；LTE将和2G，3G网络共存，要求承载网不仅具备IP分组业务承载能力，而且也应考虑TDM和IP多业务统一接入的需求；当然，承载IP化同样要求网络保证高可靠性，LTE保护需求类似于2G/3G承载网的保护，故障切换小于50ms；同时，LTE也具备对于频率同步和时间同步的要求。
3 LTE承载解决方案及分析
由于EPC是实现了全IP化的核心网，因此IP骨干网是各主要核心网元之间的惟一承载网。这里的IP骨干网，对中国电信而言是CN2，对中国移动则是IP专网。故核心网的承载方案已无悬念，IP over WDM/OTN是满足当前及未来发展趋势的最佳骨干层解决方案。因此，E-UTRAN承载方案就成为LTE承载网的研究重点。
一般情况下，E-UTRAN承载网也被称为LTE回传网，主要是指城域传送/承载网部分（只有少部分流量需经过IP骨干网）。其解决方案应满足LTE高带宽、灵活的业务调度、组大网、多业务承载、高可靠性和QoS、低时延、时间同步等方面的要求。根据这些需求，业界从不同角度提出多种解决方案。
3.1 端到端PTN解决方案（见图1）

图1 全PTN方案
这是中国移动大规模采用的方案。进一步分，端到端的PTN方案有两种实现方式：第一种是纯L2方式，现有PTN无需支持复杂的L3协议，至上而下采用L2通道；第二种方式需要核心层设备升级支持L3VPN。
纯L2方式下设备实现最简单，对于运维人员要求低，利用静态的LSP解决S1flex和X2分布式接口需求，但存在的缺陷主要是浪费标签的资源，因为这种方式必须从基站到多归属的网关之间预先建立多个LSP。虽然采用多段PW/LSP嵌套可从一定程度上节省标签浪费的问题，但总的来说对业务调度的灵活性较差；核心层引入L3的方式可较好地解决纯L2方式的缺陷，即节省了标签资源，又可实现业务的灵活调度，即由核心层L3VPN实现S1 flex或X2等其他调度业务。