3G接入网IP承载解决方案

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3G接入网IP承载解决方案背景与挑战

         3G（3rd Generation），第三代数字通信技术，已经在大部分国家得到部署和应用。它与前两代通信技术的主要区别是在传输声音和数据的速度上有很大提升，它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。

         国际电信联盟（ITU）确定3G通信的三大主流无线接口标准分别是W-CDMA（宽频分码多重存取）、CDMA2000（多载波分复用扩频调制）和TD-SCDMA（时分同步码分多址接入）。各个系统标准主要区别是无线接口的传输技术不同，但三种标准的网络架构基本统一，主要由三个部分构成：用户终端（UE：User Equipment）、无线接入网（RAN：Radio Access Network）和核心网络（CN：Core Network）。

图一：3G网络架构及接口示意图

          传统的2G网络以及3G网络的初级版本（R99/R4）目前都面临着巨大的挑战。这些挑战不仅来自新业务对带宽的极大需求，还来自商业和技术等方面。
          首先，为了适应多媒体服务对高速数据传输日益增长的需要，第三代移动通信合作项目组（3GPP）已经公布了一种新的高速数据传输技术，叫做高速下行分组接入技术（HSDPA）。将来在R6阶段，还会应用高速上行分组技术（HSUPA）。目前HSDPA已经在EMEA（欧洲、中东和非洲）超过50家运营商部署，其14.4Mbit/s的下行带宽已经远远超过普通WCDMA的能力范围，对3G承载网（尤其是接入网RAN）的能力提出了更高要求。
          其次，随着各种移动增值业务的部署以及用户的迅速增多，运营商用于租用承载链路的费用急剧增加，这部分费用目前已经占据EMEA运营商日常网络维护费用绝大部分。这直接导致了运营商利润的缩水（Margin Squeeze），如果再没有新的承载技术取代传统的PDH/ATM链路的话，很多运营商将难以为继。
          另外，通信技术已经全面向IP化演进，移动网络的IP趋势也不容置疑。移动网络的非IP化导致的兼容、升级成本增加、业务部署困难等问题将越来越明显。
          因此，从99年开始，3GPP（3G Partnership Project）就提出“全IP”的概念。而全IP化最关键的一步是无线接入网的IP化。
   
    　根据3GPP（3G Partnership Project）的定义，从图二可以看到，RAN是由无线网络管理器（RNC：Radio Network Controller）、无线基站子系统（Node B）和它们之间的传输网络（Backhaul）所构成。

图二：3G网络各组成部分示意图

          RAN的全IP化除了要对Node B和RNC实现IP化的改造之外，还需要对传送部分实现IP化。如果这部分不实现IP化，RAN的效率将非常低，那整个IP RAN也就失去了意义。
3G接入网IP承载解决方案
需求分析
          虽然Backhaul的IP化趋势不容质疑，但对于很多即将部署3G网络的运营商来说，原来预留的部分光传输资源不能浪费，而且老的SDH传送网络很可能会逐渐转移到新的Backhaul网络上来。所以，新的Backhaul网络必须有能力包容PDH/SDH。

    将来的运营商都是综合型的服务提供商，而目前数据通信的业务收入在整个通信行业里所占的比重不超过10%。即使在经济发达的欧洲，在已经开通3G业务的国家里，话音业务仍然高达85%。 因此，未来几年内3G业务应该是以话音业务为主导，同时数据、视频业务迅速发展。在这种情况下，新建的Backhaul网络资源会有一段时间比较富余，此时能否提高资源利用率，即充分利用光纤资源、基站资源来提供尽可能多的业务成了提高运营利润的关键因素。也就是说，Backhaul除了承载3G话音业务之外，完全可以用来同时承载企业专线、居民接入、移动话音、移动数据等多种业务，实现固网和无线网络接入网的共享。
          这些明确的需求对IP Backhaul网络提出了特殊的要求，这些要求包括：
          类似SDH的时钟同步能力；
         高可靠性；
         传统的ATM/TDM业务支持能力及灵活的新业务扩展能力；
         更高的传送能力；
         更低的建设、维护成本。
          尤其是前两点，一度被认为是IP网络无法解决的问题，也是IP RAN最大的障碍。不过，随着一些新的IP技术的出现，这种情况已经发生改变。华为公司正是这种改变过程的参与者和有力推动者，其高效经济的IP RAN解决方案已经服务于多个大型运营商。
华为公司IP Backhaul时钟同步解决方案
          目前在IP Backhaul网络上，可以使用的时钟同步技术主要有同步以太网技术和自适应时钟恢复技术两种。
同步以太网技术
          同步以太网是一种采用以太网链路码流恢复时钟的技术。
          因为以太网是一个异步系统，不需要高精度时钟也能正常工作，所以一般的以太网设备都不提供高精度时钟。但是这并不是说以太网，不能提供高精度时钟。实际上，在物理层，以太网与SDH一样采用是串行码流方式传输，接收端必须具备时钟恢复功能，否则无法通讯。换句话说，以太网其实本身就已经具备传送时钟的能力，只是我们没有使用而已。
          在以太接口上使用高精度的时钟发送数据，在对端是可以恢复并且提取这个时钟并且保持高精度性能。这就是同步以太网的基本原理。

图一：同步以太网时钟解决方案示意图

          目前在无线接入网应用中主要有树状网和环网两种形式。BITS（Building Integrated Timing Supply）设备发布的时钟信息经过同步以太网络被分发给与基站节点相连的数据通信设备，在经过同步FE接口或者E1接口传送给基站。同步以太网传递时钟的机制很成熟，恢复出来的时钟性能是最可靠的，能够满足G.823规定的TIMING接口指标，而且不会受网络负载变化的影响（同步以太网时钟的传递只在以太网的接口之间的链路上进行，一旦进入设备，立刻被旁路到其他带外路径进行处理，不参与包转发）。由于这种时钟机制与传统的SDH网络时钟机制几乎完全一样，所以得到运营商的普遍认可。

         同SDH一样，同步以太网在部署上有局限，时钟的传递是基于链路的，它原则上要求时钟路径上的所有链路都具备同步以太网特性。而目前全球只有华为的MSP CX（Metro Services Platform CX）系列城域网设备实现了这一技术的商用，所以在实际部署中，为了穿透网络中不支持同步以太网的链路，可以在不同的同步以太网云之间建立专用的PWE3隧道，最后得到全网同步。这些PWE3隧道我们称之为“时钟穿越隧道”。
          在某些特定场景下，华为公司的城域网设备还可以使用一种更简单的时钟同步方式——自适应时钟恢复技术，实现IP RAN的时钟同步。
自适应时钟恢复技术
          自适应时钟恢复技术来源于电路仿真技术，其实质就是通过自适应算法将仿真电路中携带的时钟信息恢复出来。
          电路仿真包恢复时钟性能与承载网络密切相关，会受到网络传输延时变化影响，所以应用场景需要一些限定条件，比如承载网负载比较松，时钟包服务优先级比较高可以保证无拥塞的传送；网络结构比较简单，中间节点较少，网络传送延时变化不大。
  

  
小结
         华为公司针对3G IP RAN的时钟同步解决方案可以用以下示意图来小结：

图二：IP Backhaul时钟解决方案示意图

          同步以太网技术是“全IP化”时代最精确也最容易部署的无线时钟同步方案，它的时钟源根据不同要求，可以从专用BITS设备或者GPS接收机中提取，也可以从SDH链路或者RNC设备中提取。
          在建网初期，网络节点较少，并且为了更好的利用现有网络资源，可以采用自适应时钟恢复技术，其时钟精度完全能满足移动通信的需要。根据实际测试结果，华为公司的CX系列产品在网络抖动在1-10ms的情况下，自适应时钟恢复算法获得的时钟完全符合ITUT G.823定义的Traffic接口指标（测试数据：1200s频率漂移不超过5ppb，24小时漂移不超过15ppb。注：此数据是整网采用CX产品情况下测得，实际组网中可能会有其它公司产品，并不保证能有同样效果），满足无线应用场景下的50ppb的时钟频率精度指标。
          以上的时钟方案都是针对频率同步而言的，对于CDMA2000和TD-SCDMA需要时间同步的无线方案来说，目前只能通过GPS解决。
华为公司IP Backhaul可靠性方案
          除了Backhaul设备本身的可靠性策略，华为公司在Backhaul网上提供RPR（Resilient Packet Ring）和RRPP（Rapid Ring Protection Protocol）两种关键可靠性技术。在RPR方面，华为公司的方案可以提供1G/2.5G两种带宽，给运营商提供了更灵活的选择。另外，华为的RPR方案是可以实现相切环和相交环的组网模型，使运营商能更好的利用RPR技术组网。两种技术详情请参阅华为公司网站相关技术资料。
          另外，解决方案中还专门提供了时钟源保护机制。在时钟源侧，可以接入多个时钟源，并设置主备关系，各时钟源的优先级顺序可以配置，实现时钟源的热备份。在传送设备和时钟接收端，可以通过链路LOS告警或者收到时钟质量信息（SSM）消息，侦听时钟网络状态，自动切换时钟源或者传送链路。
华为IP RAN Backhaul解决方案
          从2G到3G，从PDH到SDH，从ATM到IP，华为一直都是通信解决方案主流供应商之一。长期的技术积累使华为公司有能力针对不同的网络现状，都能提供完善的IP RAN解决方案。
面向3G 的IP Backhaul解决方案

图三：混合接口Backhaul解决方案示意图

          Node B一般提供E1/STM-1/IMA N*E1等几种上行接口，CX系列产品对这些接口均能适用。CX统一用TDM PWE3的方式将Node B的ATM业务传输到RNC侧，时钟问题是利用TDM PWE3或者同步以太网技术解决。
          在建网初期，业务量小，单个Node B只需要极少的E1链路承载，此时可以考虑通过IMA E1直连的方式组网，也就是将Node B的E1与RNC的E1一一对应。这种方式组网简单，很容易实现，但效率不高，随着业务量的增加需要经常扩容，维护麻烦。
          如果预计到单个Node B的业务量会迅速增加的话，也可以考虑Node B直接出STM-1接口承载ATM信元，RNC侧提供相对应的STM-1接口。该方案的优点是在3G业务迅速增长时系统升级方便；在接入层就可以实现ATM的统计复用，带宽利用率高。但由于RNC需要提供大量的STM-1(ATM)接口，这样，3G网络的初期建设将会显著增加成本的投入，因此，该方案只适合业务量很大的局部地域。在更多时候，我们建议Node B出IMA N*E1接口，通过Backhaul设备复用为STM-1，再与RNC相连。
          Node B侧的CX与RNC侧的CX之间采用TDM PWE3（Pseudo Wire Emulation Edge-to-Edge）实现各种数据帧在以太网城域网上的传送（由于TDM电路仿真业务是对TDM物理传输方式的仿真，不感知E1内传输的实际业务，对于E1承载的DDN业务，FR业务以及ATM业务都可以通过TDM电路仿真的方式进行业务透传）。
          在2006年巴塞罗拉3GSM大会上，华为公司率先提出了Iub IP传输解决方案并进行了基于IP传输的3G业务展示。这是一种真正的IP RAN方案，组网模型如下图所示。

图四：IP RAN解决方案示意图

          此方案中，Node B直接支持IP传输接口（FE接口），Backhaul通过华为公司的MSP CX200/300（Metro Services Platform CX200/300）组建。
          时钟方案以同步以太网方案为主。Backhaul采用环行结构，可以通过CX200/300组成多个RPR或者RRPP环网。结合设备本身丰富的安全可靠性机制，此方案的可靠性将非常高。

    2G/3G 与固网融合IP Backhaul解决方案

图五：2G/3G/固网融合IP Backhaul解决方案示意图

          利用高带宽RPR技术和CX设备丰富的业务接口，混合接入基站、MSAN (Multi-Service Access Node)、AG（Access Gateway）设备：通过VPN技术隔离（VLAN/QINQ/MPLS L2 VPN）。此方案即可满足2G/3G基站接入要求，同时还可以快速实现大客户宽带接入、VPN互联接入、视频监控系统接入、中小企业接入、未来宽带驻地网的接入，减少运营商前期的设备投资和管理成本。
          当然，如果前期已经使用了很多华为公司的中低端路由器的话（比如AR系列、NE系列路由器），也可以与CX设备混合组网或者单独组建IP Backhaul，但时钟只能通过自适应恢复技术实现同步。
华为IP Backhaul方案给运营商的好处
          首先，基于IP设备的电信级时钟解决方案，突破了对老的传输技术的最后的依赖，加快了3G R5/R6的部署，为更好更快的开展3G网络运营赢得了时间。
          其次，移动、固网在接入层可以共用一个传输网，降低了成本和运维压力，增加了运营商获得高运营利润的可能性。
          另外，完善的可靠性策略和MPLS技术的使用充分保障最终客户的3G体验，提高运营商的客户满意度。