IP 城域网承载IP-RAN基站回传的现网研究

2011-06-11方鸣

电信科学 2011年1期

方鸣

（中国电信股份有限公司上海分公司上海200021）

1 引言

以中国电信股份有限公司cdma2000、中国联合网络通信集团有限公司WCDMA、中国移动通信集团公司TD-CDMA为代表的第3代移动通信技术（3G），其关键的技术要点在于高效信道编译码技术、软件无线电技术、智能天线技术、多用户检测和干扰消除技术、IMT-2000无线协议分层模型以及向全IP网过渡的趋势。

cdma2000系统的基站架构和无线核心侧架构2008年建网初期就已实现了IP化。目前有待落实的主要IP架构优化需求，一个是软交换NGN扁平化改造，另一个便是移动接入网的IP-RAN改造。本方案所讨论的重点在于IP-RAN的实施。

2 实施IP-RAN需要考虑的问题

2.1 组网基础

随着传统电信企业的业务转型，中国电信股份有限公司上海分公司（以下简称上海电信）IP城域网B平面2006年起开始建设，目前已承载IP-TV、NGN等电信重要业务。其核心建设在康健和控江，设备类型为Juniper和Cisco的多机框高端路由器，支持TB级转发及GE、10GE、POS 10G等丰富的中继端口，并能有效支持40Gbit/s及100GE的发展。

2.2 业务需求估算

·估算分组域流量趋势。以多项式函数预估，2010年12月上海CDMA网数据业务流量将达到3000Mbit/s，2011年12月将达到12 000 Mbit/s，2012年12月将达到20000Mbit/s，2013年12月将达到32000Mbit/s，2014年12月将达到500 000 Mbit/s。

·估算电路域流量趋势（由于缺乏直接数据，引用以64 kbit/s单路话务为模型的固网软交换数据）。2010年8月，IP城域网所承载的NGN业务流量月内日峰值平均为输入4 344 Mbit/s/输出5 717 Mbit/s。由此，估算无线话务IP化后的流量在5～10 Gbit/s。

·两者合计。预期2011—2012年IP-RAN所承载的分组域流量20 Gbit/s，电路域流量10 Gbit/s，合计流量约30 Gbit/s，IP城域网B平面现有100 Gbit/s的轻载带宽余量完全能够满足相关业务需求。

2.3 基站与IP-RAN的连接

目前包括Alcatel和Huawei两家cdma2000基站生产厂商在内，IP-RAN化改造后的基站都只提供10-100Base-T电口的输出。5～10千米级以上的以太传输，需要将基站输出的电信号转换为光信号，以连接至IP-RAN承载网的接入层。基于以下因素，不建议采用基站侧采用光电转换器的模式，而宜选择电信级Ethernet交换机或具备Ethernet接口的电信级路由器。

·以太交换机和以太路由器支持SNMP及SYSLOG网管功能，可以实现由基站侧至无线核心侧的IP-RAN端到端管理。

·支持802.1Q，帮助基站实现1x、Ev-Do的业务分离；支持IP-QoS和COS，帮助基站实现不同类型业务流的服务等级划分；支持BFD协议，加速IP层面的业务切换。

·目前电信级以太交换机支持8～16个10～100 Mbit/s业务口及GE中继口的能力，一方面可以通过VLAN划分提供4个1x口和4个Ev-Do口，满足目前4扇区的业务需求；另一方面，在逻辑结构不变的情况下，通过更换GE光模块能够迅速将基站升级到1 000 Mbit/s连接IP-RAN的能力，足以满足今后LTE的业务需求。

3 技术可行性方案

根据上海电信研究院的研究结果以及全国各省IP-RAN试验网组建的经验，结合目前 Alcatel、Cisco、Huawei等几家厂商产品及方案的交流结果以及IP城域网现状，就 L3（包括 L2/L3组合）模式的 IP城域网 IP-RAN承载组网，提出以下两个推荐方案：框架方案-1（IP-GW网关由端局L3汇聚路由交换机终结的方案）以及框架方案-2（IP-GW网关由基站L2延伸至IP城域网SR终结的方案）。

3.1 框架方案-1

框架方案-1的技术关键点在于基站的IP-GW网关终结于端局L3汇聚路由交换机。基站与IP城域网L3汇聚路由交换机之间通过光纤延伸，L3汇聚路由交换机与SR之间通过IP动态路由+BFD实现保护，经IP路由实现基站与CDMA核心网网元的互通。框架方案-1的物理连接结构如图1所示。

基站为标准的IP架构。基站与IP-GW网关的连接为标准的ARP协议，普通基站的IP-GW网关终结在端局L3汇聚交换机上，A类基站IP-GW就近终结在基站路由器上。

端局L3汇聚交换机上启用管理、1x、Ev-Do 3个VPN，通过Option-A模式连接IP城域网SR。SR与L3汇聚交换机之间选用OSPF协议，获取基站的路由信息，并向L3汇聚交换机提供一条动态带保护的缺省路由。OSPF区域终结在IP城域网SR上，由SR将管理、1x、Ev-Do 3个VPN的OSPF路由转换为VPNv4路由，通过MP-BGP通告给无线网络核心SR。以1组两台SR连接一个区域30台汇聚交换机，300～400个基站计算，每个 SR上有管理、1x、Ev-Do 3个VPN，每个VPN一个OSPF进程，每个进程的OSPF节点数量30个，路由数300～400个。因此，每台SR总计新增3个OSPF进程，90个OSPF节点，900～1 200条路由。端局L3汇聚交换机与IP城域网SR之间OSPF协议的保护切换时间可以优化至300 ms以内；增加BFD支持后，保护切换时延可以缩短到150 ms（50 ms检测，3次后切换）；现有厂商可承诺的BFD最大化效果为10 ms检测，由此可以将保护切换缩短到30～50 ms（10 ms检测，3～5次后切换）。

IP城域网7750 SR之间启动了LDP+MP-BGP+FRR的协议，保护切换时间为50 ms。

IP城域网7750 SR与无线核心7750 SR之间通过标准IPv4-eBGP协议互联，将城域网内基站路由信息（1x、Ev-Do分别3 000条）通告给无线核心7750 SR。BGP协议保护切换时间为3 s（1 s检测，3次切换）；增加BFD支持后，保护切换时延可以缩短到150 ms（50 ms检测，3次后切换）；目前两侧的 SR都为 7750，Alcatel厂商承诺在7750的8.0软件版本上支持BFD的10 ms检测功能，由此可以将保护切换缩短到30～50 ms（10 ms检测，5次后切换）。另外，通过双RD的架构可以确保同一IP路由在2条冗余保护路径上的同时有效性。

由基站至CDMA核心的逻辑结构，如图2所示。OSPF（open shortest path first）协议的参数参考IETF RFC2328[1]标准文档；MP-BGP协议的功能参考IETF RFC2858[2]标准文档并引入RFC3107[3]关于BGP边界路由协议携带MPLS标签的定义；LDP标签分发协议的功能引用IETF RFC3037的规范[4]。

支持框架方案-1的主要厂商参见表1。

图1 IP-RAN的IP城域网承载框架性方案-1

图2 框架性方案-1逻辑结构

表1 框架方案1的厂商支持

3.2 框架方案-2

框架方案-2的技术关键点在于通过L2 VLL以太虚拟专线技术将基站连接至IP城域网SR，IP-GW网关终结于SR上。基站与IP城域网端局CE之间通过光纤延伸，端局CE与IP城域网SR之间通过VLL延伸并实现伪线级的保护，经IP路由实现基站与CDMA核心网网元的互通。框架方案-2的物理连接结构如图3所示。

考虑到现网使用Alcatel SR的现状，框架方案-2的逻辑结构又由此产生两个分支。参见基于图4的说明。

3.2.1 MPLS PW伪线保护模式

基站为标准的IP架构。基站与IP-GW网关的连接为标准的ARP协议，IP-GW网关终结在IP-城域网的SR 7750上。基站通过ARP获取SR的MAC地址，从而进行Ethernet的二层转发。

普通基站侧的基站交换机仅提供二层转发功能。由端局CE至IP城域网2台7750 SR之间建立主备各1条VLL PW伪线；A类基站则由基站路由器直接与IP城域网2台7750 SR之间建立主备各1条VLL PW伪线。

在IP城域网7750 SR上，可以直接终结单个基站的IP-GW；也可以先用VPLS汇聚多个基站的VLL PW伪线，然后再以VPLS为单位终结IP-GW。后一种情况下，多个基站将共享1个IP-GW网关。

在端局CE至SR的PW保护方式上，各厂商又提出了不同的意见。由于上海电信IP城域网的SR已确定为Alcatel 7750，基于端局CE的选型，如非Alcatel厂商则更为推荐VLL层面的PW Redundancy，由端局CE侧发起切换；而Alcatel厂商则进一步推荐VLL层面PW先在7750上通过VPLS进行汇聚，然后以VPLS实现PW Redundancy的模式。两种方式引用的技术原理类似，实践上VLL层面的PW Redundancy结构更简单，但IP层的地址消耗数量较多；VPLS层面的PW Redundancy结构复杂，但IP层可以使用大段网段地址汇总。

上述，Pseudowire(PW)的实现引用IETF RFC3916[5]标准定义的设备，并建立以IETF RFC3985[6]标准模式下的PWE3伪线业务。

图3 IP-RAN的IP城域网承载框架性方案-2

图4 框架性方案-2逻辑结构

3.2.2 multic-chassic LAG保护模式

端局CE与IP城域网SR或延伸交换机之间建立MC-LG的GE中继跨机框捆绑，从而实现端局CE上联IP城域网两个局点SR的保护。通过VRRP网关保护协议实现IP层面的冗余保护。

普通基站侧的基站交换机仅提供二层转发功能，市区范围内建议充分利用。A类基站则由基站路由器直接与IP城域网2台7750 SR之间建立主备各1条VLL PW伪线。郊县范围内采用非Alcatel由端局CE至IP城域网两台7450之间建立2路GE的MC-LAG捆绑。在IP城域网7750 SR上，可以直接终结单个基站的IP-GW，也可以先用VPLS汇聚多个基站的VLL PW伪线，然后再以VPLS为单位终结IP-GW。后一种情况下，多个基站将共享1个IP-GW网关。

3.2.3 本方案的厂商支持

支持框架方案-2 的主要厂商是 Alcatel、Cisco、Huawei，各厂商都提出了可选用的设备类型。具体参见表2。

在现网选取了天等、罗香、百色东3个站点，分别采用不同厂商的IP-RAN数据设备。对应环境参见表3。

本次测试包括3个大项，分别对应3种不同的测试拓扑，参见图 5、6、7。

测试项目1比照框架方案-2，使用Alcatel 7450作为端局CE，使用Alcatel 7750作为SR，暂不采用基站侧设备，论证端局CE的可行性；测试项目2比照框架方案-1，采用Cisco C2941作为基站路由器，使用Alcatel 7450作为端局汇聚交换机，使用Alcatel 7750作为SR，论证框架1下A类基站可行性；测试方案3比照框架方案-2，采用Alcatel 7705作为基站路由器，使用Alcatel 7450作为端局CE，使用Alcatel 7750作为SR，论证框架1下A类基站可行性——上述3项现网测试都证明IP城域网能满足基站回传的要求。

表2 框架方案-2的厂商支持

表3 框架方案-2的厂商支持

图5 IPRAN Alcatel 7450接入切换测试

图6 IPRAN Cisco C2941接入切换测试

图7 IPRAN Alcatel 7705接入切换测试

在各类故障仿真测试中，IP承载网的自恢复能力能够确保基站与无线核心网之间的正常通信。现网测试后发现的疑点包括以下两点。

·Alcatel的BFD设置目前支持100 ms检测，300 ms切换；但在与不同厂商测试中，发现适配不佳的情况。BFD的实现对框架方案-1的效果影响较大，需督促不同厂商之间确保严格按照RFC标准落实BFD互通。

·CDMA核心网内目前已部署CE，IP-RAN承载网SR与CDMA核心网CE之间互联采用BGP+BFD的模式，线路中断情况下切换时间预期在5～10 s。基站与RNC之间通信中断但维持非断站状态的时间为15 s，理论上BGP+BFD可以确保非断站切换。但实测造成15 min断站。需督促CDMA设备提供商说明基站断站的原理，以便IP-RAN城域网配合。

5 研究小结

5.1 IP城域网是否满足IP-RAN承载

无论是技术分析、现网论证，都可以推定IP城域网可以满足基站回传的IP-RAN承载。使用MPLS技术、IP路由技术提供的IP-RAN承载具有以下优点：

·技术较为成熟，具有可靠的不同厂商互通性，应用上也有非常多的实际案例；

·支持包括 WAN （2 Mbit/s、155 Mbit/s、2.5 Gbit/s、10 Gbit/s、40 Gbit/s）、LAN（10～100 Mbit/s、GE、10GE、100GE）等丰富的端口类型支持，既能满足现有基站接入的需求，也能利用充沛的中继能力，满足今后LTE演进、CDMA+Wi-Fi整合的需求，IP统计复用的特性，确保资源利用率高于传统传输技术；

·网络结构的选择更为灵活，支持如点对点结构、环状结构、双归的神经网络结构等；

·IP技术实现自动成员加入，基站单点SITE完成配置后，全网连通性即可实现，大大缩短新站点的开通速率。

缺点在于：

·缺省的网管配置主要通过CLI，较为简陋；

·IP的 OAM主要基于IP层的 Ping、Trace等工具及基于SNMP、SYSLOG的采集告警机制，虽然更靠近最终应用，但参数和方式上较为简陋，需要引入第三方网管实现优化；

·IP网络故障情况下的切换时间较长，基于IP路由+BFD，可以实现150～200 ms的自动切换，在补充FRR技术的前提下，局部可以实现50 ms的自愈时间，在引入VRRP的情况下，切换时间增加到300 ms～1 s。

5.2 IP城域网承载IP-RAN为何方案繁多

目前，包括 Huawei、Alcatel、Cisco等诸多厂商提出了诸多IP城域网承载IP-RAN的方案，其中包括基于IP+MPLS的，也有基于IP+PTN的。然而究其本质，在于基站至IP核心网SR之间的延伸所选择的两个不同技术走向。

一个走向，是将IP SR小型化，进而将IP城域网的边缘接入层延伸至基站旁或传输资源充沛的端局局点；另一个走向，是在基站与IP承载网SR之间引入二层传送技术，实现Ethernet的延伸。而在第二走向上，受目前L2 Ethernet传送技术发展的影响，又衍生出以MPLS-TP为代表的PTN方案、以RFC3916为代表的PW伪线方案、RRPP（rapid ring protection protocal）为代表的以太环网技术，甚至也包括以 MSTP （multiple service transmit platform）over SDH为代表的传输方案。从上海这样一个地域有限、业务密集的大型城域网特征来看，实际上具备SR延伸至基站边缘或传输端局的能力，第二技术走向上在投资节省的优点并不明显；同时，IP的组网也具备逻辑简单、组网方式便捷的优势。因此，两个技术走向都可以成为上海电信的选择，再加上各厂商的技术导向不同、中长期后时钟/时间同步实现等需求，由此造成了多种方案并存的问题。

至于将IP-RAN的选择纠结于50 ms快速切换的确保上，先不提基站业务是否需要这样的高标准要求，至少也是只看树不看林的做法。IP-RAN的目标是实现基站回传的端到端IP化，单纯在局部段落上实现快速切换对整个业务实现意义太狭隘了。