TD-LTE回传网络和时间同步解决方案研究

1 引言

TD-LTE作为IMT-Advance主流技术之一，将使得移动网络真正进入移动宽带时代。相比现有2G，3G移动通信系统，TD-LTE对回传网络在高带宽、低时延、横向转发、时间同步地面传送等方面提出了更高要求。

●首先，带宽需求由2G/3G时期的几兆、几十兆发展到LTE时期的几百兆。

●其次，LTE需要提供灵活的QoS和更严格的端到端时延，根据3GPP规定，对时延要求最严格的实时游戏类业务，从用户终端到服务器的端到端单向时延为50ms，其间传输时延需要在10ms以内。

●第三，LTE引入了相邻基站间互联（X2接口）和基站多归属（S1-Flex）需求，导致回传网络由点到点的汇聚型网络转变为点到多点或多点到多点的路由型网络，现有2G/3G回传网络已无法满足这种横向转发需求。

●第四，TD-LTE空中接口需要高精度时间同步，要求不同小区间空口同步偏差不大于3?s，因此需要在TD-LTE回传网络中传送高精度的时间同步信号。

分组传送网（PTN）能够提供高效率的多业务承载，具备强大的保护，OAM和网管功能，灵活的统计复用和QoS能力，满足TD-LTE高带宽、低时延的要求，还可为TD-LTE系统提供精确时间和频率同步信息传送，因此中国移动已选择PTN作为TD-LTE回传主要解决方案。另一方面，TD-LTE时期，OTN设备可能逐渐下沉至城域汇聚机房，需进一步推进OTN支持1588v2时间同步技术，实现OTN+PTN的时间同步地面传送组网。

本文面向TD-LTE回传网络需求，提出了各项关键问题解决方案：

●首先，为满足高带宽需求，提出PTN向更大容量、更高速率接口方向发展。

●其次，为满足横向转发的需求，PTN提供核心层增强L3功能和核心层对接CE路由器两种解决方案。

●第三，为满足TD-LTE回传组网需求，提出PTN在业务，OAM，保护，QoS和同步实现全面互通。

●第四，为满足高精度时间同步的需求，提出OTN和PTN共同组网提供时间同步地面传送方案。中国移动已在以上4方面开展了大量的研究、测试和试点工作。

2 高速接口PTN引入分析

TD-LTE时期假设每基站保证带宽和峰值带宽分别为120M和450M，每接入环6节点、每汇聚环6节点，每汇聚节点带6个接入环，则汇聚环带宽总需求为6×6×（6×120M+330M）=37.8G，现有10GE接口速率PTN无法满足需求。对于40G/100G接口技术，可从标准、产品成熟度和成本三方面衡量其成熟度。

●在国际标准方面

2010年6月，针对40G/100G以太网技术的IEEE 802.3ba标准获得IEEE通过，该标准规定了4×40GBased LR4即40G传输10km的具体要求，4×100GBased-ER4和4×100GBased-LR4即100G传输40km和10km的具体要求，对于40G传输40km的标准，暂时没有相应的国际标准规范。据悉，多个单位均在着力推进4×40GBased ER4即40G传输40km的国际标准。

●在产品成熟度方面

40GE推出时间普遍要早于100GE，主要原因是在芯片、光模块、系统架构等方面，40GE较100GE更易于实现。

●在成本方面

100GE接口价格需等一个较长周期后才能成为市场接受的价格。此外，在具体考虑影响40G/100G应用的因素时，还需要着眼于网络的全局，除了传输网络设备外，还有客户端设备、核心网设备等，同时要考虑对现有网络的兼容性。

鉴于以上分析，40G系统可满足TD-LTE初期汇聚层带宽需求，且近期100G系统技术成熟度较低、成本较高，因此初步建议下一代大容量PTN设备首先引入40G接口。

目前，PTN设备40G接口技术主要有3种，即4×10GE端口聚合，40GE（并联、串联）和40G OTU3方式。4×10GE端口聚合方式从原理上就决定了无法提供理想的速率倍增，并且消耗光纤资源；40G OTU3方式价格偏高，与OTN下沉至汇聚层方案相比，优势不大；而40GE方式在以太网功能、传输距离、成本方面具有一定优势。综合考虑，40GE接口更易于与低速率PTN设备组网，且成本较低，当前应推动40km传输标准和技术成熟。

3 基于PTN的TD-LTE回传方案

为满足LTE时期相邻基站间X2接口互联和基站多归属（S1-Flex）的需求，PTN提供了核心层增强L3功能（PTN L3）和核心层对接CE路由器两种解决方案，核心层增强L3功能的方案中由PTN完成横向流量的转发，核心层对接CE路由器的方案由CE路由器完成横向流量的转发。3.1 核心层PTN增强L3功能技术方案L3 PTN实现TD-LTE回传组网图1所示。L3 PTN方案中，PTN汇聚接入设备仍沿用现有的L2网络，仅在核心设备引入简化L3功能，通过静态L3 VPN承载S1和X2业务。

图1　核心层PTN增强L3方案承载TD-LTE组网示意图

PTN核心设备引入的L3功能包括L2~L3的桥接功能和静态L3路由功能。L2~L3桥接功能是指PTN设备终结L2 PW，并通过IP地址网段划分，对相同网段内的PW进行收敛，再通过静态L3 VPN方式进行L3路由转发。通常，处于L3 PTN网络与L2网络交界处的设备需要具备这种L2/L3桥接功能，包括与L2 PTN网络对接的L3 PTN设备和与客户侧核心网设备对接的L3 PTN设备。另外，静态L3路由功能可以由PTN隧道技术结合L3 VPN路由技术方式实现。

L3 PTN方案中较为重要的方案是保护机制和网元配置管理功能。保护机制方面，L2 PTN就具备灵活多样的保护机制，如1：1/1+1 LSP，环网，双归等保护，因此L3 PTN网络天然具有强大的保护机制，在原有L2保护基础上，结合L3保护方式如虚拟路由器冗余协议（VRRP）和VPN快速重路由（VPN FRR）等，提供抗多种故障场景的保护能力。

VRRP是L3网络中的一种IP主备网关的保护协议，一般设定一个虚拟IP地址作为默认IP网关，如果主用网关不可用，这个虚拟 IP 地址就会映射到一个备用网关，从而完成主备网关的互相保护。L3 PTN中VRRP的保护主要可分为以下两个场景：

●场景一：面向客户侧SGW/MME设备的主备网关保护

采用两端PTN设备与SGW/MME对接，并配置为主备网关，当 PTN设备失效和接入链路失效时，如图2（a）所示，主用网关将不可达，此时VRRP保护将默认网关IP映射为备用网关，而SGW/MME设备并不需要额外机制配合这种VRRP主备用网关切换。

图2　L3 PTN VRRP保护示意图

●场景二：面向基站侧的主备网关保护

如图2（b）所示，采用汇聚到核心双挂的方式，L2/L3桥接PTN面向eNB形成主备用网关。同样，当设备失效或接入链路失效时，启用VRRP保护将默认网关IP指向备用网关，基站侧也并不需要其他机制配合VRRP保护。

此外，L3 PTN网络中多种保护方式可相结合使用，VRRP可与双归和VPN FRR配合使用， VPN FRR也可与L2的线性、环网保护配合使用，保护机制多种多样，极大地提高了LTE回传网络的安全性。

在网元管理配置方面，由于L3 PTN网络采用静态L3 VPN路由方式，路由表配置是通过网管配置下发的，因此网管是L3 PTN的重要功能。L3 PTN在继承了L2 PTN的图形化、易操作的网管的基础上，在配置、故障、性能管理三大部分增加了L3相应的功能。

配置管理中主要新增静态L3VPN业务的配置管理功能、VRRP和VPN FRR保护配置管理功能等。由于L3 VPN业务和路由配置量较大，可基于业务模板进行L3 VPN创建，并借由辅助工具实现端到端L3 VPN路由计算和路径建立，减少配置工作量。故障管理中主要新增支持L3保护的告警上报、定位功能，L2/L3桥接节点对L2/L3业务信息查询及告警上报功能；为了更好的继承PTN网络端到端的保护，对于L2和L3组合业务，网管还应该具有相关告警关联分析功能。此外，还需新增针对VRF的L3 VPN业务的实时流量监视及性能统计。

3.2 核心层PTN对接CE路由器技术方案

PTN+CE实现TD-LTE回传组网如图3所示。PTN+CE方案中，PTN的核心层、汇聚层和接入层设备都保持不变，通过二层方式将基站流量传输至CE路由器。PTN与CE之间通过交互以太报文互通。由CE路由器作为基站的网关，实现三层流量转发功能。

图3　PTN+CE方案承载TD-LTE组网示意图

采用PTN+CE方案，在PTN和CE之间有两种对接方式，分别是方式一PTN内部建立主备PW，和方式二PTN内部建立VPLS。采用方式一时，VRRP心跳报文运行在两台CE设备之间，为提高心跳报文链路可靠性，宜采用多链路捆绑方式实现。采用方式二时，VRRP心跳报文运行在PTN与CE互联的链路上。

4 PTN互通性研究

TD-LTE时期SGW单设备落地，使得PTN L3方案存在核心层PTN互通组网的需求，此外，为了保证服务和成本、增强网络开放性，各地市的PTN网络有可能采用两家或以上设备商产品组网，为实现承载业务的端到端管理，PTN也存在组网互通性需求。互通应用场景主要有分层互通和分域互通两种场景。PTN设备间互通主要包括业务，保护，OAM，QoS和同步5个层面的互通。

PTN互通模型主要有UNI（用户网络接口）互通模型和NNI（网络—网络接口）互通模型。UNI互通模型是指两端PTN设备通过业务适配模块进行互联，即业务接口互通（见图4），一端设备将MPLS-TP隧道进行PWE3解封装恢复业务报文后传送到另一端设备，另一端设备再将该业务进行PWE3封装后进入MPLS-TP隧道。NNI互通模型是指两端PTN设备通过线路适配模块进行互联，即网络/线路接口互通（见图5），两端设备直接实现MPLS-TP隧道对接。

图5　NNI互通模型

UNI互通模型对互通的每一端设备而言，对端设备可以看作是与基站、各类客户一样的客户侧设备，来自互通接口的是业务。因此，在PTN互通性研究中，NNI互通模型更为关键，也较难实现。

在业务，保护，OAM，QoS和同步5个层面互通要求中，业务互通是最基本的要求和前提，首先要保证业务能基于UNI接口和NNI接口进行互通。在此基础上，重点是实现保护互通和OAM互通，后文将分别加以分析。此外，PTN设备需支持DiffServ模式的端到端QoS，并采用一致的QoS优先级映射表实现DSCP，VLAN PRI，TC的相互映射。最后是实现频率和时间同步的互通，频率同步主要基于标准的同步以太网实现，时间同步采用IEEE 1588v2带内以太网方式或1PPS+TOD带外接口方式实现。

4.1 PTN保护互

通PTN可为基站和各类客户业务提供50ms端到端保护，保证网络的可靠性。PTN保护分为UNI接口保护和网络内保护，在互通时，UNI接口需要支持1+1/1：1 MSP保护互通（对于SDH接口）和LAG保护互通（对于以太网接口），PTN网络内需要支持MPLS-TP定义的1：1 LSP线性保护方式互通（基于NNI互通模型）。

由于ITU-T对于MPLS-TP的线性保护标准尚未完成，目前设备实现主要参考ITU-T G.8031以太网线性保护标准。PTN采用1：1线性保护方式时，在正常情况下，业务运行在工作路径上，在故障时期业务切换到保护路径上；当业务恢复以后，两个端节点PTN设备不立即将业务切换回切至工作路径，而是分别设置WTR定时器，等待WTR定时器结束后再回切。WTR主要作用是阻止由于间歇性故障而引起的频繁保护倒换操作。

中国移动在深圳TD-LTE规模试验网测试时发现，ITU-T标准对于1：1线性保护的WTR（等待恢复）状态处理机制的规定存在缺陷，导致PTN设备厂家实现有差异，在互通时保护倒换回切时间超标。由于两端PTN设备的WTR设置可能不一致或者设置一致但WTR结束时间存在瞬间差异，先结束WTR的一端立即返回至工作路径（即短超时方案），而此时对端设备WTR尚未结束、因而业务可能仍驻留在保护路径上（即长超时方案）。分别采用短超时和长超时方案的两个厂家在进行线性保护互通时，可能引起业务中断。

因此，对线性保护互通方案进行改进，建议采用长超时方案，并对于ITU-T标准中新定义“中间状态”不进行切换动作，使得先结束WTR一端可以等待对端WTR结束后再一起回切。该方案已被CCSA（中国通信标准化协会）国内标准和ITU-T国际标准采纳，主流厂家设备也已支持并通过测试。4.2 基于ITU-T G.8113.1的OAM机制互通PTN OAM主要为配合网管在设备上实现故障检测和快速定位、时延、丢包率等性能监测等功能，需要基于特定的OAM报文实现。PTN设备承载业务主要采用以太网接口，在UNI接口和NNI接口需支持多种OAM功能，如在UNI侧需实现基于IEEE 802.3ah标准和基于ITU-T Y.1731协议的以太网业务OAM功能，在NNI侧应遵循最新的ITU-T G.8113.1标准实现PTN网络层面的OAM互通（见表1）。

表1　采用G.8113.1的PTN OAM报文编码格式字段描述

为实现PTN网络内基于G.8113.1的OAM互通，中国移动提出对MPLS-TP OAM的报文封装字段进行统一要求，主要改进包括Ether Type，Channel Type，TC，TTL，MEL，Version等。相关内容已经被CCSA标准采纳。

5 OTN+PTN（L2/L3）时间同步传送组网

TDD系统的接收和发送工作在同一频段，这种技术能够大大提高频谱资源的利用率，但同时也需要各个基站小区保持高精度的时间同步，不然会造成严重的收发互相干扰的问题。实现时间同步，传统的解决方案是为每个基站配置GPS同步模块，但是GPS模块成本高，维护难，故障率高，而且有安全隐患，所以中国移动很早就开始布局1588 v2地面传送时钟同步的方式为TDD基站提供时间同步。当前，通过PTN网络来实现1588v2时钟信号的地面传送，为TD-SCDMA基站提供时间同步，已经广泛用于中国移动现网。

LTE回传网络引入了横向流量模型并且需要支持低时延的传送，这个需求推动PTN核心层设备需要具备L3的功能，能够实现根据IP地址转发LTE S1-Flex和X2业务。PTN核心层设备开通L3功能后支持时间同步的能力需要进行验证。

针对这些新需求，中国移动在深圳TD-LTE规模实验网中，分别进行了L3 PTN+L2 PTN联合组网场景以及OTN+PTN联合组网场景下传送时间同步的测试，测试的组网场景如图6所示。

图6　L3 PTN+L2 PTN联合组网以及OTN+PTN联合组网传送时间同步示意图

测试结果表明采用1588v2协议的L3 PTN+ L2 PTN联合组网以及OTN+PTN联合组网传送时间同步信号的系统可以很好地满足TD-LTE系统的要求。

6 结束语

LTE是未来高速移动通信系统的发展方向，其中的TD-LTE制式可以借助现有TD-SCMDA的产业优势，是中国移动的首选。中国移动面向TD-LTE对回传网络提出的新需求，研究和制定了一系列解决方案，并进行了相关测试和试点验证，包括推动PTN向更大容量、更高速率接口方向发展，并借助其统计复用、多业务承载、QoS能力，充分保证TD-LTE所需高带宽、低时延要求；借助PTN强大的保护和OAM能力以及增强L3功能或与CE路由器对接的方案，确保TD-LTE S1-Flex和X2接口转发需求；推动PTN全面互通，满足TD-LTE回传网络互通需求；推动OTN支持时间同步，提供OTN与PTN组网传送高精度时间同步，满足TD-LTE高精度时间同步的需求。随着LTE进程的不断推进，各项解决方案仍将进一步丰富完善，助力TD-LTE回传网络建设和应用。