LTE中承载网络的规划设计毕业论文.docx
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LTE中承载网络的规划设计毕业论文
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摘要
随着移动互联网业务的不断发展和LTE技术的发展成熟,LTE己在全球各地商用。
电信业务也由以语音为主的窄带业务向语音、数据和视频等多媒体宽带业务方向发展。
近年来,以互联网、大数据、云计算为代表的新一代信息通信技术的出现,使得整个移动通信产业呈现了前所未有的创新速度和变革深度,网络速率不断提升,新技术和新业务不断产生,同时也引起网络流量的激增,高带宽通信成为了人们的迫切需要。
只有突破带宽“瓶颈”,才能够使整个网络发挥更为有效的作用,并且有效地推动业务发展。
目前多数LTE基站由PTN承载,建设成本较高,网络部署复杂。
并且由于LTE的广覆盖、高带宽的特点,对承载网也提出了更高的要求。
在本文中我们将探讨使用一种新的方式承载或者与PTN共同承载,以保证带宽和通信质量的前提下降低建设成本,并通过测试验证承载的可能性。
本文首先从研究背景出发,介绍了PON技术的的现状,分析GPON原理和关键技术,并对GPON技术和EPON技术进行比较。
然后根据现网情况,在某地进行了小规模的GPON承载LTE测试,并对PTN承载和GPON承载两种方式进行了对比。
根据所得的各项参数,综合考虑GPON的优点和缺点,得出了一种合适的承载方案,即GPON技术可作为LTE承载网的补充技术,用于PTN传输资源暂时未到位的阶段。
与此同时,在实际测试中我们发现当网络拥塞时,低优先级业务往往受到较大的影响,网络时延明显提高,为了改善此类情况,本文也提出一个改进的动态带宽分配算法。
该算法对目前最具有代表性的一种GPONDBA算法进行了改进,并利用OPNET软件建立了系统仿真模型进行了仿真。
从仿真结果来看,改进后的算法有效地减小了传输时延,并且能够满足ITU-T所要求的业务传输时延。
关键词:
LTE;承载网络;规划设计
Abstract
WiththecontinuousdevelopmentofmobileInternetbusinessandthedevelopmentofLTEtechnologymature,LTEcommercialaroundtheworld.Telecombusinessalsobynarrowbandbusinessisgivenprioritytowithvoicetovoice,dataandvideoandothermultimediabroadbandbusinessdirection.Inrecentyears,representedbytheInternet,cloudcomputing,bigdataoftheemergenceofanewgenerationofinformationandcommunicationtechnology,mobilecommunicationindustrymakesthewholepresentstheunprecedentedinnovationspeedanddepthofthechange,thenetworkspeed,continuouslyproducenewtechnologyandnewbusiness,butalsocausesasurgeofnetworktraffic,highbandwidthcommunicationsbecometheurgentneedsofthepeople.Onlybreakthroughbandwidth"bottleneck",canmakewholenetworkplaytotheroleofthemoreeffective,andeffectivelypromotingthedevelopmentofthebusiness.Mostoftoday'sLTEbasestationbuiltbyPTNbearing,highcost,complexnetworkdeployment.AndbecausetheLTEthecharacteristicsofwidecoverage,highbandwidth,alsoputforwardhigherrequirementsforbearingnetwork.Inthisarticlewewillexploretheuseofanewwayofbearingorbearing,togetherwiththePTNinplacetoensurethatthebandwidthandthecommunicationqualityunderthepremiseofreducingconstructioncost,andbymeasuringtestcertificatebearingpossibility.Thisarticlefirstembarksfromtheresearchbackground,thispaperintroducesthepresentsituationofPONtechnology,analysisGPONprincipleandkeytechnology,andcarriesonthecomparisontoEPONandGPONtechnology.Thenaccordingtothecurrentnetworksituation,somewhereinthesmall-scaleGPONcarryingLTEtest,andonthebearingandGPONPTNcarryingtwowayswerecompared.Accordingtotheobtainedparameters,consideringtheadvantagesanddisadvantagesofGPON,foundasuitablecarryingscheme,namelytheGPONtechnologycanbeusedtosupplementtheLTEbearingnetworktechnology,usedinPTNtransportresourcestemporarilynotinplace.Atthesametime,intheactualtestwefoundthatwhenthenetworkcongestion,lowprioritybusinesstendtobelarger,theinfluenceofnetworktimedelay,inordertoimprovethiskindofsituation,thisarticlealsoputsforwardanimproveddynamicbandwidthallocationalgorithmisproposed.ThealgorithmofthemostrepresentativeofaGPONDBAalgorithmisimproved,andthesystemsimulationmodelwasestablishedbasedonOPNETsoftwarewassimulated.Fromtheimitationofrealresults,theimprovedalgorithmeffectivelyreducesthetransmissiondelay,andcansatisfytherequiredbytheITU-Tbusinesslosetimedelay.
Keywords:
LTE;Hostednetwork;Planninganddesign
1序言
21世纪以来,电信业务己由以语音为主的窄带业务向语音、数据和视频等多媒体宽带业务方向发展,给人们的生活带来了巨大的影响。
近年来,人们在移动端的高带宽业务需求也呈爆炸式增长,比如视频点播、在线学习以及互动游戏等。
只有打破接入部分的带宽限制,才能够推动业务发展,使整个网络发挥更大的作用。
所以,运营商努力的共同方向是为用户提供更快、更宽和交互式业务的传输通道。
近几年LTE(LongTermEvolution)发展迅速,以中国移动为例,截止2014年底,全国己有70万个基站,而2015年将继续新建基站,预计总数将达100万个。
目前我国电信运营商最重要的两大基础业务是移动通信和固网宽带,在电信网络IP化、宽带化和技术融合的大背景下,移动宽带服务推动移动通信迅猛发展,也对承载网络提出了更高的要求。
同时,网络灵活性和业务接入带宽的需求也在不断增加,以WCMDA网络为例,移动回传网络的实际接入带宽己从2G时代的2Mbit/s,经过3G发展初期的15Mbit/s,提高到3G成熟期HSPA+业务的28Mbit/s,LTE的基站物理接口将会达到GE,实际业务带宽有可能达到300Mbit/s以上。
PON技术在多业务接入方面有很大的优势,其网络部署方便、快捷。
面对目前移动接入网IP化及业务需求多样化,GPON技术可以承载多个业务接入,具备的众多优点使得其满足承载LTE的相关参数要求,从理论上来说完全可以实现。
目前大多数LTE基站由PTN承载,考虑到建设成本较高,以及网络部署复杂,特别是在一些乡村或者人口不是十分密集的区域,我们尝试使用一种新的方式承载或者与PTN共同承载,在保证带宽和通信质量的前提下降低网络建设和维护成本。
2LTE承载网特点分析
2.1扁平化的网络结构
相对于GSM/TD-SCDMA,LTE网络架构发生了显著的变化:
整个无线网络由eNodeB和SGW/MME两部分构成,网络趋于扁平化;原RNC/BSC消失,其功能分解到eNodeB和SGW/MME上。
S1-Flex作为eNodeB与不同SGW/MME之间的接口,X2作为相邻eNodeB之间的接口,网络由“点到点”演变成为“多点到多点”的架构,基站承载网在核心层引入静态L3能力以实现LTE流量的疏导。
2.2更高带宽、更大规模
LTE初期基站平均带宽达到120M左右,峰值带宽超过300M,理论峰值可以达到450M,下表即是2011年中国移动LTE试点的基站带宽规划。
同时,LTE站平均间距在600~800米左右,较TD-SCDMA站间距大幅缩小,基站逐渐实现深度覆盖,网络节点数比现有节点数将成倍增长,大网时代来临。
2.3更高的QoS要求
由于LTE带宽大幅提升,为支持越来越多的业务种类提供了基础,因此LTE对业务服务质量QoS进行严格分类定义(如下表),分别对应承载网的不同优先级和时延:
不仅如此,为了满足LTE的高呼通率和服务质量要求,承载网络必须保证低时延,比GSM/TD-SCDMA时的要求更加严格,其中S1逻辑连接的承载时延理论值为5~10ms,X2连接的承载时延理论值为10~20ms。
2.4严格的时间同步
为保证对时钟要求较高的业务(如eMBMS、位置定位等)的服务质量,降低基站密度大导致的干扰,LTE需要承载网提供更为严格的时间同步机制,时间同步精度要求为±1.5us。
3LTE承载网网络规划设计
3.1LTE网络架构的背景
当前,全球无线通信正呈现出移动化、宽带化和IP化的趋势,移动通信行业的竞争极为激烈。
在现有技术还没有大规模商用之前,一些无线宽带接入技术也开始提供部分的移动功能,通过宽带移动化,试图进入移动通信市场。
为了维持在移动通信行业中的竞争力和主导地位,3GPP组织在2004年11月启动了长期演进过程LTE(LongTermEvolution)以实现3G技术向4G的平滑过渡。
3GPP计划的目标是:
更高的数据速率、更低的延时、改进的系统容量和覆盖范围以及较低的成本。
LTE对空口和接入网的技术指标包括:
(1)峰值数据速率,下行达到100Mbit/s,上行50Mbit/s。
(2)提高频谱效率(达到Release6的2~4倍)。
(3)接入网时延(用户平面UE-RNC-UE)时延不超过10ms。
(4)减小控制平面时延,UE从待机状态到开始传输数据时延不超过100ms(不包括下行寻呼时延)。
为了实现这一目标,除了要考虑空中接口技术的严禁之外,还需要考虑网络体系结构的改进。
对无线接入网网络架构的研究就是要找出最优的网络结构并考虑介入网内以及接入网与核心网之间的功能划分,以期望实现更高的数据速率、更低的时延。
3.2LTE承载网网络规划设计
华为PTNLTE承载解决方案采用L2VPN+L3VPN(静态)组网,即在接入汇聚层仍采用L2VPN技术,与TD-SCDMA承载业务模型完全一致,对GSM、TD-SCDMA、LTE业务进行分流,不做任何变动,保持了PTN原有网络的运维习惯。
在核心层部署支持静态L3的大容量PTN设备,构成跨机房L3VPN调度网,先终结L2再进入L3,实现IP转发,如下所示:
LTE业务流向:
对于S1接口流量,通过接入汇聚层的管道送到核心PTN设备,核心PTN设备再通过L3VPN转发到相应的SGW/MME(包括本地的和远端的)。
对于X2接口流量,先通过接入汇聚层的管道送到核心PTN设备,核心PTN再通过L3VPN转发到接入汇聚层的管道,向下传送到目的基站。
网络组网:
接入层在初期可以采用GE环,在GE环不能满足带宽要求时可以采用叠加GE环、裂环或者直接部署10GE环的方式来解决。
汇聚层初期可以采用PTN10GE组环,未来可采用40GE组环,或者通过OTN下移至汇聚层与PTN配合,实现海量带宽承载。
核心层可采用支持静态L3的大容量设备组网。
网络QoS:
LTE网络通过端到端、层次化的QoS部署,保证业务传送的高质量。
层次化QoS实现带宽控制、流量整形和调度策略配置等功能,能够对基站的不同业务区分调度和实现差异化服务。
时间同步:
1588v2方案采用带内方式,即通过业务口同路径传送时间信息。
时钟源从核心层PTN引入,中间网络设备采用逐跳BC模型组网,接入点通过业务口或1PPS+ToD与基站对接。
针对1588V2,配置环网自动测量补偿功能,解决光纤故障重新测量问题,节省人力成本。
网络可靠性:
为满足不同场景需要,LTE网络需要支持APS、VRRP、VPNFRR等多种保护方式,此外,为解决多点故障带来业务中断的隐患,提升网络可靠性,还需要部署环网保护技术。
全环层环网保护方案采用独立的逻辑环通道以及华为独有的相交环专利两大核心技术,使保护场景更丰富,保护性能更高,保护配置更简单。
华为是目前业界唯一支持多环相交场景下实现环网保护的厂家。
网络运维:
PTN静态L3方案继承并发展了现网的OAM和保护机制,延续了PTN端到端的维护方式,无论从拓扑、资源、业务配置等都可以做到完全端到端的可视管理,并且和原有传输设备在同一套网管中管理,维护界面统一,易用性高。
3.3LTE网络架构的需求
(1)单一网络结构。
(2)基于分组业务的网络架构,支持实时以及会话类业务。
(3)尽可能不通过增加额外的回程开销,最小化“单点失败(singlepointsoffailure)”的出现机会。
(4)尽可能简化和最小化引入的接口数目。
(5)如果需要提高系统性能,不排除无线网络层(RNL)与传输网络层之间的交互。
(6)支持端到端的QoS。
传输网络层向无线网络层提供适当的QoS。
(7)QoS机制需要考虑存在的多种业务类型,保证有效的带宽使用率:
控制平面业务,用户平面业务,以及Q&M业务。
(8)最小化时延抖动,比如针对分组通信的TCP/IP。
3.4LTE网络整体结构
LTE采用扁平化、IP化得网络结构,E-UTRAN用E-NodeB替代原有的RNC-NodeB结构,各网络节点之间的接口使用IP传输,通过IMS承载综合业务,原UTRAN的CS域业务均可由LTE网络的PS域承载。
其中,E-UTRAN由eNB构成;EPC(EvolvedPacketCore)由MME(MobilityManagementEntity),S-GW(ServingGateway)以及P-GW(PDNGateway)构成。
相对UMTS得网络结构而言,LTE网络结构进行了大幅度简化。
4保证LTE承载网可靠性
4.1可靠性概述
电信级运营网络对可靠性需求可分为三个层面:
设备可靠性、网络可靠性和业务可靠性。
在承载网中,网络和设备的可用性要求达到99.999%(这相当于设备在一年的连续运行中,因各种可能原因造成停机维护的时间少于5分钟),高可靠性是电信运营商网络建设和网络运营的基本要求。
在网络架构不断演进中可靠性的要求一直贯穿其中,可以说可靠性是网络的必备特性。
可靠性保证网络发生故障时以最快的速度进行保护倒换,使得运营商的损失降到最低。
LTE承载网定位于综合承载,实现2G、3G、LTE移动业务、固定业务的综合接入,业务的多样化使得网络承载技术变得错综复杂,对网络的高可靠性要求成为必然。
如上图所示,在LTE阶段,承载网络架构发生了很大变化。
由于EPC高置,即EPC只部署在省会或者大型城市,使得基站和EPC之间的承载网络需要跨越回传+Core两层网络。
LTE业务对时延要求更加严格,对于LTE承载网来说,无法控制无线侧和核心网侧的时延,只能控制承载网络的时延,如何保证LTE业务时延满足要求关系到LTE业务是否能够正常运营,可靠性部署势在必行。
如上图所示,对于应用层来说,TCP的滑动窗口和其三次握手接收数据确认机制,导致TCP连接的吞吐量与端到端时延成反比。
当TCP传输路径发生故障时,TCP启用重传机制,如果长时间得不到倒换路径,会导致连接中断。
LTE时代数据业务激增,网络设备提供的端口从GE到10GE、100GE不断增加,当数据速率到Gbit数量级时,长时间不能切换代表着大量数据的丢失,对于语音、视频等业务来说,这几乎是致命的。
可靠性技术可以保证在最短时间内切换到保护路径,不会出现连接中断的情况。
这对于运营商来说,无疑是保证用户体验的必然选择。
可靠性技术可以分为快速检测和保护倒换技术两个方面来进行部署,二者相辅相成共同为网络高可靠性提供保证。
4.1.1快速检测技术
网络设备一个越来越重要的特征是,要求对相邻系统之间通信故障进行快速检测,保证出现故障时可以更快的建立起替代通道或倒换到其他链路。
目前,一些硬件如SDH等可以提供这个功能,但是对于很多硬件或者软件无法提供这个功能,比如以太网。
还有一些无法实现路径检测,比如转发引擎或者接口等,因此无法实现端到端的检测。
目前的网络一般采用慢Hello机制,尤其是路由协议在没有硬件帮助下,检测时间会很长(例如:
OSPF需要2秒的检测时间,ISIS需要1秒的检测时间)。
这对某些应用来说时间太长了,当数据速率到Gbit数量级时,缺陷感应时间长代表着大量数据的丢失,并且对于不运行路由协议的节点没有办法检测链路的状态。
同时,在现有的IP网络中并不具备秒以下的间歇性故障修复功能,而传统路由架构在对实时应用(如语音)进行准确故障检测方面能力有限。
快速检测技术的出现解决了上述问题,典型的快速检测技术包括BFD、EthOAM、MPLSOAM等。
这些快速检测技术通过相邻设备间ms级进行检测报文的发送和接收,当到达配置的间隔收不到对端的报文时即上报故障,通知设备进行相应的协议倒换。
4.1.2保护倒换技术
网络设备通过快速检测技术检测到故障后,配合保护倒换技术进行相应协议的倒换。
保护倒换技术即在事先建立好备用通道供设备进行倒换,针对不同的承载技术需要部署相应的保护倒换技术。
针对LTE网络,保护倒换技术按照业务部署可以分类为L2VPN类、L3VPN类、网关类、链路类保护倒换技术。
L2VPN类保护倒换技术主要是PW冗余,L3VPN类保护倒换技术主要是VPNFRR,网关类保护保护技术为E-VRRP,链路类保护倒换技术包括LDPFRR、混合FRR、TEFRR和TEHSB。
4.2LTE承载网可靠性技术
下面的章节将针对中国电信和中国联通在LTE承载网建设中涉及到的可靠性技术进一步进行详细介绍。
4.2.1中国电信LTE承载网可靠性技术
中国电信在建设IPRAN网络时,主流场景是依托于现有的城域网进行建设,也存在端到端新建的IPRAN网络。
在演进到LTE承载组网时,没有EPC机房的地市需要向上跨过CN2到省会或者大区城市EPC机房进行业务落地。
中国电信的LTE承载网架构和承载方式如上图所示,本地网仍然采用IPRAN的承载方式(即PW+L3VPN),只是非省会城市需要途径CN2省干网络到省会或者大区的EPC机房落地业务。
为了叙述方便,拓扑图简化如下:
对于省会或者大区城市(EPC所在地),RANER直接上联至EPCCE设备即可;对于非省会城市(没有EPC),RANER设备需要和CN2的本地落地PE设备相连,由CN2调度到EPCCE设备然后到EPC进行业务落地。
PW+L3VPN方案的设计理念为接入层通过一种技术PW实现所有业务的接入,降低接入层的维护复杂度,以及维护人员的技能要求,到达汇聚路由器后再进入L3VPN转发。
对于省会或者大区城市(EPC所在地),业务承载如下图所示:
如上图所示,接入层建立二层管道PW,汇聚路由器以上起L3VPN,通过内部环回接口实现PW与L3VPN的桥接。
通常一个接入环会双挂两台汇聚路由器,汇聚路由器作为基站的三层网关,此时需要为两台汇聚路由器三层内部环回接口设置相同的MAC和IP,实现双网关保护。
PW+L3VPN同时采用二层PW及三层VPN技术,相应的保护方案也是两种技术保护方案的组合。
按照保护模式可以分为隧道保护、业务保护及网关保护三类:
1)隧道保护
用于网络内部链路及节点故障,特征是保护倒换前后业务源宿节点不变,相应的保护技术为LDP快速收敛、LSP1:
1、TEFRR,检测技术为BFDforIGP/LSP。
2)业务保护
用于汇聚路由器、RANER以及EPCCE节点故障,特征是保护前后业务源宿节点(包括PW与L3VPN的桥接点)发生变化,相应的保护技术为PWRedundancy和VPNFRR,检测技术分别为BFDforPW和BFDforTunnel。
3)网关保护
用于EPCCE及EPC与EPCCE之间的链路故障,相应的保护技术为E-VRRP。
4.2.2中国联通LTE承载网可靠性技术
中国联通在建立IPRAN网络时,主流场景是端到端新建的IPRAN网络,也存在依托于现有的城域网进行建设。
中国联通的LTE承载网架构和承载方式如下图所示,本地网仍然采用IPRAN的承载方式(即HVPN),只是非省会城市需要途径联通B网省干到省会或者大区的EPC机房落地业务。
为了叙述方便,拓扑图简化如下:
HVPN(Hierarch
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