3G移动基站回传：MSTP将会向PTN演进

         中移动2G基站回传现状：MSTP为主 
         移动通信业务一直以来都是运营商业务发展的重点，基站的无线回程(MobileBackhualing)的传输承载网络对于移动业务起着重要的支撑和保障作用。 
         目前在2G/2.xG移动通信网(GSM/GPRS/EDGE)中，中国移动为基站回传的语音和数据业务提供承载的主要是基于SDH的多业务传送平台——MSTP技术。其中，BTS基站一般使用2M的TDM接口，基站控制器BSC为2M或STM-1的TDM接口，MSC/GMSC则提供STM-N或2M的TDM接口，SGSN/GGSN提供STM-N的POS接口。对于局间中继业务，各节点业务量较大，业务颗粒一般为2M、155M、622M或FE/GE；对于BTS到BSC间业务，网络业务流向集中，各节点业务量小，业务颗粒主要为2M。 
         中国移动承载2G/2.xG基站回传业务的城域传送网在逻辑上可以分为三个层次：核心层、汇聚层和接入层，如图1所示。主干节点由交换局、关口局、长途局、数据中心节点组成，形成核心层；一般采用城域WDM或10G/2.5G的SDH设备组建环网(个别地区采用网状网)。汇聚节点由重要局站、数据汇聚点组成，形成汇聚层；以2.5G的SDH/MSTP设备为主，辅以少量的622M/155M的SDH/MSTP设备，组建环网(采用复用段保护方式)，环上节点个数一般为3～6个。接入节点由基站、社区宽带网业务及其他业务接入点组成，形成接入层；主要采用622M/155M的SDH/MSTP设备，辅以PDH、微波、3.5G或其他无线接入技术，主要组环网(一般采用通道保护方式)，根据接入光缆路由也可采用星型、树型或链型结构，目前MSTP环节点个数一般为6～15，个别地区可达到50个以上。 
         在过去，SDH以其可靠的传送承载能力、灵活的分插复用技术、强大的保护恢复功能、运营级的维护管理能力在中国移动塑造“精品网络”的过程中发挥了强有力的后盾作用。然而，MSTP的分组处理或IP化程度不够“彻底”，其IP化主要体现在用户接口(即表层分组化)，内核却仍然是电路交换(即内核电路化)。这就使得MSTP在承载IP分组业务时效率较低，并且无法适应以大量数据业务为主的3G和全业务时代的需要。随着TDM业务的相对萎缩及“全IP环境”的逐渐成熟，传送设备需要由现有“以TDM电路交换为内核”向“以IP分组交换为内核”演进。 
         移动3G基站回传的新挑战 
         3G基站回传的IP化传送需求 
         移动3G网络建设也是为了满足业务应用日益增长的带宽需求，无论是TD-SCDMA，还是WCDMA，3G系统都是为移动多媒体通信而设计的。各种业务都向IP化方向发展，同时新型业务也都是建立在IP基础上的，3G网络也不例外。 
         在移动通信领域，两个主要的第三代移动通信标准化组织3GPP和3GPP2都将第三代移动通信发展思路设定为全IP化架构。ITU认为，可以将IMT-2000重新定义为IMT-Internet Mobile/Multi media Telecommunications即“互联网移动/多媒体通信”。 
         在3G世界里，移动电话是个人的移动信息工具，是满足用户个性化需求的信息助手，用户可根据自己的需要自主选择信息、应用和服务内容。3G网络大大拓展了用户通信方式，为用户提供了更丰富的业务选择。如表1所示是3GPP定义的3G网络中的业务性能指标，可见语音、视频、多媒体业务对时延、抖动和丢包率都有严格的要求。由于3G网络能够提供的业务种类非常丰富，而且以多媒体业务为主，这必将打破移动运营商收入主要来源于语音业务的局面，视频电话、宽带数据和信息助手等业务，必将成为移动运营商新的收入增长点。 
         基于IP的多业务应用是未来发展的主流，对于固定、移动、商业不同业务的应用其带宽、安全隔离、传送QoS要求也各有所不同。3G网络的建设使得承载和传送层面面临业务类型由TDM为主向以IP/ETH分组为主转变，业务接口由E1向FE变化，业务粒度由2M向10M/100M发展等挑战。有电信专家预计在未来5～10年内固定用户带宽需求下行接入带宽可达20～30Mbit/s，上行接入带宽可达4～8Mbit/s，而移动通信系统每基站的带宽需求也将达到30M～100Mbit/s。 
         目前3G/B3G、移动+互联以及全IP趋势的发展都对基站回传的承载和传送网络提出了更高的要求，IP化的业务呈现出带宽突发性、很高的峰均值比等特点，传统基于电路交换的MSTP传送网以刚性管道为特点，不能很好地满足这些分组业务的传送需求，如何构建一个能承载多种新旧业务、易于扩展、可靠、且低OPEX和CAPEX的城域网是电信运营商要认真考虑的问题。 
         3G基站的定时同步新需求 
         TD-SCDMA的同步需求主要有系统同步、物理帧同步和载波频率的同步。 
         系统同步主要是要实现基站和终端的帧同步，以及接入网设备RNC和NodeB的节点同步，是通过各个网元通过PP2S或1PPS时刻获取原子时，通过原子时计算SFN来最终实现的。 
         TD的物理层帧同步原理是NodeB通过获取授时系统1PPS相位、通过本地高稳晶振产生与1PPS无相差的5ms子帧时刻(观测点为天线口)，实现空口同步。 
         TD的载波频率同步原理是各个网元的时频单元在相同时频产生算法通过授时系统得到1PPS长期稳定度高于1×10-10；NodeB通过获取授时系统1PPS长期稳定度高，来调整本地高稳晶振，使本地高稳晶振满足±0.05ppm；传输网络频率精度满足ITU-G相应STM-1或E1/T1相关规范，NodeB的载波频率稳定度满足±0.05ppm，就可满足终端250km/h的移动速度。 
         TD-SCDMA支持同频组网，前提是时隙必须对齐。如果相邻NodeB之间空口不同步，会产生时隙间干扰和上下行时隙干扰。时隙干扰是指前一个时隙的信号落在下一个时隙中，破坏了这两个时隙内的正交码的正交性，使这两个时隙内的基站或手机都无法正常解调。上下行时隙干扰是指一个基站发射的信号直接对另一个基站的接收造成强大的干扰，严重影响第二个基站的正常接收。 
         TD-SCDMA基站的时间同步需求描述见技术规范3GPPTR25.836，要求提供NodeB的物理层(码、帧、时隙)同步，保证所有NodeB同时发送同时接收，相位精度为<1.5us；提供NodeB的SFN同步，现在的TD系统要求做到所有NodeB的SFN同步，SFN=(time*100)mod4096；其中time为从1980.1.600：00：00开始计数的秒时间，SFN号每隔1024秒循环一遍；提供TOD信息(年月日时分秒)；提供1pps，通过锁相技术使NodeB保证输出频率稳定度高于5×10-8。即要求：TD-SCDMA基站要求频率准确度满足±50ppb，同时要求相邻基站间时间相位误差小于3ms。 
         基站回传的需求定位与技术选择 
         随着数据业务的迅猛发展，宽带多业务传送、端到端的带宽提供等新模式不断出现，传统的同步数字体系(SDH)技术、IP技术和以太网技术都不能适应下一代网络对传送和承载的全方位需求，迫切需要建立一种更高效率、更加灵活的面向分组的传送网络形态，充当未来大容量信息传送与交换的基础平台角色，实现IP与光传送网的完美结合。 
         综合电路、分组和光域技术的分组传送网PTN(Packet Transport Network)是指这样一种光传送网络架构和具体技术：在IP业务和底层光传输媒质之间架构的一个层面，它针对分组业务流量的突发性和统计复用传送的要求而设计，以分组业务为核心并支持多业务提供，具有更低的总体使用成本(TCO)，同时秉承光传输的电信网络传统优势，包括高可用性和可靠性，高效的带宽管理机制和流量工程，便捷的OAM和网管，可扩展、较高的安全性等等。 
         面对基站回传的IP化承载和传送需求，有许多的候选技术可以使用，主要有IP/MPLS三层承载技术、新型以太网(增强以太网技术或电信级以太网)技术，还有就是新型的面向IP的分组化传送PTN技术，如图所示。那么到底那种技术是最佳的基站回传解决方案呢？作者认为这最终还是要取决于“需求的本质是什么？”和“满足需求的必备技术功能是什么”这两个问题。 
         作者认为在分析基站回传的需求本质和定位何种技术时，首先要澄清以下几个问题：
(1)传送网的“IP化”其实质是“面向IP的高效传送”，而并非是纯粹意义上的具有三层IP路由和交换功能的“IP化”或“路由器化”，因此严格来说传输网络并不存在IP化问题，与其说“IP化传送”，不如说“面向IP的传送”更加科学。
(2)逻辑上的承载和物理上的传送也是有本质区别的。例如在3G无线接入网分层结构中，承载的IP化意味着用IP包去封装信息，IP化基站指的是基站设备内部的承载层由ATM转变为IP，但无论是ATM还是IP承载都需要基站外部的传送网来解决其与基站控制器设备的连接需求。
(3)基站内部的(逻辑)承载需求是IP化的，而其外部与控制器的连通需求是管道性的透明传送，因此IP化RAN的基站回传需要的是从基站NodeB到基站控制器RNC的二层管道传送功能，而无需进行三层的IP路由和交换。如果非得使用路由器/交换机技术去实现基站回传业务的传送那就必然存在用三层设备实现二层功能将面临的可扩展性、可靠性、安全性等方面的缺陷；而且在大规模组网时，也会面临建设资金、投资回报等经济压力；因此使用IP/MPLS三层组网技术实现二层透明传送将得不偿失。
(4)从服务质量方面来说，基站回传对传送网的基本要求是“面向连接”和“电信级”，这一点是IPRAN传送与传统IP互联网和宽带接入网的最本质区别。面向连接意味着端到端业务管理和配置能力、运营网络的OAM以及保护能力，在管理方案全面运用电信网管理TMN思路，全面支持图像化端到端业务配置，操作简单。而传统以太网设备基本上都是无连接的、尽力而为的、运用命令行进行单站配置、操作复杂、效率低。基站业务的“电信级传送”对时延、抖动和丢包率都有严格的要求，而互联网业务的“宽带接入”是尽力而为的，因此它们在业务特性和网络功能方面存在着本质差异，直接导致“基站回传”与“互联网业务接入”在质量保证和网络性能方面水火不容，很难统一承载。这也就是为什么在过去移动运营商都采用城域传送网MSTP来承载基站回传业务，而固网运营商都采用城域宽带IP网来提供互联网接入的原因。
(5)虽然可提供面向IP的高效传送有多种备选技术，但只有分组传送PTN技术可以满足3G基站的回传传送需求。这一方面是因为分组传送网是面向连接的，符合电信级业务和电信级网络要求的传送网，而传统以太网和局部增强型以太网就不能称其为分组传送网。另一方面是由于PTN将无连接、转发行为不可知，弱控制或无控制的分组网改造成适合于传送的基于连接、可预知行为、可控制的网络，并集成了灵活性、可扩展性、统计复用等分组特性和网络端到端OAM和保护、面向连接、QoS、定时同步等传送特性。如图所示3所示，目前符合该思路的主要技术是基于以太网面向连接的包传输技术PBT(Provider Backbone Transport，运营商级以太网传输技术)与基于MPLS(Multi-protocol Label Switch，多协议标签)面向连接的包传输技术T-MPLS/MPLS-TP(Transport Multi-protocol Label Switching/MPLS Transport Profile，传送多协议标签)。 
         PTN支持丰富的运营级网络特性，可大幅度降低网络的CAPEX和OPEX，因此，对于基站回传的IP化传送需求，PTN技术将是不二选择。 
         向PTN升级引发的思考 
         随着数据业务的迅猛发展，宽带多业务传送、端到端的带宽提供等新模式不断出现，传统的同步数字体系(SDH)技术、IP技术和以太网技术都不能适应下一代网络对传送和承载的全方位需求，分组传送网(PTN)的诞生为解决分组业务的高效传送和电信级质量提供了一个较好的解决方案。 
         PTN通过综合IP、MPLS和光传输技术的优势、实现各技术的融合来达到网络扁平化的目的，其基本特征是提供点到点的L2隧道，可以广泛用于城域传送网和宽带接入网的二层汇聚网络，以及3G基站到RNC的基站回传段。 
         MSTP向PTN的平滑演进主要有两种方式，可根据具体业务需求和地区采用不同策略。 
         一种方式是自上而下的引入PTN。首先在汇聚层采用PTN带接入层MSTP，然后逐步在接入层采用PTN替代MSTP。该方式适用于一定时期内仍以TDME1业务为主的地区，可以保护接入层大量的MSTP设备投资，并实现网络的平滑演进。 
         第二种方式是根据基站类型采用不同技术。在新建的IP化基站采用PTN技术实现接入和汇聚；现有基站则仍由MSTP提供接入和汇聚，部分有条件地区可通过更换板卡方式实现内嵌RPR的MSTP设备，并逐渐在汇聚层转入PTN承载，最终在接入层转入PTN，从而实现网络的平滑演进。 
         由于基站回传业务和宽带接入业务存在以下差异性： 
         业务模型的差异性。基站业务是需要全保证的业务，在没有任何集线比的情况下需要保证各点峰值速率；固网宽带业务则要支持很大的集线比，一般设置在1∶10左右。 
         流量需求的差异性。基站业务所需带宽较小，完全可预测，升级的速度缓慢；固网宽带业务所需带宽很大，特别是在发展了IPTV以后带宽需求量更大，一般是移动所需带宽的10倍以上，同时带宽增长的模式受业务需求和用户数两者综合影响，扩容需求频繁。 
         QoS的差异性。在只考虑基站业务的情况下，QoS可以最简单也最可靠性的方式，即通过规划来确保；而在叠加有集线比的普通宽带业务时，QoS的管理将较为复杂，容易形成隐患和增加成本。 
         所以，关于针对基站业务和固网宽带业务是否共用的建议如下： 
         3G的基站回传传送网络应该和2G无线网络的传输承载情况一样，采用完全独立的建网思路。建议分网建设基站业务回传网和宽带用户接入网，宽带用户网应采用增强型以太网进行建设，容量可以得到保证，建设成本较低。从长远来看，应采用PTN来建设基站回传网络，因为PTN在OAM、保护、时钟、管理等方面都针对移动Backhaul应用进行了较多的优化。而在PTN标准和产业链成熟前可继续采用MSTP承载2G/3G业务。分别建设基站业务网络和固网宽带业务网络，这样可以在城域网规模很小的时候避免顾及移动业务的稳定性而束缚固网业务高速发展的手脚。为了利用线路资源，可以采用固网和基站业务网共址但不共网的建设方式。 
         在PTN作为移动基站回传网络时，基站获取时钟主要有3种途径：TDM电路和网络、本地设置GPS时钟源和基于分组网络的时钟分配和时钟恢复算法。如果NodeB支持IP/PPPoverE1/T1仍然通过E1/T1/ChSTM-1接口上传输网，这时同步时钟仍然可从线路获取，在宏蜂窝站点推荐使用该方案。如果NodeB采用分路传输，同时具备E1/T1、FE或DSL接口，这时同步时钟仍然可从E1/T1线路获取，在室内覆盖站点推荐使用该方案。当NodeB只有FE接口时，可配置GPS接收机来提供时钟信号，推荐在大流量站点，并且IP路由比较复杂的情况下使用该方式。如果NodeB只有FE(或DSL)接口，而且不允许、不经济或者是不方便安装GPS接收机，比如homeNodeB、地下室NodeB，这时应遵循IEEE1588v2或同步以太网原理，在NodeB恢复时钟。 
         2G和3G网在移动运营商网络中将长期共存，而且从未来数据业务流量发展趋势出发，利用分组传送网建设面向3G的城域传送网符合业务需求与流量演进模式，它不但满足2G和3G需要的高质量TDM传送，还可以逐步平滑地向电信级以太网业务汇聚和传送演进，实现移动业务传送平台从支持语音电路业务为主到支持数据分组业务为主的网络转型。