摘 要 PTN网络承载多种无线业务的规划是当前移动通信网络的重要课题。通过对4G和GSM业务承载的组网及保护方案的规划研究，提出面向全频段VoLTE场景的“二层充分共享、三层适度分离、容灾快速调度”传输解决新思路，并通过维护便利性、业务安全性以及5G承载演进说明方案的优势和推广价值。
关键词 PTN；VoLTE；FDD；容灾
1．引言
VoLTE（长期演进语音承载）是架构在4GLTE网络上全IP条件下的端到端语音方案，相较2G和3G时期的语音通话，语音质量、接入时延、掉话率等关键指标均有显著提升，更是从根本上解决了4G初期CSFB（单卡单待，不能同时上网和通话）和SVLTE（单卡双待，耗电量大）两种语音方案的问题，实现了LTE网络上数据和语音业务的统一承载。
中国移动在完成LTE网络的全国覆盖后，领先其他运营商推动VoLTE大规模商用。但由于中国移动的LTE网络为TDD模式，无线频段较高，因此相较FDD模式需要部署更多的基站，在人口密度低的农村和偏远地区建网成本问题显得尤为突出。2018年4月，中国移动获得FDD牌照，对于完善4G网络的农村覆盖、加快物联网布局都有重要意义，VoLTE业务也由单一的TDD模式向全频段VoLTE（TDD+FDD）转变。
由于频段接近，无线设备厂商通常将FDDLTE、NB-IoT、GSM三种模块集成在一台基站BBU设备上（三种模块是否同时启用视网络规划而定）。因此，在中国移动大部分的基站机房里，将部署TD-LTE和FDD/NB/GSM两种基站BBU设备，对于传输网络来说，可视为承载4类无线业务。而研究实现4类无线业务在传输网络的高效、灵活、安全承载，成为当前亟待解决的重要课题。
2．PTN网络业务承载现状
随着3G的退网，中国移动传输网络主要承载GSM、TD-LTE、集客专线、宽带（OLT上行）等业务。对于无线方面，GSM业务部分通过SDH网络承载，部分以TDM电路仿真方式通过PTN网络承载；TD-LTE业务全部通过PTN网络承载。
根据目前各省无线业务部署情况，PTN网络可分为地市城域网和省干网两个部分。通常BSC设置在地市层面，GSM业务通过地市城域PTN从基站上行到BSC，PTN承载方案为点到点的TDM电路仿真（也属于L2 VPN），基站侧以2M电口方式接入城域PTN，核心机房侧BSC以多个155M光口对接城域PTN，用2M时隙区分不同业务。EPC按各省规划设置在地市或省会，TD-LTE业务通过地市城域PTN直接上行到本地EPC或经过省干PTN上行到省级EPC，PTN承载方案为L2 VPN+静态L3 VPN，基站侧以GE光口接入城域PTN，核心机房侧EPC以多个10GE光口对接城域或省干PTN，L2 VPN侧用VLAN区分不同业务。PTN组网模型和无线业务信号流如图1所示。
图1PTN承载无线业务的组网模型和信号流
城域PTN的接入、汇聚层通常为环形的组网拓扑，在汇聚层侧同时与核心层的L2 PTN和L3 PTN网络对接。接入、汇聚层通过PW伪线的承载方案对GSM和TD-LTE业务统一承载，在接入到核心层时进行分流。GSM业务上行到L2 PTN核心层（在城域网核心层终结），TD-LTE业务上行到L3 PTN核心层（包括城域网核心层及省干层）。城域网核心层通常使用支持L3功能的PTN设备组成“口字形”结构实现L3 VPN网络，在与汇聚层对接的L3节点（具有L2和L3的功能，称为L2/L3节点）上，终结汇聚层上行的L2业务，接入L3 VPN，进行L3路由转发。若EPC部署在地市层面，城域网核心层L3 PTN设备可直接与EPC对接；若EPC集中部署在省会，在省干层使用L3 PTN设备搭建L3 VPN网络与EPC对接，省干与地市的L3 VPN采用Native IP方式连接。
3．全频段VoLTE场景的传输解决方案
3.1承载新需求分析
基站侧机房里部署TD-LTE和FDD/NB/GSM两种基站BBU设备，即4类无线业务并存，对传输网络提出了新的承载需求。
首先是GSM业务，由于2G网络进行IP化改造，在基站BBU设备上不再使用2M电缆，而是通过以太网接口接入传输网络，相应的BSC侧也改为以太网接口。其次是NB-IoT业务，特点是带宽需求小、对时延要求不高，因此对应的核心网一般统一部署在省会，也是通过以太网接口接入传输网络。最后是FDD-LTE业务，和TD-LTE业务一样终结于本地或省级EPC。
在实际的FDD/NB/GSM三模基站BBU设备上，三种无线业务使用同一个GE光口接入传输网络，以不同的VLAN区分。SDH网络因不能满足基站IP化演进需求不宜承载基站业务，因此所有基站业务将由PTN统一承载，网络、业务安全压力剧增。
3.2传输解决方案规划
面向全频段VoLTE演进，面向物联网发展，需有效提升传输网络的容量和安全。通过制定“二层充分共享、三层适度分离、容灾快速调度”的策略，规划新的传输解决方案，兼顾网络安全与投资，支撑业务发展。
由于无线新增加了FDD-LTE、NB-IoT、IP化GSM三种业务，需要统一考虑新需求的承载。为能有效保护现网投资，不影响现有业务，各城域PTN网络的接入、汇聚层使用规划保持不变，在原有业务的基础上，增加FDD-LTE、NB-IoT、IP化GSM三种业务的综合承载。对于多种无线业务并存，导致PTN接入、汇聚环带宽使用率大幅提高的情况，需要根据现网实际制定带宽扩容的阈值（如带宽使用率达60%或70%），提前做好环带宽扩容或裂环减点的优化，以免影响无线业务带宽需求。
目前福建移动城域PTN网络的L2/L3节点设备已部署到区县一级的机房，通过如图1所示的核心层L3 PTN“口字形”网络承载TD-LTE流量。为了不影响TD-LTE业务，规划在城域核心层增加新的L3 PTN“口字形”网络（即新L3 VPN）与现有的PTN汇聚环对接，用于承载FDD-LTE以及IP化GSM流量。其中，FDD-LTE业务终结于本地EPC或继续上行到省干PTN，GSM业务终结于本地BSC。对于NB-IoT业务，因所需带宽较小，可根据城域核心层新建L3 PTN网络和原L3 PTN网络的流量使用情况，优先承载在低流量平面，再上行到省干PTN，终结于省级EPC。
由于无线流量上行到省干层以后，已是高度收敛，不会新增太多的带宽压力，因此城域核心层L3 PTN设备至省级EPC之间的传输网络可利旧现有省干PTN，即通过省干的L3 PTN“口字形”网络上联至形成POOL保护的两对省级EPC。
根据以上分析及规划，福建移动传输解决方案示意图如图2所示。
图2福建移动传输解决方案规划示意图
3.3传输承载保护方式
本方案通过L2 VPN和L3 VPN的配合，可有效保护PTN网络上承载的2G和4G业务，避免区县全阻级别的重大网络故障。主要针对以下两种场景：
场景一：单L3 VPN内某节点失效
图3场景一的业务保护
如图3，假设承载TDD/NB业务的L3 PTN“口字形”网络上，主用L2/L3节点设备发生故障。由于配置了MC-PW APS（跨设备伪线自动保护开关）加MC-LAG（跨设备链路聚合组）的双归节点保护，以及L3 VPN层面的VPN FRR（快速重路由）保护，可将受影响的业务快速切换至备用L2/L3节点设备，如图3的红线所示，用户无感知。
场景二：整个L3 VPN平面失效
图4场景二的业务保护
在当前主流的PTN承载方案中，L3 PTN“口字形”网络的两台L2/L3节点设备是配置最复杂的，兼顾了L2 VPN和L3 VPN的功能，又涉及到两类VPN之间的保护倒换。由于各厂家的L2/L3设备实现方案有所区别，成熟度发展不一，导致设备在组网、对接的保护倒换配合上可能因某种软硬件缺陷而发生倒换异常、保护失效的问题。此时将造成一对L2/L3节点下属区域（至少是整个区县）的业务全阻。
如图4，假设承载TDD/NB业务的L3 PTN“口字形”网络上，主备用L2/L3节点设备发生保护倒换故障，整个平面失效。由于本方案在核心层L3 PTN网络实现了GSM/FDD和TDD/NB业务的分离，GSM/FDD业务因通过新建L3平面承载，不受影响，业务正常，可有效保障区县业务不全阻。
3.4 GSM业务承载方式的优化
与传统方案不同的是，IP化GSM业务使用类似TD-LTE承载的L2 VPN+静态L3 VPN方案，其相比全程L2 VPN方案（如3G的NodeB到RNC）有维护便利性和业务安全性上的优势。
从维护方面来看，由于无线网优专业会不定期根据各BSC负荷情况进行基站归属均衡调整的优化，如果采用全程L2 VPN方案，当每次无线专业优化割接时，传输专业都需要对每个GSM基站对应的L2专线电路进行配置修改；如果采用L2 VPN+静态L3 VPN方案，网优割接时传输专业不需要进行任何操作，L3 VPN将根据基站报文的目的IP自动将上行流量发往对应的BSC端口，效率显著提升。
从业务安全来看，L3 VPN的组网和流量特点，可以避免全程L2 VPN方案与BSC对接的单台PTN设备故障时引发的业务全阻。部分城市在进行GSM基站IP化改造时，选择全程L2 VPN方案，出发点是L2 VPN数据配置简单，易于维护，但该方案在BSC故障时，只能到机房现场通过传统人工跳纤模式，无法自动切换路由，恢复时长至少在1~2小时以上，且成功率无法保证。如果采用L2 VPN+静态L3 VPN方案，当主用BSC故障后，可在容灾BSC上直接激活中断基站，将故障BSC的全量站点调度到容灾BSC上，只需通过无线OMC将故障BSC数据下发到容灾BSC即可实现基站调整，无需传输网络进行路由数据配置，自动切换路由，经现网验证，恢复时长仅需十五分钟左右。
图5L2 VPN+静态L3 VPN方案的GSM业务保护
4．结束语
采用核心层L3 PTN分离方案，因需增加少量三层核心设备设备，相较核心层全部利旧的方案总投资约增加9%，但对网络业务的安全性带来极大提升，同时考虑未来FDD/NB/GSM三模基站的规模逐步扩大，核心层设备也需扩容，并不会造成设备资源的浪费。
综上所述，本方案采用“三层适度分离”的组网策略，在核心层L3 PTN网络实现了GSM/FDD和TDD/NB业务的分离，能够有效避免核心节点失效引发的区县全阻重大故障，并利用L3层路由灵活的特点实现GSM基站的“容灾快速调度”；通过“二层充分共享”，在接入、汇聚层兼顾了现有投资效益，达到设备的利用率最大化。
另外，在5G初期由于将以NSA方式建网，首选FDD 1800基站为锚点，信令面由FDD 1800基站进行转发，要求传输网络实现5G基站到其锚定的FDD 1800基站的X2互通。新建的承载GSM/FDD业务的L3 PTN“口字形”网络相对轻载，可用于5G初期主流的“PTN扩容”方案，承载5G大带宽业务。而5G与FDD 1800基站配置在同一个L3VPN内，X2流量在L3 PTN设备内部实现互通，避免流量在更上层核心以及其它骨干汇聚层面的迂回，尽可能降低时延和扩容代价。
参考文献
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[4] 黄琼华，蒋东君，胡筱莎.5G初期承载策略浅析[J].通信与信息技术，2019(1):45-47.
作者简介
张磊：
沈铭：高级工程师，硕士毕业于北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，现任职于中国移动通信集团福建有限公司厦门分公司，从事光传输网规划优化和维护工作，主要研究方向为SDH/PTN/OTN技术和LTE承载网。
电话：13959201688
通信地址：福建省厦门市软件园二期望海路49号网络部
单位：中国移动通信集团福建有限公司厦门分公司
邮编：36100
