学术交流

首页>学术交流

黑龙江电信TD-LTE混合组网试验网(核心网部分)建设方案论述

发布时间:2014-09-19 来源: 作者:

黑龙江电信TD-LTE混合组网试验网(核心网部分)建设方案论述

邱枫

(中国电信股份有限公司黑龙江分公司)

 

摘 要:针对黑龙江电信TD-LTE混合组网试验网(核心网部分)的建设方案进行叙述,介绍了LTE核心网各网元的基本功能以及容量的计算方法。结合网络现状,提出适合黑龙江电信的建设思路和方案,考虑到网络互通、现网业务继承与现有CDMA网络互操作等因素,合理规划网络容量,并考虑网络的可扩展和容灾。

关键词:TD-LTE;移动网络;数据业务;网络规划

 

LTE(Long Term Evolution,长期演进)是由3GPP(The 3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴计划)组织制定的UMTS(Universal Mobile Telecommunications System,通用移动通信系统)技术标准的长期演进。LTE系统有两种制式:FDD-LTE和TDD-LTE(国内亦称TD-LTE),即频分双工LTE系统和时分双工LTE系统,二者技术的主要区别在于空中接口的物理层上。FDD-LTE系统空口上下行传输采用一对对称的频段接收和发送数据,而TDD-LTE系统上下行则使用相同的频段在不同的时隙上传输,相对于FDD双工方式,TDD有着较高的频谱利用率。

本文主要介绍黑龙江电信TD-LTE混合组网试验网(核心网部分)的建设方案。

1 核心网总体方案

1.1 核心网总体原则

核心网建设遵循以下原则:

(1)遵循中国电信“混合组网,同步部署”的建网策略,以省为单位建设1套TD-LTE核心网,支持TD-LTE和LTE FDD两种无线接入方式。

(2)核心网设备主要包括MME、SAE-GW(P-GW、S-GW合设称为SAE-GW)、HSS、PCRF、DRA、CG和DNS等。考虑到与CDMA网络的互操作,核心网的相关网元还包括3GPP AAA、HSGW。所有网元采用新建方式。

(3)LTE网络是一个逐步建设的过程,为保证用户的业务体验和业务连续性,本期工程实现LTE FDD网络到3G网络的切换,需要将现有的HRPD网络升级为eHRPD网络。无线网络采用软件升级方式,核心网为尽量减少对现网分组域的影响,采用新建方式。

(4)LTE和CDMA电路域没有互操作关系,语音方案初期选择SVLTE方式,终端支持语音和数据并发;未来考虑适时引入VOLTE方式承接语音业务。

(5)LTE与CDMA分组域互操作:业务在线时,采用非优化切换方式保证LTE与eHRPD数据业务连续;用户待机时,数据业务的终端驻留策略选择标准的空闲态方案。初期考虑FDD LTE和eHRPD网络互操作。

(6)LTE和CDMA采用统一的PCC策略控制,要求PCRF能够同时支持对DO和LTE两种接入进行策略调度、分发、控制。本期PCRF的建设规模需同时满足LTE网络和CDMA网络的需求。

1.2 核心网总体架构

1.2.1 混合组网的网络架构

各省以省为单位建设1套TD-LTE核心网,支持TD-LTE和LTE FDD的接入方式。混合组网架构如图1所示。

图1 TDD-LTE和LTE FDD混合组网架构

1.2.2 核心网网络架构

LTE/EPC核心网络由全国骨干网、省网和国际试验局组成。骨干层的网元主要包括根DNS,省内的核心网设备包括MME、SAE GW(P-GW、S-GW)、HSS、DNS、CG、PCRF 和HSGW、3GPP AAA等,国际试验局主要包括i-DRA、i-PGW/GGSN、i-DNS、i-CG、BG等网元。

图-2 EPC核心网网络架构

1.2.3 统一PCC的网络架构

LTE和CDMA采用统一的PCC策略控制,要求PCRF能够同时支持对DO和LTE两种接入进行策略调度、分发、控制,从而为用户提供统一的策略控制。如图3所示。

图3 PCC策略控制

1.2.4 DRA网络架构

初期DRA网络采用单级结构:每省设置一对DRA、省间DRA采用网状连接。省内DRA负责省内PCC会话(Gx、Gxa、Rx)的路由、省内LTE/eHRPD信令的路由(S6a、STa、S6b);省际漫游信令(S6a、STa、S6b、S9、Rx)的路由。如图4所示。

图4 DRA网络架构

 

2 黑龙江电信核心网建设方案

2.1网元设置原则

本期试验网工程新建网元采用大容量、少局所、集中化部署原则,所有网元原则上在省会城市异局址部署,优先放置在C网分组域机房。

本期工程建设一套高安全性、高可靠性的EPC/eHRPD核心网,全部网元均需考虑冗余备份容量以抗击不可预测的话务冲击。采用MME POOL、SAE-GW Serving Area、1+1主备、1+1互备等技术实现网元级网络容灾备份;采用1+1主备、1+1互备、N+1备份等技术实现板卡级容灾备份。

 

2.1.1  MME

MME设备是EPC关键网元,其主要功能包括处理NAS信令、跟踪区域(Tracking Area)列表的管理、P-GW和S-GW的选择、跨MME切换时目的MME的选择、鉴权、漫游控制、承载管理以及EPS接入网络节点之间的移动性管理等。

省内多套MME采用MME POOL技术组网,每个MME POOL管理的eNodeB数量上限为2万个,每超过2万个eNodeB需新增加一个POOL。黑龙江省根据无线网络规模采用单MME POOL组网。

MME POOL内采用单厂家设备组网,每套设备配置相同容量。一套MME故障后,剩余MME应能承接POOL内全部业务量。

2.1.2  SAE-GW

SAE GW设备是EPC网络关键网元,由服务网关(S-GW)与PDN网关(P-GW)合设而成。SAE GW设备的主要功能有基于用户的包过滤,合法侦听,UE的IP地址分配,在上行链路中进行数据包传送级标记,上下行服务等级计费以及服务水平门限的控制,基于业务的上下行速率的控制等。

P-GW与S-GW物理上合设为SAE-GW,逻辑上独立,对于需要回归属地的用户数据路由,漫游地SAE-GW(逻辑实体为S-GW)与归属地SAE-GW(逻辑实体为P-GW)之间通过省间S5接口互通。

SAE-GW采用Serving Area组网,单Serving Area内SAE-GW套数没有限制;SAE-GW 对接入eNodeB个数理论上没有限制。SAE-GW的 Serving Area服务区域与MME POOL管理区域相同。

Serving Area内采用单厂家设备组网,每套设备配置相同容量。一套SAE-GW故障后,剩余SAE-GW应能承接Serving Area内全部业务量。

2.1.3 HSS

HSS设备是EPC网络关键网元,用于存储用户签约信息的数据库,网络中可以包含一个或多个HSS。HSS负责保存跟用户相关的信息,例如用户标识、编号和路由信息、安全信息、位置信息、概要(Profile)信息等。

原则上,HSS应采用BE+FE的前后台分离的架构设置。HSS前台FE部分处理信令,成对设置,采用1+1互备方式进行容灾备份;HSS后台BE部分存储数据,采用1+1互备的方式进行容灾备份。

2.1.4 PCRF

PCRF/SPR设备是PCC架构的核心网元之一,PCRF包含策略控制决策和基于业务流计费控制的功能,向PCEF提供关于业务数据流检测、门控、基于QoS和基于流计费(除信用控制外)的网络控制功能。SPR是PCRF的用户属性存储单元,包含所有签约用户的相关签约信息,PCRF使用这些信息决定基于签约的策略和IP-CAN承载级的PCC规则。

PCRF采用N+1主备方式进行容灾备份,正常情况下N套PCRF提供业务,当其中一套PCRF发生故障时,备用PCRF提供业务。备用PCRF设备处理能力等于N个主用PCRF中最大容量,数据库容量等于N个主用SPR容量之和。

2.1.5 DNS

DNS(域名管理系统)服务器接收来自LTE网络中设备的域名解析请求,完成域名地址到IP地址的解析。

DNS以省为单位集中成对设置,采用负荷分担方式进行容灾备份。黑龙江省建设一对DNS设备。

2.1.6 CG

离线计费时HSGW、S-GW和P-GW采集到计费信息后,产生CDR,通过Ga接口传递给CG,由CG进行话单文件的生成,通过Bp接口传递给计费系统。

黑龙江省建设2套CG,采用负荷分担方式进行容灾备份,分别放置在核心网两个机房内,同局址网元的CDR首选传送给本局址的CG,故障情况下传送到异局址的CG。2套CG间需实现话单同步,单套CG存储能力应满足全局存储需求。

2.1.7 DRA

DRA设备是EPC网络主要网元,主要完成Diameter信令路由转发。

本期DRA网络采用单级结构,每省集中设置一对DRA,省间DRA采用网状连接,采用负荷分担方式进行容灾备份。

本期各省DRA负责转接处理LTE/eHRPD的所有S6a、STa、S6b信令、所有PCC(Gx、Gxa、Rx、S9等)信令。

2.1.8 HSGW

HSGW主要实现L/C数据互操作,解决LTE无线网络覆盖盲区,L/C多模终端通过eHRPD网络接入,提高用户体验。

采用IMSI取模方式实现负荷分担。考虑到随着LTE无线覆盖逐步扩大,eHRPD接入需要相应逐步减少,HSGW为网络过渡期间所需,本期工程HSGW不考虑备份容量。

2.1.9 3GPP AAA

3GPP AAA主要实现对从eHRPD网络接入的用户进行认证。本期工程黑龙江省建设2套3GPP AAA设备,1+1互备工作。

2.2 网络路由原则

2.2.1 数据路由方式

本期工程用户业务数据的路由分为归属地路由和拜访地路由两种方式,根据用户业务类型采用不同的路由方式。

2.2.2 归属地路由方式

预付费、内容计费及需进行归属地策略控制的用户采用归属地路由方式。对于此类用户,开户时IT系统向HSS下发APN-OI replacement参数,实现业务数据回归属地。

用户业务数据路由:拜访地eNodeB---拜访地SGW/HSGW---归属地PGW。

对于根据签约采用回归属地路由方式的用户,漫出到其他省份时,将无法执行漫出地策略控制(如:漫出地的忙时忙区的P2P限速等)。

本期工程网络采用用户签约带省份标识的APN-OI replacement的方式,控制用户业务数据回归属地。此类用户签约了带省份标识的APN-OI replacement,HHS向MME/HSGW下发此参数,MME/HSGW把此参数作为APN OI构建APN,向DNS查询出归属省份的PGW地址,由此建立回归属地路由。

2.2.3 拜访地路由方式

其他用户采用拜访地路由方式,开户时IT系统不下发APN-OI replacement参数。

用户业务数据路由:拜访地eNodeB---拜访地SGW/HSGW---拜访地PGW

此类用户没有签约APN-OI replacement,MME/HSGW根据用户的IMSI构建APN-OI,向DNS查询得到拜访省份的PGW地址,由此建立拜访地路由。

2.2.4  Diameter信令路由方式

本次试验网工程,黑龙江省建设1对DRA设备,与其它各省DRA设备采用网状组网,负荷分担。

对于省内LTE/eHRPD信令,省际LTE/eHRPD信令及PCC会话信令都通过本省DRA转接,不采用EPC网元间直连方式。

2.3 流量需求计算

本次试验网工程主要计算EPC/eHRPD数据业务吞吐量需求,信令面流量需求简化计算,建议在数据业务吞吐量基础上增加5%的信令流量冗余。

各主要接口的流量需求计算如下:

(1)S1接口网络流量需求

S1接口包含两部分:S1-MME接口和S1-U接口。

S1-MME:E-UTRAN和MME间控制平面的参考点,用于控制UE和网络间的E-RAB和连接以及NAS消息的透明传送;采用S1-AP协议。

S1-U:E-UTRAN和S-GW间用户平面的参考点,用于通过隧道来传送eNodeB和S-GW间的用户平面数据;采用GTP协议。

S1接口网络流量=S1-MME接口流量+S1-U接口流量

=SAEGW吞吐量总主用吞吐量/2×(1+5%)

SAE-GW配置吞吐量总主用容量=(POOL内LTE手机终端用户数*手机终端开机率*手机终端每使用业务用户平均流量*手机终端同时使用业务用户比例+POOL内LTE数据卡用户数*数据卡开机率*数据卡每使用业务用户平均流量*数据卡同时使用业务用户比例)*1.25/1000/1000

(2)SGi接口网络流量需求

SGi:位于P-GW和分组数据网络间,用于给用户提供接入外部数据网的通道。

本期工程SGi接口网络流量=SAEGW吞吐量总主用吞吐量/2×(1+5%)

(3)省间S5/S8接口网络流量需求

S5:位于S-GW和P-GW间,用于S-GW和P-GW分设时,提供用户平面隧道和隧道管理功能;采用GTP协议。

S8:位于VPLMN中S-GW和HPLMN中P-GW间,功能与S5接口相似;采用GTP协议。

省间S5/S8接口主要用于省内用户漫出到外地、省外用户漫入到本地时的业务流量承载

=SAEGW吞吐量总主用吞吐量/2×(漫入比例+漫出比例)×(1+5%)

2.4 承载网方案

2.4.1 总体承载方案和原则

EPC/eHRPD核心网的对承载网的需求主要包括:

(1)各省的核心网网元之间互联需求。实现各省LTE FDD/eHRPD的漫游以及TD-LTE之间的漫游,各省核心网网元之间均采用CN2网络进行承载。

(2)PGW至互联网的业务流量由MCE转发至163网络,PGW至中国电信自营业务的流量由MCE转发到CN2网络。

(3)MME、SGW与基站eNodeB之间的业务流量,通过CN2、IP-RAN网络承载。

EPC承载总体原则:

(1)最大化综合承载原则:依托现有的CDMA网MCE综合承载网,在承载CDMA网络及业务的基础上,对承载范围进行扩展,实现对EPC的综合承载。

(2)最小化改动原则:为减少对现有网络及业务的影响,综合承载网MCE采用改动相对最小的方式实现对EPC网络及业务的承载。部署单独的MCE设备,完成EPC网络的承载。为叙述方便,将专门用于承载EPC的MCE简称为EPC CE。

(3)高可靠性原则:EPC承载采用高可靠性组网方案,网元与承载网络互通采用双链路,EPC CE与163网及CN2网络之间采用口字型连接,并部署路由快速检测和收敛机制,实现路由的快速倒换。在业务层面对EPC核心网元采用双机房异地容灾备份,提高系统的可靠性。

2.4.2 VPN的划分

无线基站依托IP RAN进行承载,MME/SGW与基站之间的互通通过EPC CE的CDMA-RAN VPN来承载;

在EPC CE和CN2 PE上新增VPN,实现EPC核心网络的互通:EPC CE上部署CDMA-EPC VPN,该VPN负责EPC核心网元的接入,地市内的互通在EPC CE内完成。CN2 PE上新增CDMA-EPC VPN,EPC核心网网元之间的跨地市互通通过CN2 PE来承载。

IT的互通需求,通过现有的CDMA-IT VPN来承载;

EPC设备的带外网管通过EPC CE的CDMA-outband VPN来承载;

2.4.3 网络组织方案

黑龙江电信EPC核心网元的网络组织情况如图5所示。

图5 黑龙江电信TD-LTE混合组网试验网(核心网部分)组网架构图

本期工程新增2套EPC核心网元设备,分别部署在群力2楼老数据机房和2楼新数据机房。EPC核心网元的接入EPC CE,EPC CE采用口字形接入CN2和Chinanet,实现与哈尔滨IP-RAN、与集团其他省份的互通。

EPC核心网元均采用双上联的方式直接上联2台EPC CE,当网元与承载EPC CE的多个VPN互联时,采用独立物理接口或者子接口的方式。

EPC核心网网元的网管和计费接口通过交换机汇聚后,经过防火墙接入EPC CE和DCN。

针对MME、HSS、DNS等主机设备,其流量相对较小,业务端口以FE/GE口为主;SAE-GW的业务流量较大,增长较快,考虑到网络的发展,采用10GE接口上联EPC CE,避免频繁的链路扩容调整。

HSGW的业务流量较小,通过GE接口上联EPC CE。

2.4.4 IP地址分配方案

(1)网元IP地址:

1)、EPC设备网管地址采用集团为各省分配的10网段分组域网管地址;

2)、CDMA-RAN VPN与IP RAN中eNodeB的地址采用集团前期给各省分配的6、7、8、9地址段;

3)、CG网关的与IT计费中心的话单传送接口、EPC网元与IT系统的业务开销户及OCS之间的接口采用各省DCN网地址段;地址空间从各省DCN网地址段中分配,不再另行规划;

4)、EPC网络设备地址及互联地址,由集团统一规划一段IPv4公网地址,考虑到省内跨机房部署等需要,建议初期为每个省一次性分配2个C,每个机房使用一个C的地址,各省EPC地址段见网运部下发的《中国电信EPC承载及设备编码方案》;对于有IPv6公网互通需求的网元,设备所需的IPv6公网地址及互联链路地址采用集团公司已经分配到各省的IPv6地址段。

(2)用户终端地址:

对IPv4单栈用户,终端采用IPv4私网地址,初期集团公司在100.64.0.0/10地址段为每个省分配一个B的地址,未来各省通过私网复用方案(新建综合承载网元)解决私网地址枯竭问题。

对IPv4/v6双栈用户,给终端分配一个IPv6公网地址+IPv4地址。IPv4地址的分配方式与单栈IPv4用户类似。

2.4.5 对承载网的要求

考虑到后期业务的发展,避免链路的频繁调整,2台EPC CE采用口字形以双10GE链路同MCE互联,采用口字形双10GE链路同CN2 PE互联,采用口字形双10GE链路同ChinaNet D路由器互联。

2.5 网管建设方案

省内同一厂家LTE核心网的OMC全省集中设置,一套OMC能管理全省同一厂家的核心网设备。若与现网分组域网管同厂家,建议优先考虑现有OMC升级。OMC通过北向接口连接上层系统。

LTE核心网设备原则上以省为单位集中设置,网管继承现有C网的管理模式,在省层面集中管理。各省的LTE应纳入省的网管系统进行管理,在省公司层面,通过省LTE网管,在全省范围内实现对LTE网络设备的集中维护和管理。在省层面LTE/eHRPD网络的管理涉及对MME、SAE-GW、HSS、PCRF、SPR、CG、HSGW、3GPP AAA等。

黑龙江省EPC核心网OMC连接EPC CE,通过CDMA-OUTBAND VPN实现同现网IP综合网管和分组域网管的互通,实现对于EPC网元的统一管理。

2.6 支撑系统方案

EPC计费方式包括预付费和后付费,SGW、PGW、HSGW产生计费信息,最终由CG服务器生成离线计费话单,CG与计费中心开设接口,计费中心连接CG通过FTP协议采集原始话单文件,实现后付费。计费系统同时支持3GPP2话单和3GPP话单。

PGW通过Gy接口与OCS相连实现预付费。

EPC/eHRPD核心网的HSS、PCRF需要同CRM系统开设接口,实现LTE用户的开销户、业务QoS策略指配。PCRF与PPM系统相连,同步识别内容类业务的标识数据。

3 总结

本文针对现网实际情况,提出了适合黑龙江电信的TD-LTE混合组网试验网(核心网部分)的建设方案,同时提出了网管的建设方案和支撑系统方案。

作者简介

邱枫,女通信工程师,任职于中国电信集团黑龙江电信省分公司,从事核心网网络建设工作。