《电子技术应用》

PTN技术与IP化移动回传网

C114
摘要: 融合了分组技术及同步数字体系(SDH)技术优势的分组传送网(PTN)技术以分组交换为核心,先天具备高效统计 ...

Abstract:

      摘要:融合了分组技术及同步数字体系(SDH)技术优势的分组传送网(PTN)技术以分组交换为核心,先天具备高效统计复用能力,更适应分组业务的高效传输。同时其类似SDH的强大运行维护管理(OAM)及电信级保护能力保障了移动回传业务的高效管理及传输质量。基于多协议标签交换传送应用(MPLS-TP)技术的分组传送网在多协议标记交换(MPLS)体系基础上去除了倒数第二跳(PHP)、标签合并及等价多路径(ECMP)等无连接特性,并在OAM、保护及同步技术方面做了相应增强,更适合承载IP化后的移动回传业务及大客户业务。PTN与原有多业务传送平台(MSTP)、城域以太网及IP over WDM/OTN网络有机配合,合理分工,将共同服务于全IP时代的电信业务。

      关键字:  分组传送网;统计复用;端到端伪线仿真服务质量;时间同步

     英文摘要:MPLS Transport Profile-based (MPLS-TP) packet transport network eliminates its connectionless features (such as Penultimate Hop Popping (PHP), label merge, and Equal-cost multi-path (ECMP)), and is enhanced in terms of OAM, protection, and synchronization. This is ideally suitable for carrying IP-based mobile backhaul services and key account services. PTN, and the original Multi-Service Transport Platform (MSTP), Metro Ethernet, and the IP over WDM/OTN network of organic complexes, contribute to an “all IP” era of telecommunications services.

      英文关键字:packet transport network; statistic multiplexing; pseudo wire emulation edge-to-edge; service quality; time synchronization

      随着移动通信技术的迅猛发展,3G/LTE已从纸面标准走向现实。移动通信技术的发展给未来更为便利的通信生活描绘了一副美好的前景。与此同时,移动通信技术的发展也对移动回传网提出了一些新的挑战。

      当今电信业务全面IP化的趋势同样体现在移动通信领域,移动通信业务正由以时分复用(TDM)为内核的语音业务向IP化业务为内核的语音、数据等多样业务类型转变。随着3G网络IP化的不断推进、移动数据业务的深入开展,用户对3G移动回传网络的业务感知、服务质量(QoS)、统计复用效率的要求越来越高。另一方面,随着3G网络的业务接口由E1接口向FE接口变化,业务接口带宽也出现迅猛增长,在未来长期演进(LTE)基站甚至会出现1 000 Mbit/s的GE接口。

      图1所示为移动通信技术演进示意图。图1清晰地说明了在从2G向3G/LTE演进的过程中,上下行带宽速率的大幅提高。接口速率的提高将同步带来传送网带宽的激增。带宽激增的压力导致移动回传网必须提高传输效率从而降低网络成本。

      2G时代移动回传网的主导技术同步数字体系/多业务传送平台(SDH/MSTP)主要是为汇聚和高效传送时分复用(TDM)电路业务而设计。MSTP最初就是为了解决IP业务在传送网的承载问题。遗憾的是这种改进并不彻底,其IP化主要体现在用户接口,内核却仍然是TDM电路交换,采用刚性管道承载分组业务。这就使得MSTP在承载传送包长可变、流量突发的IP、以太网等分组化业务时,存在传输效率较低、成本较高、可扩展性较差等缺点。

      SDH/MSTP作为2G时代的功勋技术,在移动通信发展到3G/LTE阶段后已逐渐不再适应,并将制约今后移动业务的发展。在这种背景下,融合了分组技术及SDH技术的分组传送网(PTN)应运而生。

      1 PTN技术特点

      基于上述移动通信在3G/LTE阶段的IP化、宽带化需求,移动回传网既要具备高效统计复用、灵活感知业务特性及差异化服务质量(QoS)等分组技术的传统能力;同时作为电信级业务的承载体,端到端业务管理、层次化运行维护管理(OAM)及电信级保护等传送特性又是移动回传网希望能继承的“优秀革命传统”。那么有没有一种技术能兼具两方面的优势呢?答案就是PTN。

      PTN是一种以面向连接的分组技术为内核,同时具备端到端的业务管理、层次化OAM及电信级保护等传送特性,以承载电信级以太网业务为主,兼容TDM、ATM等业务的综合传送技术。

      PTN分组内核提供了统计复用能力强大的弹性管道,带宽利用率高,更适应分组业务突发性强的特点。PTN同时继承了类似SDH的传输网络特性、强大的OAM及电信级保护能力、图形化界面网管能力,可以带给用户与移动回传网一脉相承的体验[1]。

      目前PTN有两大类技术选择:多协议标签交换传送应用(MPLS-TP)[2]及运营商骨干桥接-流量工程(PBB-TE)。前者是核心网技术的向下延伸,使用基于IP核心网多协议标记交换(MPLS)技术,简化了复杂的控制协议,简化了传送平面;在MPLS基础上去除了倒数第二跳(PHP)、标签合并及等价多路径(ECMP)等无连接特性,增强了OAM及保护倒换功能,提供可靠的QoS、带宽统计复用功能。后者则是局域网技术的向上扩展,基于IEEE 802.1ah的MAC-in-MAC[3]技术,关闭了运营商媒体访问控制(MAC)地址自学习功能,增加了网管管理和网络控制的配置,形成面向连接的分组传送技术。目前MPLS-TP已成为事实上的主流选择。

      目前MPLS-TP标准主要由两大国际标准组织ITU-T及IETF主导。两大标准组织自2008年2月份成立联合工作组(JWT)至今,MPLS-TP标准已取得长足的发展,截止2009年2月底已有5篇RFC、2篇建议标准文档以及13篇工作组草案文档,预计在2011年将完成各关键标准的发布。

      2 PTN应用于移动回传网的关键技术

PTN作为具有分组和传送双重属性的综合传送网技术,目前已成为3G/LTE时代IP化移动回传网的主流解决方案。这在很大程度上得力于以下各项关键技术的支撑。

      2.1 端到端伪线仿真技术

      尽管3G发展势头非常迅猛,但在很长一段时间内传统的TDM业务仍将是电信运营商丰厚利润的来源,所以PTN必须具备多业务承载能力。端到端伪线仿真(PWE3)技术即是为满足这一需求而出现的。MPLS-TP采用PWE3的电路仿真技术来适配所有类型的客户业务,包括以太网、TDM和ATM等,并为之提供端到端的、专线级别的传输管道。

      PWE3作为一种业务仿真机制,其技术实质是将业务数据用特殊的电路仿真报文头进行封装,在特殊报文头中携带该业务数据的帧格式信息、告警信息、信令信息以及同步定时信息等基本业务属性,以达到业务仿真的目的[4]。
     
      PTN网络中端到端的业务如图2所示。PWE3要求在包交换网络(PSN)的隧道中建立与维护伪线(PW),在运营商边缘设备(PE)使用PW封装传送业务数据,并尽可能真实地保持业务本身具有的属性和特征。对于客户设备而言,PW表现为特定业务独占的一条链路或电路,称之为虚电路。客户设备(CE)感觉不到核心网络的存在,认为处理的业务都是本地业务。

      2.2 QoS技术
     
      在以SDH技术为主的移动回传网中,为业务提供的是独占的刚性传输管道,虽然保证了传输的高可靠性,但在另一个角度来说对不同特质的业务一视同仁的传输也是一种浪费。比如对实时性要求高的语音业务和普通上网业务而言,两者对网络的传输要求就截然不同。PTN则可以感知业务特性并提供恰到好处的服务,做到按需分配,各得其所。给不同要求的业务流提供恰到好处的服务才是对电信运营商而言最为经济的方式,尤其在带宽需求大幅增长的情况下更是如此。
      2.3 层次化OAM及电信级保护技术
     
      PTN的OAM机制基本继承了SDH的OAM思想,通过为段层、隧道层、伪线层提供层次化的告警、性能管理,通过支持层次化OAM,可以对PTN网络的故障进行快速定位,而且还可以检测出网络的性能,包括丢包率、时延等等[5]。
     
      ITU-T为T-MPLS规定的OAM报文封装格式[6]如图3所示。对于各个层次的OAM信令报文,也采用MPLS封装的标签报文。为了区分OAM信令报文和用户的业务数据报文,定义了一个特殊的标签:14,通过这个标签来标志OAM信令报文。通过定义一系列的OAM协议报文,G.8114实现了丰富多样的OAM功能。
 

      PTN网络的全程电信级保护功能如图4所示。PTN网络支持全面的接入链路保护、网络级保护及设备级保护功能。各种保护各有优缺点,各自适用于不同的场景。环网保护[7]针对特定的拓扑形式(环状拓扑)有较高的保护效率;线性保护则对于拓扑形式没有要求,在固定的网络中只要能够分别找到不同路径的两条连接即可。而在实际应用中,则经常需要结合工程实施的情况将不同保护方式综合使用,配合起来以实现对业务的电信级保护。
 

      
      OAM与保护在应用上密不可分,通过OAM机制实现的快速、及时的故障检测是实现电信级保护的前提。与PTN保护机制相关的OAM分为3种类型:告警相关OAM、性能相关OAM和通信信道OAM。
      2.4 同步技术
      移动通信技术的发展对移动回传网提出了时间同步的要求。ITU-T、IEEE等国际标准组织对解决时间同步提出了多种方案,目前最具有吸引力的是IEEE 1588V2的时钟时间解决方案[8]。
      1588V2技术采用主从时钟方案,对时间进行编码传送,利用网络链路的对称性和延时测量技术,实现主从时钟的频率、相位和绝对时间的互相同步。
      中兴通讯在业界首创了以同步以太网[9]为基础的IEEE1588V2时间传递技术,其核心思想是建立时钟时间分离且高度可控的网络,排除了不可预知的风险。
     
      通过物理层的同步以太网实现节点间的频率同步,可以在在保证频率准确度的条件下,将相位控制到一定的范围之内,而1588协议本身只用于相位的微调和时间传递。在这种条件下组成的时钟专线网,是面向连接严格可控的点对点网络,能在部署的过程中避免1588非对称性带来的干扰,并且时间同步性能与网络负载机流量无关。
      3 PTN与其他承载网络的关系
      3.1 PTN与MSTP网络的关系
     
      在2G时代,SDH/MSTP为移动业务提供了稳定、可靠的传输,并已形成庞大的网络规模。在3G/LTE发展起来之后,引入PTN建网时,如何处理与现有MSTP网络的关系是必须要考虑的问题。综合考虑网络规划复杂度、建设成本及运维成本等多方面因素,我们推荐采用PTN新建平面的模式,与原有MSTP平面相互独立。
     
      这种方案虽然在初期新建PTN网络投资较大,但优点也很明显。一方面原有2G业务继续通过MSTP承载,在3G建设阶段避免业务调整对2G业务的影响;另一方面也可以很好地保障3G基站的业务发展以及后续数据业务的带宽需求,并能很好地支持将来移动网络向LTE的演进。这样不仅移动回传网结构清晰,也为长期规划、管理和维护提供了方便。
     
      当然,作为补充解决方案,在局部区域也可根据现网MSTP资源的富余情况,考虑PTN与MSTP混合组网。根据原有MSTP网络接入或汇聚层的带宽压力选择在某一层次率先引入PTN设备,一方面可满足跨域调度需求,同时运营商还能以较小的成本投入为PTN网络的规划及运维管理积累经验。
     
      总之,2G网络在相当一段时间内仍将为运营商带来可观的利润,这就决定了MSTP将与PTN在一定时间内长期共存,共同维护。长期来看,当移动通信网络全面IP化之后,MSTP终将为PTN所替代[10]。之后可作为PTN的有效补充,为带宽需求不高,但是安全性和私密性要求较高的客户提供专线接入,同时兼顾覆盖PTN暂时无法到达的区域。
    3.2 PTN与WDM/OTN的关系
      IP over WDM/OTN网络基于波长或ODUk交换内核实现大颗粒业务的灵活调度与保护。在城域网建设中,IP over WDM/OTN适合应用在核心层,为核心网元提供大颗粒业务的组网、调度及保护。在移动回传业务承载中,在大型城域网中。可采用PTN+WDM/OTN的组网模式。接入/汇聚层采用PTN组网,向上通过IP over WDM/OTN将业务调度至所属无线网络控制器(RNC)机房的PTN核心落地层。与PTN配合组网极大地简化了核心层节点与汇聚层骨干节点间的网络组建。一方面在业务归属调整时可方便的实现业务灵活调度,另一方面核心层节点只与所属RNC机房相连,避免了纯PTN组网中,因某节点业务容量升级而引起的环路上所有节点设备必须同时升级的情况,节省了网络投资。WDM/OTN为PTN业务提供灵活调度组网图如图5所示。
 
      3.3 PTN与城域以太网的关系
     
     在城域网规划建设中,根据所承载业务性质的不同,一般采用相对独立的建网思路,即分别建设移动回传网高价值平面和宽带用户接入网低价值平面两个平面。PTN以承载移动回传业务及集团大客户等高价值业务为主;而公众宽带上网及普通大客户等低价值业务则可通过无源光网络(PON)接入,继而通过城域以太网与业务控制层(BRAS或SR)对接。两个平面不考虑融合,完全独立,互不干涉。采取这样的策略主要基于以下考虑:
     
     互联网业务和移动回传等重要业务可规划性不同,可靠性要求也不同,共平面承载将大大增加网络复杂性;而互联网业务所需带宽一般远大于移动回传业务,如果融合将导致城域网接入设备需要采用大容量、高可靠性技术,也增加了不必要的成本。
     
     宽带业务调整较为频繁,与移动回程业务共平面传输有可能会影响移动业务的稳定性。如果顾及移动业务的稳定性又不利于快速响应宽带业务的发展需求,两者存在矛盾。
      共平面承载开放的互联网业务及移动回传等重要业务,不可避免地存在网络安全风险。
      4 PTN工程应用案例
     
     中兴通讯PTN产品依托公司强大的研发实力及资金投入,各方面功能性能优异,能提供业界最全的产品系列,且在各种测试中表现出色,取得了2009年中国移动集采综合排名第一的优异成绩。截至目前已成功运用于Telefonica、Telenor、TIM等欧美跨国运营商。
      2009年2季度中国移动组织多厂家PTN现网测试及TD Iub口IP化测试。在深圳移动现网对PTN的多业务承载能力、QoS、OAM、时间同步及网络生存性均进行了严格、全面的测试,结果表明中兴通讯的PTN产品在承载TD-SCDMA IP化Iub口时各业务指标、传输质量均符合要求。在后续对比测试中某些指标还优于MSTP产品,完全满足中国移动TD无线业务要求。
      随着中国移动传送网IP化实际工程的推进,目前中兴通讯已经服务于20余省的PTN网络建设。
      5 结束语
     
     业务的需求是推动PTN技术发展的主要动力。移动业务从2G向3G、HSPA+及LTE的演进,除了传统业务IP化的需求,还对同步、网络延时、可靠性及安全性提出了较高的要求。PTN正是在这一背景下应运而生。我们相信,随着PTN产业链的进一步发展成熟,其技术与成本优势将更加明显,必将成为移动回传等高价值业务的主流承载平台。同时,PTN的引入及发展壮大也必将反作用于业务网络,将进一步促进IP化业务的高速增长。
      6 参考文献
      [1] 武向军. 承载技术的革命—PTN[J]. 通信世界, 2009,40 (5):11-15.
      [2] IETF RFC 5317. JWT report on MPLS-TP architectural considerations[S].
2009.
      [3] IEEE 802.1Qay. IEEE standards for local and metropolitan area
networks: Virtual bridged local area networks, Amendment 7: Provider backbone
bridge traffic engineering[S]. 2009.
      [4] IETF RFC3985. Pseudo Wire Emulation Edge-to-Edge (PWE3)
architecture[S]. 2005.
      [5] 何庭宗. 分组传送网操作、管理和维护技.[J]. 中兴通讯技术, 2009,15(6):21-25.
      [6] ITU-T Recommendation G.8114. Operation & maintenance mechanism for
T-MPLS layer networks[S]. 2007.
      [7] ITU-T Recommendation G.8132. T-MPLS shared protection ring [S]. 2007.
      [8] IEEE Std. 1588-2002. IEEE standard for a precision clock
synchronization protocol for networked measurement and control systems [S].
2002.
      [9] ITU-T Recommendation G.8261. Timing and synchronization in packet
networks[S]. 2006.
      [10] 龙文富. 聚焦TCO构建PTN新型分组承载[J]. 通信世界, 2009,40 (5):16-19.
      作者介绍:
      丛凯,北京航空航天大学硕士毕业,中兴通讯股份有限公司承载网产品线规划经理,长期从事光通信技术研究,目前主要工作领域为PTN产品规划及相关技术。
     
      赵福川,中国科学院上海微系统和信息研究所博士毕业,中兴通讯股份有限公司承载网产品线PTN产品总工,长期从事光通信术研究,牵头研发的ZXMP多业务传送平台产品曾获2004年广东省科技进步一等奖,目前主要从事PTN产品技术研究和规划工作。
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