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【摘要】本文进行了小基站回传方案、同步方案选择及VLAN和IP地址部署各方面进行探讨研究。
【关键词】PON；小基站；皮飞站；网关；网管
【Abstract】In this paper， a small base station return program， synchronization options and VLAN and IP address deployment of all aspects of research.
【Key words】PON；Small base station；Pico station；Gateway；Network management
1. 前言
无线网络的大规模部署和智能手机的快速普及，使用户对移动宽带数据业务的需求呈现出爆发式的增长，对传统移动网络提出了两大挑战：热点区域密集用户群的吞吐量需求和边缘网络盲点覆盖问题。持续增加宏站数量，可以在一定程度上实现补忙和分流，但是在建设、运维成本高昂。而且随着LTE网络建设的深入，基站站址资源获取以及工程施工难度越来越大，传统的宏基站难以满足日益复杂的城市无线环境深度覆盖和大带宽数据业务的需求。因此，运营商越来越多地考虑引入灵活多样的小基站来满足不同应用场景的建设需求。鉴于此，安全可靠、低成本的解决小基站的回传问题就成为了当务之急。
2. 小基站介绍
2.1 小基站概念。
（1）小基站（Small Cell）是指单载波（20MHz带宽）功率在500mW以下，集成了BBU、RRU、天线的一体化基站，按照单载波功率大小又可细分为皮基站（Pico Cells）（100mW-500mW）和飞基站（Femto Cells）（100mW以下）两类。由于数量多、覆盖范围小，需纳入皮飞站网关设备后再连接至EPC，其它基站均直接连接至EPC。4G基站根据覆盖能力分为四大类：
（2）对于典型蜂窝网络，通常采用宏基站进行连续覆盖和室内浅层的部署，采用微基站进行道路、室外覆盖室内以及室内深度覆盖的室分系统的部署，而采用皮基站和飞基站进行补盲、补热，家庭级Femto用于家庭部署。小基站在移动网络中的位置如图1所示。
2.2 小基站网络架构。
（1）小基站是基于3GPP LTE 标准研发的。3GPP 中定义的LTE 网络结构如图2 所示。
（2）小基站和宏站的网络结构类似，逻辑接口相同（如S1/X2），由于数量多、覆盖范围小，小基站可选支持聚合网关（即HeNB GW）后再连接至EPC，其它基站均直接连接至EPC。该网关可完成S1 接口的汇聚转发，以支持某一区域内大规模的小基站连接。小基站是电信级设备，不仅支持数据业务，也支持CSFB 进行语音业务，后期通过固件升级，还能支持VoLTE 功能。小基站工作在授权制式和频段，支持空口、IP（IEEE 1588v 2 或NTP）、GPS 等各种同步方式。较之WLAN，小基站的有效部署与宏站一样也需要科学设计，提前规划回传（Backhaul）方案。
2.3 小基站系统组成。
LTE 小基站系统的主要网元包括LTE小基站、小基站网关与网管系统。
（1）LTE 小基站为终端提供LTE 接入，采用交流市电供电，安装简便，即插即用，支持自启动、自配置、自优化功能。在闭合区域内，小基站信号强度可以明显高于附近宏站。
（2）LTE 小基站网关包括安全网关、信令网关两部分功能。安全网关主要是保证LTE 小基站系统的安全。通过LTE 小基站与安全网关的双向认证，防止非法AP 接入；通过LTE 小基站与安全网关间的IPSec 隧道，实现对数据进行加密和完整性保护，并实现LTE 小基站与核心网跨域的连接。信令网关主要用于汇聚LTE 小基站的信令，以减轻核心网负荷。通过信令网关减少SCTP 链路，降低核心网信令负荷；实现使用28 位ID 的LTE 小基站与宏网络的互操作；通过S1-Flex 功能接入MME Pool，实现MME 负荷的分担。
（3）网管系统对LTE 小基站、小基站网关设备进行管理，实现系统的可监控、可管理，可操作维护。
3. 小基站回传方案
小基站的回传分为两部分：小基站至网关和网关至EPC。
3.1 小基站至网关。
3.1.1 总体原则。
鉴于4G皮飞站尤其是飞基站，其数量较多、可规划性较差，原则上不采用端到端PTN方式承载。飞基站采用PON+CMNET（方案一）方案连接至皮飞站网关，皮基站采用PON/PTN+CMNET（方案一和方案二）方案连接至网关，新建接入设备时优先考虑PON设备，即选择PON+CMNET（方案一）。如采用端到端PTN方式承载，应严格控制接入数量，并做好风险控制，避免PTN设备与CMNET网络直接相连。原则上不采用第三方资源回传，当自建资源存在建设难度大、成本高等问题而采用第三方资源时，应注意评估其传输质量，避免影响用户体验（4G皮飞站回传方案示意图见图3）。
3.1.2 传输接入方案。
4G皮飞站的传输接入场景可分为以下两种：
3.1.2.1 场景一、利用现网资源：
（1）已有移动PON网络覆盖的区域，4G皮飞站数量不超过16个（1个PON口下）且不影响现有业务的前提下，可利用现有分光器的空闲端口新设ONU实现皮飞站传输接入，并在PON系统网管中做好业务标识，同时必须在业务系统同步更新相关资源占用情况。
（2）对于不具备PON網络但有PTN资源的区域，可采用PTN+CMNET方式。 4G皮飞站采用L2 PTN接入，通过PTN核心调度层网元与同机房的CMNET的BRAS/SR或者SW网元通过10GE或N*GE口对接，对接采用LAG保护方式。 3.1.2.2 场景二、新建传输资源：
（1）对于不具备PTN和PON资源的区域，采用PON+CMNET方式接入，即末端采用PON接入，通过OLT上联至BRAS/SR，经城域数据网、省干CMNET后连接至4G皮飞站网关。为了保证安全性，在CMNET与皮飞站网关间需经过防火墙，以保证网络的安全性。
（2）4G皮飞站占用单独的PON口，采用一级分光方式，最大分光比不超过1：32；根据覆盖区域的皮飞站密度合理选择分光器安装位置，一般不高于综合业务接入区二级分纤点（小基站传输接入方案图见图4）。
3.2 网关至EPC。
3.2.1 总体原则。
原则上皮飞站网关部署位置不高于SAE-GW，与EPC间连接首选通过L3 PTN方式，次选直连方式。
3.2.2 具体方案。
（1）L3 PTN方式。
A.对于皮飞站网关设备端口少、流量不大、EPC数量较多、EPC需要组Pool且没有配置交换机时，通过L3 PTN连接至EPC，与宏站共用EPC对接的端口资源。此方案不需EPC扩容或改造，只需对PTN网络进行扩容或改造即可。
B.皮飞站网关与异机房EPC的之间电路连接，通过省干PTN系统解决。省干PTN系统通过调度L3 PTN完成跨机房转发。皮飞站网关先与交换机对接，交换机出主、备端口分别与同机房主、备省干落地L3 PTN对接。后期皮飞站网关若实现多机房容灾备份可直接与同机房省干落地PTN对接（小基站网关至EPC（L3 PTN方式）见图5）。
（2）直连方式。
对于皮飞站网关设备端口少且没有配置有交换机时，可采用皮飞站网关和EPC直连方式，即通过光纤或WDM/OTN进行连接。但目前的4G皮飞站网关设备端口有限，建設初期流量不大，因此近期不建议采用此方案。
3.3 同步方案。
皮飞站可根据部署情况，选择采用无线空口同步、GPS直接同步或地面传输1588v2同步方式，其中地面传输1588v2方式可采用从末端接入的PON或PTN设备提取同步信号。
（1）PON+CMNET方案：现有PON设备需升级支持1588V2，同步于GPS或同机房PTN设备，再通过PON网络对基站进行同步。同步于GPS需从同机房现有的GPS引接，但增加功分器会对时钟信号引入3dB插损，可能会影响无线站同步接收。
（2）PTN+CMNET方案：PTN网络在核心机房时间同步服务器引入同步信号，需要对PTN全网进行改造，改造之后可直接从PTN设备提取同步信号。
（3）如采用微波或第三方资源，则需微波或第三方设备支持1588v2。
通过上述对比，现网PTN、OLT设备升级支持1588v2难度较大， 因此首选无线空口同步和GPS直接同步。
3.4 VLAN和IP地址。
（1）PON承载皮飞站业务时，到宽带边缘网关（BRAS/SR）间采用SVLAN+CVLAN（QinQ）方式进行VLAN规划，其中外层SVLAN用于区分业务类型、OLT和PON口，内层CVLAN用于区分用户和业务（皮飞站VLAN分配示意图见图6）。
（2）VLAN分配应统一规划各类业务的VLAN资源，具体应制定划分原则及业务QOS等级。
3.5 网管。
4G皮飞站网管系统实现对4G皮飞站、皮飞站网关的可监控、可管理，可操作维护。
3.6 配套供电。
4G皮飞站设备主要采用就近交流供电方式，如安装位置附近无电源，可采用支持 POE的ONU对皮飞站设备实现远端供电。
4. 建设中需要注意的问题
4.1 PON接入时需要注意的问题。
由于4G 皮飞站采用PON做为回传网络，在部署中需注意：
（1）PON的带宽规划中，应统筹考虑专线、家宽和飞站/一体化皮站带宽需求；
（2）在PON内部与承载的集团客户专线、家庭宽带和WLAN等业务统一进行VLAN规划并配置相应的QoS，以区分4G皮飞站业务流量，提供较高优先级保障；
（3）对于质量要求较高的皮飞站，建议配置为宏站模式，通过端到端PTN系统连接至EPC。
4.2 网络安全问题。
为了保证回传网络及皮飞站网关的安全性，所有进出CMNET的流量均需经过防火墙，即部署的DHCP服务器、初始化服务器HeMS均需经过防火墙，皮飞站网管需部署在皮飞站网关之后（即网管信息需经过皮飞站的安全网关）；不得将PTN设备与CMNET网络直接相连。
5. 总结
小基站或将在未来几年内成为运营商网络投资建设的重点。小基站体积小、造价低，安装简单，能适应各种室内外安装环境及高密度部署需求，设备数量可能达到宏站的10倍之多。小基站作为宏基站的有效补充，正逐步成为LTE网络部署的重要组成部分。PON具有点到多点拓扑结构、多业务接入能力、部署成本低、方便快捷等优势，能很好满足LTE小基站数量众多、分布广泛、部署快速等需求，必将成为LTE小基站回传的主流承载方式，各电信运营商根据自身业务发展需要，从皮飞站回传方案及选择、同步方案选择及VLAN和IP地址部署各方面进行探讨研究，通过具体场景具体分析，得出建设方案切实可行。
参考文献
[1] 白鹭 ，揭摄 。LTE小基站承载方案研究-《电信工程技术与标准化》2016 ， 29 （5） ：45-48.
[2] 杨永忠 ， 于莉。 TD-LTE小基站回传承载方案- 《电子技术与软件工程》 ， 2016 （19） ：50-50.
[文章编号]1619-2737（2017）07-20-677
【关键词】PON；小基站；皮飞站；网关；网管
【Abstract】In this paper， a small base station return program， synchronization options and VLAN and IP address deployment of all aspects of research.
【Key words】PON；Small base station；Pico station；Gateway；Network management
1. 前言
无线网络的大规模部署和智能手机的快速普及，使用户对移动宽带数据业务的需求呈现出爆发式的增长，对传统移动网络提出了两大挑战：热点区域密集用户群的吞吐量需求和边缘网络盲点覆盖问题。持续增加宏站数量，可以在一定程度上实现补忙和分流，但是在建设、运维成本高昂。而且随着LTE网络建设的深入，基站站址资源获取以及工程施工难度越来越大，传统的宏基站难以满足日益复杂的城市无线环境深度覆盖和大带宽数据业务的需求。因此，运营商越来越多地考虑引入灵活多样的小基站来满足不同应用场景的建设需求。鉴于此，安全可靠、低成本的解决小基站的回传问题就成为了当务之急。
2. 小基站介绍
2.1 小基站概念。
（1）小基站（Small Cell）是指单载波（20MHz带宽）功率在500mW以下，集成了BBU、RRU、天线的一体化基站，按照单载波功率大小又可细分为皮基站（Pico Cells）（100mW-500mW）和飞基站（Femto Cells）（100mW以下）两类。由于数量多、覆盖范围小，需纳入皮飞站网关设备后再连接至EPC，其它基站均直接连接至EPC。4G基站根据覆盖能力分为四大类：
（2）对于典型蜂窝网络，通常采用宏基站进行连续覆盖和室内浅层的部署，采用微基站进行道路、室外覆盖室内以及室内深度覆盖的室分系统的部署，而采用皮基站和飞基站进行补盲、补热，家庭级Femto用于家庭部署。小基站在移动网络中的位置如图1所示。
2.2 小基站网络架构。
（1）小基站是基于3GPP LTE 标准研发的。3GPP 中定义的LTE 网络结构如图2 所示。
（2）小基站和宏站的网络结构类似，逻辑接口相同（如S1/X2），由于数量多、覆盖范围小，小基站可选支持聚合网关（即HeNB GW）后再连接至EPC，其它基站均直接连接至EPC。该网关可完成S1 接口的汇聚转发，以支持某一区域内大规模的小基站连接。小基站是电信级设备，不仅支持数据业务，也支持CSFB 进行语音业务，后期通过固件升级，还能支持VoLTE 功能。小基站工作在授权制式和频段，支持空口、IP（IEEE 1588v 2 或NTP）、GPS 等各种同步方式。较之WLAN，小基站的有效部署与宏站一样也需要科学设计，提前规划回传（Backhaul）方案。
2.3 小基站系统组成。
LTE 小基站系统的主要网元包括LTE小基站、小基站网关与网管系统。
（1）LTE 小基站为终端提供LTE 接入，采用交流市电供电，安装简便，即插即用，支持自启动、自配置、自优化功能。在闭合区域内，小基站信号强度可以明显高于附近宏站。
（2）LTE 小基站网关包括安全网关、信令网关两部分功能。安全网关主要是保证LTE 小基站系统的安全。通过LTE 小基站与安全网关的双向认证，防止非法AP 接入；通过LTE 小基站与安全网关间的IPSec 隧道，实现对数据进行加密和完整性保护，并实现LTE 小基站与核心网跨域的连接。信令网关主要用于汇聚LTE 小基站的信令，以减轻核心网负荷。通过信令网关减少SCTP 链路，降低核心网信令负荷；实现使用28 位ID 的LTE 小基站与宏网络的互操作；通过S1-Flex 功能接入MME Pool，实现MME 负荷的分担。
（3）网管系统对LTE 小基站、小基站网关设备进行管理，实现系统的可监控、可管理，可操作维护。
3. 小基站回传方案
小基站的回传分为两部分：小基站至网关和网关至EPC。
3.1 小基站至网关。
3.1.1 总体原则。
鉴于4G皮飞站尤其是飞基站，其数量较多、可规划性较差，原则上不采用端到端PTN方式承载。飞基站采用PON+CMNET（方案一）方案连接至皮飞站网关，皮基站采用PON/PTN+CMNET（方案一和方案二）方案连接至网关，新建接入设备时优先考虑PON设备，即选择PON+CMNET（方案一）。如采用端到端PTN方式承载，应严格控制接入数量，并做好风险控制，避免PTN设备与CMNET网络直接相连。原则上不采用第三方资源回传，当自建资源存在建设难度大、成本高等问题而采用第三方资源时，应注意评估其传输质量，避免影响用户体验（4G皮飞站回传方案示意图见图3）。
3.1.2 传输接入方案。
4G皮飞站的传输接入场景可分为以下两种：
3.1.2.1 场景一、利用现网资源：
（1）已有移动PON网络覆盖的区域，4G皮飞站数量不超过16个（1个PON口下）且不影响现有业务的前提下，可利用现有分光器的空闲端口新设ONU实现皮飞站传输接入，并在PON系统网管中做好业务标识，同时必须在业务系统同步更新相关资源占用情况。
（2）对于不具备PON網络但有PTN资源的区域，可采用PTN+CMNET方式。 4G皮飞站采用L2 PTN接入，通过PTN核心调度层网元与同机房的CMNET的BRAS/SR或者SW网元通过10GE或N*GE口对接，对接采用LAG保护方式。 3.1.2.2 场景二、新建传输资源：
（1）对于不具备PTN和PON资源的区域，采用PON+CMNET方式接入，即末端采用PON接入，通过OLT上联至BRAS/SR，经城域数据网、省干CMNET后连接至4G皮飞站网关。为了保证安全性，在CMNET与皮飞站网关间需经过防火墙，以保证网络的安全性。
（2）4G皮飞站占用单独的PON口，采用一级分光方式，最大分光比不超过1：32；根据覆盖区域的皮飞站密度合理选择分光器安装位置，一般不高于综合业务接入区二级分纤点（小基站传输接入方案图见图4）。
3.2 网关至EPC。
3.2.1 总体原则。
原则上皮飞站网关部署位置不高于SAE-GW，与EPC间连接首选通过L3 PTN方式，次选直连方式。
3.2.2 具体方案。
（1）L3 PTN方式。
A.对于皮飞站网关设备端口少、流量不大、EPC数量较多、EPC需要组Pool且没有配置交换机时，通过L3 PTN连接至EPC，与宏站共用EPC对接的端口资源。此方案不需EPC扩容或改造，只需对PTN网络进行扩容或改造即可。
B.皮飞站网关与异机房EPC的之间电路连接，通过省干PTN系统解决。省干PTN系统通过调度L3 PTN完成跨机房转发。皮飞站网关先与交换机对接，交换机出主、备端口分别与同机房主、备省干落地L3 PTN对接。后期皮飞站网关若实现多机房容灾备份可直接与同机房省干落地PTN对接（小基站网关至EPC（L3 PTN方式）见图5）。
（2）直连方式。
对于皮飞站网关设备端口少且没有配置有交换机时，可采用皮飞站网关和EPC直连方式，即通过光纤或WDM/OTN进行连接。但目前的4G皮飞站网关设备端口有限，建設初期流量不大，因此近期不建议采用此方案。
3.3 同步方案。
皮飞站可根据部署情况，选择采用无线空口同步、GPS直接同步或地面传输1588v2同步方式，其中地面传输1588v2方式可采用从末端接入的PON或PTN设备提取同步信号。
（1）PON+CMNET方案：现有PON设备需升级支持1588V2，同步于GPS或同机房PTN设备，再通过PON网络对基站进行同步。同步于GPS需从同机房现有的GPS引接，但增加功分器会对时钟信号引入3dB插损，可能会影响无线站同步接收。
（2）PTN+CMNET方案：PTN网络在核心机房时间同步服务器引入同步信号，需要对PTN全网进行改造，改造之后可直接从PTN设备提取同步信号。
（3）如采用微波或第三方资源，则需微波或第三方设备支持1588v2。
通过上述对比，现网PTN、OLT设备升级支持1588v2难度较大， 因此首选无线空口同步和GPS直接同步。
3.4 VLAN和IP地址。
（1）PON承载皮飞站业务时，到宽带边缘网关（BRAS/SR）间采用SVLAN+CVLAN（QinQ）方式进行VLAN规划，其中外层SVLAN用于区分业务类型、OLT和PON口，内层CVLAN用于区分用户和业务（皮飞站VLAN分配示意图见图6）。
（2）VLAN分配应统一规划各类业务的VLAN资源，具体应制定划分原则及业务QOS等级。
3.5 网管。
4G皮飞站网管系统实现对4G皮飞站、皮飞站网关的可监控、可管理，可操作维护。
3.6 配套供电。
4G皮飞站设备主要采用就近交流供电方式，如安装位置附近无电源，可采用支持 POE的ONU对皮飞站设备实现远端供电。
4. 建设中需要注意的问题
4.1 PON接入时需要注意的问题。
由于4G 皮飞站采用PON做为回传网络，在部署中需注意：
（1）PON的带宽规划中，应统筹考虑专线、家宽和飞站/一体化皮站带宽需求；
（2）在PON内部与承载的集团客户专线、家庭宽带和WLAN等业务统一进行VLAN规划并配置相应的QoS，以区分4G皮飞站业务流量，提供较高优先级保障；
（3）对于质量要求较高的皮飞站，建议配置为宏站模式，通过端到端PTN系统连接至EPC。
4.2 网络安全问题。
为了保证回传网络及皮飞站网关的安全性，所有进出CMNET的流量均需经过防火墙，即部署的DHCP服务器、初始化服务器HeMS均需经过防火墙，皮飞站网管需部署在皮飞站网关之后（即网管信息需经过皮飞站的安全网关）；不得将PTN设备与CMNET网络直接相连。
5. 总结
小基站或将在未来几年内成为运营商网络投资建设的重点。小基站体积小、造价低，安装简单，能适应各种室内外安装环境及高密度部署需求，设备数量可能达到宏站的10倍之多。小基站作为宏基站的有效补充，正逐步成为LTE网络部署的重要组成部分。PON具有点到多点拓扑结构、多业务接入能力、部署成本低、方便快捷等优势，能很好满足LTE小基站数量众多、分布广泛、部署快速等需求，必将成为LTE小基站回传的主流承载方式，各电信运营商根据自身业务发展需要，从皮飞站回传方案及选择、同步方案选择及VLAN和IP地址部署各方面进行探讨研究，通过具体场景具体分析，得出建设方案切实可行。
参考文献
[1] 白鹭 ，揭摄 。LTE小基站承载方案研究-《电信工程技术与标准化》2016 ， 29 （5） ：45-48.
[2] 杨永忠 ， 于莉。 TD-LTE小基站回传承载方案- 《电子技术与软件工程》 ， 2016 （19） ：50-50.
[文章编号]1619-2737（2017）07-20-677