3G接入网IP承载解决方案背景与挑战

    3G（3rd Generation），第三代数字通信技术，已经在大部分国家得到部署和应用。它与前两代通信技术的主要区别是在传输声音和数据的速度上有很大提升，它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。

    国际电信联盟（ITU）确定3G通信的三大主流无线接口标准分别是W-CDMA（宽频分码多重存取）、CDMA2000（多载波分复用扩频调制）和TD-SCDMA（时分同步码分多址接入）。各个系统标准主要区别是无线接口的传输技术不同，但三种标准的网络架构基本统一，主要由三个部分构成：用户终端（UE：User Equipment）、无线接入网（RAN：Radio Access Network）和核心网络（CN：Core Network）。

图一：3G网络架构及接口示意图

    传统的2G网络以及3G网络的初级版本（R99/R4）目前都面临着巨大的挑战。这些挑战不仅来自新业务对带宽的极大需求，还来自商业和技术等方面。

    首先，为了适应多媒体服务对高速数据传输日益增长的需要，第三代移动通信合作项目组（3GPP）已经公布了一种新的高速数据传输技术，叫做高速下行分组接入技术（HSDPA）。将来在R6阶段，还会应用高速上行分组技术（HSUPA）。目前HSDPA已经在EMEA（欧洲、中东和非洲）超过50家运营商部署，其14.4Mbit/s的下行带宽已经远远超过普通WCDMA的能力范围，对3G承载网（尤其是接入网RAN）的能力提出了更高要求。

    其次，随着各种移动增值业务的部署以及用户的迅速增多，运营商用于租用承载链路的费用急剧增加，这部分费用目前已经占据EMEA运营商日常网络维护费用绝大部分。这直接导致了运营商利润的缩水（Margin Squeeze），如果再没有新的承载技术取代传统的PDH/ATM链路的话，很多运营商将难以为继。

    另外，通信技术已经全面向IP化演进，移动网络的IP趋势也不容置疑。移动网络的非IP化导致的兼容、升级成本增加、业务部署困难等问题将越来越明显。

    因此，从99年开始，3GPP（3G Partnership Project）就提出“全IP”的概念。而全IP化最关键的一步是无线接入网的IP化。
    
    根据3GPP（3G Partnership Project）的定义，从图二可以看到，RAN是由无线网络管理器（RNC：Radio Network Controller）、无线基站子系统（Node B）和它们之间的传输网络（Backhaul）所构成。

图二：3G网络各组成部分示意图

    RAN的全IP化除了要对Node B和RNC实现IP化的改造之外，还需要对传送部分实现IP化。如果这部分不实现IP化，RAN的效率将非常低，那整个IP RAN也就失去了意义。

    3G接入网IP承载解决方案

    需求分析

    虽然Backhaul的IP化趋势不容质疑，但对于很多即将部署3G网络的运营商来说，原来预留的部分光传输资源不能浪费，而且老的SDH传送网络很可能会逐渐转移到新的Backhaul网络上来。所以，新的Backhaul网络必须有能力包容PDH/SDH。
 
     将来的运营商都是综合型的服务提供商，而目前数据通信的业务收入在整个通信行业里所占的比重不超过10%。即使在经济发达的欧洲，在已经开通3G业务的国家里，话音业务仍然高达85%。 因此，未来几年内3G业务应该是以话音业务为主导，同时数据、视频业务迅速发展。在这种情况下，新建的Backhaul网络资源会有一段时间比较富余，此时能否提高资源利用率，即充分利用光纤资源、基站资源来提供尽可能多的业务成了提高运营利润的关键因素。也就是说，Backhaul除了承载3G话音业务之外，完全可以用来同时承载企业专线、居民接入、移动话音、移动数据等多种业务，实现固网和无线网络接入网的共享。

    这些明确的需求对IP Backhaul网络提出了特殊的要求，这些要求包括：

类似SDH的时钟同步能力；
高可靠性；
传统的ATM/TDM业务支持能力及灵活的新业务扩展能力；
更高的传送能力；
更低的建设、维护成本。

    尤其是前两点，一度被认为是IP网络无法解决的问题，也是IP RAN最大的障碍。不过，随着一些新的IP技术的出现，这种情况已经发生改变。华为公司正是这种改变过程的参与者和有力推动者，其高效经济的IP RAN解决方案已经服务于多个大型运营商。

    华为公司IP Backhaul时钟同步解决方案

    目前在IP Backhaul网络上，可以使用的时钟同步技术主要有同步以太网技术和自适应时钟恢复技术两种。

    同步以太网技术

    同步以太网是一种采用以太网链路码流恢复时钟的技术。

    因为以太网是一个异步系统，不需要高精度时钟也能正常工作，所以一般的以太网设备都不提供高精度时钟。但是这并不是说以太网，不能提供高精度时钟。实际上，在物理层，以太网与SDH一样采用是串行码流方式传输，接收端必须具备时钟恢复功能，否则无法通讯。换句话说，以太网其实本身就已经具备传送时钟的能力，只是我们没有使用而已。

    在以太接口上使用高精度的时钟发送数据，在对端是可以恢复并且提取这个时钟并且保持高精度性能。这就是同步以太网的基本原理。

图一：同步以太网时钟解决方案示意图

    目前在无线接入网应用中主要有树状网和环网两种形式。BITS（Building Integrated Timing Supply）设备发布的时钟信息经过同步以太网络被分发给与基站节点相连的数据通信设备，在经过同步FE接口或者E1接口传送给基站。同步以太网传递时钟的机制很成熟，恢复出来的时钟性能是最可靠的，能够满足G.823规定的TIMING接口指标，而且不会受网络负载变化的影响（同步以太网时钟的传递只在以太网的接口之间的链路上进行，一旦进入设备，立刻被旁路到其他带外路径进行处理，不参与包转发）。由于这种时钟机制与传统的SDH网络时钟机制几乎完全一样，所以得到运营商的普遍认可。
 
    同SDH一样，同步以太网在部署上有局限，时钟的传递是基于链路的，它原则上要求时钟路径上的所有链路都具备同步以太网特性。而目前全球只有华为的MSP CX（Metro Services Platform CX）系列城域网设备实现了这一技术的商用，所以在实际部署中，为了穿透网络中不支持同步以太网的链路，可以在不同的同步以太网云之间建立专用的PWE3隧道，最后得到全网同步。这些PWE3隧道我们称之为“时钟穿越隧道”。

    在某些特定场景下，华为公司的城域网设备还可以使用一种更简单的时钟同步方式——自适应时钟恢复技术，实现IP RAN的时钟同步。

    自适应时钟恢复技术

    自适应时钟恢复技术来源于电路仿真技术，其实质就是通过自适应算法将仿真电路中携带的时钟信息恢复出来。

    电路仿真包恢复时钟性能与承载网络密切相关，会受到网络传输延时变化影响，所以应用场景需要一些限定条件，比如承载网负载比较松，时钟包服务优先级比较高可以保证无拥塞的传送；网络结构比较简单，中间节点较少，网络传送延时变化不大。