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以新兴双向有线电视网架构提供LTE/LTE-A小基站回程的一种解决方案

1、引言

 

移动语音及数据流量呈现出越来越快的增长趋势,这就给4G LTELTE-A及其后续演进网络的移动回程网络于可扩展性方面带来了很大的压力。同时,无线频谱是极其宝贵的资源,需得到高效的使用。另外,由于市场竞争的压力越来越大,移动通信基础网络运营商需要给用户提供一致、持续的业务使用体验。于是,移动通信基础网络运营商开始在用户住宅附近或集团客户驻地规模部署小基站。然而,小基站网络对于移动回程的需求将会更大。双向有线电视网络覆盖非常广泛(几乎已进入到每家每户),其城域网及接入网可为小基站的回程提供一种潜在的解决方案。

 

下文介绍一种面向小基站网络的移动回程而设计的、基于双向有线电视宽带网络新兴DAA(分布式接入架构)及全分组(all-packet)的城域传输网络。

 

1、新兴的小基站组网综述

 

小基站是一种仅服务于有限地域范围内少量移动终端设备的蜂窝基站,一般用于填补移动通信的覆盖空白区域(如面向偏远地区)或者用于给宏基站卸载/分流移动数据流量。

 

LTELTE-A网络中,小基站是网络架构的不可分割的组成部分。要满足承载不断增大的移动数据流量的需求,不能只是简单地对现有的宏基站架构进行扩展。而且,可用无线频谱资源的稀缺性,使得移动通信网络的空口效率必须达到最大值。

 

上述实际因素的存在,加之相关情况越来越显著,移动通信基础网络运营商们开始规模化地部署小基站。在LTELTE-A架构中,小基站网络将是自组织的,且其组网基于Home eNodeB所规范的架构原理。

 

流至及来源于小基站的移动数据流量必须要回程至移动通信基础网络运营商的核心网。由于部署于现网中的小基站数量将会很多,且部署地点相比于现有宏基站较为灵活、多样,小基站的移动回程网络建设就将面临很多实际的工程问题(如光缆敷设及取电较为/很困难等)。小基站的移动回程网络必须是电信级的,且具备较高的性价比。综上,很多移动通信基础网络运营商都认为,小基站网络部署中所面临的最大挑战之一就是移动回程网路的部署。

 

2、双向有线电视宽带网络新兴的DAA架构综述及对于小基站回程网络支撑的探讨

 

1DAA架构

 

DAA(分布式接入架构)是双向有线电视宽带接入网络的一种新兴的组网形式,其将可提高双向有线电视网络的服务能力,由此也就具备为移动通信基础网络运营商的小基站网络提供大规模、高容量、高可靠、低成本移动回程的潜力。

 

传统的双向有线电视宽带网络架构采取的是集中式的CMTS局端或CCAP(双向有线电视融合接入平台)、模拟光纤传输、模拟接入系统,若要扩展,需投入较大的成本。而新兴的DAA架构则是:CMTS局端分布式部署,下沉部署至离用户家中物理距离较近的位置,并以数字以太网作为双向有线电视网络的回程组网技术。由此,DAA架构可最大限度地保护有线电视网络运营商此前对于双向同轴电缆接入网络的巨大投资,无需重新投入巨资建设诸如PON(无源光网络)等新的光纤接入技术。

 

双向有线电视网络在部署了DAA架构之后,双向同轴电缆接入网络的RF(射频)性能就将可得到极大程度的提高。进而,在典型的应用场景之中,双向有线电视宽带网络就可达到很大的容量,可实现数百兆入户甚至数千兆入户。而另一方面,由于DAA采取数字光纤/以太网代替此前的模拟光纤传输系统,双向有线电视网络的系统容量就将可得到极大程度的提高,系统可靠性及可信性也将大幅增加。

 

于是,这么大的容量、可靠性及可信性,就使得将来部署了新兴DAA架构的双向有线电视宽带网络具备为小基站网络提供移动回程服务的潜力。

 

新兴的DAA架构将有两种实现方式:(1Remote PHY(远端物理层)架构。即把双向有线电视网络协议DOCSIS中的MAC(媒介接入控制)与PHY分割开,仍把前者保留部署于CMTS局端设备,而分部署部署的网络节点设备则仅具备PHY芯片;(2Remote MAC-PHY(远端MAC-PHY)架构。即把此前集中式部署的CMTS局端设备更换部署为电信级以太交换机与边缘路由器,或者把CMTS局端与IP/MPLS(多协议标签交换)架构相融合,而其他所有与双向有线电视宽带接入网络相关的功能则被分布式地部署至各个网络节点。

 

2)双向有线电视宽带网络的核心网及城域网对于小基站回程网络的支撑

 

由于上述第一种DAA架构 (远端PHY)在提供小基站网络回程服务方面存在诸多很大的挑战性问题,下文仅探讨于远端MAC-PHY这种新兴的DAA架构下部署小基站回程网络的方式。

 

在双向有线电视宽带网络中,所有的用户数据流量必须要穿透城域网及核心网——未来所承载的小基站回程数据流量也将不会例外。

 

典型的双向有线电视宽带网络核心网及城域网中一般规模部署了IP/MPLS传输设备。而如果要于其中传输小基站回程数据流量,需要用到MPLS流量工程能力建立VPN(虚拟专用网)。

 

总之,为了给小基站网络提供移动回程服务,双向有线电视宽带网络将需要实现的是:MPLS VPN基础设施、DOCSIS业务流配置(面向小基站回程)、时间同步服务之间的紧密集成及高度协同。

 

3、双向有线电视宽带网络提供小基站回程服务的架构探讨

 

1)总体

 

首先,第一步是对部署于用户家中的DOCSIS 3.1 CM终端(注:DOCSIS 3.1是最新版本的双向有线电视宽带接入网络标准,即将得到大规模的现网部署)或者内嵌Home NodeB(家庭LTE/LTE-A小基站)。这两种情况下,CM的以太网侧都将会对LTE/LTE-A小基站提供数据传送/回传及同步服务。这些同步服务可通过结合经典的1588v2协议及SyncE协议来由CM终端提供——CM终端接收来自于CMTS局端的、由最新版DOCSIS 3.1标准中所规范的DTPDOCSIS计时协议,如图1所示)所承载的同步信息,从而可用于确保LTE/LTE-A小基站、CM终端及CMTS局端上行之间的精确同步。

 

1  DTP协议

 

一个典型的LTE/LTE-A小基站对于带宽的需求是:上行与下行对称的150 Mbps~200 Mbps。因此,新一代基于最新DOCSIS 3.1标准的双向有线电视宽带接入网络就需要在200 MHz频点出对上行网络及下行网络进行分割(在这种配置下,上行带宽一般能达到1.2 Gbps)。

 

由于远端MAC-PHY”这种新兴的双向有线电视宽带网络DAA架构天然地具备高度分布式的架构,从而在提供高速上行带宽方面具备较大的优势,且主要体现在以下几个方面:(1)如果要在双向有线电视现网中大规模地部署上行/下行200 MHz频点处分割的方案,一是工程量将会很巨大,二是将需要投入巨资。而部署了远端MAC-PHY”架构之后,就可以有策略地部署200 MHz频点分割;(2)在部署了远端MAC-PHY”之后,DOCSIS服务组(共享某个带宽的家庭用户数量)就大大变小,从而,将来的LTE/LTE-A小基站回程,其所需的上行带宽就可以通过采取UGS(主动授权服务)DOCSIS流或RTPS(实时轮询服务)类型的配置来保证。

 

2)计时与同步问题

 

LTELTE-A小基站有着非常严格的计时与同步需求,且相关信息必须由回程网络来提供,所有网元必须具有1588v2时钟(边界或透明),并具备SyncE功能。

 

3LTE-A CoMP(协作式多点传输)问题

 

LTE-A架构中,有一种新兴技术是CoMP,其中,移动终端将可得到多个不同基站的数据服务,从而,网络资源利用效率得到一定程度的提升,蜂窝移动通信终端的接收性能也将得到增强。

 

从而,在LTE-A小基站网络中,用户的移动终端除了连接至自己的小基站,也可连接至邻居的小基站、邻居的邻居的小基站。于是,为了确保LTE-A小基站能正常工作,对于小基站eNodeBLTE安全网关之间的RTT(延迟/时延)的要求就相当严格(一般是在3毫秒~5毫秒的级别)。

 

为此,可以把LTE安全网关尽量部署于接近双向有线电视宽带接入网络远端MAC-PHY节点的位置以降低上述延迟/时延。这样,部署了CoMP技术的LTE-A小基站的回程流量就可以单独处理(注:独立于面向普通大众用户的高速Internet数据服务),且将具备更大的精确性。然后,该LTE安全网关将会把LTE-A小基站回程流量交换至双向有线电视网络的边缘路由器。

 

4vCCAP(虚拟CCAP平台)的边缘路由器问题

 

在可支撑LTE-A小基站网络移动回程服务的双向有线电视宽带网络架构之中,边缘路由器是相关数据穿透vCCAP架构的中央管理及策略执行点:对小基站回程数据及传统的住宅HSD(高速互联网数据)各自独立地进行处理,利用MPLS最为本质的特性,边缘路由器可通过任何一种标准化的机制(光波长通道、专用接口或一个MPLS LSP)把LTE-A小基站回程数据直接转发至移动通信基础网络运营商的网络,而住宅HSD数据转发则采取传统的IP路由模式或则将其封装进MPLS LSP(由具体的双向有线电视宽带网络现网架构决定采取哪种方式)。

 

如此一来,LTE-A小基站网络移动回程服务就可以通过现有的边缘路由器来处理,而不用对双向有线电视宽带网络的总体架构作出大的改变。

 

4、结论

 

本文介绍了一种基于新兴双向有线电视宽带网络远端MAC-PHY”架构为LTE/LTE-A小基站提供移动回程服务的解决方案,其具有较大的性价比。

 

虽然该解决方案存在较多的缺陷(尚无设备商生产集成有小基站eNodeBDOCSIS 3.1 CM用户终端、远端MAC-PHY”架构尚未在双向有线电视网络现网中得到大规模商用部署、有线电视网络运营商把MPLS VPN技术延伸部署至接入网后需要考虑相应的运营问题等),但是在总体上,小基站回程服务使得有线电视网络运营商可以更好地利用现网中同轴接入段的巨大存量网络资源。

 

 

参考文献

 

[1] Andrew Smith. SMALL CELL BACKHAUL SERVICES WITH A DISTRIBUTED ACCESS ARCHITECTURE AND PACKET BASED CABLE METRO NETWORKS[C]. 2016 Spring Technical Forum Proceedings, 2016-06-20.

 


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