4G小基站IP地址規(guī)劃原則探討及研究

陳曉明

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

4G小基站IP地址規(guī)劃原則探討及研究

陳曉明

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

本文首先介紹了4G小基站的承載需求及對(duì)IP地址的需求，針對(duì)各種承載方案分析了IP數(shù)據(jù)分組的處理流程，提出了4G小基站IP地址規(guī)劃的總體原則，最后對(duì)IP地址規(guī)劃的重要性進(jìn)行了總結(jié)。

4G；小基站；TD-LTE；IP

1 前言

中國(guó)移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)從2013年大規(guī)模建設(shè)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)幾年的建設(shè)，4G基站已經(jīng)形成一定規(guī)模，基站規(guī)模已經(jīng)超過(guò)100萬(wàn)個(gè)，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)，主要采用的是宏基站（Microcell）進(jìn)行覆蓋，而宏基站在選址、配套、深度和精確覆蓋、擴(kuò)容改造等方面的局限性日益凸顯。小基站（Smallcell）具有低成本、小型化、低功耗、自啟動(dòng)等特點(diǎn)，可以增強(qiáng)4G的覆蓋，提升整體系統(tǒng)容量，將成為4G時(shí)代的重要網(wǎng)絡(luò)組成部分。

4G小基站數(shù)量龐大、分布分散的特點(diǎn)對(duì)傳輸網(wǎng)提出了很大挑戰(zhàn)，對(duì)于4G小基站的承載，將以PON+CMNet方案為主，而根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，PTN+CMNet、PON+PTN和全程PTN等承載方案也將會(huì)被采用。中國(guó)移動(dòng)為指導(dǎo)各省公司開(kāi)展4G小基站的建設(shè)，專(zhuān)門(mén)編制并下發(fā)了《中國(guó)移動(dòng)4G一體化皮基站和飛基站承載方案及建設(shè)要求》，文件中對(duì)采用CMNet承載和PTN承載時(shí)的IP地址規(guī)劃提出了要求，但面對(duì)數(shù)量巨大的4G小基站，IP地址的規(guī)劃和使用時(shí)需要值得密切研究和關(guān)注的問(wèn)題。

2 4G小基站承載需求

4G小基站根據(jù)覆蓋能力分為微基站（Microcell、皮基站（Picocell）和飛基站（Femetocell）3大類(lèi)。對(duì)于微基站以及非一體化的皮基站，不需要經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，仍將采用傳統(tǒng)全程PTN方案承載，IP地址分配與宏基站相同。而一體化的皮基站和飛基站（下文中提及的4G小基站均是指一體化的皮基站和飛基站），將先通過(guò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入，再接入EPC，其承載方案與傳統(tǒng)的端到端PTN承載方案有很大不同。

圖1為4G小基站需要傳輸網(wǎng)承載的接口示意圖。需要由傳輸網(wǎng)承載的4G小基站接口如下：

小基站至安全網(wǎng)關(guān)的S1接口（含S1-U和S1-C）；

小基站之間以及與宏基站之間的X2接口；

安全網(wǎng)關(guān)至SGW的S1-U接口；

信令網(wǎng)關(guān)至MME的S1-C接口。

圖1 4G小基站承載接口示意圖

安全網(wǎng)關(guān)與小基站間通過(guò)IPSec隧道實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和完整性保護(hù)，安全網(wǎng)關(guān)將在原數(shù)據(jù)分組上增加新IP頭和IPSec頭，具體如圖2所示。

圖2 IPSec隧道模式的IP數(shù)據(jù)格式

從圖2可以看出，小基站有2個(gè)IP地址，一個(gè)是IPSec地址（外層地址），另一個(gè)是業(yè)務(wù)地址（內(nèi)層地址）。

在經(jīng)過(guò)安全網(wǎng)關(guān)后，安全網(wǎng)關(guān)將新增的IP頭和IPSec頭剝離，剩下內(nèi)層數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)分組將在L3 PTN網(wǎng)絡(luò)中傳輸，L3 PTN將按照小基站業(yè)務(wù)IP地址進(jìn)行路由，L3 PTN的路由表中將包含小基站IP地址，因此，小基站IP地址應(yīng)考慮L3 PTN以及原有宏基站IP地址配置統(tǒng)一規(guī)劃，避免對(duì)L3 PTN的處理能力造成很大沖擊，影響L3 PTN對(duì)4G流量的疏導(dǎo)。

3 小基站數(shù)據(jù)分組處理流程

目前對(duì)于小基站的承載，主要有4種方案，網(wǎng)絡(luò)連接示意圖如圖3所示。

以上4種方案，小基站的接入采用PON或者PTN，接入設(shè)備不啟用3層功能，三層處理在CMNet或L3 PTN進(jìn)行，因此在處理流程上，方案1和方案2類(lèi)似，方案3和方案4類(lèi)似。下面就分方案介紹一下4G小基站的數(shù)據(jù)分組處理流程。

3.1 PON/PTN+CMNet方案

CMNet負(fù)責(zé)外層IP地址的處理，具體處理流程如下：

圖3 小基站承載方案網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

（1）小基站開(kāi)機(jī)啟動(dòng)，廣播發(fā)送請(qǐng)求，BRAS通過(guò)DHCP協(xié)議向小基站分配IP地址。

(2）小基站同時(shí)從BRAS獲得DNS服務(wù)器地址，通過(guò)內(nèi)置域名獲得HeMS（自啟動(dòng)服務(wù)器）IP地址。

(3）與HeMS建立通信，HeMS下發(fā)軟件版本、配置文件、證書(shū)、安全網(wǎng)關(guān)、信令網(wǎng)關(guān)IP地址等在內(nèi)的初始化信息給小基站。

(4）小基站通過(guò)獲得的IP地址與安全網(wǎng)關(guān)建立IPSec隧道，隧道建立后，安全網(wǎng)關(guān)給小基站分配業(yè)務(wù)IP地址。

(5）小基站使用業(yè)務(wù)地址與安全網(wǎng)關(guān)通信，安全網(wǎng)關(guān)會(huì)剝離外層報(bào)頭，將內(nèi)層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至信令網(wǎng)關(guān)或L3 PTN。

需要注意的是，安全網(wǎng)關(guān)、HeMS應(yīng)分配公網(wǎng)IP地址，并配置到BRAS的白名單里，以避開(kāi)對(duì)小基站的3A認(rèn)證。小基站通過(guò)CMNet分配的外層IP地址，可以采用寬帶用戶(hù)上網(wǎng)地址，但要注意要與現(xiàn)網(wǎng)4G宏站地址不同。

3.2 PON/PTN+L3 PTN方案

L3 PTN負(fù)責(zé)外層IP地址的處理，具體處理流程如下：

(1）小基站開(kāi)機(jī)啟動(dòng)，廣播發(fā)送請(qǐng)求，DHCP服務(wù)器（單獨(dú)設(shè)置或內(nèi)置在PTN設(shè)備里）通過(guò)DHCP協(xié)議向小基站分配IP地址。

(2）小基站同時(shí)從DHCP服務(wù)器獲得DNS服務(wù)器地址，通過(guò)內(nèi)置域名獲得HeMS（自啟動(dòng)服務(wù)器）IP地址。DNS服務(wù)器可單獨(dú)設(shè)置或內(nèi)置在DHCP服務(wù)器內(nèi)。

(3）與HeMS建立通信，HeMS下發(fā)軟件版本、配置文件、證書(shū)、安全網(wǎng)關(guān)、信令網(wǎng)關(guān)IP地址等在內(nèi)的初始化信息給小基站。

(4）小基站通過(guò)獲得的IP地址與安全網(wǎng)關(guān)建立IPSec隧道，隧道建立后，安全網(wǎng)關(guān)給小基站分配業(yè)務(wù)IP地址。

(5）小基站使用業(yè)務(wù)地址與安全網(wǎng)關(guān)通信，安全網(wǎng)關(guān)會(huì)剝離外層報(bào)頭，將內(nèi)層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至信令網(wǎng)關(guān)或L3 PTN。

需要注意的是，安全網(wǎng)關(guān)、HeMS連接到L3 PTN的端口IP地址應(yīng)與L3 PTN的IP地址匹配，并在一個(gè)網(wǎng)段上。小基站外層IP地址應(yīng)單獨(dú)分配，不要占用宏基站IP地址，外層IP地址也要經(jīng)過(guò)L3 PTN處理，應(yīng)保證在同一“2轉(zhuǎn)3”接口下的小基站外層IP地址在同一網(wǎng)段，并設(shè)置“2轉(zhuǎn)3”接口IP地址為小基站的網(wǎng)關(guān)地址。

4 IP地址規(guī)劃原則

由于數(shù)量眾多的4G小基站IP地址需要通過(guò)L3 PTN疏導(dǎo)，因此小基站的IP地址需要與4G宏基站和L3 PTN的IP地址統(tǒng)一規(guī)劃，一定要使用統(tǒng)一的地址段，以便于地址收斂，又要具有很好的可擴(kuò)展性和靈活性，便于今后小基站規(guī)模的增加，應(yīng)滿(mǎn)足以下幾個(gè)原則：

（1）統(tǒng)一性：根據(jù)4G網(wǎng)絡(luò)和L3 PTN網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一進(jìn)行小基站IP地址規(guī)劃，小基站IP地址要與宏基站的IP地址區(qū)分開(kāi)。為節(jié)省IP地址資源，建議每個(gè)小基站分配1個(gè)IP地址，一個(gè)VLAN地址。

（2）連續(xù)性：小基站的IP地址規(guī)劃一定要具有良好的連續(xù)性，小基站的IP地址要分配在一個(gè)統(tǒng)一的地址段內(nèi)，在同一安全網(wǎng)關(guān)下的小基站IP地址要分配連續(xù)的IP地址，可以通過(guò)VLSM（可變長(zhǎng)子網(wǎng)掩碼）將眾多小基站的路由進(jìn)行歸并，以縮減路由表，提高路由算法的效率，在今后網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容和割接時(shí)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)地址表更新次數(shù)最少。目前小基站網(wǎng)關(guān)設(shè)備基本按照省集中設(shè)置，小基站的路由具有一致性，如果能做到連續(xù)性，則可以進(jìn)行很好的收斂。

（3）可擴(kuò)展性：4G小基站的IP地址應(yīng)具備良好的可擴(kuò)展性，應(yīng)充分考慮未來(lái)網(wǎng)絡(luò)布局及規(guī)模，充分預(yù)留小基站的IP地址段，在未來(lái)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展和業(yè)務(wù)規(guī)模的擴(kuò)展時(shí)，不會(huì)對(duì)IP地址進(jìn)行大規(guī)模的調(diào)整和重新分配。

5 IP地址規(guī)劃步驟

針對(duì)具體的4G小基站IP地址分配，下面以具體分配實(shí)例進(jìn)行分析。

(1）第一步：分配小基站業(yè)務(wù)IP地址。建議以省為單位進(jìn)行分配，可以采用私有地址，與目前使用的宏基站IP地址分開(kāi)，盡量分配一段連續(xù)的IP地址。例如某省計(jì)劃管理6萬(wàn)個(gè)小基站，則分配1個(gè)單獨(dú)的B類(lèi)地址給小基站使用。

(2）第二步：小基站外層IP地址：建議以安全網(wǎng)關(guān)為單位進(jìn)行分配，可以采用寬帶用戶(hù)上網(wǎng)私有地址，根據(jù)安全網(wǎng)關(guān)的小基站容量進(jìn)行分配，盡量分配一段連續(xù)的IP地址。例如某安全網(wǎng)關(guān)計(jì)劃管理2萬(wàn)個(gè)小基站，則分配0.5個(gè)B類(lèi)地址給小基站用。

需要說(shuō)明的是，如果小基站采用PTN進(jìn)行接入，那么給小基站分配的外層IP地址應(yīng)符合宏基站IP地址分配原則。

6 總結(jié)

目前集團(tuán)公司分配給宏基站的IP地址已經(jīng)基本用完，小基站不能再使用宏基站的IP地址段，因此，需要單獨(dú)再分配出一定數(shù)量的給4G小基站使用，建議在本省內(nèi)保持唯一即可，各省之間可以進(jìn)行復(fù)用，以減少對(duì)IP地址的消耗。針對(duì)即將大量出現(xiàn)的4G小基站，應(yīng)提前規(guī)劃，分配好足夠的IP地址段，要保持統(tǒng)一性、連續(xù)性和擴(kuò)展性，要能保證能夠收斂到最少的路由表?xiàng)l目數(shù)，以避免對(duì)L3 PTN的路由處理能力造成很大影響。

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院專(zhuān)家在2017移動(dòng)通信天線質(zhì)量高峰論壇發(fā)表演講

2017移動(dòng)通信天線質(zhì)量高峰論壇于10月24-25日在廣州隆重召開(kāi)。本次會(huì)議邀請(qǐng)產(chǎn)學(xué)研用各方領(lǐng)導(dǎo)專(zhuān)家，包括西安電子科技大學(xué)副校長(zhǎng)、天線系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長(zhǎng)楊銀堂和中國(guó)工程院院士、天線系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟主席段寶巖等眾多業(yè)內(nèi)專(zhuān)家以及三大電信運(yùn)營(yíng)商、中國(guó)鐵塔公司和京信、華為等國(guó)內(nèi)天線領(lǐng)軍企業(yè)，與會(huì)專(zhuān)家就天線系統(tǒng)質(zhì)量保障措施以及5G通信研究的推進(jìn)狀態(tài)展開(kāi)了深入探討。中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院專(zhuān)家高峰發(fā)表了《5G技術(shù)演進(jìn)及Massive MIMO天線性能評(píng)估》的主題報(bào)告。

2017移動(dòng)通信天線質(zhì)量高峰論壇集中交流探討了4G+及5G天線演進(jìn)及質(zhì)量保障解決方案等問(wèn)題，展示中國(guó)通信及天線發(fā)展的現(xiàn)階段成果和天線行業(yè)的前瞻性思考，探討天線行業(yè)的引導(dǎo)策略，發(fā)布移動(dòng)通信行業(yè)天線質(zhì)量閉環(huán)評(píng)估體系建議和天線產(chǎn)業(yè)發(fā)展與自律策略建議，呼吁政產(chǎn)學(xué)研用各方持續(xù)關(guān)注天線技術(shù)發(fā)展的作用和前景。

（本刊訊)

Research of the IP address plan for 4G small cell

CHEN Xiao-ming
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

This article brief l y introduces the requirements of the transmission and IP address of 4G smallcell, then analyses the IP packet process fl ow according to each carrying scheme ier plan and proposes the general principle of the IP address plan for 4G smallcell. Finally, it concludes the importance of the IP address plan.

4G; smallcell; TD-LTE; IP

TN915

A

1008-5599（2017）11-0045-04

2016-09-12