4G小基站IP地址规划原则探讨及研究

4G小基站IP地址规划原则探讨及研究
陈晓明
【摘要】本文首先介绍了4G小基站的承载需求及对IP地址的需求,针对各种承载方案分析了IP数据分组的处理流程,提出了4G小基站IP地址规划的总体原则,最后对IP地址规划的重要性进行了总结.
【期刊名称】《电信工程技术与标准化》
【年(卷),期】2017(030)011
【总页数】4页(P45-48)
【关键词】4G;小基站;TD-LTE;IP
【作者】陈晓明
【作者单位】中国移动通信集团设计院有限公司,北京 100080
【正文语种】中文
【中图分类】TN915
中国移动4G网络从2013年大规模建设开始，经过几年的建设，4G基站已经形成一定规模，基站规模已经超过100万个，在网络建设时，主要采用的是宏基站（Microcell）进行覆盖，而宏基站在选址、配套、深度和精确覆盖、扩容改造等方面的局限性日益凸显。

小基站（Smallcell）具有低成本、小型化、低功耗、自启动等特点，可以增强4G的覆盖，提升整体系统容量，将成为4G时代的重要网络组成部分。

4G小基站数量庞大、分布分散的特点对传输网提出了很大挑战，对于4G小基站
的承载，将以PON+CMNet方案为主，而根据应用场景，PTN+CMNet、PON+PTN和全程PTN等承载方案也将会被采用。

中国移动为指导各省公司开展4G小基站的建设，专门编制并下发了《中国移动4G一体化皮基站和飞基站承载方案及建设要求》，文件中对采用CMNet承载和PTN承载时的IP地址规划提出了要求，但面对数量巨大的4G小基站，IP地址的规划和使用时需要值得密切研究和关注的问题。

4G小基站根据覆盖能力分为微基站（Microcell、皮基站（Picocell）和飞基站（Femetocell）3大类。

对于微基站以及非一体化的皮基站，不需要经过网关设备，仍将采用传统全程PTN方案承载，IP地址分配与宏基站相同。

而一体化的皮基站和飞基站（下文中提及的4G小基站均是指一体化的皮基站和飞基站），将先通过网关设备接入，再接入EPC，其承载方案与传统的端到端PTN承载方案有很大不同。

图1为4G小基站需要传输网承载的接口示意图。

需要由传输网承载的4G小基站接口如下：
小基站至安全网关的S1接口（含S1-U和S1-C）；
小基站之间以及与宏基站之间的X2接口；
安全网关至SGW的S1-U接口；
信令网关至MME的S1-C接口。

安全网关与小基站间通过IPSec隧道实现对数据进行加密和完整性保护，安全网关将在原数据分组上增加新IP头和IPSec头，具体如图2所示。

从图2可以看出，小基站有2个IP地址，一个是IPSec地址（外层地址），另一个是业务地址（内层地址）。

在经过安全网关后，安全网关将新增的IP头和IPSec头剥离，剩下内层数据，该数据分组将在L3 PTN网络中传输，L3 PTN将按照小基站业务IP地址进行路由，
L3 PTN的路由表中将包含小基站IP地址，因此，小基站IP地址应考虑L3 PTN
以及原有宏基站IP地址配置统一规划，避免对L3 PTN的处理能力造成很大冲击，影响L3 PTN对4G流量的疏导。

目前对于小基站的承载，主要有4种方案，网络连接示意图如图3所示。

以上4种方案，小基站的接入采用PON或者PTN，接入设备不启用3层功能，
三层处理在CMNet或L3 PTN进行，因此在处理流程上，方案1和方案2类似，方案3和方案4类似。

下面就分方案介绍一下4G小基站的数据分组处理流程。

CMNet负责外层IP地址的处理，具体处理流程如下：
（1）小基站开机启动，广播发送请求，BRAS通过DHCP协议向小基站分配IP
地址。

(2）小基站同时从BRAS获得DNS服务器地址，通过内置域名获得HeMS（自启动服务器）IP地址。

(3）与HeMS建立通信，HeMS下发软件版本、配置文件、证书、安全网关、信
令网关IP地址等在内的初始化信息给小基站。

(4）小基站通过获得的IP地址与安全网关建立IPSec隧道，隧道建立后，安全网
关给小基站分配业务IP地址。

(5）小基站使用业务地址与安全网关通信，安全网关会剥离外层报头，将内层数据转发至信令网关或L3 PTN。

需要注意的是，安全网关、HeMS应分配公网IP地址，并配置到BRAS的白名单里，以避开对小基站的3A认证。

小基站通过CMNet分配的外层IP地址，可以
采用宽带用户上网地址，但要注意要与现网4G宏站地址不同。

L3 PTN负责外层IP地址的处理，具体处理流程如下：
(1）小基站开机启动，广播发送请求，DHCP服务器（单独设置或内置在PTN设
备里）通过DHCP协议向小基站分配IP地址。

(2）小基站同时从DHCP服务器获得DNS服务器地址，通过内置域名获得HeMS（自启动服务器）IP地址。

DNS服务器可单独设置或内置在DHCP服务器内。

(3）与HeMS建立通信，HeMS下发软件版本、配置文件、证书、安全网关、信令网关IP地址等在内的初始化信息给小基站。

(4）小基站通过获得的IP地址与安全网关建立IPSec隧道，隧道建立后，安全网关给小基站分配业务IP地址。

(5）小基站使用业务地址与安全网关通信，安全网关会剥离外层报头，将内层数据转发至信令网关或L3 PTN。

需要注意的是，安全网关、HeMS连接到L3 PTN的端口IP地址应与L3 PTN的IP地址匹配，并在一个网段上。

小基站外层IP地址应单独分配，不要占用宏基站IP地址，外层IP地址也要经过L3 PTN处理，应保证在同一“2转3”接口下的小基站外层IP地址在同一网段，并设置“2转3”接口IP地址为小基站的网关地址。

由于数量众多的4G小基站IP地址需要通过L3 PTN疏导，因此小基站的IP地址需要与4G宏基站和L3 PTN的IP地址统一规划，一定要使用统一的地址段，以便于地址收敛，又要具有很好的可扩展性和灵活性，便于今后小基站规模的增加，应满足以下几个原则：
（1）统一性：根据4G网络和L3 PTN网络统一进行小基站IP地址规划，小基站IP地址要与宏基站的IP地址区分开。

为节省IP地址资源，建议每个小基站分配1个IP地址，一个VLAN地址。

（2）连续性：小基站的IP地址规划一定要具有良好的连续性，小基站的IP地址要分配在一个统一的地址段内，在同一安全网关下的小基站IP地址要分配连续的IP地址，可以通过VLSM（可变长子网掩码）将众多小基站的路由进行归并，以
缩减路由表，提高路由算法的效率，在今后网络扩容和割接时，对网络地址表更新次数最少。

目前小基站网关设备基本按照省集中设置，小基站的路由具有一致性，如果能做到连续性，则可以进行很好的收敛。

（3）可扩展性：4G小基站的IP地址应具备良好的可扩展性，应充分考虑未来网络布局及规模，充分预留小基站的IP地址段，在未来网络节点的扩展和业务规模的扩展时，不会对IP地址进行大规模的调整和重新分配。

针对具体的4G小基站IP地址分配，下面以具体分配实例进行分析。

(1）第一步：分配小基站业务IP地址。

建议以省为单位进行分配，可以采用私有地址，与目前使用的宏基站IP地址分开，尽量分配一段连续的IP地址。

例如某省计划管理6万个小基站，则分配1个单独的B类地址给小基站使用。

(2）第二步：小基站外层IP地址：建议以安全网关为单位进行分配，可以采用宽带用户上网私有地址，根据安全网关的小基站容量进行分配，尽量分配一段连续的IP地址。

例如某安全网关计划管理2万个小基站，则分配0.5个B类地址给小基站用。

需要说明的是，如果小基站采用PTN进行接入，那么给小基站分配的外层IP地址应符合宏基站IP地址分配原则。

目前集团公司分配给宏基站的IP地址已经基本用完，小基站不能再使用宏基站的IP地址段，因此，需要单独再分配出一定数量的给4G小基站使用，建议在本省内保持唯一即可，各省之间可以进行复用，以减少对IP地址的消耗。

针对即将大量出现的4G小基站，应提前规划，分配好足够的IP地址段，要保持统一性、连续性和扩展性，要能保证能够收敛到最少的路由表条目数，以避免对L3 PTN的路由处理能力造成很大影响。

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