Как создать самообслуживаемые высокоскоростные сети

С ростом популярности смартфонов и других интеллектуальных мобильных устройств операторы мобильных сетей (Mobile Network Operator, MNO) осознают, что увеличение доходов зависит от их способности предоставлять более широкий спектр мобильных широкополосных приложений и сервисов, причем для достижения ожидаемого качества услуг сеть должна обеспечивать малую задержку и высокую пропускную способность. Например, для просмотра видеопотока на планшетном компьютере с качеством HD необходима равномерная загрузка видео, это достигается за счет обеспечения быстрого доступа к объемному кэшированному контенту. Однако предоставление таких приложений и сервисов может очень скоро привести к превышению емкости имеющейся сети 3G и соответствующей распределительной сети. Как результат, MNO по всему миру внедряют беспроводные технологии следующего поколения (в том числе WiMAX, HSPA+ и LTE), которые позволяют преодолеть ограничения мобильного радиодоступа и достичь необходимых характеристик сети. В частности, спецификация LTE 3GPP (Release 8) предусматривает для нисходящего канала пиковую скорость не менее 100 Мбит/с; со временем последующие редакции LTE должны будут обеспечивать скорости до 1 Гбит/с. При необходимости поддерживается бесшовное взаимодействие с предыдущими сетевыми технологиями, такими как GSM, cdmaOne, UMTS и CDMA2000.1.

Благодаря более высокой спектральной плотности технологии 4G, операторы MNO могут обслуживать больше пользователей, увеличив для них норму потребления услуг. Как ожидается, стоимость в расчете на базовую станцию будет той же, что и для 3G, однако вследствие возросшей спектральной эффективности экономия может достигать 75%. Этот ценовой ориентир имеет критическое значение для формирования привлекательных тарифных планов. По информации компании TeliaSonera, одной из первых внедрившей эту технологию, в результате применения LTE спрос на услуги возрастает. Например, пользователи смартфонов 3G, карт передачи данных 3G и карт передачи данных LTE потребляют ежемесячно в среднем 400 Мбайт, 5 Гбайт и 15 Гбайт соответственно. При таком уровне потребления необходимая мобильным устройствам пропускная способность быстро достигнет значений, характерных для проводных широкополосных соединений.

Чтобы воспользоваться преимуществами LTE, сервис-провайдеры распределительных сетей должны поддерживать высокоскоростные транзитные соединения (сотни мегабайт в секунду на одну соту) вместо прежних кратных T1 (n x 1,5 Мбит/с) или E1 (n x 2 Мбит/с). Этот сдвиг парадигмы в распределительной сети обусловливает потребность в масштабируемых экономичных решениях — только с их помощью можно минимизировать TCO при переходе к базовым станциям LTE.

СЛОЖНОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ LTE

3GPP4 устанавливает архитектуру распределительной сети для LTE с требованием поддержки двух ключевых интерфейсов:

• S1 — интерфейс между LTE eNBs и EPC. EPC включает S-GW и MME.
• X2 — интерфейс, объединяющий eNBs с другими eNBs в определенные логические группы.

Оба интерфейса применяются для передачи пакетов контрольной плоскости (обмен сообщениями) и канальной плоскости (пользовательские данные). Кроме того, улучшение покрытия обеспечивают микросоты (маломощные eNBs для покрытия небольшой площади), пикосоты (обычно помещения офисных комплексов, торговых центров, вокзалов) или фемтосоты (жилые дома и небольшие офисы).

По мере развития беспроводных технологий функциональность дополнялась: появились распределенный радиоконтроль (Distributed Access Control) и плоскость полезных данных IP (IP Bearer Plane). eNBs на базовых станциях представляют собой конечные точки IP с поддержкой плоскости полезных данных IP, по которой передаются пользовательский трафик через туннели GTP и сигнальный трафик через туннели SCTP. eNBs, служащие в качестве конечных точек IP, отображают пользовательский трафик на несущие потоки IP (S1) между контроллерами eNBs и S-GW/MME. Если пользователь перемещается в другую соту, то интерфейс несущего IP-потока (X2) между eNBs разных сот можно использовать для обмена протокольными сообщениями для координации эстафетной передачи между соседними узлами. На Рисунке 1 показан интерфейс X2 между eNBs, а также интерфейс S1 между eNBs и контроллерами. Предполагается, что интерфейс S1 будет реализован в основном по соединениям «точка – точка» между eNB и контроллерами, хотя возможны и соединения «точка — множество точек». Стандартно интерфейс X2 реализуется по многоточечным соединениям между подмножеством соседних ячеек, обычно находящихся в одной подсети IP. Их количество может достигать 32 и даже 64, однако, как ожидается, в типичной функциональной модели будет не более 4–16 ячеек. Интерфейс X2 выиграет от низкой задержки при обмене протокольными сообщениями между сотами в одной подсети IP, а также от стабильности работы сети, особенно после внедрения расширенных возможностей LTE (редакция 10 и более поздние версии), таких как скоординированная многоточечная передача Coordinated Multipoint Transmission (CoMP).

Рисунок 1. Логическая архитектура LTE.

Проектирование LTE не ограничивается масштабированием пропускной способности для поддержки пакетного трафика. В связи с тенденцией использования приложений IP с неравномерным трафиком, акцент делается на поддержку передачи больших объемов мультимедиа и данных. Проектирование сети LTE предполагает разработку решений для поддержки пакетного трафика с различными классами сервиса Class of Service (CoS), которые теперь передаются по одной распределительной сети. Критичные приложения с небольшим объемом трафика или данные с жесткими требованиями к параметрам сети не должны страдать от больших объемов трафика «по мере возможности».

Дополнительные сложности возникают при попытке MNO оптимизировать использование эфирного времени в разделяемой среде, когда в одном секторе eNB в произвольный момент времени требуется поддерживать сто и более восходящих потоков. В «умных» телефонах apps применяется в качестве пользовательского интерфейса с облачными сервисами, но неправильно функционирующие или плохо запрограммированные приложения иногда потребляют чрезмерно большую пропускную способность. Помимо этого они могут заблокировать выделенный коммуникационный канал, придав ему статус «используется» посредством периодических запросов об обновлении информации. Такое происходит сплошь и рядом при обращении к сайтам социальных сетей. Наконец, дополнительные усилия требуются для оптимизации использования ограниченного спектра (например, каналов 5, 10 или 20 МГц) для беспроводного канала между пользовательским устройством и eNB.

ПАКЕТНАЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНАЯ СЕТЬ ДЛЯ LTE

Любая транспортная сеть для мобильного транзита должна иметь следующие ключевые атрибуты:

• стандартный совместимый интерфейс в качестве демаркационного пункта между MNO и провайдером распределительной сети;
• связность на уровне сервисов с поддержкой логических интерфейсов беспроводного уровня — только «точка – точка» или комбинация из «точка – точка» и «множество точек» — в зависимости от класса трафика;
• определение сервисов со спецификацией уровней сервиса (Service Level Specifications, SLS), а также необходимое регулирование трафика для достижения целей SLS, таких как задержка, ее вариация или доступность;
• масштабируемая сеть, способная поддерживать связность на уровне сервисов при числе сот свыше тысячи на городской домен; множество экземпляров сервисов на соту для поддержки различных классов трафика; несколько MNO на соту и несколько совместно размещаемых поколений мобильных технологий;
• эластичная сеть с протоколами и механизмами для обнаружения отказов и восстановления с целью достижения заданных в SLS параметров доступности, с дополнительной поддержкой разнообразия путей, узлов или портов, если необходимо;
• протоколы и интерфейсы для обслуживания (Operations, Administration and Maintenance, OAM) предоставляемых сервисов;
• сервис синхронизации сети для осуществления частотной синхронизации всех eNBs с первичными эталонными часами и, в случае TDD LTE, фазовая синхронизация eNBs.

После введения в LTE каналов IP и перехода 3G UMTS, HSPA, HSPA+ от TDM или ATM на каналы IP для транспорта пользовательского и сигнального трафика, распределительная сеть меняется для поддержки сервисов с передачей пакетов. Согласно отчету аналитической компании Infonetics Research, по всему миру операторы увеличивают пропускную способность распределительных сетей для пропуска взрывообразно растущих объемов трафика данных, и наиболее эффективным и экономичным способом оказался переход от TDM к пакетным технологиям IP/Ethernet. Эта тенденция способствует развитию всего рынка оборудования для распределительных сетей. Кроме того, пакетная распределительная сеть может предоставить более высокую пропускную способность, чем унаследованные сервисы TDM, при лучшей гибкости и отличной масштабируемости.

Переход к пакетному транспорту в распределительных сетях приводит к необходимости поддержки сервисов синхронизации сети с базовыми станциями. Сервис синхронизации может быть предоставлен независимо от инфраструктуры пакетной распределительной сети (как в случае BITS или GPS) или непосредственно по инфраструктуре пакетной распределительной сети (IEEE1588v2 или Synchronous Ethernet). Сервис сетевой синхронизации используется операторами, которые не хотят прибегать к GPS или внесетевому источнику (такому как T1/E1 или BITS) для их синхронизации, предпочитают иметь альтернативные варианты на случай недоступности GPS или внесетевых решений, нуждаются в фазовой синхронизации (для TDD LTE) вдобавок к существующей частотной синхронизации или просто стремятся уменьшить зависимость от дорогостоящих унаследованных соединений T1/E1. Синхронизация сети, отвечающая требованиям базовых станций LTE, имеет критическое значение для снижения риска недоступности мобильных сервисов. LTE требует жесткого контроля частоты РЧ-каналов для осуществления четкой эстафетной передачи между сотами и бесперебойного предоставления услуг.

Кроме того, провайдерам распределительной сети необходима возможность перехода к модели, поддерживающей быстрое развертывание связных сервисов с надлежащим уровнем автоматизированного создания, активации и управления услугами. Это позволит быстрее выводить на рынок новые сервисы, увеличить приток средств и в конечном итоге повысить прибыль.

ПАКЕТНАЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНАЯ СЕТЬ: ETHERNET КАК СЕРВИС

Переходя к модели пакетной распределительной сети, сервис-провайдеры должны понимать, что Ethernet — это не просто интерфейс с беспроводными сетевыми элементами MNO и транспортными сетевыми элементами провайдера распределительной сети. Популярность Ethernet в качестве транспортного уровня для пакетов IP в локальных сетях, как известно, велика. Дополнительная функциональность Carrier Ethernet делает его пригодным для транспорта через глобальную сеть. MEF-совместимые интерфейсы, в частности UNI, способны обеспечить совместимую демаркацию для MNO в случае использования пакетных распределительных сетей. Сервисы MEF на базе EVC делают возможной поддержку виртуальными пропускными ресурсами точечных, многоточечных и точечно-многоточечных соединений с функциями регулирования трафика для гарантированного выделения сетевых ресурсов с целью улучшения производительности. Определение соединения между UNI в EVC позволяет управлять сбоями и производительностью в распределительной сети. В Таблице 1 дается сравнение унаследованной модели для 2G/3G и для сервисов 3G и LTE. Здесь же указаны соответствующие организации по стандартизации (IEEE, ITU-T, MEF, BBF), занимающиеся усовершенствованием Ethernet для превращения его в эффективное и надежное решение сервисного и сетевого уровня.

 В унаследованной инфраструктуре, где поддерживаются сети 2G или ранние беспроводные 3G, демаркацией служил интерфейс PDH или SONET/SDH. В более продвинутых сетях 3G и 4G эту роль выполняет MEF-совместимый UNI, где используются интерфейсы Ethernet. Унаследованная модель предусматривала сервис, определяемый либо неполными (sub-rate) или полными (full-rate) временными слотами (TDM), либо идентификаторами виртуальных соединений (ATM Virtual Path или Virtual Connection). В современных распределительных сетях 3G и 4G архитектура Carrier Ethernet с MEF-совместимыми UNI позволяет определять сервис по набору CE-VLAN в кадрах Ethernet, отправляемых eNB и контроллерным оборудованием (или клиентским оборудованием) в пакетную распределительную транспортную сеть. Ключевые атрибуты мобильного распределительного решения — стандартизированные интерфейсы, масштабируемые сервисы, OAM и синхронизация — реализуются пакетной распределительной инфраструктурой на базе Carrier Ethernet.

Рисунок 2. Мобильная распределительная сеть с MEF-совместимыми интерфейсами и сервисами.

На Рисунке 2 показана типовая инфраструктура для распределительной сети LTE. В качестве примера приведены и возможности соединения для интерфейса S1 («точка – точка», EVC) и интерфейса X2 (многоточечные SVC), но выбор способа подключения предоставляется MNO. Следовательно, пакетная распределительная сеть должна поддерживать полный спектр точечных (E-Line), многоточечных (E-LAN) и точечно-многоточечных (E-Tree) сервисов. Требования к характеристикам (доступность или задержка кадров) могут варьироваться для S1 и X2. С учетом поддержки одного и более экземпляров CoS в рамках пакетной распределительной сети средства соединения могут поддерживать разные классы трафика с различными требованиями к производительности.

Рисунок 3. Выделение пропускной способности для различных классов трафика.

На Рисунке 3 приведена простая схема выделения пропускной способности для EVC, а также различных классов трафика, в частности, различие может проводиться между пользовательскими данными и трафиком синхронизации, или, возможно, между несколькими MNO на одной площадке, или даже несколькими поколениями мобильного трафика одного и того же MNO.

Как показано на Рисунке 3, EVC2 может состоять из множества CE-VLAN, причем каждая CE-VLAN выделяется для отдельного класса трафика (например, пользовательских данных, сигнализации или синхронизации). Класс пользовательского трафика может быть классифицирован как видео, интернет или голос (см. диаграмму). Пакетная распределительная сеть поддерживает эти классы трафика как в различных EVC, так и в одном и том же EVC для данного eNB. Лучшим выбором для класса трафика синхронизации на базе пакетного метода нередко оказывается выделение отдельного EVC, поскольку такой EVC может быть многоточечным к UNI во всех обслуживаемых пакетной сетью eNB. Основной объем трафика приходится на передаваемый «по мере возможности», поэтому провайдеры распределительной сети должны избегать применения жестких требований к производительности как к высоко приоритетному, так и к общему трафику. Чрезмерного выделения пропускной способности сети можно избежать за счет поддержки по крайней мере двух классов сервиса (высокоприоритетного и низкоприоритетного) и, если возможно, дополнительного класса со строгим приоритетом для трафика синхронизации с целью минимизации для него вариации задержки.

Рисунок 4. Топология и архитектура для типичной реализации пакетной распределительной сети.

На Рисунке 4 приведена типичная топология распределительной сети при реализации LTE. MNO может иметь фиксированные радиоканалы или оптические линии от центрального узла сотовой связи к другим узлам. Такая топология зачатую представляет собой смесь колец, спиц, шлейфов и неполных ячеек, в зависимости от требуемого географического покрытия и эластичности к сбоям. В этом сегменте сети полезными оказываются такие механизмы защиты, как группы агрегации каналов (Link Aggregation Group, LAG) с двумя и более параллельными каналами Ethernet. Коммутаторы Carrier Ethernet обладают эффективными протоколами и механизмами для поддержки быстрого обнаружения отказов и восстановления после сбоев фиксированных радиоканалов.

Фиксированные радиоканалы, как в микроволновом, так и миллиметровом диапазоне, используются почти в половине всех мобильных распределительных сетей. Двухточечные, высокоскоростные, пакетные фиксированные радиосистемы представляют простые и экономичные решения для распределительной сети LTE, так как, по сравнению с медными линиями, поддерживают весьма высокие скорости передачи данных, а их установка часто оказывается дешевле, чем прокладка нового волокна до площадки базовой станции.

Сети провайдеров распределительных сетей обычно состоят из одного или двух доменов — агрегации и кольцевой или ячеистой топологии в городской сети. Масштабирование метродомена для поддержки Ethernet и оптических сервисов в типичном решении осуществляется при помощи конвергентной оптической Packet-Optical Transport System (POTS) на базе Ethernet. В такой архитектуре одна и та же сеть может поддерживать пакетную распределительную сеть для LTE и других частных/деловых сервисов.

Если на некоторых узлах eNB присутствуют несколько MNO и используются более емкие Gigabit Ethernet (GbE) UNI, а eNB размещены с высокой плотностью, провайдерам распределительных сетей, возможно, придется масштабировать свои сети для поддержки в ближайшем будущем скоростей 10GbE, 40GbE или даже 100GbE. Им понадобится поддержка различных вариантов защитных механизмов и множественных путей для достижения эластичности распределительной сети LTE. С превращением беспроводных сетей в основную информационную магистраль, высокая доступность сети становится еще более критичной, так как перебои большой длительности могут отрицательно сказаться на лояльности клиентов, из-за того что используемые приложения работают ненадежно, медленно или вообще недоступны.

CARRIER ETHERNET СОКРАЩАЕТ CAPEX И OPEX

С развертыванием сервисов LTE число eNB в домене может значительно вырасти. При масштабировании сети LTE средства соединения оптимизируются и сопутствующие затраты сокращаются в соответствии с достигнутым уровнем простоты и надежности распределительной сети. Ключевым преимуществом распределительной архитектуры на базе Carrier Ethernet является то, что LTE базируется на IP. Это делает Carrier Ethernet лучшей транспортной моделью, и одновременно обеспечивается прозрачность для уровня IP (см. Рисунок 5). IP-трафик, связывающий приложения конечного пользователя с источниками информации, туннелируется через GTP и доставляется по отдельному, независимому транспортному IP-уровню — он оптимальным образом передается по распределительной сети Carrier Ethernet.

Рисунок 5. Carrier Ethernet обеспечивает прозрачность для уровня IP.

IP-маршрутизируемое сетевое решение IP/MPLS третьего уровня добавляет операционную сложность, что увеличивает стоимость масштабирования и эксплуатации L3-VPNs (продвижение/маршрутизация пакетов IP). Эти решения вынуждают провайдеров применять комплексные парадигмы продвижения (плоскость данных) и сложные протоколы маршрутизации и сигнализации (плоскость контроля) повсюду — от городских и агрегирующих сетей в область доступа. Более того, в случае арендуемых распределительных сервисов IP-провайдер вынужден координировать IP-трафик с операторами MNO. К тому же аренда IP-сервисов обычно обходится дороже, чем аренда сервисов Carrier Ethernet. Рисунок 6 иллюстрирует сложность протоколов IP/MPLS-маршрутизируемых решений L3 по сравнению с решениями Carrier Ethernet. В левой части каждого цветного блока отображается сложность плоскости продвижения, в правой — контрольная плоскость.

Рисунок 6. Сложность протоколов L3 IP/MPLS в сравнении с L2 CE.

Тот факт, что решения IP/MPLS являются более сложными, может радикально повысить и показатели CAPEX и OPEX. Это наиболее наглядно проявляется в процессе эксплуатации, диагностирования и обслуживания сети. Каждая специфическая для протокола плоскость продвижения имеет свой комплект функциональности OAM, в результате чего возрастает трудоемкость задач по координации и управлению сервисами OAM для сложных стеков протоколов, нередко с частичной поддержкой OAM (как в случае IP), что ведет к высоким операционным расходам. По той же причине может повыситься стоимость оборудования, поскольку процессоры маршрутизаторов распределительной сети должны поддерживать вычисление и хранение статистических данных, относящихся к уровням управления производительностью и сбоями; рост цены зависит и от размера MIB для поддержки более сложных протоколов, который может оказаться на порядок больше, чем в случае протоколов Carrier Ethernet.

Более простой опцией с гораздо меньшей общей стоимостью владения является распределительная сеть Carrier Ethernet второго уровня для базовой станции. Сети L2-VPN способны эффективно реализовать двухточечные, точечно-многоточечные или многоточечные соединения. Коммутацию второго уровня отличают стабильность и простота, включая точечно-многоточечные соединения X2 между башнями. Меньшее число уровней протоколов означает более простое предоставление, управление и восстановление. Сеть Ethernet с расширенным операторским функционалом не только обеспечивает надлежащие средства соединения, но также позволяет предложить широкий набор функций OAM для предоставления, измерения и диагностирования сетей. Оставляя функциональность IP мобильным конечным точкам (eNB и EPC), где она действительно необходима, и исключая ее из распределительной сети, операторы могут эффективно контролировать расходы, в том числе за счет использования более простых правил продвижения на базе пользовательских политик для упрощения или ограничения средств соединения, когда это требуется.

Carrier Ethernet на базе оптических, микроволновых или миллиметровых радиотехнологий обеспечивает высокий уровень контроля и надежную функциональность — это действительно экономичное решения для распределительной сети LTE. Используя Carrier Ethernet, провайдеры могут быстро масштабировать свою сеть, добиваясь снижения затрат в пересчете на бит и увеличения пропускной способности для удовлетворения растущих требований. Carrier Ethernet позволяет им подбирать предоставляемые в сети средства соединения с трафиком данных, которым эта емкость будет использоваться. Кроме того, внутренняя гибкость Carrier Ethernet помогает провайдерам распределительных сетей избежать чрезмерного выделения пропускной способности сети, даже если оператору MNO требуется несколько классов сервисов.

 Дмитрий Шемякин — технический специалист Ciena. С ним можно связаться по адресу: dshemyak@ciena.com.