CC BY
15INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
ДИНАМИЧЕСКОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСОВ WDM В СЕТИ 5G RAN
1С.А.Садчикова, 2А.Журабеков
1ТУИТ, доцент кафедры ТИ, к.т.н., 2ТУИТ, магистрант 2 курса ФТ, кафедры ТИ
https://doi.org/10.5281/zenodo.7856912
Аннотация. Оптические сети являются одним из транспортных средств, которые могут поддерживать будущую технологию мобильной связи 5G. На данный момент в сети мобильной связи распределение полосы пропускания между радиоблоком RRU и блоком основной полосы BBU фиксировано и равно ширине канала при пиковой нагрузке. Возможность включать / выключать малые соты в зависимости от потребностей позволяет экономить ресурсы. Транспортная сеть должна иметь возможность динамически распределять оптические ресурсы только для активных в данный момент малых сот.
В статье приводится постановка задачи и обзор работ по оценке динамического распределения ресурсов в транспортной сети мобильного оператора, исходя из предположения, что малые соты не всегда находятся в включенном состоянии.
Ключевые слова: сеть 5G, радио блок RRU, блок основной полосы BBU, ONU, PON, DWDM.
Оптические сети способны передавать услуги с высокими требованиями по QoS на большие расстояния. Архитектура «точка-точка» является одной из архитектур для развертывания оптического волокна в сети доступа. Линии из главного офиса будут подключаться к блоку оптической сети (ONU) в пункте назначения. Кроме того, при использовании пассивных оптических сетей (PON), где не требуется питание, для разделения сигнала от одного источника к нескольким адресатам в сочетании с технологией мультиплексирования с разделением волн WDM поддерживается несколько длин волн для нисходящих или восходящих сигналов.
Оптические сети являются одним из транспортных средств, которые могут поддерживать будущую технологию мобильной связи 5G. Архитектура, в которой процессорный блок (baseband unit - BBU) географически отделен от RRU и централизован в главном центральном офисе (CO), называется централизованной сетью радиодоступа (CRAN). C-RAN потенциально может обеспечить ряд преимуществ по сравнению с существующими сетями радиодоступа, а именно:
- экономическая эффективность, поскольку используется меньше процессорных блоков BBU. Кроме того, трудности с развертыванием в густонаселенных городских районах ограничивают применение этой архитектуры [1].
- частичное решение проблемы установки оборудования в ограниченном пространстве в городских районах; снятие оборудования с антенн и его централизация (сосредоточение в главном центральном офисе) экономят место при новых установках.
- архитектура C-RAN обеспечивает возможности LTE для лучшей координации между соседними ячейками [1].
Другим аспектом, который следует учитывать в архитектуре C-RAN, является связь между RRU и BBU. В сети мобильного оператора основным элементом архитектуры сети радиодоступа RAN является базовая станция, которая состоит из двух частей - устройства
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
основной полосы частот (baseband unit BBU), который производит обработку цифровых данных, и удаленных радио модулей (radio unit RU), которые выполняют аналоговую обработку радиосигнала и генерируют радиосигнал, который передается через антенны. Эти модули (BBU и RU) соединены между собой оптическим волокном. Пока что эти два элемента географически близки, находятся на одной и той же базовой станции. Связь между этими элементами осуществляется через общий открытый радиоинтерфейс (Common Public Radio Interface CPRI).
Существует несколько вариантов "fronthaul" сети радиодоступа RAN - "backhaul", "fronthaul". В архитектуре "backhaul" модули BBU и RU физически расположены в одном и том же месте - на сайте. В архитектуре "fronthaul" BBU и RRU расположены в разных местах, часто на значительном расстоянии от друг друга. Архитектура сети радиодоступа RAN, в которой BBU централизован, а связь между BBU и RRU достигается с помощью CPRI, называется "Fronthaul" network.
Протокол CPRI довольно требователен с точки зрения полосы пропускания и задержки, и DWDM является предпочтительной технологией для передачи сигналов CPRI из-за его высокой полосы пропускания, а также жестких требований к задержке /джиттеру [1].
Сегодня основная коммутация в технологии DWDM внедряется с использованием реконфигурируемых оптических мультиплексоров с вводом-выводом (ROADM). ROADM используются для автоматизации перестройки длин волн на многоканальных волокнах, которые входят в узлы и выходят из них [2]. Многоволновой селективный переключатель (Multi-Wavelength Selective Switch WSS) - это ROADM, который избирательно перестраивает длины волн в разные направления [3].
Однако для коммутации в технологии DWDM используются не только ROADM. Также используются Мультиплексоры ввода/вывода OADM с фиксированной матрицей маршрутизации, а также коммутатор, называемый решеткой на основе массива волноводов AWG (Arrayed Waveguide Grating AWG).
Рассмотрим постановку задачи. На данный момент распределение полосы пропускания между радиоблоком RRU и блоком основной полосы BBU фиксировано и равно ширине канала при пиковой нагрузке. Если есть необходимость в большей емкости и трафике, необходимо смонтировать новые малые соты (small cells) для обслуживания этой емкости. Это увеличивает стоимость установки в целом. Однако повторное использование ресурсов и совместное их использование может быть выгодным с точки зрения затрат. Возможность включать / выключать малые соты в зависимости от потребностей позволяет экономить ресурсы. Это создает необходимость в динамической работе транспортной сети. Транспортная сеть должна иметь возможность динамически распределять оптические ресурсы только для активных в данный момент малых сот.
Если уточнить задачу, то трафик из разных районов варьируется в зависимости от перемещения пользователей, структуры трафика и спроса на услуги. Схема движения из разных радиоблоков RRU будет меняться в зависимости от места и времени. В то же время не все RRU должны быть активными для удовлетворения спроса. Это приводит к динамическому распределению ресурсов там, где это необходимо.
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
Такая динамичность может быть выгодна за счет динамического распределения ресурсов C-RAN или динамического распределения ресурсов в транспортной сети только по областям и малым сотам, где необходим трафик. Заранее можно добиться большей экономии энергии как в сети радиодоступа, так и в транспортной сети, отключив ненужные соты или интерфейсы в транспортной сети [4].
Представляет интерес исследование по оценке динамического распределения ресурсов в мобильной сети, исходя из предположения, что малые соты не всегда находятся в включенном состоянии. Экономия была бы значительной при организации большого количества малых сот, поскольку одновременно должно быть активировано только несколько сот.
Было проведено много исследований в области энергосбережения в сетях 5G и FMC. Экономия энергии в NGN является ключевым фактором для обеспечения эффективности. Приведем небольшой обзор работ, связанных с решениями по энергосбережению.
В статье [5], анализируется минимальное количество блоков основной полосы BBU, которое должно быть установлено в сети и предлагается алгоритм наиболее подходящего размещения для BBU в сети WDM-PON. В [6] изучается размещение BBU с целью достижения более экономичной сети. В исследовании предлагается решение, которое позволяет экономить до 65% в густонаселенных районах; однако количество длин волн, используемых в каждом канале связи, предварительно настраивается и фиксируется. Кроме того, основываясь на [6], трафик Fronthaul не допускает задержек и джиттера, и для удовлетворения этого требования следует использовать каналы «точка-точка».
В [7] показано, что сети PON более энергоэффективны, чем активные оптические сети (AON) или сети PtP.
В [8] авторы предлагают конструкцию с использованием пассивного разветвителя в удаленном узле, где ONU будет формировать виртуальную топологию разделения длин волн при условии, что спрос ограничен. Предложен математический алгоритм для поиска компромисса между энергосбережением и реконфигурацией длины волны.
В [9] представлен алгоритм динамического включения/выключения небольших ячеек. В этой работе автор представляет уравнение для размещения небольших ячеек и использует различные схемы трафика, которые будут проанализированы. Плотность малых сот Ds в 1/км2 представлена в виде:
ожидаемая вероятность отключения, которая здесь принимается равной 0,05.Значения емкости Ст и С3, соответствующие емкости макро соты и емкости малой соты, получены из предположений о спектральной эффективности 2,315 бит/с/Гц и полосе пропускания 1
В другой работе, [4], для нужд проекта, количество малых сот определено как 10 малых сот на 1 станцию макро соты.
Для того чтобы соединить малые соты, были изучены различные архитектуры. Пассивные оптические сети WDM-PON [10-11] выглядят серьезным кандидатом для инфраструктур FMC.
где G(t)
max
- максимальный объем трафика среди тестовых случаев, Pout-
ГГц.
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
REFERENCES
1. A.Pizzinat, P.Chanclou, F.Saliou,T.Diallo, "Things You Should Know About Fronthaul," in Journal of Lightwave Technology, vol. 33, no. 5, pp. 1077-1083, 2015, doi: 10.1109/JLT.2014.2382872.
2. J.Homa and K.Bala, "ROADM Architectures and Their Enabling WSS Technology," in IEEE Communications Magazine, vol. 46, no. 7, pp. 150-154, July 2008, doi: 10.1109/MCOM.2008.4557058.
3. A.Viglienzoni, R.M.Dorward, "Evolution of Switching Technology in DWDM Networks", IEEE, 2009, doi: 10.1109/PS.2009.5307755
4. COMBO Deliverable D3.3"Analysis of transport network architecture for structural convergence", June 2015 https://cordis.europa.eu/docs/projects/cnect/2/317762/080/deliverables/001-COMBOD33 WP330June2015EABv10Ares20153369841pdf.pdf
5. N.Carapellese, M.Tornatore, A.Pattavina, "Placement of base-band units (BBUs) over fixed/mobile converged multi-stage WDM-PONs," in Proc. 17th Int. Conf. ONDM, Apr. 2013, pp. 246-251
6. N.Carapellese, M.Tornatore, A.Pattavina, Energy-Efficient Baseband Unit Placement in a Fixed/Mobile Converged WDM Aggregation Network, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Aug. 2014, Vol.32(8), pp.1542-1551
7. C.Lange, A.Gladisch, "On the energy consumption of FTTH access networks," in Proc. Conf. OFC—Incudes Post Deadline Papers, Mar. 2009, pp. 1-3
8. R.Wang, H.H.Lee, S.S.Lee, B.Mukherjee, "Energy saving via dynamic wavelength sharing in WDM-PON," in Proc. 17th Int. Conf. ONDM, Apr. 2013, pp. 235-239
9. I.L.C.Araujo, A.Klautau, "Traffic-aware sleep mode algorithm for 5G networks" Telecommunications (IWT), IEEE Conference Publications, 14-17 June 2015
10. P. Vetter, "Next Generation Optical Access Technologies," in European Conference and Exhibition on Optical Communication. Optical Society of America, 2012
11. A. Banerjee, Y. Park, F. Clarke, H. Song, S. Yang, G. Kramer, K. Kim, and B. Mukherjee, "Wavelength-Division-Multiplexed Passive Optical Network (WDM-PON) Technologies for Broadband access: a review", Journal of optical networking 4 (11), 737-758
