CC BY
99Ethernet over PDH:
миграция к пакетной транспортной инфраструктуре беспроводных сетей
Павел КАТЛЕРОВ
В статье приведены основные причины перехода мобильной транспортной инфраструктуры на Ethernet, а также дан ответ на вопрос, почему операторам понадобился новый подход в топологии сети по сравнению с существующим на базе TDM.
До недавнего времени мобильные сети использовались в основном для голосовой связи и SMS. Однако с введением новых услуг по передаче данных для просмотра веб-страниц, скачивания музыки и видео, а также мобильного ТВ мобильную сеть ожидает преобразование для передачи значительно больших объемов пакетного трафика, которое уже произошло в сетях фиксированной связи.
Прогнозируя повышенный спрос на услуги по передаче данных, разработчики стандартов сосредоточились на увеличении скоростей передачи данных в мобильных сетях, что видно из релизов CDMA 1x EV-DO, HSPA+ и LTE. На рис. 1 представлена эволюция этих технологий с указанием скоростей скачивания данных.
Итак, очевидно, что технологии уже могут поддерживать самые современные мобильные услуги, такие как мобильное ТВ. Также ясно, что новые услуги основываются на протоколе IP.
Изменение контента ставит перед мобильными операторами две задачи: снизить эксплуатационные издержки и в то же время предложить новые высокоскоростные пользовательские услуги, что особенно важно в связи с угрозой возрастающей конкуренции и снижения ARPU (среднего дохода на абонента). Особенно это актуально при добавлении услуг для сетей 3-го и 4-го поко-
ления, которые требуют дополнительной пропускной способности от базовых станций (БС).
Одна из проблем, которые стоят сейчас перед мобильными операторами, — это разрыв между эксплуатационными расходами и доходами при переходе от сетей, построенных в основном для передачи голосового трафика, к сетям, поддерживающим возрастающие объемы данных и видеотрафик.
Традиционная модель мобильной сети для голоса основана на линейном соотношении между стоимостью и доходами на участке транспортной сети. При подключении новых абонентов или увеличении объемов голосового трафика операторы должны добавлять емкость транспортной TDM-сети в месте расположения соты, как правило, это делается при помощи увеличения арендуемых каналов E1 у местного оператора фиксированной связи, установки радиорелейных связей «точка-точка» или, в некоторых случаях, разворачивания транспортного кольца SDH для связи сот. Вне зависимости от выбранного варианта стоимость расходов на содержание возросшей инфраструктуры будет компенсирована дополнительным доходом, что даст в итоге прирост доходов оператору.
Но такая предсказуемая взаимосвязь между расходами и доходами не сохраняется для широкополосных мобильных услуг. Устройства с поддержкой High-Speed Packet Access
(HSPA) и CDMA 1x Evolution-Data Optimized (EV-DO) позволяют загружать данные на скорости до нескольких Мбит/с, что в целом приводит к значительному увеличению объемов трафика в транспортной сети. Однако доход с бита информации для услуг по передаче данных значительно ниже, чем для голоса. Такое изменение в предполагаемых доходах заставляет операторов искать решения для уменьшения стоимости бита передаваемого трафика данных по всей транспортной сети*.
В то время как сети 3-го поколения (3G) уже сегодня поддерживают большое количество услуг по передаче данных, пользование ими и, что более важно, доход от этих услуг остается относительно низким.
Таким образом, дилемма, стоящая перед мобильными операторами, состоит в том, как эффективно развивать услуги по широкополосной передаче данных и при этом не потерять доходы от традиционных услуг.
В современных 2G-сетях затраты на аренду каналов и содержание радиорелейных линий составляют около 40% от всех эксплуатационных расходов. Будущая инфраструктура мобильной сети должна не только обеспечивать традиционные услуги (которые и приносят основной доход), но и гарантировать эффективную передачу пакетных данных, минимизируя требуемую полосу пропускания и, соответственно, расходы на эксплуатацию. По прогнозам, в будущем трафик пакетных данных значительно превысит голосовой, поэтому операторы беспроводной связи планируют перейти к полностью пакетной транспортной инфраструктуре сети. В качестве наиболее подходящей технологии для пакетной сети называется Ethernet, он повсеместно распространен в сетях фиксированной связи.
* Мобильная транспортная сеть — термин, используемый для описания среды транспорта трафика голоса и данных в сети оператора беспроводной связи между базовыми станциями и центрами коммутации голоса и данных.
2G \ 2,56 \ 3G \ 3,5G \
GSM \ GPRS \ WCDMA \ HSDPA, \
cdmaOne } Edge \ HSUPA,
cdma2000 / IxEV-DO /
9,6 кб/с -100 кб/с 384 кб/с - 2 Мб/с 2-14 Мб/с
Рис. 1. Эволюция сетей мобильной связи и скоростей передачи данных в них
tj ft Кросс-конект BSC
ІЇЇІЇІІ
JL ^bis ■МІІІІІ
еГТ PDH/SDH X мобильная ) транспортная ч ) ATM
н ф ATM/IMA^ х сеть КфТМ-1 коммутатор RNC
IIIII
E1 ..ІІІІІ
Рис. 2. Обзор технологий и интерфейсов современной транспортной сети мобильной связи
Логично предположить, что следующим шагом должен быть немедленный переход на пакетные сети с оптоволоконной инфраструктурой. Однако не все так просто.
Несмотря на то, что Ethernet все шире начинают использовать в качестве транспорта, и доля таких решений возросла до 15% в 2006 г., более 70% транспортных подсистем построены на базе технологии PDH (плезиохронной цифровой иерархии) по медным либо по радиорелейным линиям связи (РРС). Чтобы заменить в краткие сроки такую инфраструктуру сети, просто не хватит ресурсов. Поэтому нужна технология, которая будет поддерживать новые услуги по передаче данных и позволит использовать имеющиеся линии связи наиболее эффективно.
План миграции к сетям на основе коммутации пакетов. Существующие решения. Подход на основе EoPDH
Эволюция сетей мобильной связи к пакетному будущему начинает реализовываться. Современные сети второго поколения (GSM и CDMA) были разработаны для голосового трафика с поддержкой услуг по передаче данных на низкой скорости посредством GPRS или увеличенной скорости посредством EDGE или CDMA2000 1x. Третье поколение сетей UMTS и CDMA2000 1x EV-DO было разработано с поддержкой высоких скоростей передачи, с помощью этих сетей можно предложить такие услуги, как мобильное видео и ТВ.
Изначально сети третьего поколения основывались на транспорте посредством ячеек ATM, но последние стандарты мобильных сетей, например UMTS Rel. 5 и CDMA2000 1х EV-DO, допускают использование IP в качестве замены ATM. Ожидается, что услуги по передаче данных для будущих сетей будут основаны на IP.
Если оператор выбирает экономичную стратегию перехода к сети нового поколения с последовательной заменой устаревшего оборудования и максимальным использованием существующей инфраструктуры, ему потребуется оборудование, способное передавать пакетные данные по существующей транспортной инфраструктуре. Следует четко разделить сеть доступа «последней мили» до каждой БС и транспортную сеть доступа для контроллера радиосети (RNC) и контроллера базовых станций (BSC). В современных сетях транспортная сеть строится на базе SDH, в то время как последняя миля основана на каналах E1. Как было отмечено ранее, физической средой для PDH-соединения служат либо медные, либо радиорелейные линии. Даже если транспортная сеть станет пакетной, остается потребность в передаче пакетов от БС до транспортной сети по каналам E1.
При увеличении полосы пропускания, предоставляемой новыми мобильными тех-
нологиями, и возможном росте применения услуг передачи данных важно грамотно управлять использованием полосы канала на базовой станции, подключенной по PDH. Поэтому механизмы транспорта пакетных данных поверх PDH должны обеспечить эффективное использование полосы канала связи.
В настоящее время механизмы для передачи пакетных данных по нескольким каналам PDH уже разработаны, это Inverse Multiplexing for ATM (IMA) и Multilink Point to Point Protocol (ML-PPP). Однако все больше внимания привлекает новое решение — Ethernet over PDH (EoPDH). EoPDH базируется на технологиях GFP, VCAT и LCAS, которые широко применяются в системах SONET/SDH.
GFP (Generic Framing Procedure, протокол, описанный в ITU-T G.8040, G.7041) преобразует пакетный трафик Ethernet, Fibre Channel или ESCON/FICON в постоянный синхронный поток данных, что необходимо для его упаковки в контейнеры иерархии PDH.
VCAT (Virtual Concatenation, стандарт ITU-T G.707 2000) — виртуальное объединение одинаковых каналов, благодаря которому сигнал Ethernet со скоростью 10 Мбит/с можно пе-
редать по пяти каналам E1, используя практически всю доступную емкость каналов.
LCAS (Link Capacity Adjustment Scheme, стандарт ITU-T G.7042) — эта схема регулирования емкости канала позволяет динамически изменить распределение нескольких каналов E1 без потери передаваемых данных. Схема распознает изменения в доступной пропускной способности, например, уменьшение на 4 Мбит/с при аварии на двух каналах E1, и «информирует» об этом VCAT. VCAT, в свою очередь, при помощи GFP ограничивает входящий трафик данных Ethernet скоростью 6 Мбит/с до тех пор, пока авария не будет устранена и не станет доступной вся пропускная способность.
На рис. 2 показано устройство транспортной сети мобильной связи второго и третьего поколений (2G вверху, 3G внизу).
В сетях 2G голос и SMS передаются по каналам E1 с использованием PDH. В 3G-сетях голос передается посредством ATM Adaptation Layer 2 (AAL2), а данные — посредством ATM Adaptation Layer 5 (AAL5). Услуги по передаче данных оказывают, используя ATM поверх нескольких E1 с применением IMA. В 3G^-тях, развернутых на базе IP, используется про-
Рис. 3. Механизмы передачи трафика данных поверх E1
Таблица. Сравнение GFP/VCAT/LCAS с ML-PPP/PPP/HDLC
GFP PPP/HDLC
Выравнивание HEC Флаг HDLC
Инкапсуляция заголовка 8 байт 6 байт
Коррекция ошибок заголовка Да Нет
Предсказуемость свободной полосы канала Да Нет (зависит от типа передаваемых данных)
VCAT ML-PPP
Протокол 1-го уровня 2-го уровня (PPP)
Метод чередования Байты Фрагменты
Использование заголовка Фиксированный заголовок Дополнительный заголовок для каждого фрейма
На выходе Чередование байтов Компоновка из фрагментов, требующая сложной буферизации
Восстановление ЮАБ (без разрыва соединения) Нет (с разрывом соединения)
токол ML-PPP для разделения IP-пакета на некоторое количество меньших PPP-фрагментов, которые передаются поверх E1 (рис. 3).
Однако и IMA, и ML-PPP не полностью удовлетворяют всем потребностям операторов при передаче IP-трафика. IMA/ATM обладает избыточностью, что приводит к нерациональному использованию полосы канала связи. ML-PPP не обеспечивает надежность и способность к самовосстановлению в тех случаях, когда возникают ошибки передачи, что часто происходит при использовании радиоканалов. Необходимо вмешательство протокола более высокого уровня и повторная передача, что приводит к снижению эффективности использования канала связи.
EoPDH, по сути, решает эти две проблемы, используя механизмы расширенного обнаружения и коррекции ошибок посредством GFP, а также способность восстанавливаться после сбоя посредством LCAS. EoPDH применяет GFP-инкапсуляцию для пакетных данных, VCAT для объединения требуемых PDH-каналов, а затем LCAS — для динамического добавления и вычитания емкости каналов PDH в зависимости от того, какой объем данных требуется передать, либо быстро среагировать на ошибки на отдельных линиях E1. EoPDH разработана под Ethernet в отличие от ATM или PPP, поэтому можно использовать интерфейсы UNI, определенные Metro Ethernet Forum, в качестве стандартных интерфейсов для пакетного транспорта. UNI не зависит от технологии транспорта, что позволяет использовать этот же интерфейс после миграции транспортной сети на пакетную. Следует также отметить, что GFP, VCAT и LCAS для EoPDH были стандартизированы МСЭ-Т в рекомендациях G.8040, G.7043 и G.7042.
Основное преимущество EoPDH заключено в надежной транспортировке пакетов, что ведет к уменьшению числа отбрасываемых пакетов, предсказуемому маленькому заголовку и увеличению полосы пропускания до 20%.
Преимущества составляющих EoPDH — GFP, VCAT, LCAS. Миграция к пакетным сетям с использованием EoPDH. Электронные компоненты, реализующие принципы EoPDH
Применение GFP/VCAT/LCAS позволяет повсеместно использовать эти технологии в уже развернутых сетях Ethernet over SONET/SDH (EoS), но большие преимущества заложены и в самих технологиях.
GFP — это очень надежный метод инкапсуляции с процедурой CRC для всего заголовка пакета в дополнение к коррекции ошибок заголовка (HEC) фрейма GFP. GFP также обладает надежным механизмом формирования фреймов и синхронизации на базе Payload Length Indicator (PLI) и Header CRC (cHEC). Это помогает уменьшить количест-
во повторных сеансов передачи из-за битовых ошибок. С учетом, что каналы E1, как правило, предоставляют по радиорелейным линиям, вероятность высокой скорости ошибок не столь уж мала.
Если передача идет по протоколу Transport Control Protocol (TCP), то битовые ошибки интерпретируются как перегрузка сети. Соответственно, TCP начнет уменьшать окно передачи, чтобы убрать перегрузку участка сети. Он будет это делать до тех пор, пока ошибки не исчезнут. После некоторого времени TCP начнет последовательно наращивать загрузку канала. Итоговым эффектом такой работы протокола TCP будет намного меньшая пропускная способность, чем позволяет канал связи.
При использовании более надежного метода инкапсуляции случайные битовые ошибки могут быть обнаружены и исправлены без ретрансляции, что соответственно повысит пропускную способность сети.
В случае аварии VCAT/LCAS обеспечивает механизм синхронизации, который позволяет восстанавливать трафик без вмешательства протоколов высшего уровня. Быстрое восстановление с минимальными потерями трафика позволяет увеличить пропускную способность и доступность сети.
В связке с VCAT протокол GFP предоставляет простой механизм 1-го уровня для формирования очереди передачи байт за байтом, в отличие от схемы «фрагмент за фрагментом», используемой в ML-PPP. Это уменьшает необходимость буферизации и повтор-
ного формирования фреймов, обеспечивая наименьшую задержку, что является несомненным преимуществом для услуг, чувствительных к задержкам, например, мобильного видео и ТВ, мобильного радио и VoIP.
Как видно из сравнения PPP/HDLC + ML-PPP с GFP/VCAT/LCAS (таблица), последний механизм является очень интересной альтернативой.
GFP — протокол, обеспечивающий надежную передачу данных
GFP обеспечивает защиту от ошибок как в заголовке, так и в полезной нагрузке, что делает его очень надежным протоколом (рис. 4).
Различные поля Header Error Control (HEC) позволяют исправить однобитовую ошибку и обнаружить многобитовые ошибки, что дает устойчивость против них.
PPP/HDLC также включает 16 или 32 бита FCS, что позволяет обнаружить битовые ошибки в заголовке и полезной нагрузке, однако он не позволяет исправить их, как при GFP.
Как видно из структуры фрейма GFP, его заголовок имеет фиксированную длину и не зависит от размера пакета. Это приводит к более эффективному использованию полосы канала в сравнении с PPP/HDLC, где заголовок пропорционален количеству фрагментов в пакете. Шесть байт резервируется на каждый фрагмент, что приводит к 10%-ному росту трафика при использовании 64 байтовых фрагментов по сравнению с GFP. HDLC да-
Корневой заголовок Область полезной нагрузки (4..65536 октетов)
PLI 2 октета сНЕС 2 октета Туре 2 октета tHEC 2 октета Расширенный Заголовок 2.. 16 октетов еНЕС 2 октета Полезная нагрузка FCS 4 октета
PLI - PDU Length Indicator
cHEC - Core Header Error Control
tHEC - Core Header Error Control
eHEC - Extension Header Error Control
FCS - Frame Check Sequence
Рис. 4. Формат фрейма GFP
Число 64-байтовых сегментов во фрейме 4 Е1 MLPPP -ш— 4 Е1 VCAT —ф— 16 Е1 MLPPP -я- 16 Е1 VCAT
Рис. 5. Сравнение задержки в VCAT и ML-PPP (источник: TranSwitch, 2007)
лее требует вставки битов (дополнительный «нуль» для каждой строки из 5 «единиц»). Это может дополнительно увеличить загрузку канала до 20% и приводит к неопределенности требований к полосе канала.
GFP поддерживает отправку управляющих фреймов. Его применяют для передачи различной служебной и сервисной информации. Например, можно использовать фреймы Client Signal Failure (CSF) для передачи информации о потере связи Ethernet. Для PPP/HDLC необходим дополнительный протокол, чтобы осуществить передачу управляющих фреймов, — Link Control Protocol (LCP).
VCAT— технология
для обеспечения наименьшей
задержки пакетов
По прогнозам, мобильное видео станет мощным генератором дохода для операторов. Однако для видеоконференций, равно как и других видеоуслуг реального времени, задержка — это критический фактор.
VCAT представляет собой решение с наименьшей задержкой. Задержка VCAT (рис. 5) прямо пропорциональна длине пакета в байтах, но обратно пропорциональна количеству членов группы виртуальных контейнеров (VCG) для всех размеров пакета. Превосходство от увеличения количества членов VCG распространяется на все размеры пакетов.
В отличие от VCAT, в протоколе ML-PPP превосходство от увеличения количества членов имеют только большие пакеты, что проявляется в скачкообразной зависимости задержки от числа членов.
Как видно, задержка в VCAT пропорционально зависит от количества 64-байтовых сегментов в структуре фрейма, в то время как для ML-PPP задержка может изменяться в зависимости от числа членов. Таким образом, VCAT дает предсказуемость при управлении задержками в сети.
LCAS — технология для увеличения полосы пропускания каналов и автоматического восстановления после сбоев
LCAS работает на первом сетевом уровне, что дает ряд преимуществ по резервированию и восстановлению линии. LCAS можно реализовать аппаратно без необходимости ресурсоемкой обработки. Она позволяет быстро реагировать на события, и так как LCAS не требует вмешательства протоколов верхнего уровня, действия по восстановлению соединения принимаются немедленно.
Например, поврежденные члены можно убрать из VCG-трафика, перемещающего группу виртуальных контейнеров. Оставшийся неповрежденным канал связи продолжает функционировать с уменьшенной полосой. При восстановлении канала поврежденные члены можно будет опять добавить в группу без воздействия на передаваемый трафик.
Еще одно преимущество данного подхода в том, что нет необходимости содержать избыточную емкость каналов для резервирования; это позволяет предоставить полосу для услуг, приносящих доход. И послед-
нее, стандартизированная LCAS обеспечивает совместимость с другими узлами сети, что наилучшим образом подходит операторам, вынужденным арендовать часть инфраструктуры у операторов фиксированной связи.
Подводя итоги, перечислим еще раз все преимущества от внедрения Ethernet over PDH:
• Повышенная надежность: меньше отбрасываемых пакетов, выше полоса пропускания и сниженная до 20% загрузка служебной информацией на каждую БС.
• Фиксированный размер заголовка, не зависимый от полезной нагрузки.
• Улучшенные механизмы восстановления, позволяющие отказаться от резервирования дополнительных каналов и предоставить освободившуюся полосу для услуг.
• Уменьшение времени задержки посредством простого механизма создания очереди байт за байтом в GFP, отказавшись от сложной буферизации фрагментов.
• Предсказуемость задержки в VCAT.
• Совместимость на уровне LCAS, благодаря стандартизации.
Доступная инфраструктура сети используется более эффективно, уменьшая полосу, требуемую каждой БС, и освобождая доступные каналы для новых БС или услуг.
Миграция с использованием Ethernet over PDH
Критики выделяют основную проблему транспорта на базе PDH: при стремительном росте передаваемых данных потребуется чрезмерное количество каналов E1/T1. И на самом деле, очевидно, что переход на пакетную инфраструктуру радиосети в конце концов состоится. Однако на это потребуется время, а возможно будут и области, где внедрение новых решений будет экономически неоправданно.
План миграции должен учитывать различные уровни пакетной загрузки, с учетом возможностей имеющейся инфраструктуры. На рис. 6 изображен возможный план миграции сети на основе EoPDH.
Используя EoPDH, повторно используют существующую инфраструктуру PDH и SDH для предоставления услуг по передаче дан-
ных. Существующие услуги по передаче голоса и SMS можно продолжать передавать по этой же сети. По мере роста пакетного трафика появляется возможность внедрить инфраструктуру на базе Ethernet с последовательным переводом голоса и SMS на эмулированные каналы по пакетной инфраструктуре (технология CESoP).
Компоненты,
реализующие принципы EoPDH,
для производителей оборудования связи
TranSwitch и TPACK предоставили полное решение на базе Ethernet over PDH для мобильной транспортной инфраструктуры (рис. 7), а также проводных решений, требующих передавать Ethernet по существующим каналам E1, — комплект микросхем TranSwitch EtherMap®-PDH (TXC-07861) и TPACK TPW48-P.
EtherMap-PDH, мапер Ethernet в PDH, предназначен для оборудования, устанавливаемого рядом с БС сети 3G и преобразующего трафик Ethernet в PDH. EtherMap-PDH совместим со стандартами МСЭ-Т для TGFP, VCAT и LCAS — G.8040, G.7043, G.7042 и G.7041. Многие дополнительные функции, среди которых VLAN separation, Q-in-Q, granular VCGs, позволяют рассматривать этот чип как полноценную систему на кристалле.
TPW48-P — пакетный мапер датской фирмы TPACK, он может служить мультиплексором для мультисервисных платформ с поддержкой Ethernet over PDH и SONET/SDH.
TPW48-P поддерживает скорость передачи данных до 2,5 Гбит/с, что соответствует интерфейсу STM-16 или также 4xSTM-4 (чаще применяется в топологии мобильных транспортных сетей), для EoPDH поддерживаются и менее скоростные интерфейсы STM-1. Поддерживается одновременная передача VCG технологий EoPDH и EoS. Фреймы Ethernet выделяются из EoPDH VCG в блоке пакетного мапера и передаются далее на шину сетевого процессора 2-го уровня, откуда их можно пересылать по адресу назначения по сети Ethernet/MPLS.
Заключение
Ожидая роста использования услуг по передаче данных, большинство операторов мобильной связи начинает задумываться о преобразовании мобильной транспортной сети. Около 40% эксплуатационных расходов относится к мобильной транспортной сети, и поэтому необходимо найти более эффективные решения, поддерживающие существующие голосовые услуги и прогнозируемые услуги по передаче данных.
Однако непросто предсказать, когда же начнется прогнозируемое увеличение объема передаваемых данных по мобильной сети и какова будет его величина. Мобильные операторы вынуждены рисковать доходами от существующих голосовых услуг и инвестировать в подготовку к неопределенному пакетному будущему. Более 70% мобильных транспортных сетей основаны на PDH-соеди-
нениях по медным или радиорелейным линиям. В большинстве случаев это единственно доступная инфраструктура, и существует необходимость в эффективном решении передачи пакетных данных поверх PDH.
Ethernet over PDH — интересная альтернатива существующим технологиям для мобильных транспортных сетей. Эта технология гарантирует надежный метод инкапсуляции и «горячее» восстановление канала, а также максимальную полосу канала и его эффективное использование. Это позволит уменьшить требования к полосе в пересчете на БС, освобождая емкость сети для новых услуг. Также обеспечивается эффективная и предсказуемая задержка трафика в сети, что может стать критичным для мобильного видео и других услуг реального времени.
С использованием Ethernet over PDH мобильные операторы могут увеличить полосу пропускания имеющихся соединений PDH в процессе подготовки к миграции на транспортную сеть Carrier Ethernet.
Среди поставщиков чипов компании TranSwitch и TPACK предлагают законченное решение на базе EoPDH. EtherMap-PDH ма-пер фирмы TranSwitch используют для преобразования Ethernet-данных в формат PDH. TPW48-P, Ethernet over PDH/SONET/SDH пакетный мапер фирмы TPACK применяют для объединения и обработки нескольких соединений Ethernet over PDH. ■
Литература
1. Leung J., Barry D. J. Ethernet over NG-PDH: Easing mobile backhaul migration. White Paper, www.transwitch.com
2. Metro Ethernet Wireless Backhaul Solutions. Nortel Solution Brief, www.nortel.com
3. Ethernet Backhaul: Mobile Operator Strategies & Opportunities. Executive Summary, Heavy Reading, www.lightreading.com
4. Катлеров П. М. Технология Ethernet-over-PDH // Компоненты и технологии. 2007. № 4.
5. Вебер М. Качество услуг для приложений Triple Play // LAN. 2007. № 4.
