Ethernet over PDH: миграция к пакетной транспортной инфраструктуре беспроводных сетей

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 бóльших 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 поколения, 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.

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 (пьезохронной 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 1x 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 технологиями, и возможном росте использования 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 передать 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-сетях, развернутых на базе IP, используется протокол 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%.

Автор статьи Павел КАТЛЕРОВ