Роль технологий обратного следования в поддержке сетевого трафика 3g

Что такое технологии Backhaul?

Технологии обратного хода образуют транспортный слой, который связывает распределенную сеть радиодоступа (RAN) с централизованной базовой сетью. В типичной сетевой архитектуре 3G базовые станции (узл Bs) обрабатывают радиосвязь с мобильными устройствами, но им не хватает прямого подключения к остальной части сотовой сети. Подключение обратного хода переносит все данные пользовательского плана (голосовые вызовы, интернет-трафик, обмен сообщениями) и сигнализацию контрольного плана между узлом Bs и контроллером радиосети (RNC) или непосредственно к ядру через плоскую архитектуру (как в более поздних выпусках 3GPP). Сеть обратного хода часто описывается как «средняя миля», соединяющая доступ последней мили к ядру.

Backhaul может быть реализован с использованием различных физических носителей и протоколов, каждый со своими собственными компромиссами по емкости, задержке, стоимости развертывания и масштабируемости. Для сетей 3G обратная связь должна обрабатывать как переключаемый на схему голос (традиционная телефония), так и данные с коммутацией пакетов (интернет-доступ, мультимедиа). Это двойное требование привело к принятию технологий, которые могли эффективно переносить оба типа трафика, часто используя асинхронный режим передачи (ATM) первоначально, а затем мигрировать в Ethernet и IP-транспорт.

Важно отличать обратный путь от других сегментов: Fronthaul соединяет блок базовой полосы (BBU) с удаленной радиорелейной головкой (RRH) в централизованных архитектурах RAN, и midhaul существует в архитектурах разделения 5G. В 3G обратный путь представляет собой агрегацию связи от узла B к ядру, обычно охватывающую десятки километров.

Эволюция Backhaul от 2G до 3G

От TDM до пакетного переключения обратного траектории

В сетях 2G (GSM) обратный переход почти исключительно опирался на мультиплексирование с разделением времени (TDM) с использованием линий, арендованных E1 (2,048 Мбит/с) или T1 (1,544 Мбит/с). Каждой голосовой цепи был выделен фиксированный канал 64 кбит/с, который был эффективен для переключаемого на цепь голоса, но чрезвычайно расточителен для трафика данных. Поскольку сети 3G вводили услуги передачи данных с коммутацией пакетов (например, HSDPA, HSUPA), подход TDM стал узким местом. Операторам требовался обратный переход, который мог бы статистически мультиплексировать данные с переменной скоростью, все еще поддерживая голос с низкой задержкой.

Переход на пакетный бэкхаул начался с принятия ATM над E1/T1, что позволило нескольким виртуальным схемам разделить одну и ту же физическую линию с дифференциацией QoS. Позже Ethernet по меди или волокну стал предпочтительным транспортом, обеспечивая более высокую пропускную способность и более низкую стоимость за бит. Эта эволюция документирована в стандартных органах, таких как 3GPP, в которых указаны интерфейсы IuPS (с коммутацией пакетов) и IuCS (с коммутацией каналов), которые могут переноситься по IP или ATM.

Ключевые моменты в 3G Backhaul

• 2002–2005: Ранние развертывания 3G использовали ремонт банкоматов по арендованным линиям E1. Операторы управляли сложной инженерией трафика для удовлетворения требований задержки и джиттера.
• 2006–2010:] По мере запуска HSPA (High-Speed Packet Access) появилась возможность восстановления Ethernet поверх волокон или микроволновой печи, поддерживая до 100+ Мбит/с на сотовый сайт.
• 2011: Многие операторы перешли на IP/MPLS и перенесли устаревший ATM-трафик на все пакетные сети, готовясь к LTE.

Эта эволюция была обусловлена не только скоростью, но и эксплуатационными затратами. Схемы TDM были дорогими, в то время как Ethernet и волоконно-оптические линии предлагали гораздо лучшую стоимость за мегабит.

Типы технологий обратного следования в сетях 3G

Микроволновые ссылки

Микроволновая магистраль использует радиочастоты «точка-точка» (обычно 6-38 ГГц) для передачи данных между антеннами на вышках и узлами агрегации. Она остается одним из самых распространенных решений для обратной связи для 3G из-за ее быстрого развертывания и более низкой стоимости в районах без волоконной инфраструктуры. Современные микроволновые линии достигают пропускной способности в несколько сотен Мбит/с, достаточной для нескольких носителей 3G и голосового трафика. Однако микроволновая печь подвержена выцветанию дождя и препятствиям линии видимости, и она требует тщательного планирования частоты. Для сетей 3G микроволновая магистраль часто перевозила ATM или IP-трафик с использованием псевдопроводной эмуляции.

Волоконно-оптические кабели

Волокно предлагает самую высокую пропускную способность, самую низкую задержку и наибольшую надежность для 3G-режима. Однорежимное волокно может транспортировать несколько секторов 3G с использованием протоколов Ethernet или SONET / SDH, поддерживая до 10 Гбит / с на длину волны. Волокно идеально подходит для плотных городских районов, где спрос на данные высок и где операторы могут использовать существующие волоконные кольца метро. Основными недостатками являются высокая стоимость установки и необходимость в гражданских работах (траншеи, трубопровод). Многие перевозчики приняли волоконный ремонт в городских центрах и использовали микроволновую или медную энергию для пригородных и сельских участков.

Медные линии (E1/T1, DSL, Бондированная медь)

Медь остается распространенным явлением в устаревших 3G-развертываниях, особенно в регионах, где волоконные или микроволновые сети невозможны. Несколько связанных линий E1 (например, 8xE1 для 16 Мбит / с) могут поддерживать сайт 3G с умеренным трафиком. Варианты цифровой абонентской линии (DSL), такие как SHDSL (симметричный высокобитрейтный DSL), также использовались для доставки до 5-10 Мбит / с по сравнению с существующей медью с витой парой. Однако ограничения расстояния меди и растущий аппетит к данным смартфонов 3G быстро сделали его недостаточным для сайтов с высоким спросом.

Спутниковый обратный путь

В отдаленных или сложных районах (горные районы, острова, морские платформы) спутниковые линии обеспечивают обратный путь для 3G. Геостационарные спутники вводят высокую задержку (около 600 мс туда и обратно), что ухудшает качество голоса и предотвращает эффективное использование приложений, чувствительных к задержке. Однако для передачи сигналов с низкой скоростью передачи данных и аварийной связи спутник остается нишевым решением.

Гибридные и новые решения

Многие операторы развертывают сочетание технологий обратного хода. Например, сайт может использовать волокно в соседнем концентраторе, а затем микроволновую печь в более дальние башни. Кроме того, «самостоятельный ремонт» с использованием той же радиотехнологии (например, точка-многоточка) был экспериментирован, но никогда широко не развертывался в 3G.

Ключевые показатели производительности для 3G Backhaul

Проектирование и эксплуатация 3G-сети обратного пути требует выполнения конкретных целевых показателей производительности для обеспечения качества пользовательского опыта.

• Вместимость (Пропускная способность): Каждый носитель 3G (WCDMA 5 МГц) обычно поддерживает нисходящую линию связи (HSDPA) до 14,4 Мбит/с и восходящую линию связи (5,76 Мбит/с) (HSUPA) в идеальных условиях. Трехсекторному сайту с несколькими носителями может потребоваться пропускная способность 50-150 Мбит/с для предотвращения перегрузки в часы пик.
• Задержка:] Односторонняя задержка между узлом B и RNC должна быть ниже 10-20 мс для приемлемого качества голоса (задержка от уст до уха ниже 150 мс). Высокая задержка вызывает эхо, обрезку и ретрансляцию, которые снижают пропускную способность данных.
• Джиттер: Необходимо контролировать изменение задержки пакетов, особенно для чувствительного к времени переключаемого голоса по IP (VoIP) в более поздних версиях 3G.Буферы джиттера увеличивают задержку, поэтому требуется жесткий контроль.
• Утрата пакетов: IP-пакеты, несущие голосовую или сигнальную передачу, не должны превышать 0,1% потерь, чтобы избежать перепадов вызовов и ретрансляции данных.
• Синхронизация: Базовые станции 3G требуют точной синхронизации частоты и времени (обычно ±50 ppb для WCDMA), чтобы избежать помех между ячейками и обеспечить успех передачи. Используются такие технологии обратного хода, как синхронный Ethernet (SyncE) и IEEE 1588v2 (PTP).

Эти показатели взаимозависимы; например, низкая задержка часто требует либо волоконных, либо коротких микроволновых хмеля, в то время как высокая емкость требует достаточного спектра или полосы пропускания волокон.

Важность Backhaul в производительности 3G

Эффективный обратный путь напрямую определяет пользовательский опыт в сети 3G. В то время как радиоинтерфейс (воздушная линия связи) обычно получает наибольшее внимание, плохо обеспеченный обратный путь может в одиночку испортить производительность. обратный путь должен соответствовать или превышать радиоемкость; в противном случае сотовый сайт становится «ограниченным обратным путем», что означает, что радиоканалы могут быть недостаточно использованы.

Качество голоса и надежность

Голос с коммутацией каналов (CSFB) требует последовательной передачи с низкой задержкой. Если обратная связь приводит к задержке или потере пакетов, мобильные пользователи испытывают искаженное аудио, отброшенные звонки или чрезмерное эхо. В 3G голос имеет приоритет над данными через механизмы QoS (например, маркировка DiffServ, ATM CBR / UBR).

Пропускная способность данных и задержка

Для таких сервисов данных, как просмотр веб-страниц, электронная почта и потоковая передача, пропускная способность бэкхаула должна масштабироваться с учетом спроса пользователей. Одна ячейка HSPA + теоретически может обеспечивать 42 Мбит / с (двойной несущий). Если бэкхаула предлагает только 10 Мбит / с, пользователи будут испытывать медленные загрузки, особенно во время пикового использования. Кроме того, высокая задержка (например, из-за спутниковых или длинных медных цепей) увеличивает время загрузки страницы и ухудшает механизм предотвращения заторов TCP.

Передача и мобильность

Сети 3G полагаются на мягкую передачу (и более мягкую передачу) для поддержания непрерывности вызовов по мере перемещения пользователей между ячейками. Интервал должен транспортировать сигнализацию и потоки данных между несколькими узлами B и RNC с минимальной задержкой. Если задержка обратного хода слишком высока, сеть не может правильно координировать передачи, что приводит к отбрасыванию вызовов или плохому качеству голоса.

Планирование и масштабируемость потенциала

По мере роста потребления данных 3G с появлением смартфонов (iPhone был запущен в 2007 году), обратный переход стал частым узким местом. Операторам пришлось перейти с обратного пути на основе E1 на Ethernet или микроволновые линии связи, чтобы идти в ногу. Возможность масштабировать пропускную способность в экономически эффективном режиме была основной операционной проблемой в течение эры 3G.

Для дальнейшего чтения о том, как качество перевозок на обратном пути влияет на производительность сети, МСЭ-Т опубликовал рекомендации по требованиям к транспортировке на обратном пути для IMT-2000.

Проблемы и будущие тенденции

Проблемы с обратным движением в эпоху 3G

• Стоимость арендованных линий: Многие операторы платили постоянные высокие сборы действующим телеком-провайдерам за схемы TDM. Это стимулировало инвестиции в саморазвертывающиеся микроволновые и волоконные сети для снижения эксплуатационных расходов.
• Доступность спектра для микроволновых частот: Лицензирование микроволновых частот требует координации регулирования, а помехи от других операторов или факторов окружающей среды могут ухудшить качество связи.
• Географические барьеры: Размещение волокон на удаленных башнях или по пересеченной местности было непомерно дорогим. Микроволновая печь требовала четкой линии обзора, что было невозможно в некоторых районах.
• Сетевая синхронизация: Для обеспечения точной синхронизации по пакетным сетям (вместо TDM) потребовались новые технологии, такие как IEEE 1588v2, что добавило сложности.
• Управление QoS: Смешивание переключаемого на схему голоса, видео в реальном времени и данных с наилучшими усилиями по одной линии обратного перехода требовало сложных механизмов очереди и полицейской работы.

Тенденции и эволюция к 4G и 5G

Хотя сети 3G закатываются во многих регионах, уроки, извлеченные из проблем, связанных с обратным движением, сформировали дизайн современных мобильных сетей. Несколько ключевых тенденций возникли в эпоху 3G и продолжают влиять на обратный ход:

• Всеволокнистая магистраль: Развертывание волокон резко ускорилось. К 2020 году многие операторы стремились к более чем 90% проникновению волокон в городскую магистраль, резервируя микроволновую печь для сельских и аварийных подключений.
• Малый клеточный обратный путь: Взрыв малых ячеек (фемтосот, пикосот) создал новые требования к обратному ходу для недорогих, маломощных звеньев, которые могут быть развернуты на уличной мебели. 3G малые ячейки использовали DSL или кабельный модем обратного хода, предвещая гетерогенные архитектуры обратного хода 5G.
• Облачная RAN и виртуализация:] Централизованные архитектуры RAN (C-RAN) отделяли базовые блоки от удаленных радиоголовок, изменяя требования к обратному ходу. Хотя C-RAN изначально был предложен для LTE, его корни восходят к усилиям по оптимизации 3G.
• Самостоятельное ретрансляторное решение: 5G внедрило интегрированный доступ и обратный доступ (IAB), позволяя базовым станциям использовать один и тот же спектр как для доступа, так и для обратного траектория. Эта концепция была естественной эволюцией беспроводных ретрансляционных технологий, используемых в 3G для расширения покрытия без дорогостоящего волокна.
• Сетевое нарезание: В 5G ожидается поддержка обратного хода нескольких сетевых срезов с различными гарантиями производительности. Механизмы QoS, усовершенствованные в 3G обратном ходу (например, планирование очереди), заложили основу для этой возможности.

Вопросы безопасности и надежности

Сети бэкхаула являются основными целями для физических атак (диверсии башни, отключения волокон) и киберугроз. В 3G бэкхауле шифрование не было обязательным для пользовательского трафика (обычно оно было зашифровано только по воздуху), но для передачи данных требовалась защита целостности. Операторы реализовали безопасные туннели (IPSec) для IP-бэкхаула и физической безопасности для башен.

Надежность достигается за счет избыточности: разнообразные волоконные маршруты, двойное размещение узла Bs до двух RNC и автоматическая защита ссылок (например, 1 + 1 микроволновая горячая резервная связь). Простой доступ к обратной связи может привести к отключению всего сайта сотовой связи, затрагивая сотни пользователей. Лучшие практики в сетевом дизайне (например, топологии колец, быстрое дерево пролета) были приняты от оператора Ethernet для улучшения доступности.

Сценарии развертывания и тематические исследования

Городское плотное развертывание

В густонаселенном городе сеть 3G может иметь 50-100 узлов Bs на квадратный километр. Каждый сайт требует высокой пропускной способности для обслуживания тысяч одновременных пользователей. Здесь оптоволоконный канал был единственным жизнеспособным решением; операторы строили выделенные оптоволоконные кольца или арендовали темное волокно. Например, на Манхэттене многие сотовые сайты подключаются через оптоволокно к узлам агрегации с восходящими линиями связи 10 Гбит/с. В отчете GSMA о городском покрытии обсуждается важность плотности обратного хода для покрытия в помещении.