Оптимизация подключения базовых станций и повышение эффективности работы сотовых сетей 2G и 3G

По материалам www.rad.ru

1. Введение

Затраты на подключение базовых станций (БС) являются одной из основных составляющих высокой стоимости построения и эксплуатации сотовых сетей. Типичные оценки показывают, что в случае построения собственной инфраструктуры для подключения базовых станций затраты на оборудование составляют 25% общих расходов, в то время как при аренде каналов накладные расходы составляют 40-60% общей стоимости аренды (из них 75% приходится на подключение базовых станций). Кроме того, сеть доступа для подключения базовых станций должна покрывать всю зону обслуживания оператора.

Учитывая большое влияние стоимости подключения БС как на величину первоначальных инвестиций, так и на эксплуатационные расходы, сотовым операторам стоит внимательно проанализировать свою стратегию в этом вопросе, прежде чем вкладывать средства в дальнейшее расширение сети.

Задача осложняется ещё и необходимостью одновременно удовлетворять противоречивым требованиям существующих сетей 2G/2.5G и вновь создаваемых сетей 3G. Переход от сетей 2G, основанных на коммутации каналов (TDM), к сетям 3G, использующим технологии коммутации пакетов (ATM, а в конечной перспективе - Gigabit Ethernet, IP и MPLS) создает новые проблемы. В частности, сотовый оператор должен заново оценить стоимость, функциональность и доступность платформы доступа, выбранной для обслуживания ожидаемого роста трафика, и быть готовым столкнуться со сложностями построения конвергированной сети для передачи голоса и данных.

2. Проектирование эффективного подключения базовых станций

Прежде чем приступить к рассмотрению требований для эффективного подключения базовых станций, необходимо определить составляющие, из которых складывается инфраструктура межстанционных соединений. Задача подключения (backhaul) обычно формулируется как передача голоса и данных от сотового узла до пограничного коммутатора, расположенного в точке входа в опорную сеть оператора.

В общем случае эта сеть доступа может быть разделена на два сегмента:

  • от узла класса B (Node B, в сетях 3G UMTS) или базовой приемопередающей станции (Base Transceiver Station, BTS, в сетях 2G GSM/TDMA) до точки агрегации трафика;

  • от точки агрегации до контроллера радиосети (Radio Network Controller, RNC, сети 3G) либо контроллера базовых станций (Base Station Controller, BSC, сети 2G).

Существует еще и третий сегмент - между узлами коммутации (Mobile Switching Centers, MSC). Он относится скорее к опорной к сети, чем к сети доступа. Но для него справедливы все основные положения, касающиеся межстанционных соединений.

Агрегация трафика играет существенную роль в структуре сети, поскольку она позволяет более эффективно использовать пропускную способность и упрощает управление сетью. Как правило, агрегация осуществляется в точках, где сходится большое количество трафика от различных сот - например, в местах расположения контроллеров и узлах коммутации. В сетях 3G, по мере их роста и развития широкополосных беспроводных услуг, количество межстанционных соединений будет расти по экспоненте, и поэтому агрегация трафика, входящего в магистральную сеть, является все более привлекательной.


Узлы агрегации трафика в транспортной сети

Таким образом, существуют определенные коммерческие соображения для того, чтобы использовать устройства агрегации трафика для зон покрытия среднего и даже небольшого размера. Установка коммутатора на удаленном выносе позволяет сэкономить значительные средства - особенно в случаях, когда концентрация соединений в данной точке велика и стоимость устройства в расчете на порт оправдывает эти капиталовложения.

Агрегация трафика может применяться в двух случаях:

  1. Однородный поток трафика: объединение каналов TDM со сжатием A-bis от нескольких базовых станций в один более скоростной канал позволяет полностью использовать его пропускную способность (веерное подключение). А в случае технологии ATM для уменьшения потребности в пропускной способности можно использовать преимущества встроенного механизма статистического мультиплексирования, предусмотренного в этом протоколе.

  2. Неоднородный поток трафика: использование одного канала связи для различных типов трафика, относящихся к разным поколениям сотовой сети, позволяет максимально полно использовать ресурсы имеющейся сетевой инфраструктуры.

3. Любой трафик - через любой транспорт

Любой трафик необходимо передавать по любой транспортной инфраструктуре. Существует ли решение для построения конвергированной сети доступа, которое было бы технологически осуществимым, экономически привлекательным и готовым к внедрению? Чтобы выяснить это, необходимо рассмотреть каждую технологию межстанционного доступа и оценить ее пригодность с технической и коммерческой точек зрения.

3.1. Подключение по сетям PDH/SDH

Сети, основанные на технологии TDM - PDH и SDH/SONET - долгое время были стандартным типом транспорта для передачи сотового трафика. Сети PDH и SDH/SONET оптимизированы для массовой передачи голосовых каналов с максимальным коэффициентом готовности, минимальной задержкой и гарантией бесперебойного обслуживания.

Использование существующих сетей TDM для построения межстанционных соединений обеспечивает операторам частных сетей высокую степень защиты капиталовложений. Помимо передачи традиционного трафика TDM, сети на основе TDM могут передавать также трафик ATM. Таким образом, эта же транспортная инфраструктура на основе TDM может быть использована для перехода к UMTS. Существует много доводов в пользу инфраструктуры на основе TDM. Это проверенная временем технология, простая и прозрачная: оператор в любой момент времени знает, какой трафик проходит по его каналам. Особенно следует подчеркнуть исключительную надежность сетей SDH/SONET.

При всех своих достоинствах, технология TDM не лишена и недостатков. Сети UMTS используют технологию ATM, которая по своей природе имеет статистический характер и содержит встроенные механизмы дифференциации услуг. TDM не обладает столь высокой гибкостью для передачи различных типов пользовательского трафика. Кроме того, каждый канал использует выделенный временной интервал, что в конечном счете может привести к более высоким эксплуатационным расходам по сравнению со статистическим подходом к мультиплексированию трафика в сетях ATM. Наконец, хотя существующее оборудование PDH и SDH/SONET полностью готово к подключению узлов класса B через ATM-интерфейсы, остается нерешенным вопрос об интерфейсах IP/Ethernet. Интеграция нового радиооборудования может потребовать значительных затрат. С учетом этих оговорок, сети на основе TDM способны обеспечить значительную экономию средств - при условии рациональной агрегации множественных потоков трафика.

На рисунке показана передача агрегированного трафика в виде контейнеров VC-12 через транспортную сеть SDH. Несколько каналов E1, по которым передается трафик ATM или TDM, объединяются TDM-мультиплексором в более высокоскоростной канал. При достижении некоторого критического объема трафика переход от раздельных каналов E1 к одному каналу STM-1 становится экономически оправданным. В этих случаях сотовый оператор может перейти от транспортной сети PDH к сети SDH - либо собственной, либо арендуемой.


Агрегация трафика TDM для сети SDH

Экономические соображения для использования SDH вместо PDH вполне очевидны. Мультиплексирование требует меньше портов на коммутаторах и менее дорогостоящее оборудование. Например, один порт STM-1 стоит дешевле, чем модуль 63xE1 для того же коммутатора. Кроме того, использование высокоскоростных портов позволяет увеличить число портов на одном устройстве, что ведет к дальнейшему снижению капитальных затрат. Агрегация трафика в любом случае снижает операционные расходы. Это справедливо даже для удаленных районов, характеризующихся меньшей плотностью трафика.

Тем не менее, данный подход обладает одним существенным недостатком, который состоит в необходимости наличия портов E1 на RNC третьего поколения. Дело в том, что при инверсном мультиплексировании АТМ-трафика (IMA) используются контейнеры VC-12, а не кадры STM-1 с протоколом UNI, которые необходимы для RNC. Обойти это ограничение можно с помощью структурирования (channelizing) ATM-трафика в сети SDH. Агрегированный АТМ-трафик (от различных сот 2G и 3G) с протоколом IMA передается в контейнерах VC-12 до мультиплексора ATM, который терминирует эти структурированные (n x VC-12) потоки ячеек IMA и преобразует их в один поток STM-1 ATM UNI (VC-4) для подключения к RNC.

По существу, чтобы получить выигрыш от использования существующей инфраструктуры SDH для передачи обоих типов трафика и избежать установки большого числа портов E1 на RNC, требуется выделенное устройство или модуль, осуществляющий необходимое преобразование. Что же дает это дополнительное устройство? Оно экономит дополнительные порты на RNC или SDH-мультиплексоре.


Структурирование ATM-трафика

Агрегация трафика может также осуществляться специализированным устройством ATM. Агрегированный трафик (от различных сот 2G и 3G) передается далее по сети SDH в контейнерах VC-4. Даже если ограничиться рассмотрением транспортной среды TDM и смешанных потоков трафика (ATM и TDM), такое устройство на базе ATM позволяет сотовому оператору воспользоваться механизмами обеспечения QoS и управления трафиком, присущими сетям ATM (а именно, OAM I.610) на всем протяжении транспортной сети от одной точки агрегации трафика до другой. Это весьма важное преимущество, поскольку транспортная сеть, как правило, может быть арендована у другого оператора. В данном решении имеются и другие плюсы. Пропускная способность для трафика ATM оказывается больше (VC-4 вместо n x VC-12), а агрегация трафика на удаленном выносе позволяет применить статистическое мультиплексирование для обработки потоков трафика с переменной скоростью.

3.2 Подключение по сетям ATM

В эпоху сетей 3G технологию ATM, вероятно, следует считать ведущей технологией доступа для базовых станций. Редакция 99 стандарта 3GPP де-факто провозглашает ATM основным для передачи трафика 3G, в то время как потоки трафика GSM могут передаваться с использованием AAL1. Этот протокол способен "переварить" различные технологии, относящиеся к разным поколениям сотовых сетей, и с высокой эффективностью поддерживает различные типы трафика. Такая возможность опирается на встроенные механизмы QoS сетей ATM, обеспечивающие приоритизацию трафика и дифференцирование услуг, а также управление трафиком.

Например, ATM позволяет сотовому оператору зарезервировать для передачи голосовых и видеопотоков фиксированные ресурсы при помощи категории трафика CBR, в то время как адаптивные потоки, такие как Интернет-трафик и передача сообщений, обрабатываются как трафик категории VBR. Управление сетью производится на основе мощного механизма ячеек OAM ATM (спецификация I.610). В конечном счете, сотовый оператор получает более широкие возможности для управления работой сети и для снижения эксплуатационных расходов.

Это относится и к интеграции потоков трафика 2G и 3G, которая представляет меньшую проблему в сети, основанной на коммутации ячеек, чем в других сетях. Такое решение способно поддерживать и будущие архитектуры сотовых сетей на основе пакетной коммутации, поскольку технология ATM позволяет эффективно отображать Ethernet/IP через ядро сети ATM. Там, где сети ATM уже существуют, мобильные операторы могут немедленно получить ощутимый выигрыш от использования их мощных механизмов обработки разнородного трафика. Однако создание инфраструктуры на основе ATM "с нуля" представляет собой совершенно иную ситуацию, поскольку высокая стоимость ATM-коммутаторов может свести на нет весь выигрыш в эксплуатационных расходах.

Применительно к сетям ATM, агрегация трафика также обеспечивает снижение как первоначальных, так и эксплуатационных расходов. Выделенные устройства агрегации трафика, меньшие по размерам и значительно более доступные по цене, чем ATM- коммутаторы, могут быть размещены на удаленных выносах или даже непосредственно на базовых станциях. С помощью таких устройств можно уменьшить число физических каналов связи, а статистическое мультиплексирование вносит свой вклад в снижение эксплуатационных расходов. Кроме того, замена низкоскоростных портов на высокоскоростные модули ATM-коммутаторов позволяет сэкономить и на стоимости оборудования. Наконец, эффективное управление в масштабе всей сети позволяет повысить ее производительность и коэффициент готовности.


Агрегация трафика в сети ATM

3.3 Подключение по линиям DSL

На участке "последней мили" сети ATM часто дополняются системами DSL, т.е. сетями доступа на основе DSLAM и технологии SHDSL. Интеллектуальные интегрированные устройства доступа (integrated access devices, IADs) позволяют подключить базовую станцию GSM к DSLAM по медной паре. В то же время можно использовать ATM IAD для подключения узлов класса B сети 3G. От DSLAM трафик направляется в туннель, организованный в транспортной сети ATM. При этом как в TDM IAD, так и в ATM IAD реализованы механизмы качества услуг ATM, обеспечивающие мониторинг и управление трафиком на всем протяжении сети до участка "последней мили".


Подключение базовой станции с использованием инфраструктуры DSLAM

Использование существующей инфраструктуры SHDSL для подключения базовых станций GSM и UMTS, по всей видимости, может обеспечить более низкую стоимость доступа, чем при использовании традиционных выделенных линий. При этом та же самая инфраструктура используется и для предоставления услуг Ethernet для корпоративных пользователей, а это значит, что она подходит для маршрутизации и передачи трафика Ethernet/IP. Ограничения пропускной способности, накладываемые медной кабельной сетью, могут быть преодолены с помощью многоканальных соединений DSL (DSL bonding). Эта технология состоит в добавлении медных пар по мере необходимости и распределении трафика между этими соединениям. Таким образом, агрегированный трафик от базовой станции или узла класса B может передаваться одновременно по нескольким соединениям DSL с использованием протокола многоканальной передачи, например, IMA или M2DSL. С другой стороны, многоканальное соединение может быть построено на основе ML-PPP таким образом, чтобы оно оставалось прозрачным для DSLAM.

3.4 Подключение по сетям с коммутацией пакетов (PSN) - Ethernet, IP/MPLS

Чем хорошо решение на основе сети с коммутацией пакетов (PSN)? Если при проектировании сотовой сети требуется исчерпывающее решение, включающее поддержку будущих технологий и разработок, то этому варианту стоит уделить особое внимание.

Во-первых, многие производители оборудования для сотовых сетей уже разрабатывают компоненты беспроводной инфраструктуры с интерфейсами Ethernet. Во-вторых, транспортные сети Ethernet городского масштаба растут как грибы. Таким образом, налицо ярко выраженная тенденция к использованию пакетной среды передачи для трафика 3G, в котором значительную долю будут составлять данные. При таком сценарии развития основную трудность составит поддержка традиционных видов голосового трафика и данных. Иными словами, необходимо найти способ подключать услуги, предоставляемые системами GSM TDM и UMTS ATM, к магистрали Ethernet/IP.


Обработка традиционных типов трафика

Передача трафика TDM по сетям Ethernet/IP стала возможной с появлением патентованной технологии TDMoIP, а также TDMoMPLS. Эти протоколы позволяют прокладывать каналы TDM, необходимые преимущественно для передачи голоса, через сети с коммутацией пакетов. Применительно к подключению базовых станций - это идеальное решение, поскольку полученные каналы прозрачны для всего проходящего по ним трафика. В отличие от технологии VoIP, которая требует преобразования сигнализации, TDMoIP и TDMoMPLS обеспечивают неискаженный транспортный туннель через статистическую пакетную сеть. В настоящее время эти протоколы находятся в стадии стандартизации ITU, IETF, MEF и MPLS/Frame Relay Alliance.

4. Технология TDMoIP

TDMoIP - технология прозрачной эмуляции каналов TDM в сетях IP/Ethernet/MPLS, запатентованная компанией RAD (патент США №6731649). Шлюз TDMoIP инкапсулирует сегменты потока TDM с постоянной скоростью в ячейки AAL1, которые передаются в пакетах UDP/IP. Второй шлюз на удаленной стороне восстанавливает синхронизацию, удаляет заголовки UDP/IP и передает дальше синхронный битовый поток. Такое решение обеспечивает также адаптивный механизм синхронизации для распространения синхронизации по всей сети от одного источника. Безусловно, трафик TDM, синхронный по своей природе, требует также прозрачной передачи синхронизации. С помощью технологии TDMoIP оператор сотовой сети может агрегировать трафик базовых станций GSM и подключать их к контроллеру (BSC) через сеть с пакетной коммутацией. При этом он экономит средства за счет использования транспорта Ethernet/IP, а также получает инфраструктуру, обладающую большим заделом для дальнейшего развития.

Такое решение успешно применяется также для передачи трафика сотовых сетей по спутниковым и радиорелейным каналам, основанным на пакетных технологиях.


Передача трафика 2G/2.5G по сети с коммутацией пакетов

Любое решение для передачи традиционного сотового трафика не может считаться полным, если в нем не предусмотрен также механизм для передачи трафика UMTS Rel.99. Подход к решению этой задачи аналогичен применяющемуся в сетях TDM. Ячейки ATM передаются через сеть, основанную на коммутации пакетов, с помощью специализированного устройства ATMoPSN, инкапсулирующего ячейки ATM в пакеты.

Как и в предыдущем случае, центральное устройство, расположенное на границе транспортной сети с коммутацией пакетов, восстанавливает оригинальный формат ячеек АТМ и передает их RNC. Реализация ATM over PSN основывается на механизме туннелирования ATM-ячеек в соответствии с разрабатываемыми ныне стандартами IETF и ITU для эмуляции псевдопроводных каналов в беспроводной пакетной сети. (Стандарт IETF определяет способ отображения ячеек в пакеты.) Предлагаемые варианты включают как соединения "точка-многоточка" (n x VCC/VPC - одно псевдопроводное подключение), так и соединения "точка-точка" (один VCC/VPC - одно псевдопроводное подключение). При этом пакет PSN может содержать в себе как одну ячейку, так и несколько ячеек сразу. Преобразование ячеек ATM в потоки пакетов производится в соответствии с методом адресации, применяемым для данного протокола: Layer 2 (MAC-адресация, либо MAC и VLAN); Layer 2.5 (адресация MPLS); Layer 3 (адресация IP). Аналогичная процедура применятся к параметрам качества услуг (QoS). Чтобы разделить потоки и гарантировать QoS в беспроводной сети, трафик ATM разных классов отображается, в случае сети Ethernet, на различные ВЛВС; в случае сети MPLS - параметры QoS указываются в промежуточном заголовке либо в битах EXP; в сети доступа на основе IP - битами IP ToS/DSCP (DiffServ).

После того, как задача преобразования или туннелирования трафика успешно решена, следующая и, вероятно, наиболее сложная задача состоит в синхронизации всех элементов сети и распределении синхросигналов по всей транспортной сети. Это критически важно для корректной работы синхронной сотовой сети. Задача синхронизации может быть решена несколькими способами:

  1. С помощью внешнего источника синхронизации, использующего приемник GPS. Такое решение уже реализовано некоторыми сотовыми операторами на узлах агрегации трафика, чтобы избежать зависимости от транспортной сети в части передачи синхронизации. При таком подходе непосредственными источниками синхронизации для базовых станций и узлов класса B являются мультиплексоры TDM/ATMoIP, расположенные на этих же площадках.
  2. Путем выделения канала PDH до каждой базовой станции исключительно для передачи синхронизации. В этом случае источником синхронизации является некоторое высокоточное устройство - либо внешний тактовый генератор, либо транспортная сеть SDH вышестоящего уровня. Далее этот выделенный синхросигнал распространяется с помощью мультиплексоров.
  3. Третий вариант состоит в передаче синхронизации через сеть PSN. Хотя такое решение таит в себе непростые технические задачи, оно было бы идеальным выходом, при условии, что требования синхронизации будут успешно удовлетворены.

5. Передача синхронизации через сеть с коммутацией пакетов

Восстановление синхронизации от сети PSN означает, что некоторое центральное устройство, которое обычно соединяет BNC и RNC с пакетной транспортной сетью, должно распространять, наряду с обычным трафиком, выделенный эталонный синхросигнал. В этом случае от транспортной сети требуется поддержка многоадресной рассылки (multicasting), чтобы передавать один и тот же поток на все площадки. Мультиплексоры TDM/ATMoIP, расположенные на удаленных площадках, должны восстанавливать синхросигнал с помощью технологии TDMoIP, либо с помощью специального потока CBR AAL1 АТМ, либо каким-то другим стандартным способом.


Распространение синхронизации по сети PSN

6. Взгляд в будущее: IP

В не столь отдаленном будущем аппаратура базовых станций будет соответствовать спецификациям rev.5 и rev.6, означающим, что интерфейс доступа будет основан на протоколе IP. В этом случае перед операторами встанет следующая задача - передача такого трафика по сетям "традиционных" типов. На сегодня существуют следующие решения данной задачи: поддержка MLPPP в сетях PDH, виртуальное сопряжение с использованием LCAS для сетей SDH, и AAL5 для сетей ATM.

7. Заключение

На сегодняшний день не существует единого общепринятого шаблона или готового решения для построения межстанционных соединений в сотовых сетях. Продуманная, ориентированная в будущее стратегия должна, с одной стороны, учитывать нынешние требования передачи голоса и ограниченного трафика данных, минимизируя при этом затраты на построение и эксплуатацию сети.

С другой стороны, инфраструктура доступа должна быть готова принять на себя нагрузку завтрашних широкополосных приложений и услуг, в число которых со временем войдут передача мультимедийных изображений, видеовещание и видеоконференции. Несмотря на эти противоречивые требования, у сотового оператора имеется достаточно богатый выбор вариантов:

  • Аренда или построение собственной транспортной сети.
  • Максимальное использование существующей инфрастуктуры 2G.
  • Построение сети доступа "с нуля".
  • Использование медных кабелей, оптоволокна или радиорелейных каналов.
  • Сквозное обеспечение QoS в транспортной сети.
  • Одновременная поддержка трафика 2G и 3G.

При этом ключевым фактором является выбор таких решений и оборудования, которые будут обладать достаточной гибкостью и оптимальным соотношением цена/качество, которое позволит сотовому оператору выбрать те варианты, которые в наибольшей степени соответствуют сегодняшним и завтрашним техническим и экономическим требованиям.