Беспроводные сервисы требуют переосмысления подходов

Отказ от архитектуры на базе TDM в пользу Carrier Ethernet приводит к появлению новых требований и подходов к тестированию систем. Особое внимание следует уделить предварительному тестированию, чтобы при переходе в мир всегда доступной связи и мобильности заказчики не испытывали никаких проблем. Прежде чем операторы смогут активно использовать технологии IP/Ethernet в мобильных распределительных (backhaul) сетях, им необходимо убедиться в том, что эти сети по своим ключевым характеристикам — надежности, качеству передачи голоса и синхронизации — не уступают технологии TDM.

БУМ МОБИЛЬНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

В ближайшие годы нас накроет гигантская волна популярности мобильных широкополосных соединений (см. Рисунок 1). Согласно данным Infonetics Research, более 4 млрд людей являются владельцами мобильных конечных устройств, однако лишь 350 млн из них активно пользуются широкополосными соединениями. Ожидается, что в течение 2010 года количество таких подключений достигнет 540 млн, тогда как к стационарным широкополосным сетям будет подключено лишь 480 млн человек. В целом при общем ежегодном приросте в 37% количество мобильных широкополосных подключений с 2009 по 2014 год возрастет с 354 млн до 1,7 млрд. Естественно, увеличится и объем мобильного трафика данных.

Только в декабре прошлого года была достигнута историческая веха: впервые мировой объем переданных мобильных данных превысил объем голосового трафика. Этот переворот произошел, когда показатели каждого из двух видов трафика достигли примерно 140 тыс. терабайт в месяц. При этом в 2008 и 2009 годах трафик данных ежегодно увеличивался на 280%, а в течение следующих пяти лет прогнозируется его ежегодное удвоение. К 2017 году объем передаваемых данных должен составить около 1,8 эксабайт в месяц. Некоторые отраслевые аналитики полагают, что в ближайшем будущем 75% из них будут составлять видеоданные.

Распределительные сети сотовых операторов (Mobile Backhaul) представляют собой сети для передачи беспроводного трафика между базовыми станциями (Node-B) и контроллерами сетей радиодоступа (RAN Network Controller, RNC). При этом распределительная сеть вносит значительную лепту в высокую стоимость создания и содержания беспроводных сетей — по разным оценкам, на нее приходится примерно 25–30% общих затрат. Для того чтобы справиться с постоянно возрастающими объемами данных, владельцам сетей радиодоступа приходится оптимизировать свои сети с помощью выгодных транзитных технологий.

В прошлом базовые станции соединялись с региональными контроллерами посредством коммутации каналов на основе технологии TDM, что было оправданно в сетях, по которым передавался исключительно речевой или узкополосный трафик. Однако лавинообразный прирост широкополосного мобильного трафика привел к перегрузке систем коммутации на базе TDM. Поставщики таких решений не успевают реагировать на происходящие изменения. Добавление дополнительных систем TDM тоже не решает этой проблемы, поскольку ежемесячные расходы на поддержку старых транзитных технологий (PDH, ATM over PDH и SONET/SDH) возрастают в линейной зависимости от объема трафика данных. Относительно невысокая средняя выручка от одного абонента в месяц (APRU), которую операторы могут получить за улучшенные услуги, удерживает их от перераспределения возросших затрат на своих абонентов, поэтому владельцы сетей больше склоняются к использованию пакетных транзитных технологий на базе IP и Ethernet — таким образом можно снизить затраты из расчета на 1 бит переданной информации.

Использование операторского Ethernet для беспроводного транзита позволяет владельцам сотовых сетей справиться с большим приростом объемов широкополосного трафика и сохранить свои эксплуатационные затраты на приемлемом уровне.

Переход от передачи данных на основе TDM к Ethernet происходит не без проблем. Технология TDM предоставляет прогнозируемое качество сервиса (Quality of Service, QoS), практически стопроцентную надежность и синхронизацию времени в сети. Для обеспечения таких же характеристик в имеющихся сетях Ethernet необходимо внедрять в них новые технологии и вносить улучшения.

Что касается требований к качеству предоставляемых услуг, Metro Ethernet Forum (MEF) разработал техническую спецификацию MEF 10.2, определяющую параметры сервисов на основе классов трафика. Для использования битов приоритетов необходимо присваивать теги VLAN в соответствии со стандартом IEEE 802.1Q. Благодаря внедрению качества сервиса можно предлагать абонентам соглашения об уровне сервиса и профили услуг. Для определения профилей применяются различные параметры: ширина канала, латентность, вариация задержки (Frame Delay Variation) и уровень потери кадров (Frame Loss Ratio). Устройства в сети управляют входящими данными и устанавливают их приоритет в соответствии с тегами и присвоенными им профилями. Устройства и системы следует предварительно проверить на предмет поддержки виртуальных каналов Ethernet (Ethernet Virtual Circuit, EVC) с задаваемым качеством сервиса.

В отличие от SONET, Ethernet не располагает функцией контроля Out of Bound. Для обеспечения требуемой доступности на уровне 99,999% введена подгруппа Ethernet для функций управления, администрирования и обслуживания (Operation, Administration and Maintenance, OAM). Технология OAM позволяет операторам распознавать, перепроверять, изолировать, устранять ошибки и сообщать о них через соединения Ethernet и сквозные сервисы (End to End). Однако перед ее внедрением необходимо проверить, как технология Ethernet OAM функционирует на всех сетевых устройствах, насколько совместима с ними и соответствует ли предъявляемым требованиям.

MEF опубликовал ряд сертификационных стандартов (MEF 9, 14 и 21), с помощью которых можно формализовать соблюдение стандартов и совместимость устройств с поддержкой операторского Ethernet. Дополнения QoS и OAM для Ethernet позволяют реализовать технологию для передачи трафика данных по распределительным сетям сотовых операторов.

В ходе опроса, недавно проведенного компанией Infonetics среди глобальных операторов, все респонденты сообщили, что они намереваются обеспечить транзит данных по IP/Ethernet еще в 2010 году. В соответствии с соглашением о внедрении сотового транзита (Mobile Backhaul Implementation Agreement) MEF 22, миграция будет выполняться в несколько этапов (см. Рисунок 2).

На первом этапе осуществляется внедрение гибридной структуры, в которой операторский Ethernet используется для передачи пакетов данных, а технология TDM сохраняется для речевого трафика, поскольку установление вызовов и эстафетная передача (Handover) соединений по всей сети требуют синхронизации системных часов. Это решение не идеальное, ведь оператору приходится содержать и финансировать две сети.

Конечной целью является второй этап, когда для транзита всех служб используется одна-единственная сеть операторского Ethernet. Опрос Infonetics показал, что 65% поставщиков услуг планируют в итоге полный переход на единый транзит по IP/Ethernet. Перед реализацией этого последнего этапа миграции операторам необходимо удостовериться в том, что технология синхронизации посредством пакетов (Timing over Packet, ToP) соответствует строгим требованиям к синхронизации системных часов, предъявляемым к беспроводным стандартам.

ТЕХНОЛОГИЯ TOP

В отличие от TDM, технология Ethernet изначально не предназначалась для передачи синхронной информации, поэтому она не может самостоятельно обеспечить точную и стабильную синхронизацию тактовой частоты системных часов на всех сетевых устройствах, как это требуется для организации вызовов, их эстафетной передачи и обеспечения надежности мобильных соединений. Для устранения проблемы MEF 22 рекомендует использовать решения, соответствующие стандартам IEEE 1588 и ITU-T SyncE (Synchronous Ethernet).

Технология ToP синхронизирует тактовую частоту всех устройств в транзитной сети Ethernet и существенно улучшает тактовую точность и стабильность, что позволяет выполнить требования по синхронизации, выдвигаемые абонентами мобильных голосовых сервисов. Технология SyncE (именуемая также Syntonization) позволяет добиться синхронизации тактовой частоты всех устройств в сети Ethernet. Интерфейсы SyncE извлекают информацию о частоте из входящего битового потока, а затем передают ее системным часам. При этом протокол Ethernet Synchronization Messaging Channel (ESMC) определяет, какой входной порт (и входящий битовый поток) будет использоваться системными часами. Протокол ESMC использует сообщения о статусе синхронизации (Synchronization Status Messaging, SSM). При этом отправляется по десять пакетов в секунду с уведомлениями о системном времени каждого входного порта. Устройство должно распознавать входной порт с самой высокой точностью часов и использовать его для настройки системных часов, так как передающие интерфейсы связаны с ними и впоследствии распределяют битовый поток по нисходящим каналам.

Синхронизация часов выполняется скачкообразно на физическом уровне — точно так же, как в сетях TDM. Однако помимо тактовой синхронизации, для настройки фаз при многоканальной коммуникации требуется осуществить синхронизацию времени (Time of Day, ToD), то есть установить точное значение текущего времени.

За синхронизацию сетей Ethernet со множеством сотовых технологий, а также потоковой передачей видео и интерактивными игровыми приложениями отвечает стандарт IEEE 1588. Он определяет протокол Precision Timing Protocol (PTP) для синхронизации сети. В отличие от Synchronous Ethernet, IEEE 1588/PTP представляет собой полностью пакетное решение, в котором реальные значения времени передаются в специальных пакетах. IEEE 1588 выстраивает иерархию системных часов в сети по принципу «главный – подчиненный» (Master-Slave), в которой каждое подчиненное устройство синхронизируется с вышестоящими часами, выступающими в качестве главного источника времени. Между главными и подчиненными часами идет постоянный обмен пакетами для синхронизации (не менее 32 пакетов в секунду), поэтому подчиненное устройство постоянно подстраивает частоту своего осциллятора.

Недавно во вторую версию протокола точного времени IEEE 1588 (IEEE 1588v2) были добавлены два дополнительных типа логических устройств, которые обычно встраиваются в коммутаторы и маршрутизаторы между главными и подчиненными системными часами. Так называемые граничные часы (Boundary Clock, BC) выступают в качестве подчиненных по отношению к главным системным часам выше по потоку и в качестве главных для нескольких подчиненных часов ниже по потоку, что повышает масштабируемость системы. Граничные часы обладают собственным внутренним осциллятором, которым управляют главные часы, расположенные вверх по потоку. В больших системах внедрение граничных часов позволяет использовать гораздо больше подчиненных системных часов, чем это было бы возможно при наличии только главных.

При дальнейшей передаче в сети PTP для ослабления влияния задержек (к примеру, из-за образования очередей пакетов в коммутаторе) каждый коммутатор Ethernet снабжается так называемыми прозрачными часами (Transparent Clock, TC), чтобы задержки не привели к существенному снижению точности синхронизации системных часов. Прозрачные часы замеряют задержки при передаче пакетов синхронизации PTP, проходящих через коммутатор. Сведения о задержке указываются в некоторых пакетах в поле для поправочного коэффициента (Correction Factor). Таким образом, подчиненные системные часы могут компенсировать задержки, вызванные сетью, и — по крайней мере, теоретически — способны обеспечить точную синхронизацию.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ТЕСТЫ ОБЯЗАТЕЛЬНЫ

Технологии SyncE и IEEE 1588v2 получили широкое распространение благодаря существующим отраслевым нормам и сегодня применяются в наборах микросхем Ethernet. Однако наличие отраслевых стандартов еще не гарантирует того, что разные сетевые устройства с поддержкой этих технологий будут взаимно совместимы, ведь в малых нюансах — к примеру, в специфических значениях полей — производители устройств имеют полную свободу выбора. По этой причине перед внедрением необходимо проводить тесты на совместимость устройств различных производителей, в которых применяются технологии SyncE и IEEE 1588v2. Это позволит обеспечить синхронизацию системных часов для всей сети.

На Всемирном конгрессе Carrier Ethernet, прошедшем с 20 по 23 сентября в Варшаве, тестовым центром EANTC был проведен демонстрационный показ, где основной акцент делался на фазовую и тактовую синхронизацию с использованием 1588v2 и SyncE. Особая роль отводилась тестовым устройствам, поскольку основная задача организаторов мероприятия заключалась в том, чтобы показать, как надо выявлять проблемы, препятствующие взаимодействию устройств различных производителей, и находить способы их решения.

Тара ван Унен — старший менеджер по развитию рынка в компании Ixia.