Rambler's Top100
 
Статьи
Андрей Алексеевич Абрамов  24 июня 2018

Говорим 5G, подразумеваем транспортные сети

Построение сетей 5G потребует серьезного пересмотра принципов организации транспортного домена сетей радиодоступа.

К централизованной архитектуре RAN

До недавнего времени развитие подсистемы радиодоступа (Radio Access Network, RAN) определялось поступательным внедрением радиоинтерфейсов для новых мобильных стандартов и расширением ассортимента радиооборудования для соответствующих частотных диапазонов на основе распределенной архитектуры (рис. 1, слева). Но требования к емкости, гибкости и эффективности сетей 5G настолько масштабны, что предполагают пересмотр существующих функциональных и топологических принципов построения сети RAN. Отправными точками для такого пересмотра являются неэффективность протокола общего открытого радиоинтерфейса (Common Public Radio Interface, CPRI) с точки зрения транспорта и переход к централизованной архитектуре.

Протокол CPRI используется между радиомодулем выносного блока (RRH) и цифровым модулем (BBU) базовой станции. Он предполагает реализацию на транспортном канале принципа D-RoF (Digital Radio over Fiber), при соблюдении которого QAM-модулированный радиосигнал передается между BBU и RRH по двум несущим в оцифрованном виде (IQ data). Поэтому, в частности, при работе в рамках технологии LTE с шириной канала 20 МГц, обеспечивающей скорость до 150 Мбит/с, для транспорта CPRI необходима полоса 2,5 Гбит/с. При внедрении технологий 5G с ростом скорости требования к полосе в транспортной сети возрастают многократно. Кроме того, CPRI предполагает наличие отдельного соединения для каждой антенны. А это означает, что при внедрении в сетях 5G решения Massive MIMO, например для MIMO 64 x 64, будут нужны 384 отдельных волокна или DWDM-несущих.

Как полагает большинство экспертов, для 5G RAN оптимальной является централизованная архитектура (рис. 1, справа). При этом наилучшим вариантом станет построение BBU с использованием технологий виртуализации и облачных вычислений.



Рис. 1. Распределенная и централизованная архитектуры RAN

Централизованная архитектура RAN (Centralized RAN, C-RAN) предполагает, что BBU нескольких базовых станций объединены в хабы и расположены на одной площадке. Это позволяет применять более эффективные алгоритмы цифровой обработки, которые значительно увеличивают емкость сети за счет уменьшения интерференции и более оптимального использования радиоресурсов. Кроме того, сокращается число единиц вспомогательного оборудования (кондиционеры, маршрутизаторы и т.д.), поскольку уменьшается количество площадок их размещения. Соответственно, снижаются капитальные затраты.

Если при строительстве хабов BBU задействовать технологии виртуализации и облачных вычислений, то стоимость решения можно снизить благодаря объединению вычислительных мощностей в пулы и повышению КПД их использования из-за неравномерной нагрузки в сети. Заметим, что сети RAN, построенные на основе указанных технологий, часто называют C-RAN, под «С» подразумевая «Cloud».

Смягчение требований к полосе на транспортном канале между RRH и BBU достигается использованием «улучшенного» протокола CPRI (enhanced CPRI, eCPRI). Ожидается, что его внедрение благодаря переносу части функций цифровой обработки в RRH (new RRH/BBU functional split) позволит снизить требования к полосе пропускания более чем в 10 раз. Коммерческое применение новых аппаратных платформ BBU и RRH с поддержкой eCPRI уже началось.
Новый статус Fronthaul

Следует подчеркнуть, что существующие решения для транспорта между RRH и BBU не могут быть автоматически перенесены на новую централизованную архитектуру RAN. До недавнего времени термин Fronthaul, обозначающий транспортный домен между RRH и BBU, использовался редко, поскольку он рассматривался как составная часть базовой станции (успешные пилотные проекты использования для CPRI-транспорта решений сторонних поставщиков известны, однако коммерческого распространения такие системы не получили). С внедрением централизованной архитектуры RAN и 5G ситуация в корне меняется.

Во-первых, к Fronthaul предъявляются новые функциональные требования: более низкие задержки, ограничения на допустимый джиттер, особенности синхронизации, поддержка новых протоколов (работающих поверх транспортного уровня), масштабирование полосы под конкретную пользовательскую услугу, поддержка выделенных виртуальных сетей с требуемой функциональностью на единой сетевой инфраструктуре (Network Slicing) и т.д.

Во-вторых, централизация топологии позволяет повысить загрузку транспортных каналов за счет их агрегации. Появление функций цифровой обработки в модулях RRH открывает возможности использования пакетных Ethernet-сетей.

В-третьих, ужесточается требование экономической эффективности внедрения микро- и пикосот. До сих пор применение таких сот в мобильной связи носит нишевой характер в силу более высокой себестоимости трафика. Понятно, что микро- и пикосоты дают в среднем меньше дохода вследствие меньшего покрытия. Добиться же пропорционального уменьшению доходов снижения стоимости микросот до сих пор не удалось (рис. 2). Однако в силу нишевого характера внедрения на результирующую экономическую эффективность это влияния не оказывает.

Отсутствие эластичности стоимости транспортных решений -- одна из основных проблем экономики малых сот. В 5G архитектура малых сот является основной, и от того, удастся ли обеспечить коммерческую эффективность их использования, зависит будущее бизнеса мобильных операторов.

 
По материалам Academic Press Library in Mobile and Wireless Communications (2016, Chapter 18)

Рис. 2. Структура относительной стоимости различных типов базовых станций

Рассмотрим подробнее структуру стоимости системы 5G RAN. Подсистема Fronthaul может быть построена разными способами: например, с использованием CPRI или двух различных вариантов распределения функций цифровой обработки сигнала между RRH и BBU. Вариант PLS (Physical Layer Split) предполагает перенос в RRH функций цифровой обработки для MIMO, а вариант ARoF (Analog Radio over Fiber), напротив, -- перенос всех функций цифровой обработки в BBU (в том числе функции аналого-цифрового преобразования и цифровых функций предискажения сигнала для максимизации линейного диапазона усиления). Расчеты стоимости сети 5G RAN с учетом инсталляционных работ, сделанные для разной степени охвата населения (50% и 90%), показывают (рис. 3), что на долю Fronthaul приходится более 70% всех затрат. Следовательно, Fronthaul не может рассматриваться как «составная часть» базовой станции и является в централизованной сети 5G RAN самостоятельным ключевым сетевым доменом.

 
Источник: Melbourne Networked Society Institute, 2017

Рис. 3. Структура стоимости внедрения 5G RAN

Стандартизация обеспечит независимость от поставщиков

Здесь следует вспомнить о зависимости операторов от существующих поставщиков RAN при внедрении 5G. Стремление операторов к свободному выбору поставщика базовых станций 5G наталкивается на отсутствие стандартов на уровне протоколов RAN при взаимном управлении радиоресурсами базовых станций LTE и 5G. В конце 2017 г. был согласован вариант неавтономной (non-standalone) архитектуры 5G (так называемый вариант Option 3 в классификации 3GPP). Он фактически свел задачу внедрения 5G к «расширению» существующей базовой станции LTE. Это решение, оптимальное в условиях отсутствия стандартов для внедрения 5G, может быть реализовано только существующими поставщиками инфраструктуры сетей LTE в соответствующих регионах.
Очевидно, традиционные поставщики RAN рассматривают домен 5G Fronthaul как часть базовой станции, пытаясь выстроить вертикально интегрированное закрытое решение и тем самым закрепить свое монопольное положение на радиосети оператора.

Однако в отличие от взаимодействия «LTE -- 5G» на уровне протоколов RAN, где инициатива в формировании политики технологического развития отдана в руки малого числа производителей, развитием транспортной сети занимаются значительно больше игроков, которые становятся все активнее. На сегодняшний день существует понимание, что целевая архитектура транспортной сети 5G является самостоятельным доменом (так называемым Xhaul), который интегрирует функции Fronthaul (транспорт между центральным узлом и радиосайтами) и Backhaul (транспорт между узлами опорной сети). Домен Xhaul, включающий в себя уровни управления (control plane) и пользовательского трафика (user plane), взаимодействует с другими доменами сети по сервисной модели. Работы по стандартизации ведутся, в том числе в рамках международных проектов (например, программы 5G-PPP Horizon 2020 с участием операторов и производителей транспортной инфраструктуры).

С внедрением 5G и централизованной архитектуры RAN система Fronthaul становится самостоятельным сетевым доменом, имеющим ключевое значение для будущего развития мобильного бизнеса. У операторов есть все возможности добиться максимальной экономической эффективности строительства транспортной сети 5G за счет централизации функций BBU и использования технологий виртуализации, а стандартизация транспортных решений между RRH и BBU позволит избавиться от монопольного доминирования небольшого числа производителей при гарантии мультивендорной совместимости и сохранении единой концепции развития сети.

Андрей Абрамов, независимый эксперт
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!