Rambler's Top100
Статьи ИКС № 2 2019
Андрей Алексеевич Абрамов  19 июня 2019

Современные транспортные решения для «последней мили» сетей 5G

Внедрение 5G стимулирует мобильную индустрию к применению передовых оптических технологий.

Новая компоновка базовой станции

Существующие сети 2G/3G/4G построены, как правило, на основе так называемой распределенной архитектуры сети радиодоступа (Distributed RAN, D-RAN), в которой составные части базовой станции -- модуль цифровой обработки BBU (Baseband Unit) и радиомодули RRU (Remote Radio Unit) -- располагаются на одной площадке (рис. 1). Такое расположение позволяет минимизировать требуемую емкость транспортной сети. В зависимости от топологии емкость транспортного домена «последней мили» составляет от 1 до 10 Гбит/с.


Однако, как известно, для 5G оптимальной является централизованная архитектура RAN (Centralized RAN, C-RAN), при которой вычислительные ресурсы (модули BBU) базовых станций объединены в хабы. C-RAN – это форма внедрения в радиоподсети решений централизации и виртуализации VNF/NFV как стратегического направления развития телекоммуникационной инфраструктуры. Преимущества VNF/NFV хорошо известны – от снижения барьеров для новых производителей и сокращения капитальных и эксплуатационных затрат до ускорения вывода на рынок новых услуг и модернизации сети. Для радиосети эти преимущества экономической эффективности усиливаются за счет дополнительного повышения пропускной способности радиоканала (централизации функций планирования радиоресурсов, уменьшения интерференции и т.д.).

До настоящего времени основное внимание индустрии было приковано к опорной сети, и сейчас можно констатировать, что задача виртуализации и централизации в этом домене решена. Однако учитывая, что инвестиции в радиосеть при внедрении 5G оцениваются примерно в 70% общего объема, централизация в RAN является ключевой для достижения коммерческой привлекательности сетей 5G.

Отправная точка внедрения технологий централизации и виртуализации в RAN – это новая компоновка базовой станции, в которой стек цифровой обработки радиосигнала, сконцентрированный ранее в BBU, теперь разделяется на два функциональных блока – DU (Distributed Unit, модуль цифровой обработки радиосигнала в реальном масштабе времени) и CU (Centralized Unit, модуль цифровой обработки медленных процессов). Такое разделение обеспечивает гибкость выбора и эффективность построения RAN на каждой площадке БС с учетом ограничений на размещение, особенностей транспортного канала, условий применения и т.д.

Другая проблема, решаемая новой компоновкой базовой станции, связана с неэффективностью интерфейса CPRI (Common Public Radio Interface) между RRU и BBU, в котором требуемая полоса пропускания пропорциональна ширине радиоканала и количеству антенн (например, уже в сети LTE MIMO 2x2 полоса, требуемая для CPRI, больше скорости абонентского трафика в 13--15 раз). В ходе внедрения 5G с увеличением ширины радиоканала (при освоении высоких частотных диапазонов) и количества антенн (при использовании решения Massive MIMO) требования к полосе в транспортной сети растут опережающими темпами по сравнению с ростом скорости абонентских приложений. Это может стать проблемой для строительства C-RAN, где именно скорость передачи данных между RRU и BBU будет определять емкость транспортного домена «последней мили».

Снижение требований к ширине полосы в базовой станции нового поколения достигается путем переноса части функций низкоуровневой цифровой обработки из BBU в RRU. А для передачи сигнала после промежуточной цифровой обработки в RRU служит новый интерфейс -- eCPRI (enhanced CPRI), особенностью которого является переменная, зависящая от нагрузки скорость и использование пакетной среды передачи Ethernet.

Новая компоновка БС обеспечивает гибкость и высокую экономическую эффективность за счет централизации вычислительных ресурсов и широкого внедрения технологий виртуализации в RAN с учетом различных ограничивающих факторов, в том числе технологических (задержка в транспортном канале для интерфейсов CPRI/eCPRI не должна превышать 100 мкс).

До недавнего времени требования к транспортному каналу между RRU и BBU/DU/CU в интерфейсе CPRI не были специфицированы. Сейчас этот пробел устранен, разработаны спецификации, определяющие требования к качеству транспортной сети для CPRI и eCPRI. Это открывает операторам возможности выбирать оптимальные технические решения разных вендоров, избегая тем самым монополизма поставщика, базовые станции которого установлены на сети.

Влияние архитектуры RAN при внедрении 5G на транспортную сеть

Одна из ключевых характеристик сетей 5G -- более чем 10-кратное увеличение скорости передачи данных для абонентов. Поэтому даже в рамках существующих архитектурных решений (см. рис. 1) требования к полосе транспортной сети доступа также возрастают более чем в 10 раз. А при строительстве сетей 5G с целевой архитектурой C-RAN требования к транспортной сети доступа возрастают более чем в 100 раз. Так, в частности, происходит в сети 4G/5G, в которой существующие решения IP/MPLS распространяются на доставку трафика от мест его генерации (площадок БС) в периферийные центры его обработки (рис. 2).


Одним из основных условий развития сети RAN до настоящего времени оставались «аксиома ограниченности транспортной полосы» и вытекающая из нее необходимость эту полосу экономить. Именно по этой причине использование IP-функций стремились перенести как можно ближе к источникам генерации трафика. Следование этой аксиоме обуславливает экстенсивное развитие транспортной сети, т.е. увеличение пропускной способности и последовательную замену IP-узлов доступа более производительными пропорционально расширению мобильной сети, которое определяется ростом скорости и объема трафика.

Расширение канальной емкости транспортной сети для централизации и виртуализации в RAN

Транспортные решения, применяемые на современных сетях RAN, по своей пропускной способности соответствуют уровню развития оптических технологий передачи конца 80-х годов прошлого века (рис. 3). Однако сегодня канальная пропускная способность оптических систем передачи данных увеличивается намного (в 1000 раз) быстрее, чем растет скорость в мобильных сетях с момента строительства сетей LTE (в 10 раз). Кроме того, стоимость оптических систем постоянно снижается. Поэтому их использование при строительстве транспортной сети C-RAN позволит снять ограничения на выбор оптимальной архитектуры RAN, накладываемые возможностями традиционных транспортных сетей. Семейство таких альтернативных решений для построения сети C-RAN получило в индустрии название по наименованию соответствующего транспортного домена – X-Haul (рис. 4).


Преимущества традиционного подхода IP/MPLS проявляются при интенсивной эксплуатации его основных функций, т.е. агрегации, маршрутизации, транзита трафика между узлами в сети сложной топологии. При централизации (укрупнении) число узлов уменьшается, а следовательно, уменьшается число маршрутов и упрощается топология. В ИT-сети все ЦОДы, как правило, соединены каналами «точка -- точка».


C-RAN/vRAN -- зона конвергенции с ИT-индустрией в области оптических решений

С началом широкого использования технологий виртуализации и облачных вычислений инициатива развития оптических систем перешла в область ИT, где ключевые требования заключаются в организации высокоскоростных каналов на короткие расстояния (< 300 м, < 2 км) внутри дата-центров либо между ними (< 10 км, < 40 км, < 80 км) с максимально высокой плотностью портов (что предполагает микроминиатюризацию и снижение энергопотребления) при низкой себестоимости и больших объемах производства. Это полностью совпадает с требованиями бизнеса мобильной связи. Экономика последнего опирается на снижение стоимости сетевой инфраструктуры, которое достигается за счет унификации и стандартизации применяемых решений, их массового производства и высокой емкости глобального рынка.

В настоящий момент развитие оптической промышленности в основном идет в русле освоения полупроводниковых технологий производства оптических систем и внедрения способов модуляции с низкой стоимостью реализации.

Интегральная кремниевая фотоника

По аналогии с переходом от электронных схем на распределенных элементах к интегральным микросхемам переход оптических сетей на продукцию твердотельной фотоники благодаря размещению всех элементов на одном кристалле предполагает отказ от традиционного подхода, предусматривающего сборку и индивидуальную прецизионную юстировку компонентов.

Существенное экономическое преимущество такого перехода заключается в возможности использовать те же самые полупроводниковые материалы, способы проектирования микросхем, технологии изготовления и т.д. Такое использование инвестиций, уже сделанных в производственные мощности изготовления электрических микросхем, позволяет кардинально снизить себестоимость оптических и оптико-электронных систем. Применение полупроводниковых технологий изготовления оптических систем разрывает зависимость между их сложностью (количеством элементов) и скоростью передачи -- с одной стороны и их себестоимостью – с другой, при кардинальном повышении надежности. Поэтому при задействовании твердотельной фотоники можно получить транспортное решение, соответствующее возрастающим требованиям к ширине полосы транспортного канала для C-RAN, без увеличения его стоимости.

К настоящему времени объем производства интегральных оптических модулей уже превышает объем оптических модулей, разработанных и изготовленных из дискретных компонентов, а рост рынка, определяемого развитием и потребностями дата-центров, приводит к падению их стоимости на 10--20% ежегодно при кратном уменьшении размеров и энергопотребления.

Сегодня в коммерческих продуктах применяются различные технологические подходы к оптико-электрической интеграции: она может быть выполнена на одном монолитном кристалле либо на разных кристаллах (так называемая гибридная интеграция). Преимущества последней состоят в возможности выбрать оптимальное решение для каждого из сегментов (электрического и оптического). Так, изготовление электрических микросхем, как правило, требует применения технологии фотолитографии с бОльшим разрешением, чем для оптических микросхем.

Экономичные способы модуляции

Выбор той или иной модуляции для реализации оптической системы определяется условиями ее применения. Для рынка дальней связи оптические решения создаются, как правило, на основе когерентной модуляции и включают в себя способы амплитудно-фазовой модуляции с большим числом кодируемых битов на один символ (QPSK, 8QAM, 16QAM…), поляризационное мультиплексирование, лазер на приемной стороне для восстановления фазы сигнала, а также цифровой сигнальный процессор (DSP) для аналогово-цифровой конверсии сигнала с компенсацией различных типов дисперсии и т.д. Такие оптические системы зачастую характеризуются отсутствием совместимости на оптическом уровне между продукцией разных производителей и достаточно большими размерами (формфакторы CFP, CFP2), обусловленными потребляемой мощностью и необходимостью размещения большого числа компонентов.

В оптических системах для ИT-индустрии, которые разрабатываются для крупномасштабного производства и применения на коротких расстояниях, важнейшим критерием является минимизация стоимости оптического модуля или переданного бита. И тут основной подход состоит в использовании «базовой скорости» с простыми типами модуляции прямого детектирования (IM-DD, Intensity Modulation – Direct Detection) с широко доступной компонентной базой, низкими стоимостью и энергопотреблением (NRZ, PAM4 и т.д.). Дальнейшее увеличение скорости достигается увеличением числа несущих -- мультиплицированием «базовой скорости».

Важно отметить, что в мобильной индустрии наиболее часто применяются интерфейсы CPRI и eCPRI для скоростей до 25 Гбит/с, т.е. значения «базовой скорости» ИT-индустрии. Кроме того, планируемая длина оптического канала для решений X-Haul совпадает с наиболее распространенной протяженностью оптических трасс для обмена данными между ЦОДами (до 30 км, рис. 5).


Таким образом, построение сети радиодоступа 5G RAN на базе оптических систем канальной передачи позволит операторам не только получить ожидаемые преимущества централизации и виртуализации, но и обеспечить максимально эффективное транспортное решение за счет конвергенции с ИТ-индустрией в области оптических систем.

Андрей Абрамов, менеджер по развитию бизнеса, НТО «ИРЭ-Полюс»
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!