, Russian Federation
, Russian Federation
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
The article discusses the current problems of implementing 5G networks in the existing infrastructure of urban networks. A general overview of development options for the transport network operators in various data transmission areas has been given. The possibilities of applying new standards and technologies for building high-performance fifth-generation networks have been considered. The increased requirements for speed performance of new transport networks dictate new rules for the design of linear-cable structures and the choice of equipment at intermediate communication nodes. Greater investments at the initial stage of launching a new network are the key to successful servicing thousands of new subscribers and IoT devices.
base station, mobile communications, 5G networks, transport architecture, synchronization, transport
Введение
Все крупные операторы сотовой связи по всему миру готовятся к быстрому развертыванию сетей 5G [1]. Их целью является распространение современных услуг мобильного широкополосного доступа за счет снижения удельных затрат и повышения качества обслуживания абонентов, а также охват новых сегментов рынка с использованием новых возможностей стандарта 5G. Для достижения этой цели операторы работают над сетевыми архитектурами, которые будут легко масштабироваться в зависимости от плотности устройств и объема трафика, значительно превышающих текущие показатели сетей четвертого поколения и удовлетворяющих требованиям к задержке и надежности для новых, требовательных видов услуг. Это чрезвычайно важная подготовка к суперциклу 5G, которая позволит операторам расширить свою деятельность на различных рынках в течение следующих 10 лет.
Неотъемлемой частью новой архитектуры сотовых сетей является транспортная сеть, которая обеспечивает связь между базовыми станциями, периферийными центрами обработки данных, облачными приложениями и сервисами. В этой статье рассматривается новая транспортная архитектура и важная роль усовершенствованных IP-сетей, чувствительных ко времени, в обеспечении максимальной производительности, которая заявлена для абонентских терминалов и бизнес-решений. Поскольку сеть 5G будет внедряться в большие, хорошо отлаженные и коммерчески выгодные сети LTE, важна правильная последовательность действий по интеграции и постепенному обновлению существующих транспортных магистралей.
Строительство производительной транспортной сети радиодоступа пятого поколения для сотовых операторов – это инвестиции в крайне важные активы, которые дадут уникальные преимущества в том, как клиенты воспринимают услуги и взаимодействуют с ними. Это залог долгосрочного развития и предоставления качественных услуг 5G.
Архитектура сетей радиодоступа 5G (5G RAN)
Новая структура сети радиодоступа 5G RAN, известная как NG-RAN, представляет новую терминологию, интерфейсы и функциональные модули. Сеть NG-RAN состоит из набора базовых радиостанций (gNB - Next Generation NodeB – базовая станция нового поколения), подключенных к базовой сети ядра 5G (5G Core NetWork) и друг к другу. Набор устройств базовой станции в соответствии с новым стандартом включает в себя три основных функциональных модуля: центральный блок (CU – Central Unit), распределенный блок (DU – Distributed Unit) и радиоблок (RU – Radio Unit), которые могут быть установлены в нескольких комбинациях [2].
Выбор между расщеплением нижнего и верхнего уровней доступа (-Front/MidHaul участков сети) является одним из самых важных решений на этапе проектирования архитектуры NG-RAN. Проблема состоит в том, что каждая из моделей несет в себе свои компромиссы, определяющие те или иные виды услуг, которые могут быть предоставлены абоненту в долгосрочной перспективе, и это затрудняет конечный выбор оператора в пользу той или иной модели построения транспортной сети [3].
Архитектура NG-RAN представляет собой логическую архитектуру, которая может быть реализована и развернута различными способами в соответствии с требованиями и предпочтениями оператора. Как показано на рис. 1, базовая станция может быть установлена как единый блок, как это принято в сотовых сетях второго-третьего поколения, или как распределенное решение в виде блоков CU, DU и RU.
Рис. 1. Различные комбинации установки блоков базовой станции
сети радиодоступа пятого поколения
Интерфейс CU-DU представляет собой разделение верхнего уровня (HLS), которое не так чувствительно к задержкам передачи данных. Интерфейс DU-RU представляет собой разделение нижнего уровня (LLS), которое более чувствительно к задержке и ширине канала. Блоки CU, DU и RU могут быть смонтированы в таких местах, как сайты базовых станций (включая башни связи, крыши зданий и прочие регулярные места установки базовых станций), площадки агрегации транспортной сети и «пограничные узлы» (например, аппаратные связи или центры обработки данных) [4].
Кроме того, имеет смысл использовать разные модели для разных видов застройки, например крупные сектора в сельской местности и множество емких секторов в городе. Как показано на рис. 2, привычный Ethernet 10/25 Gbe возможен только на отрезке Fronthaul, участки передачи данных Midhaul и Backhaul – это огромное поле для применения CWDM и DWDM оптических сетей или для развертывания работы так называемого Dark Fiber (темного волокна) [5].
Рис. 2. Структура AnyHaul транспортной сети 5G
Сюда добавляются разные варианты эксплуатации сети, например, для сети автоматизации производства со сверхнизкой задержкой потребуется DU/CU, близкий или интегрированный с RU [6].
Time Sensitive Network (сеть, чувствительная ко времени, TSN) и, в частности, ее возможности строгой приоритизации трафика и «вытеснения» фреймов из непрерывного потока поступающих пакетов, являются основополагающим фактором для построения производительных сетей X-haul, поскольку они обеспечивают более низкие задержки и позволяют выделять трафик eCPRI, поступающий от базовых станций. На деле это выглядит как остановка передачи кадра с низким приоритетом, который уже начал передачу, в момент появления в очереди кадра с более высоким приоритетом от пользователя, что подкрепляется заложенными в стандарте интерфейсами 10 GbE и 25 GbE на «последней миле». Обычное Ethernet-оборудование принимает решение о том, какой кадр следует передавать следующим, только после того, как полностью завершит передачу текущего кадра. Стандарт TSN позволяет устройству коммутировать и агрегировать трафик Ethernet и eCPRI вместе, что дает возможность операторам развертывать сети X-haul, способные поддерживать параллельный трафик в промежуточном, прямом и обратном направлениях [7].
Преимущества Time Sensitive Network для Fronthaul
Транспорт, основанный на TSN, должен обеспечивать задержки на уровне Fronhaul от 50 до 100 мкс (или <50 мкс для uRLLC сетей) на расстоянии 5–20 км между оборудованием и низкое энергопотребление, компактность, мультипротокольность с CRPI и eCPRI, обеспечивая совместный доступ десятков тысяч соединений к C- и D-RAN, а также корпоративных сетей. Согласно стандарту, синхронизация производится по частоте, времени и фазе. Типичные скоростные показатели – 10–25 Gbe на один радиоблок [8]. Исходя из этого требуются детерминистские сетевые взаимодействия с обеспечением ограничений на задержки в сети:
. (1)
Из формулы (1) видно, что основными факторами, влияющими на производительность сети, являются:
– задержка из-за обработки в узле (Nodal Processing Delay) – количество времени, используемое для обработки заголовков пакетов, проверки битовых ошибок и определения хоста назначения в сетевых устройствах;
– задержка из-за очередей (Queuing Delay) – количество времени, которое пакет ожидает в очереди (буфере), прежде чем может быть обработан;
– задержка при передаче (Transmission Delay) из-за размещения сигналов в оптической транспортной среде с прямой коррекцией ошибок, когерентной WDM передачи, усилителей и т. д.;
– задержка при распространении (Propagation Delay) – количество времени, необходимое для прохождения сигнала от отправителя к получателю по оптоволокну или медному кабелю.
Стандарт сетей, чувствительных ко времени, разработанных рабочей группой IEEE 802.1, которая управляет связью на основе Ethernet, позволяет соблюдать жесткие требования к задержкам, необходимые приложениям, работающим в режиме реального времени (приложения умного транспорта, телемедицина, автоматизация производства). Сеть TSN реализовывается на втором уровне модели OSI, что делает ее рекомендованным протоколом для разработанных технологий, базирующихся на технологии Ethernet. В настоящее время Cisco, Nokia и Huawei уже представили свои решения с поддержкой нового стандарта. Он предусматривает полную совместимость оборудования разных вендоров, что исключает проблемы при интеграции различных участков сетей. Это особенно актуально, т. к. несмотря на все большее распространение оптических сетей связи воздушные беспроводные каналы связи продолжают доминировать в условиях плотной городской застройки, и нет никаких предпосылок к тому, что эта ситуация изменится в ближайшие годы [9].
Все эти факторы подводят нас к тому, что для корректной работы сетей пятого поколения в соответствии с заявленными в стандартах характеристиками необходимо новое поколение аппаратного обеспечения на уровне ядра и ниже. Разработано огромное число стандартов и спецификаций, выполнение которых обеспечит нам тот заявленный пользовательский опыт, которого мы все так ждем от сетей пятого поколения. Некоторые из них изображены на рис. 3.
Рис. 3. Стандарты, регламентирующие отказоустойчивость, задержку,
синхронизацию и выделение ресурсов в транспортных сетях пятого поколения
Но наличие большого количества участков (сегментов) сети с различной операционной парадигмой неизбежно приводит к сложности в обеспечении качественных межсетевых взаимодействий для оператора. Синхронизация работы сети по частоте, времени и фазе – это еще один шаг к устранению данной проблемы. Новое оборудование должно обеспечивать преемственность в предоставлении услуг оператора мобильной связи максимальному числу абонентов. Это означает унификацию и минимальные накладные расходы на обслуживание, но требует значительных инвестиционных расходов. Каждый оператор в настоящее время разрабатывает долгосрочный план по обновлению своей транспортной сети, и в рамках стандарта 5G у них есть множество вариантов, как провести это мероприятие максимально незаметно для пользователей и своего бюджета.
Заключение
Все крупные операторы сотовой связи по всему миру готовятся к быстрому развертыванию сетей 5G. Неотъемлемой частью новой архитектуры сотовых сетей является транспортная сеть, которая обеспечивает связь между базовыми станциями, периферийными центрами обработки данных, облачными приложениями и сервисами. Рассмотрена новая транспортная архитектура и важная роль усовершенствованных IP-сетей, чувствительных ко времени, в обеспечении максимальной производительности, которая заявлена для абонентских терминалов и бизнес-решений. Архитектура NG-RAN представляет собой новую логическую архитектуру, которая может быть реализована и развернута различными способами в соответствии с требованиями и предпочтениями оператора. Стандарт TSN позволяет устройству коммутировать и агрегировать трафик Ethernet и eCPRI вместе, что дает возможность операторам развертывать сети X-haul, способные поддерживать параллельный трафик в промежуточном, прямом и обратном направлениях. В настоящее время Cisco, Nokia и Huawei уже представили свои решения с поддержкой нового стандарта. Он предусматривает полную совместимость оборудования разных вендоров, что исключает проблемы при интеграции различных участков сетей. Уже в скором времени беспроводные технологии пятого поколения начнут преобразовывать мир вокруг нас, и, возможно, на пике развития 5G мы наконец сможем избавиться от окружающих нас проводов.
1. Nokia 5G CEO presentation. URL: https://www.itu.int/en/ITU-D/Regional-Pres-ence/ArabStates/Documents/ events/2018/RDF/Workshop%20Presentations/Session1/Nokia_5G_ITU%20Workshop%20Alger%2014%20Feb%202018%20NC.pdf (data obrascheniya: 12.02.2020).
2. Vaezi M. Cloud Mobile Networks: From RAN to EPC (Wireless Networks). M.: Springer, 2017. 117 p.
3. Rommer S., Hedman P., Olsson M., Frid L., Sultana Sh., Mulligan C. 5G Core Networks: Powering Digitalization. M.: Academic Press, 2019. 502 p.
4. Dahlman E. 5G NR: The Next Generation Wireless Access Technology. M.: Academic Press, 2018. 466 p.
5. Stavdas A. Core and Metro Networks Guide. M.: Wiley, 2010. 212 p.
6. Hartpence B. Packet Guide to Core Network Protocols. M.: O'Reilly Media, 2011. 200 p.
7. Cisco Ultra 5G Packet Core Solution. URL: https://www.cisco.com/c/m/en_us/network-intelligence/ service-provider/digital-transformation/ultra-5g-packet-core-solution.html (data obrascheniya: 12.02.2020).
8. Johnson Ch. 5G New Radio in Bullets. Independently published, 2019. 519 p.
9. Ahmadi S. 5G NR: Architecture, Technology, Implementation, and Operation of 3GPP New Radio Standards. M.: Academic Press, 2019. 960 p.
