eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #1/2011
С.Портной, Л.Шустерман.
Перспективные архитектуры опорных сетей для систем мобильной связи 4G
Перспективные архитектуры опорных сетей для систем мобильной связи 4G
Просмотры: 2852
Статья открывает серию публикаций о набирающем популярность в последнее время способе организации опорных сетей для систем мобильной связи в миллиметровом диапазоне. В ней будет отражен взгляд на эту проблематику компании Siklu (www.siklu.com) – быстро развивающегося производителя оборудования “точка-точка” для миллиметрового диапазона длин волн. В представленной статье рассмотрено современное состояние архитектуры опорных сетей для систем мобильной связи 4G, в последующих публикациях мы подробно расскажем об аппаратуре компании Siklu, о ситуации с радиочастотным спектром в этом диапазоне в России, рассмотрим примеры реализации проектов.
Гетерогенные опорные сети.
Вопросы архитектуры
Одна из принципиальных особенностей архитектуры сетей LTE и WiMAX (и грядущих сетей 4G –
LTE Advanced и WiMAX 2) – возможность организации каналов связи непосредственно между базовыми станциями (БС). В этом их существенное отличие от архитектуры сетей сотовой связи вплоть до 3G, которые строятся по звездообразной топологии с шлюзом-коммутатором в центре. Столь значимое отличие коренным образом меняет как архитектуру опорной сети систем мобильной связи 4G, так и принципы маршрутизации трафика внутри такой сети. Разумеется, коренным образом изменяются и требования к каналообразующей аппаратуре такой опорной сети.
Прежде всего, опорная сеть становится гетерогенной, поскольку базовые станции и шлюзы могут соединяться посредством как проводных (волоконно-оптических) каналов, так и беспроводных (рис.1). В качестве последних может использоваться радиорелейное оборудование (РРЛ) "точка-точка" микроволнового диапазона, а также трансиверы базовых станций (так называемый selfbackhauling – образование транспортных каналов за счет собственных возможностей БС). Принципиально, что selfbackhauling может использоваться одновременно с микроволновыми РРЛ. Одна из современных тенденций – применение РРЛ миллиметрового Е-диапазона (71–76 и 81–86 ГГц).
Таким образом, в общем случае гетерогенная опорная сеть – это произвольная mesh-сеть, в которой некоторые (или все) узлы имеют более одного канала связи с другими узлами сети. Важно отметить, что зачастую эти каналы связи обладают различной пропускной способностью, следовательно, одни из них предпочтительнее других. В то время как проводные каналы можно рассматривать как постоянно доступные, в беспроводных каналах могут ухудшаться условия связи, вплоть до полного падения канала. Это означает, что топология опорной сети не постоянна, она время от времени изменяется (рис.2).
Кроме того, заявленная пиковая скорость передачи информации в сетях LTE Advanced и WiMAX 802.16m составляет 1 Гбит/с (на базовую станцию). Чтобы в короткий срок предоставить пользователям такие скорости доступа, необходимо резко снизить число абонентов в одной соте, т.е. существенно сократить радиус соты. В результате вырастет плотность базовых станций, а вместе с ней – и число высокоскоростных каналов между БС и шлюзами, если сохранится имеющаяся сейчас в сотовых сетях звездообразная топология сетей.
Но сегодня в сетях наблюдается резкий дисбаланс – огромное число высокопроизводительных каналов перегружено, но только в течение относительно малых периодов времени используется вся их пропускная способность. В случае применения в опорной сети микроволновых РРЛ проблема существенно обостряется, поскольку может возникнуть дефицит ВЧ-полос в точках с высокой концентрацией таких РРЛ.
Таким образом, чтобы гарантированно обеспечить доставку трафика до базовых станций, в том числе в часы наибольшей нагрузки сети, необходима существенная избыточность в пропускной способности опорной сети. Может показаться, что оптимальная топология, позволяющая оптимизировать такую избыточность – это кольцевая архитектура, поскольку в ней число отдельных каналов между БС минимально (рис.3). С другой стороны, топология mesh-сети обеспечивает большую устойчивость сети, требуя при этом меньшего числа межсоединений между узлами, чем в случае с топологией типа "звезда" (в этом случае число каналов может просто удваиваться).
Во время сеанса связи с мобильным абонентом крайне нежелательна смена шлюз доступа. Следовательно, для обеспечения мобильности в географически протяженных регионах каждая БС должна иметь возможность соединяться с рядом географически распределенных шлюзов (рис.4). В mesh-сетях подобные возможности легко реализуются.
Сосредоточимся на двух функциях в гетерогенной опорной сети, непосредственно влияющих на качество предоставляемых услуг мобильным пользователям:
управление трафиком и качество обслуживания (QoS) посредством маршрутизации в условиях динамически изменяющихся пропускной способности и задержек в каналах связи;
восстановление связи в случае падения канала связи или существенной деградации пропускной способности.
Обеспечение QoS посредством маршрутизации
В общем случае, все методы восстановления связи в сетях можно разделить на две категории – расчет новых путей в случае изменения конфигурации сети или переключение на предварительно рассчитанные защитные (резервные) каналы. В первом случае информация об изменении топологии сети распространяется по всей сети, и все ее узлы одновременно рассчитывают новые маршруты. В случае защитного переключения резервные маршруты определены предварительно. При аварийном событии сигнал об изменении топологии распространяется по сети и узлы переключаются на резервные каналы.
Стандартная парадигма защитного переключения рассматривает только события потери связи в канале (аварии). В этом случае сигнал об аварии, распространяющийся между соседними узлами, приводит к их переключению на заранее назначенные альтернативные маршруты. Однако в случае гетерогенной опорной сети, которая содержит микроволновые РРЛ с адаптивной модуляцией, изменения в окружающей среде (например, дождь) могут привести не к полной потере связи в канале, а к более или менее серьезной деградации его пропускной способности. Скорость в канале может измениться на два порядка – от единиц гигабит до десятков мегабит в секунду.
Когда оператор занимается планированием сети, он, как правило, назначает разные по доступности и пропускной способности элементы сети (маршруты) разным классам сервисов (классы QoS). Причем, мы говорим о логических, а не о физических маршрутах. Например, услуга традиционной телефонии требует высочайшей доступности канала, но допускает его относительно низкую пропускную способность. Соответственно, переключение РРЛ на наиболее устойчивый вид модуляции с существенной потерей скорости не приведет к потере данной услуги. С другой стороны, для передачи данных в Интернете требуется как можно большая скорость, но такой сервис не чувствителен к кратковременным падениям скорости (даже до нуля) в канале. Таким образом, по отношению к тому или иному сервису деградация канала связи в одних случаях может восприниматься как авария, в других – нет. И в случае ухудшения качества связи альтернативные маршруты могут потребоваться не для всех сервисных потоков (рис.5).
Хотя защитное переключение не занимает много времени (требования ITU-T задают предел в 50 мс для полного восстановления каналов и трафика), важно снизить эту задержку как можно сильнее для наиболее высокоприоритетных сервисных потоков (например, голосовые сервисы). Как этого достичь? Рассмотрим основные механизмы защиты опорных сетей.
Защита общей транспортной линии
В общем понимании, защита транспортной линии означает, что резервные элементы установлены между каждой коммутирующей парой устройств. Возникает огромное множество возможных состояний сети. Однако зачастую сетевые устройства связаны по цепочке (рис.6), и защита такой общей транспортной линии может быть организована посредством набора обходных путей, например, посредством формирования виртуальных сетей (VLAN).
Например, пусть транспортная линия объединяет узлы G-A-B-C-D (рис.6б). Ей соответствует VLAN
с идентификационным номером виртуальной сети
VID = 10. VLAN с VID = 11, определенная на узлах G-F-A, представляет собой резервный путь для сегмента G-A. Сегмент А-В-С защищен резервным путем в виде VLAN с VID = 13 (узлы A-E-C), VLAN с VID = 12 – сегмент
G-A-B-C. В случае возникновения проблем на определенном сегменте активируется резервный маршрут. Такие пути могут быть организованы не только посредством VLAN, но и на основе механизмов MPLS с виртуальной маршрутизацией, а также с помощью протокола MPLS на виртуальных частных локальных сетях (VPLS). Возможна и статическая конфигурация маршрутов посредством таблиц переадресации (FDB).
Защита сетей с сотовой архитектурой.
Маршрутизация на основе известной топографии сотовой сети
В городах опорная сеть радиодоступа, которая соединяет БС и шлюзы, может быть произвольно большой. Однако можно выделить лишь два типа межсоединений в такой сети – между БС и шлюзами и между соседними базовыми станциями. Это справедливо для всех современных концепций построения мобильных сетей 4G (рис.7).
Соединения БС-шлюз требуют древообразной топологии с корнем в шлюзе. В сетях LTE с каждой БС могут поддерживать соединение до 16 шлюзов. Таким образом, каждая БС может входить в 16 различных топологических деревьев. Поскольку корень каждого из этих деревьев – тот или иной шлюз, сами деревья могут быть сформированы на основе стандартных процедур протокола множественных связующих деревьев MSTP (входит в IEEE 802.1Q). Также возможно формирование более сложной топологии – например, нескольких коммутирующих друг с другом деревьев и т.п. В общем случае, становится много проще построить некую древообразную топологию, поскольку она может быть рассчитана в корневом узле и распространена на все узлы, входящие в дерево.
В случае связи БС-БС коммуникация между соседними узлами должна происходить по кратчайшим путям. Каждая БС может быть корнем дерева кратчайших путей, которое связывает всех соседей. Однако стандарт LTE допускает для каждой БС только 32 соседа, с которыми можно устанавливать прямое соединение. Соответственно, в каждом дереве кратчайших путей может быть не более 32 узлов. И если пакет отправлен узлу, не входящему в заданное соседское окружение БС, он путешествует через дерево с корнем в шлюзе. Следовательно, чтобы организовать эффективную связь, в опорной сети должен быть известен список соседей для каждой БС. Ограниченное число соседей требует более эффективных методов построения модели соединений, чем просто механизм кратчайших путей. Например, можно распределить трафик между каждой парой узлов посредством некоего множества путей, что позволяет достичь максимальной пропускной способности при минимальных задержках.
Рассмотренные логические топологии могут быть физически реализованы посредством сетей с mesh-архитектурой. Интересным может оказаться подход на основе протокола маршрутизации, в котором пути автоматически формируются на основе адресов БС и шлюзов (cellular aware routing protocol). Эта информация может передаваться в коммутационную сеть узлами сотовой сети.
Механизмы быстрого восстановления сети.
Защитные соединения шлюз-БС
На практике одна БС может соединяться с несколькими шлюзами, но в этом случае каждая структура шлюз-БС должна рассматриваться отдельно. Более того, шлюз может иметь более чем один интерфейс с опорной сетью. Однако с точки зрения коммуникаций в опорной сети каждый такой интерфейс следует рассматривать как отдельный логический шлюз.
Поскольку шлюз подключается к опорной сети через коммутатор (рис.8), логично, чтобы этот коммутатор рассчитывал логическую топологию и распространял ее по всем узлам данного сегмента опорной сети, связанного с конкретным шлюзом. В результате все сетевые адреса интерфейсов должны стать известными всем узлам данного сегмента.
Корневой узел R (коммутатор) должен послать свой идентификатор всем узлам связанного с ним сетевого сегмента, в ответ узлы передают коммутатору информацию о состоянии их соединений. Коммутатор вычисляет дерево кратчайших путей (с корнем в коммутаторе) и распространяет его по всем узлам сети. Эта процедура одновременно проще и эффективнее, чем существующие протоколы на основе анализа всех соединений (такие как IS-IS, OSPF), которые предусматривают, что каждый узел знает топологию всей сети, а в момент падения любого соединения или изменения его пропускной способности (т.е. изменения состояния) информация об этом событии распространяется по всей сети. Упрощение процедуры вычисления топологии за счет ее сосредоточения в одном корневом узле (для каждого дерева) позволяет создавать более сложные логические топологии.
Рассмотрим подробнее работу данной процедуры. На первой итерации коммутатор просто вычисляет дерево кратчайших путей на основе известной ему топографии сети (рис.8а). На второй итерации коммутатор должен предопределить дерево кратчайших путей для случая, когда нарушен один из каналов связи (рис.8б). Например, нарушается связь на участке A-R. Но это соединение может продублировать канал B-D. В случае пропадания (ухудшения) связи на участке A-R, узлы A и R формируют и распространяют специальное сообщение. Как только оно достигнет узлов D и B, канал B-D будет активирован. Поскольку новые маршруты уже были предварительно рассчитаны, процедура перехода на резервный канал займет минимум времени. Такой способ позволяет удовлетворить требованию на задержку в случае аварийного переключения не более 50 мс. Фактически в рассмотренном примере задержка переключения не превысит нескольких миллисекунд, поскольку сообщение об аварии немедленно достигнет соответствующих узлов В и D.
Коммутатор может загодя рассчитать произвольное число топологий, принимая во внимание возможность возникновения множественных проблем в сети. Например, каналы C-G, B-D и G-F защищают от двойного пропадания связи между узлами A-C и A-R (рис.8в). Более того, в этом случае канал C-F может быть деактивирован.
Если возникшая в результате падения каналов ситуация не была предварительно рассчитана коммутатором, он должен вычислить новое дерево кратчайших путей и распространить его по сети.
Расчет кратчайших путей между соседями
Каждый узел может вычислить кратчайшие пути до своих соседей и распространить это локальное дерево кратчайших путей в своем соседском окружении (рис.9). Такая процедура аналогична уже рассмотренной – с той разницей, что каждый узел становится корнем дерева кратчайших путей в своем соседском окружении. Этот метод кардинально отличается от уже рассмотренного, когда дерево кратчайших путей рассчитывается для всей сети в целом. В данном случае оно вычисляется только для соседских окружений, и информация об изменении состояний каналов распространяется тоже только в пределах соседских окружений. Это означает гораздо большую масштабируемость решения по сравнению с существующими методами.
Распространение сигнализации защитного переключения
Поскольку сообщения об аварии в канале должны быть доставлены только корневому узлу дерева (коммутатору), нет необходимости в распространении сигнала по всей сети, как в протоколах на основе состояния соединения. В примере на рис.10 сообщение об аварии в канале С-А никогда не попадет в узел F, поскольку все сообщения от F могут следовать через узел G, который непосредственно связан с узлом С. Аналогично, пока узел D напрямую подключен к узлу В, он никогда не направит сообщение в узел I. Такой механизм существенно сокращает вероятность потери сообщений в сети.
Задержка передачи сообщения об аварии в канале определяется на кратчайшем пути между точкой аварии и корневым узлом. В ответ коммутатор посылает сообщение о переключении на другой маршрут, которое также распространяется по кратчайшему пути (см. рис.10). Данный метод позволяет соблюсти требование на максимально возможную задержку переключения в 50 мс.
Перерасчет маршрута. Протокол множества связующих деревьев (MSTP)
До сих пор мы рассматривали методы защиты
второго уровня на основе предварительно рассчитанных маршрутов. Но на гетерогенных опорных сетях возможно и применение механизма непосредственного перерасчета марщрута, например – на основе протокола MSTP.
В соответствии с этим протоколом, каждому классу сервисов ставится в соответствие свой собственный регион множественных связующих деревьев (MST). Цена пути (весовой коэффициент) в каждом регионе MST зависит от метода модуляции, который используется в канале. Для MST-региона, который назначен высокоприоритетному трафику, цена пути остается неизменной в случае деградации скорости передачи в канале (в определенных пределах). Для более низкоприоритетного трафика она изменяется и для него вычисляется новое связующее дерево (рис.11).
Такой подход обладает большим достоинством – он совместим с существующим стандартом, поскольку протокол MSTP входит в спецификацию IEEE 802.1Q. Проблема в том, что вычисление связующего дерева может потребовать много больше 50 мс. Однако такие вычисления в случае деградации каналов в основном необходимы для наиболее низкоприоритетных сервисных потоков.
Поддержка согласованного многоточечного приема/передачи
Сети под управлением стандартов LTE Advanced и WiMAX 2 (IEEE 802.16m) способны существенно увеличить производительность беспроводных интерфейсов для мобильных абонентов посредством технологии, называемой согласованным многоточечным приемом/передачей (CMTR – Coordinated Multipoint Transmission/Reception). Суть этой технологии – множество базовых станций рассматривается как единая многоантенная система MIMO, с которой взаимодействует множество мобильных станций (МС). При этом каждая БС рассматривается как входной антенный канал некоего центрального устройства (логического). А каждый мобильный терминал, в свою очередь – как выходной антенный канал этой виртуальной MIMO-системы. Подобная система позволяет избегать интерференции между соседними сотами, что повышает производительность системы связи в целом. С центральным устройством все входные антенные каналы (базовые станции) связаны посредством опорной сети.
Не вдаваясь в подробности организации подобной системы в сетях 4G, отметим, что необходимым условием ее работоспособности служит высокопроизводительная опорная сеть. Второе важное условие работоспособности технологии CMRT – низкий уровень задержек переключения каналов в сети.
В заключение отметим, что существующие сетевые механизмы второго и третьего уровней (L2 и L3) не способны учесть специфику опорных сетей для систем мобильной связи 4G, поэтому над ними требуется серьезная работа.
Вопросы архитектуры
Одна из принципиальных особенностей архитектуры сетей LTE и WiMAX (и грядущих сетей 4G –
LTE Advanced и WiMAX 2) – возможность организации каналов связи непосредственно между базовыми станциями (БС). В этом их существенное отличие от архитектуры сетей сотовой связи вплоть до 3G, которые строятся по звездообразной топологии с шлюзом-коммутатором в центре. Столь значимое отличие коренным образом меняет как архитектуру опорной сети систем мобильной связи 4G, так и принципы маршрутизации трафика внутри такой сети. Разумеется, коренным образом изменяются и требования к каналообразующей аппаратуре такой опорной сети.
Прежде всего, опорная сеть становится гетерогенной, поскольку базовые станции и шлюзы могут соединяться посредством как проводных (волоконно-оптических) каналов, так и беспроводных (рис.1). В качестве последних может использоваться радиорелейное оборудование (РРЛ) "точка-точка" микроволнового диапазона, а также трансиверы базовых станций (так называемый selfbackhauling – образование транспортных каналов за счет собственных возможностей БС). Принципиально, что selfbackhauling может использоваться одновременно с микроволновыми РРЛ. Одна из современных тенденций – применение РРЛ миллиметрового Е-диапазона (71–76 и 81–86 ГГц).
Таким образом, в общем случае гетерогенная опорная сеть – это произвольная mesh-сеть, в которой некоторые (или все) узлы имеют более одного канала связи с другими узлами сети. Важно отметить, что зачастую эти каналы связи обладают различной пропускной способностью, следовательно, одни из них предпочтительнее других. В то время как проводные каналы можно рассматривать как постоянно доступные, в беспроводных каналах могут ухудшаться условия связи, вплоть до полного падения канала. Это означает, что топология опорной сети не постоянна, она время от времени изменяется (рис.2).
Кроме того, заявленная пиковая скорость передачи информации в сетях LTE Advanced и WiMAX 802.16m составляет 1 Гбит/с (на базовую станцию). Чтобы в короткий срок предоставить пользователям такие скорости доступа, необходимо резко снизить число абонентов в одной соте, т.е. существенно сократить радиус соты. В результате вырастет плотность базовых станций, а вместе с ней – и число высокоскоростных каналов между БС и шлюзами, если сохранится имеющаяся сейчас в сотовых сетях звездообразная топология сетей.
Но сегодня в сетях наблюдается резкий дисбаланс – огромное число высокопроизводительных каналов перегружено, но только в течение относительно малых периодов времени используется вся их пропускная способность. В случае применения в опорной сети микроволновых РРЛ проблема существенно обостряется, поскольку может возникнуть дефицит ВЧ-полос в точках с высокой концентрацией таких РРЛ.
Таким образом, чтобы гарантированно обеспечить доставку трафика до базовых станций, в том числе в часы наибольшей нагрузки сети, необходима существенная избыточность в пропускной способности опорной сети. Может показаться, что оптимальная топология, позволяющая оптимизировать такую избыточность – это кольцевая архитектура, поскольку в ней число отдельных каналов между БС минимально (рис.3). С другой стороны, топология mesh-сети обеспечивает большую устойчивость сети, требуя при этом меньшего числа межсоединений между узлами, чем в случае с топологией типа "звезда" (в этом случае число каналов может просто удваиваться).
Во время сеанса связи с мобильным абонентом крайне нежелательна смена шлюз доступа. Следовательно, для обеспечения мобильности в географически протяженных регионах каждая БС должна иметь возможность соединяться с рядом географически распределенных шлюзов (рис.4). В mesh-сетях подобные возможности легко реализуются.
Сосредоточимся на двух функциях в гетерогенной опорной сети, непосредственно влияющих на качество предоставляемых услуг мобильным пользователям:
управление трафиком и качество обслуживания (QoS) посредством маршрутизации в условиях динамически изменяющихся пропускной способности и задержек в каналах связи;
восстановление связи в случае падения канала связи или существенной деградации пропускной способности.
Обеспечение QoS посредством маршрутизации
В общем случае, все методы восстановления связи в сетях можно разделить на две категории – расчет новых путей в случае изменения конфигурации сети или переключение на предварительно рассчитанные защитные (резервные) каналы. В первом случае информация об изменении топологии сети распространяется по всей сети, и все ее узлы одновременно рассчитывают новые маршруты. В случае защитного переключения резервные маршруты определены предварительно. При аварийном событии сигнал об изменении топологии распространяется по сети и узлы переключаются на резервные каналы.
Стандартная парадигма защитного переключения рассматривает только события потери связи в канале (аварии). В этом случае сигнал об аварии, распространяющийся между соседними узлами, приводит к их переключению на заранее назначенные альтернативные маршруты. Однако в случае гетерогенной опорной сети, которая содержит микроволновые РРЛ с адаптивной модуляцией, изменения в окружающей среде (например, дождь) могут привести не к полной потере связи в канале, а к более или менее серьезной деградации его пропускной способности. Скорость в канале может измениться на два порядка – от единиц гигабит до десятков мегабит в секунду.
Когда оператор занимается планированием сети, он, как правило, назначает разные по доступности и пропускной способности элементы сети (маршруты) разным классам сервисов (классы QoS). Причем, мы говорим о логических, а не о физических маршрутах. Например, услуга традиционной телефонии требует высочайшей доступности канала, но допускает его относительно низкую пропускную способность. Соответственно, переключение РРЛ на наиболее устойчивый вид модуляции с существенной потерей скорости не приведет к потере данной услуги. С другой стороны, для передачи данных в Интернете требуется как можно большая скорость, но такой сервис не чувствителен к кратковременным падениям скорости (даже до нуля) в канале. Таким образом, по отношению к тому или иному сервису деградация канала связи в одних случаях может восприниматься как авария, в других – нет. И в случае ухудшения качества связи альтернативные маршруты могут потребоваться не для всех сервисных потоков (рис.5).
Хотя защитное переключение не занимает много времени (требования ITU-T задают предел в 50 мс для полного восстановления каналов и трафика), важно снизить эту задержку как можно сильнее для наиболее высокоприоритетных сервисных потоков (например, голосовые сервисы). Как этого достичь? Рассмотрим основные механизмы защиты опорных сетей.
Защита общей транспортной линии
В общем понимании, защита транспортной линии означает, что резервные элементы установлены между каждой коммутирующей парой устройств. Возникает огромное множество возможных состояний сети. Однако зачастую сетевые устройства связаны по цепочке (рис.6), и защита такой общей транспортной линии может быть организована посредством набора обходных путей, например, посредством формирования виртуальных сетей (VLAN).
Например, пусть транспортная линия объединяет узлы G-A-B-C-D (рис.6б). Ей соответствует VLAN
с идентификационным номером виртуальной сети
VID = 10. VLAN с VID = 11, определенная на узлах G-F-A, представляет собой резервный путь для сегмента G-A. Сегмент А-В-С защищен резервным путем в виде VLAN с VID = 13 (узлы A-E-C), VLAN с VID = 12 – сегмент
G-A-B-C. В случае возникновения проблем на определенном сегменте активируется резервный маршрут. Такие пути могут быть организованы не только посредством VLAN, но и на основе механизмов MPLS с виртуальной маршрутизацией, а также с помощью протокола MPLS на виртуальных частных локальных сетях (VPLS). Возможна и статическая конфигурация маршрутов посредством таблиц переадресации (FDB).
Защита сетей с сотовой архитектурой.
Маршрутизация на основе известной топографии сотовой сети
В городах опорная сеть радиодоступа, которая соединяет БС и шлюзы, может быть произвольно большой. Однако можно выделить лишь два типа межсоединений в такой сети – между БС и шлюзами и между соседними базовыми станциями. Это справедливо для всех современных концепций построения мобильных сетей 4G (рис.7).
Соединения БС-шлюз требуют древообразной топологии с корнем в шлюзе. В сетях LTE с каждой БС могут поддерживать соединение до 16 шлюзов. Таким образом, каждая БС может входить в 16 различных топологических деревьев. Поскольку корень каждого из этих деревьев – тот или иной шлюз, сами деревья могут быть сформированы на основе стандартных процедур протокола множественных связующих деревьев MSTP (входит в IEEE 802.1Q). Также возможно формирование более сложной топологии – например, нескольких коммутирующих друг с другом деревьев и т.п. В общем случае, становится много проще построить некую древообразную топологию, поскольку она может быть рассчитана в корневом узле и распространена на все узлы, входящие в дерево.
В случае связи БС-БС коммуникация между соседними узлами должна происходить по кратчайшим путям. Каждая БС может быть корнем дерева кратчайших путей, которое связывает всех соседей. Однако стандарт LTE допускает для каждой БС только 32 соседа, с которыми можно устанавливать прямое соединение. Соответственно, в каждом дереве кратчайших путей может быть не более 32 узлов. И если пакет отправлен узлу, не входящему в заданное соседское окружение БС, он путешествует через дерево с корнем в шлюзе. Следовательно, чтобы организовать эффективную связь, в опорной сети должен быть известен список соседей для каждой БС. Ограниченное число соседей требует более эффективных методов построения модели соединений, чем просто механизм кратчайших путей. Например, можно распределить трафик между каждой парой узлов посредством некоего множества путей, что позволяет достичь максимальной пропускной способности при минимальных задержках.
Рассмотренные логические топологии могут быть физически реализованы посредством сетей с mesh-архитектурой. Интересным может оказаться подход на основе протокола маршрутизации, в котором пути автоматически формируются на основе адресов БС и шлюзов (cellular aware routing protocol). Эта информация может передаваться в коммутационную сеть узлами сотовой сети.
Механизмы быстрого восстановления сети.
Защитные соединения шлюз-БС
На практике одна БС может соединяться с несколькими шлюзами, но в этом случае каждая структура шлюз-БС должна рассматриваться отдельно. Более того, шлюз может иметь более чем один интерфейс с опорной сетью. Однако с точки зрения коммуникаций в опорной сети каждый такой интерфейс следует рассматривать как отдельный логический шлюз.
Поскольку шлюз подключается к опорной сети через коммутатор (рис.8), логично, чтобы этот коммутатор рассчитывал логическую топологию и распространял ее по всем узлам данного сегмента опорной сети, связанного с конкретным шлюзом. В результате все сетевые адреса интерфейсов должны стать известными всем узлам данного сегмента.
Корневой узел R (коммутатор) должен послать свой идентификатор всем узлам связанного с ним сетевого сегмента, в ответ узлы передают коммутатору информацию о состоянии их соединений. Коммутатор вычисляет дерево кратчайших путей (с корнем в коммутаторе) и распространяет его по всем узлам сети. Эта процедура одновременно проще и эффективнее, чем существующие протоколы на основе анализа всех соединений (такие как IS-IS, OSPF), которые предусматривают, что каждый узел знает топологию всей сети, а в момент падения любого соединения или изменения его пропускной способности (т.е. изменения состояния) информация об этом событии распространяется по всей сети. Упрощение процедуры вычисления топологии за счет ее сосредоточения в одном корневом узле (для каждого дерева) позволяет создавать более сложные логические топологии.
Рассмотрим подробнее работу данной процедуры. На первой итерации коммутатор просто вычисляет дерево кратчайших путей на основе известной ему топографии сети (рис.8а). На второй итерации коммутатор должен предопределить дерево кратчайших путей для случая, когда нарушен один из каналов связи (рис.8б). Например, нарушается связь на участке A-R. Но это соединение может продублировать канал B-D. В случае пропадания (ухудшения) связи на участке A-R, узлы A и R формируют и распространяют специальное сообщение. Как только оно достигнет узлов D и B, канал B-D будет активирован. Поскольку новые маршруты уже были предварительно рассчитаны, процедура перехода на резервный канал займет минимум времени. Такой способ позволяет удовлетворить требованию на задержку в случае аварийного переключения не более 50 мс. Фактически в рассмотренном примере задержка переключения не превысит нескольких миллисекунд, поскольку сообщение об аварии немедленно достигнет соответствующих узлов В и D.
Коммутатор может загодя рассчитать произвольное число топологий, принимая во внимание возможность возникновения множественных проблем в сети. Например, каналы C-G, B-D и G-F защищают от двойного пропадания связи между узлами A-C и A-R (рис.8в). Более того, в этом случае канал C-F может быть деактивирован.
Если возникшая в результате падения каналов ситуация не была предварительно рассчитана коммутатором, он должен вычислить новое дерево кратчайших путей и распространить его по сети.
Расчет кратчайших путей между соседями
Каждый узел может вычислить кратчайшие пути до своих соседей и распространить это локальное дерево кратчайших путей в своем соседском окружении (рис.9). Такая процедура аналогична уже рассмотренной – с той разницей, что каждый узел становится корнем дерева кратчайших путей в своем соседском окружении. Этот метод кардинально отличается от уже рассмотренного, когда дерево кратчайших путей рассчитывается для всей сети в целом. В данном случае оно вычисляется только для соседских окружений, и информация об изменении состояний каналов распространяется тоже только в пределах соседских окружений. Это означает гораздо большую масштабируемость решения по сравнению с существующими методами.
Распространение сигнализации защитного переключения
Поскольку сообщения об аварии в канале должны быть доставлены только корневому узлу дерева (коммутатору), нет необходимости в распространении сигнала по всей сети, как в протоколах на основе состояния соединения. В примере на рис.10 сообщение об аварии в канале С-А никогда не попадет в узел F, поскольку все сообщения от F могут следовать через узел G, который непосредственно связан с узлом С. Аналогично, пока узел D напрямую подключен к узлу В, он никогда не направит сообщение в узел I. Такой механизм существенно сокращает вероятность потери сообщений в сети.
Задержка передачи сообщения об аварии в канале определяется на кратчайшем пути между точкой аварии и корневым узлом. В ответ коммутатор посылает сообщение о переключении на другой маршрут, которое также распространяется по кратчайшему пути (см. рис.10). Данный метод позволяет соблюсти требование на максимально возможную задержку переключения в 50 мс.
Перерасчет маршрута. Протокол множества связующих деревьев (MSTP)
До сих пор мы рассматривали методы защиты
второго уровня на основе предварительно рассчитанных маршрутов. Но на гетерогенных опорных сетях возможно и применение механизма непосредственного перерасчета марщрута, например – на основе протокола MSTP.
В соответствии с этим протоколом, каждому классу сервисов ставится в соответствие свой собственный регион множественных связующих деревьев (MST). Цена пути (весовой коэффициент) в каждом регионе MST зависит от метода модуляции, который используется в канале. Для MST-региона, который назначен высокоприоритетному трафику, цена пути остается неизменной в случае деградации скорости передачи в канале (в определенных пределах). Для более низкоприоритетного трафика она изменяется и для него вычисляется новое связующее дерево (рис.11).
Такой подход обладает большим достоинством – он совместим с существующим стандартом, поскольку протокол MSTP входит в спецификацию IEEE 802.1Q. Проблема в том, что вычисление связующего дерева может потребовать много больше 50 мс. Однако такие вычисления в случае деградации каналов в основном необходимы для наиболее низкоприоритетных сервисных потоков.
Поддержка согласованного многоточечного приема/передачи
Сети под управлением стандартов LTE Advanced и WiMAX 2 (IEEE 802.16m) способны существенно увеличить производительность беспроводных интерфейсов для мобильных абонентов посредством технологии, называемой согласованным многоточечным приемом/передачей (CMTR – Coordinated Multipoint Transmission/Reception). Суть этой технологии – множество базовых станций рассматривается как единая многоантенная система MIMO, с которой взаимодействует множество мобильных станций (МС). При этом каждая БС рассматривается как входной антенный канал некоего центрального устройства (логического). А каждый мобильный терминал, в свою очередь – как выходной антенный канал этой виртуальной MIMO-системы. Подобная система позволяет избегать интерференции между соседними сотами, что повышает производительность системы связи в целом. С центральным устройством все входные антенные каналы (базовые станции) связаны посредством опорной сети.
Не вдаваясь в подробности организации подобной системы в сетях 4G, отметим, что необходимым условием ее работоспособности служит высокопроизводительная опорная сеть. Второе важное условие работоспособности технологии CMRT – низкий уровень задержек переключения каналов в сети.
В заключение отметим, что существующие сетевые механизмы второго и третьего уровней (L2 и L3) не способны учесть специфику опорных сетей для систем мобильной связи 4G, поэтому над ними требуется серьезная работа.
Отзывы читателей
