Сеть Сотовой Связи – структура весьма консервативная в силу своей огромной стоимости и больших сроков строительства. Изменения в стандартах связи происходят регулярно, но переход к новому стандарту (к примеру — 3G после 2G) требует новых вложений и замены оборудования, которое часто еще не выработало свой ресурс. Сейчас для запуска сети нового поколения всё становится проще благодаря подходам SDR и SDN.
SDR (Software-Defined Radio) — программно-определяемая радиоподсистема;
SDN (Software-Defined Networking) — программно-конфигурируемое построение сети.
Упрощая, это чем-то похоже на виртуализацию железа: изменение функционала происходит не заменой материальной части, а изменением его программной части. Если вы читали Лема, то грубая аналогия – перестроение его умных структур, где одинаковые элементы составляли сложную схему. Роль каждого элемента определялась не конструкцией, а положением в структуре и данными от других элементов. Только в нашем случае в роли составных частей выступают программные блоки, а не элементарные механизмы.
Я расскажу, как эти подходы находят применение в реальной сети.
Про оба подхода уже не раз писали на Хабре. Я расскажу, какие особенности накладывает на реализацию SDR и SDN сеть крупного оператора, где требуется сохранить весь функционал, наследуемый из уже работающих мобильных сетей.
Предыстория
Для начала немного истории. Первоначально (как это часто бывает) концепция SDR родилась в недрах военных ведомств и предназначалась для быстрой замены устаревающих протоколов радиосвязи. Поддерживаемые протоколы и диапазоны были реализованы на аналоговом оборудовании, и любое изменение требовало полной физической замены всего комплекса. Переход к цифро-аналоговому преобразованию радиосигнала открыл возможность перехода на новые протоколы и стандарты простой сменой программного обеспечения в цифровом блоке.
Долгие годы этот подход был труднореализуем в мобильных сетях операторов, поскольку предъявлял очень высокие требования к производительности цифрового блока, отвечающего за преобразование. Но закон Мура доказал свою справедливость, и мощность вычислительных систем достигла значений, достаточных для обработки алгоритмов, заложенных в мобильные сети стандартов GSM/UMTS/LTE. Это, кажется, позволяет нам перейти к чистым SDR системам и получить компактные и производительные базовые станции. Однако здесь возникла вторая проблема, связанная с используемым спектром и требуемой выходной мощностью для мобильных сетей разных стандартов.
К примеру, сейчас в России у каждого оператора большой тройки работают мобильные сети в следующих диапазонах:
| 3GPP Band | Стандарт связи | Диапазон UL, MHz | Диапазон DL, MHz |
| Band 20 | LTE 800 | 832-862 | 791-821 |
| Band 8 | GSM 900 -> UMTS 900 | 880 — 915 | 925 — 960 |
| Band 3 | GSM 1800 -> LTE 1800 | 1710 — 1785 | 1805 — 1880 |
| Band 1 | UMTS 2100 | 1920 — 1980 | 2110 — 2170 |
| Band 7 | LTE 2600 | 2500 — 2570 | 2620 — 2690 |
Закрыть весь этот частотный спектр одним передатчиком – задача с технической точки зрения решаемая, но при этом оборудование будет совершенно не пригодно по массово-габаритным характеристикам для использования в существующей сети. С учетом этого ограничения стандартное решение при переходе на архитектуру SDR выглядит так: к общему процессорному блоку подключается несколько радиомодулей, каждый из которых обеспечивает создание ЭМ излучения в определенном частотном диапазоне.
Эволюция от выделенных процессорных блоков под каждый стандарт, к виртуализации всех стандартов в одном процессорном блоке
Какой стандарт связи будет при этом создаваться, определяется процессорным блоком и стратегией оператора по рефармингу одних стандартов в другие. Интерфейс от процессорного блока до радиопередатчика также стандартизован, и все производители предлагают свои варианты реализации протокола CPRI — Common Public Radio Interface. Последние реализации протокола CPRI поддерживаются также и производителями оборудования транспортной сети, например, радиорелейных линий, что позволяет подключать радиопередатчики на значительных расстояниях от процессорного блока.
Такой вариант реализации SDR-концепции существенно снижает количество требуемых процессорных блоков и одновременно обеспечивает агрегацию трафика от всех стандартов мобильных сетей в одну транспортную сеть.
Сегодня
Пример реализации концепции SDR на оборудовании базовых станций мобильной сети:
Было: 3 базовые станции для трёхстандартной сети (GSM/UMTS/LTE)
Стало: разделение стандартов только на уровне передатчиков и антенн с общим процессорным блоком
Теперь попытаемся представить самую упрощенную архитектуру сети оператора для приема трафика от мультистандартной радиосети GSM/UMTS/LTE. Согласно рекомендациям 3GPP и, соответственно, предложениям от ведущих производителей оборудования, максимально упрощенная архитектура сети релиза R8 выглядит следующим образом:
При этом каждый узел в квадрате «Стандартное оборудование мобильной сети на стороне оператора» представляет собой целую стойку оборудования (а часто и не одну) со специфичными интерфейсами, платами, оригинальными сабрэками и т.д. Поставщиками разных узлов оказываются разные производители, оборудование принадлежит к разным поколениям или даже эпохам развития сети. Эксплуатация такого «зоопарка» – занятие сложное, требующее квалифицированных инженеров, причем, имеющих опыт эксплуатации различного оборудования, различных производителей. Здесь самое время вспомнить про концепцию SDN, которая будто специально создана для оптимизации такой архитектуры.
Сейчас под аббревиатурой SDN понимают программно-конфигурируемые транспортные сети. Однако в мобильных сетях это понятие объединяется с алгоритмами «виртуализации» – Mobile Virtualization – и из них рождается новая архитектура строительства мобильных сетей – Mobile SDN. Базовые подходы, применяемые при проектировании mobile SDN сетей, те же, что и для транспортных сетей:
- Разделение сигнального уровня (протоколы управления трафиком, сигнальные протоколы транспортного уровня и т.п.) и пользовательского трафика;
- Виртуализация необходимых процессов на мощных серверных платформах, обеспечивающих необходимую процессорную мощность для обработки сигнализации и интерфейсную ёмкость для пропуска пользовательского трафика.
Новая архитектура фактически означает замену всех типов разнообразного оборудования мобильных сетей (BSC/RNC/MSC/MSS/SGSN/GGSN/MME и т.д.) общей HW платформой, на которой виртуализированы все их функции. Если построить сеть с использованием подходов SDR и SDN, можно получить следующую картину с точки зрения операторского оборудования:
Мобильная сеть, построенная по принципам Mobile SDN, дополненная радиосетью, построенной по принципам SDR, позволяет создавать современные мобильные сети, на которых легко можно переходить от стандарта к стандарту (GSM-UMTS-LTE-LTE Adv-….), предоставляя новейшие услуги в самые короткие сроки.
Это значит, что скоро нам не придется для реализации нового функционала, вводимого в новом стандарте, монтировать новую стойку оборудования и ломать голову над её интеграцией с живой сетью. Достаточно будет провести обновление программного обеспечения на нашей платформе с виртуальными машинами, и новый функционал открыт для использования.
Описанные в статье концепции сейчас находятся на разных стадиях промышленной реализации. SDR можно назвать фактически свершившимся фактом: все последние модели базовых станций ведущих производителей выполняются по данной схеме, позволяя использовать общий процессорный блок и обеспечивать работу радиопередатчиков заданного диапазона одновременно в нескольких стандартах. Все мобильные сети Билайн, строящиеся последние годы, используют данный подход в части оборудования радидоступа.
Концепция же SDN в мобильных сетях (как, впрочем, и в транспортных) только набирает обороты. Ведущие производители оборудования начинают эксперименты с виртуализацией различных функций на базе производительных серверов от третьих компаний либо с использованием собственных разработок.
Например, упоминаемый нами в недавнем обзоре Тестовой Зоны, новый тип контроллера от компании NSN – в чистом виде SDN платформа. Правда, пока она предназначена для виртуализации только сетевых элементов, к которым подключаются базовые станции – BSC/TRC/RNC, и не может выполнять все функции одновременно (для каждой логической функции требуется выделенный HW модуль), но единая аппаратная платформа – уже значительный шаг в сторону оптимизации сети оператора.
Было – стандартная платформа RNC (отдельная стойка):
Стало – SDN платформа RNC (8 Rack Unit):
В качестве второго примера приведу недавно протестированное в Тестовой Зоне решение от Cisco – универсальная серверная платформа Cisco UCS – Unified Computing System. Фактически она представляет из себя Blade Server, на котором с использованием виртуальных машин можно запустить любое приложение для любой операционной системы, в частности, любое приложение, используемое на оборудовании Cisco (Cisco IOS, StarOS и др.). В нашей лаборатории мы тестировали сетевые решения: «Cisco HomeNodeB Gateway», «Cisco Wi-Fi Access Gateway» с одновременной эмуляцией на том же сервере большого количества необходимых сетевых элементов – SecGW, DHCP Server, AAA, SGSN, PCEF и др.
В лабораторных условиях уже подтверждены функциональность и жизнеспособность концепции SDN, сейчас производители работают над обеспечением требуемого уровня производительности для обработки огромных объемов трафика, генерируемых в современных мобильных сетях.
Автор: geran_utran
