SDR/SDN - як нова архітектура реалізується в реальній мережі

Мережа Стільникового Зв'язку — структура досить консервативна в силу своєї величезної вартості і великих термінів будівництва. Зміни в стандартах зв'язку відбуваються регулярно, але перехід до нового стандарту (наприклад — 3G після 2G) вимагає нових вкладень і заміни обладнання, яке часто ще не виробило свій ресурс. Зараз для запуску мережі нового покоління все стає простіше завдяки підходам SDR і SDN.



SDR (Software-Defined Radio) — програмно-визначається радиоподсистема;
SDN (Software-Defined Networking) — програмно-конфігурується побудова мережі.

Спрощено це чимось схоже на віртуалізацію заліза: зміна функціоналу відбувається не заміною матеріальної частини, а зміною його програмної частини. Якщо ви читали Лема, то груба аналогія — перестроювання його розумних структур, де однакові елементи становили складну схему. Роль кожного елемента визначалася не конструкцією, а положенням у структурі та даними від інших елементів. Тільки в нашому випадку в ролі складових частин виступають програмні блоки, а не елементарні механізми.

Я розповім, як ці підходи знаходять застосування в реальній мережі.

Про обидва підходи вже не раз писали на Хабре. Я розповім, які особливості накладає на реалізацію SDR і SDN мережу великого оператора, де потрібно зберегти весь функціонал, наслідуваний з вже працюючих мобільних мереж.

Передісторія

Для початку трохи історії. Спочатку (як це часто буває) концепція SDR народилася в надрах військових відомств і призначалася для швидкої заміни застарілих протоколів радіозв'язку. Підтримувані протоколи і діапазони були реалізовані на аналоговому обладнанні, і будь-яка зміна вимагало повної фізичної заміни всього комплексу. Перехід до цифро-аналогового перетворення сигналу відкрив можливість переходу на нові протоколи і стандарти простою зміною програмного забезпечення в цифровому блоці.

Довгі роки цей підхід був труднореализуем в мобільних мережах операторів, оскільки пред'являв дуже високі вимоги до продуктивності цифрового блоку, що відповідає за перетворення. Але закон Мура довів свою справедливість, та потужність обчислювальних систем досягла значень, достатніх для обробки алгоритмів, закладених в мобільні мережі стандартів GSM/UMTS/LTE. Це, здається, дозволяє нам перейти до чистих SDR систем і отримати компактні і продуктивні базові станції. Однак тут виникла інша проблема, пов'язана з використовуваним спектром і необхідної вихідної потужності для мобільних мереж різних стандартів.

Наприклад, зараз в Росії у кожного оператора великої трійки працюють мобільні мережі в наступних діапазонах:







3GPP Band
Стандарт зв'язку
Діапазон UL, MHz
Діапазон 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


Закрити весь цей частотний спектр одним передавачем — завдання з технічної точки зору вирішувана, але при цьому обладнання буде абсолютно не придатне з масово-габаритних характеристиках для використання в існуючій мережі. З урахуванням цього обмеження стандартне рішення при переході на архітектуру SDR виглядає так: до загального процесорного блоку підключається декілька радіомодулів, кожен з яких забезпечує створення ЕМ випромінювання в певному частотному діапазоні.


Еволюція від виділених процесорних блоків під кожен стандарт, до віртуалізації всіх стандартів в одному процесорному блоці

Стандарт зв'язку буде створюватися, визначається процесорним блоком і стратегією оператора за рефармингу одних стандартів в інші. Інтерфейс від процесорного блоку до радіопередавача також стандартизований, і всі виробники пропонують свої варіанти реалізації протоколу CPRI — Common Public Radio Interface. Останні реалізації протоколу CPRI підтримуються також і виробниками обладнання транспортної мережі, наприклад, радіорелейних ліній, що дозволяє підключати радіопередавачі на значних відстанях від процесорного блоку.

Такий варіант реалізації SDR-концепції істотно знижує кількість необхідних процесорних блоків і одночасно забезпечує агрегацію трафіку від всіх стандартів мобільних мереж в одну транспортну мережу.

Сьогодні

Приклад реалізації концепції SDR на обладнанні базових станцій мережі мобільного:


Було: 3 базові станції для трехстандартной мережі (GSM/UMTS/LTE)


Стало: поділ стандартів лише на рівні передавачів і антен з загальним процесорним блоком

Тепер спробуємо уявити саму спрощену архітектуру мережі оператора для прийому трафіку від мультистандартной радіомережі GSM/UMTS/LTE. Згідно з рекомендаціями 3GPP і, відповідно, пропозицій від провідних виробників обладнання, максимально спрощена архітектура мережі релізу R8 виглядає наступним чином:



При цьому кожен вузол в квадраті «Стандартне обладнання мобільної мережі на стороні оператора» являє собою цілу стійку обладнання (а часто й не одну) зі специфічними інтерфейсами, платами, оригінальними сабрэками і т.д. Постачальниками різних вузлів виявляються різні виробники, устаткування належить до різних поколінь або навіть епохам розвитку мережі. Експлуатація такого «зоопарку» — заняття складне, потребує кваліфікованих інженерів, причому, що мають досвід експлуатації різного устаткування, різних виробників. Тут саме час згадати про концепцію SDN, яка ніби спеціально створена для оптимізації такої архітектури.

Зараз під абревіатурою SDN розуміють програмно-конфігуровані транспортні мережі. Проте в мобільних мережах це поняття об'єднується з алгоритмами «віртуалізації» — Mobile Virtualization — і з них народжується нова архітектура будівництва мобільних мереж — Mobile SDN. Базові підходи, застосовувані при проектуванні mobile SDN мереж, ті ж, що й для транспортних мереж:

  • Поділ сигнального рівня (протоколи керування трафіком, сигнальні протоколи транспортного рівня тощо) і користувальницького трафіку;
  • Віртуалізація необхідних процесів на потужних серверних платформах, що забезпечують необхідну процесорну потужність для обробки сигналізації та інтерфейсну ємність для пропуску користувача трафіку.


Нова архітектура фактично означає заміну всіх типів різноманітного обладнання мобільних мереж (BSC/RNC/MSC/MSS/SGSN/GGSN/MME і т.д.) загальною HW платформою, на якій віртуалізованих всі їх функції. Якщо побудувати мережу з використанням підходів SDR і SDN, можна одержати наступну картину з точки зору операторського обладнання:



Мобільна мережа, побудована за принципами Mobile SDN, доповнена радіомережею, побудованої за принципами SDR, дозволяє створювати сучасні мобільні мережі, на яких легко можна переходити від стандарту до стандарту (GSM, UMTS-LTE-LTE Adv-....), надаючи новітні послуги в самі короткі терміни.

Це означає, що скоро нам не доведеться для реалізації нового функціоналу, що вводиться в новому стандарті, монтувати нову стійку устаткування і ламати голову над її інтеграцією з живою мережею. Досить буде провести оновлення програмного забезпечення на нашій платформі з віртуальними машинами, і новий функціонал відкритий для використання.

Описані в статті концепції зараз знаходяться на різних стадіях промислової реалізації. SDR можна назвати фактично доконаним фактом: всі останні моделі базових станцій провідних виробників виконуються за даною схемою, дозволяючи використовувати загальний процесорний блок і забезпечувати роботу радіопередавачів заданого діапазону одночасно в декількох стандартах. Всі мобільні мережі Білайн, що будуються останні роки, використовують даний підхід в частині обладнання радидоступа.

Концепція ж SDN в мобільних мережах (як, втім, і в транспортних) тільки набирає обертів. Провідні виробники обладнання починають експерименти з віртуалізацією різних функцій на базі продуктивних серверів від третіх компаній або з використанням власних розробок.

Наприклад, згадуваний нами в недавньому огляді Тестової Зони, новий тип контролера від компанії NSN — в чистому вигляді SDN платформа. Правда, поки вона призначена для віртуалізації тільки мережевих елементів, до яких підключаються базові станції — BSC/TRC/RNC, і не може виконувати всі функції одночасно (для кожної логічної функції потрібно виділений HW модуль), але єдина апаратна платформа — вже значний крок у бік оптимізації мережі оператора.

Було — стандартна платформа RNC (окрема стійка):


Стало — SDN платформа RNC (8 Rack Unit):


В якості другого прикладу наведу нещодавно протестоване в Тестовій Зоні рішення від Cisco — універсальна серверна платформа Cisco UCS — Unified Computing System. Фактично вона представляє з себе Server Blade, на якому з використанням віртуальних машин можна запустити будь-який додаток для будь-якої операційної системи, зокрема, будь-який додаток, що використовується на обладнанні Cisco (Cisco IOS, StarOS та ін). У нашій лабораторії ми тестували мережеві рішення: «Cisco HomeNodeB Gateway», «Cisco Wi-Fi Access Gateway» з одночасною емуляцією на тому ж сервері великої кількості необхідних мережевих елементів — SecGW, DHCP Server, AAA, SGSN, PCEF та ін

В лабораторних умовах вже підтверджені функціональність і життєздатність концепції SDN, зараз виробники працюють над забезпеченням необхідного рівня продуктивності для обробки величезних обсягів трафіку, що генеруються в сучасних мобільних мережах.

Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.