Эволюция MINI-LINK: подготовка почвы для Radio Link Bonding

Рынок широкополосного радиорелейного оборудования точка-точка, и в частности MINI-LINK, по-настоящему стремительно развивался в начале 1990-х годов. В то время мобильные сети расширялись беспрецедентными темпами после внедрения цифровых систем второго поколения. По всему миру были развернуты тысячи новых базовых станций, каждая из которых нуждалась в надежной транспортной сети для подключения к ядру. Радиорелейная связь быстро доказала, что является наиболее практичным и масштабируемым способом решения этой задачи. Пролет MINI-LINK можно было развернуть за малую долю времени, требуемого для прокладки оптоволокна или медного кабеля, особенно на площадках без существующей инфраструктуры, обеспечивая высококачественное соединение на расстоянии десятков километров почти мгновенно.

Тогда мобильный трафик почти полностью состоял из голосовых вызовов. Сегодня картина, конечно, совсем другая. Современные сети ориентируются на данные: высокоскоростные, постоянно доступные и требовательные к пропускной способности данные. Каждое новое поколение мобильных технологий приносило новые возможности, новые ожидания и новые требования к транспортному уровню. Эта эволюция превратила транспортную сеть из простых соединений на базе каналов в сложные пакетные сети, и MINI-LINK развивался вместе с ней: сначала через гибридные решения, объединяющие каналы и пакеты, а сегодня — через полностью пакетные радиорелейные системы.

С годами MINI-LINK продолжал внедрять функции, которые обеспечивают более эффективное использование спектра, увеличивают емкость и расширяют возможности пакетных сетей в радиодиапазоне. Каждая из этих инноваций помогала поставщикам услуг связи (CSP) удовлетворять потребности постоянно растущих объемов трафика и более высоких требований к качеству обслуживания.

Одной из важнейших таких инноваций, особенно в современных высокоемких радиорелейных сетях, является RLB. В этом блоге я поделюсь своим взглядом на то, как мы пришли к этому, почему это важно, и что я уснул за более чем тридцать лет работы с MINI-LINK.

«Зачем ради всего святого мы это делаем?»

Когда я впервые присоединился к команде MINI-LINK в начале 1990-х годов, одной из моих первоначальных задач было помочь адаптировать существующий продукт под новый рынок. На первый взгляд задача казалась… озадачивающей. Пользовательский интерфейс обеспечивал около 6 Мбит/с, но предполагалось дополнять его бессмысленными данными до 8 Мбит/с перед передачей по радиоканалу.

Это был один из тех моментов, когда оглядываешься вокруг и думаешь: «Зачем ради всего святого мы это делаем?»

Ответ, как оказалось, был прост: правила регулирования.

Радиоволны не останавливаются вежливо у национальных границ, поэтому каждая страна должна соблюдать международные соглашения, чтобы избежать помех и хаоса в радиочастотном спектре. Самыми важными из них являются Регламенты радиосвязи МСЭ (RR), которые служат основой для национальных правил по всему миру. В данном конкретном случае план каналов допускал только беспроводные соединения на 4 Мбит/с и 8 Мбит/с. Некоторые национальные регуляторы интерпретировали это так, что поставщики услуг связи (CSP) всегда должны использовать максимальную емкость канала — даже если реальный трафик был ниже. И вот мы сидели там, дополняя совершенно нормальные потоки данных «бессмысленными» битами просто для того, чтобы удовлетворить требования регулятора.

Перед лицом выбора: либо модифицировать продукт, либо попытаться убедить регуляторов обновить свои национальные правила, решение было очевидным. Обновление законодательства может занять годы, а иногда и десятилетия. Адаптация продукта была, по сравнению с этим, легкой задачей.

Рисунок 1: Правила радиосвязи согласовываются посредством международного сотрудничества и внедряются на национальном уровне

Когда в начале 1990-х годов началось масштабное развертывание радиорелейных линий точка-точка для цифрового мобильного бэкхаула, новые системы создавались не с чистого листа. Совсем нет. Они должны были вписываться в планы каналов, изначально созданные для аналоговых услуг, планы, которые уже были глубоко укоренены в национальных правилах и планировании спектра. И как только правила были установлены, CSP наконец смогли начать быстрое развертывание цифровых мобильных сетей за счет возможностей быстрого развертывания радиорелейного бэкхаула.

И вот так люди повсюду смогли начать совершать беспроводные телефонные звонки практически из любого места практически в любое место. Итак, дивный новый мир. Конец истории?

(Как мы вскоре выяснили… не совсем!)

Новые барьеры

Поскольку мобильная голосовая связь в 1990-х годах становилась частью повседневной жизни, интернет стремительно менял мир вокруг нас. Было лишь вопросом времени, когда люди захотят, чтобы этот же опыт работы с данными следовал за ними, когда они отходят от своих рабочих столов.

Данные впервые появились в мобильных сетях через простые текстовые сообщения в 2G. Затем появился GPRS, первая специализированная служба пакетной передачи данных для GSM. Но настоящее ускорение пришло с 3G и особенно с High-speed Packet Access (HSPA). Именно тогда переход от голосовых мобильных сетей к сетям, ориентированным на данные, по-настоящему набрал обороты.

Этот всплеск пакетного трафика заставил радиорелейный бэкхаул быстро эволюционировать. Гибридные линии и адаптивная модуляция предложили новые способы увеличения пропускной способности для передачи данных при сохранении высокой доступности, необходимой для голосовой связи. Это были важные вехи. Но оставалось одно существенное ограничение:

Доступность спектра и фиксированное распределение каналов по-прежнему ограничивали пропускную способность бэкхаула, которую мы могли обеспечить.

Чтобы преодолеть этот барьер, индустрия обратилась к хитроумному решению: двойной поляризации. Передавая один сигнал с горизонтальной поляризацией, а другой с вертикальной, операторы могли эффективно удвоить свою спектральную эффективность. Поляризованные антенны обеспечивают хорошее разделение между двумя сигналами, а любые остаточные помехи могут быть снижены с помощью подавления кроссполяризационных помех (XPIC).

Серьезный прирост, но он принес с собой новую проблему. Внезапно у нас появилось два физических радиопути, передающих данные, но все еще только одно логическое соединение бэкхаула точка-точка, которого ожидала транспортная сеть. Возник вопрос:

Как объединить две физические радиорелейные линии в единый интерфейс бэкхаула?

Одним из вариантов является использование LAG, как определено в стандарте IEEE 802.3ad. В LAG потоки пакетов распределяются по физическим линиям на основе их исходных адресов и адресов назначения. Как только поток назначается на одну линию, он остается там. LAG хорошо работает во многих частях IP-сети. Но в мобильном бэкхауле он сталкивается с практической проблемой.

Большая часть трафика зашифрована, что означает, что радиорелейному уровню видны лишь очень немногие потоки. Если вы не можете видеть потоки, вы не можете эффективно их балансировать. В реальных радиорелейных развертываниях с двумя равными линиями LAG обычно обеспечивает прирост емкости всего примерно на 50%, несмотря на потребление на 100% большего спектра.

Не совсем та эффективность, на которую надеялись CSP. Должен был быть лучший способ. Но как бы он выглядел?

Разрушая барьеры

RLB, по своей сути, заключается в изменении перспективы.

Там, где традиционные LAG принимают решения на основе классификации трафика, RLB меняет модель. LAG пытается сбалансировать потоки пакетов, ничего не зная о нижележащих радиоусловиях. В радиорелейном бэкхауле, где пропускная способность линии может изменяться в зависимости от модуляции, погоды или помех, такой подход быстро достигает своих пределов.

С другой стороны, RLB принимает решения на основе доступной емкости физического уровня. Вместо классификации потоков она фокусируется на максимально эффективном использовании каждого бита радиоспектра. Ей не нужно знать, что означают данные; требуется лишь уметь интеллектуально разбивать их на фрагменты, распределять и собирать заново.

Первая реализация RLB в MINI-LINK TN оказалась удивительно изящной. Она состояла из четырех простых шагов:

• Сегментация в передатчике

Пакеты разбиваются на более мелкие сегменты, и каждому сегменту присваивается порядковый номер.

• Распределение в передатчике

Сегменты отправляются по тому каналу связи, который в данный момент имеет свободную емкость. Учет потоков не требуется — только эффективное использование радиоресурса.

• Буферизация в приемнике

Входящие сегменты временно сохраняются для компенсации разницы во времени прибытия между каналами.

• Сборка в приемнике

Сегменты сортируются по порядковым номерам и заново объединяются в исходные пакеты.

И это действительно всё, что потребовалось.

Благодаря такому простому подходу MINI-LINK смогла использовать почти 100% дополнительной емкости спектра, создаваемой двойной поляризацией. Накладные расходы на сегментацию и упорядочивание были мизерными — всего 1–2% от общей суммарной емкости.

Результат?

Простое, изящное и невероятно эффективное решение проблемы, которую LAG никогда не могла решить в среде микроволновой связи. Операторы связи (CSP) внезапно получили возможность в полной мере использовать дополнительный спектр, за который они платили.

Проблема решена — и если оглянуться назад, это была на удивление практичная идея.

RLB — вещь хорошая и очень полезная

После внедрения RLB проблема XPIC была по сути решена. Внезапно мы смогли задействовать обе поляризации на полную мощность — эффективно, прогнозируемо и без ограничений LAG. В то же время стандартизация постепенно развивалась, открывая путь к более широким каналам и новым частотным диапазонам.

Но, как часто бывает в нашей индустрии, требования к трафику росли быстрее, чем стандарты и правила успевали за ними поспевать. При этом значительная часть этой нормативной базы по-прежнему уходила своими корнями в концепцию коммутации каналов 2G. Мир переходил на высокоскоростной пакетный транспорт, но правила не совсем поспевали за этим процессом.

И здесь RLB снова оказалась невероятно полезной.

Традиционно две объединенные поляризации образуют так называемую конфигурацию 2+0: два активных канала без выделенного канала защиты, объединенные для работы в качестве единого соединения с более высокой пропускной способностью. Но RLB не ограничивается двойной поляризацией и тем более двумя идентичными каналами. Прелесть RLB заключается в ее гибкости:

• Вы можете агрегировать каналы разной емкости
• Вы можете агрегировать каналы на разных поляризациях или каналах
• Вы можете агрегировать более двух каналов. На практике — практически любое количество, поддерживаемое вашим аппаратным обеспечением

Это означало, что операторы связи могли вернуть и заново объединить любые доступные им спектральные ресурсы, создавая транспортную емкость, соответствующую реальному спросу, а не регуляторному наследию. Это открыло совершенно новый уровень свободы.

RLB была впервые представлена в модульной системе MINI-LINK TN на базе узлов. Благодаря коммутации Ethernet и механизму объединения, работающему на процессорном модуле узла (Node Processor Unit), она быстро добилась коммерческого успеха. Она предлагала именно то, что было нужно операторам связи в то время: гибкую, масштабируемую, готовую к работе с пакетами платформу для построения сетей мобильного транспорта нового поколения.

Позже, с появлением MINI-LINK 6600, мы внедрили значительное архитектурное изменение. Функция RLB переместилась с процессорного модуля узла непосредственно в модем. Теперь каждый двухнесущий модем мог независимо поддерживать RLB в конфигурации 2+0, а два сопутствующих модема могли объединяться для RLB в конфигурации 4+0.

Это создало истинную модель оплаты по мере роста (pay-as-you-grow): емкость и возможности объединения увеличивались просто за счет добавления новых модемов. Для большинства сценариев развертывания конфигурации 4+0 более чем достаточно. Однако для операторов связи, которым требуется еще большая совокупная пропускная способность, в MINI-LINK 6600 была представлена иерархическая технология объединения радиоканалов (hRLB).

Рисунок 2: Система MINI-LINK с hRLB и RLB

И hRLB позволяет не просто объединять группы RLB. Она открывает гораздо большие возможности.

Выход на новый уровень

Около 2010 года началась новая волна инноваций в области транспортных сетей с появлением оборудования миллиметрового диапазона (mmW) в E-диапазоне 70/80 ГГц. Ericsson выпустила MINI-LINK PT 6010, а позже — MINI-LINK 6352, и операторы встретили их с распростертыми объятиями. В конце концов, кто не обрадуется каналам шириной 2000 МГц и пиковым скоростям 10 Гбит/с? Для сетевых планировщиков это выглядело так, будто будущее наступило внезапно.

Но, как всегда в радиосвязи, есть и обратная сторона.

При столь высоких частотах распространение волн ведет себя совершенно иначе. Затухание под воздействием дождя становится доминирующим фактором: сильный дождь может действовать почти как сплошная стена для сигнала E-диапазона. В идентичных условиях вы просто не сможете достичь в E-диапазоне такой же доступности, как в традиционных микроволновых диапазонах, например, 18 ГГц. Но здесь есть хитрость: если использовать RLB для объединения высокоскоростного канала E-диапазона и высокодоступного канала стандартного диапазона, вы получите преимущества обоих вариантов.

Каждый канал по отдельности имеет свои сильные и слабые стороны. Но будучи объединенными с помощью RLB, они идеально дополняют друг друга.

Это то, что мы называем Multi-band Booster: объединение одного диапазона с превосходными характеристиками распространения и другого с высокой емкостью для достижения наилучших результатов из обоих миров.

Вы можете подробнее узнать о технологии Multi-band и истории ее создания в следующем блоге MINI-LINK.

Почему hRLB идеально подходит для Multi-band Booster

На этом этапе стоит вернуться к тому, о чем я упоминал ранее: к ограничениям использования LAG для микроволнового объединения. LAG не учитывает радиоусловия и доступную емкость. Она просто выполняет хэширование потоков. hRLB устроена иначе.

hRLB реализует как учет потоков, так и учет ресурсов:

• Учет потоков гарантирует, что пакеты, принадлежащие к одному потоку, по возможности остаются в правильном порядке на одном и том же канале. Таким образом, минимизируется риск нарушения порядка пакетов внутри потоков.
• Учет ресурсов гарантирует, что пакеты направляются в тот канал, который в данный момент обладает необходимой емкостью, обеспечивая оптимальное использование спектральных ресурсов.

В совокупности эти возможности делают hRLB особенно мощным инструментом для многодиапазонного усиления (multi-band boosting), где один канал может пропускать 10 Гбит/с, в то время как другой обеспечивает стабильные несколько сотен Мбит/с, но с чрезвычайно высокой доступностью. hRLB гарантирует, что:

• высокопроизводительные потоки не сдерживаются более медленным каналом, и
• общее соединение получает наилучшее сочетание задержки, пропускной способности и устойчивости.

Другими словами:

Трафик высокой емкости едет на быстром коне, а для управления и другого приоритетного трафика всегда доступен надежный конь.

Еще одна изящная особенность hRLB заключается в том, что она использует стандартные кадры Ethernet. Это означает, что пакеты hRLB могут передаваться через оборудование, которое даже не подозревает о существовании этого протокола.

Для операторов связи это открывает огромшое практическое преимущество: они могут модернизировать существующий сторонний сайт до конфигурации Multi-band Bonding, просто добавив устройство MINI-LINK с активированной функцией hRLB. Никакой замены оборудования «с нуля», никакой привязки к определенному вендору и никакой перестройки топологии.

Это одно из тех небольших конструктивных решений, которые на практике делают все решение в целом более гибким.

Что же будет дальше?

Из этого поста в блоге вы узнали, что

• RLB обеспечивает почти 100% эффективную агрегацию нескольких радиоканалов путем распределения пакетов на основе доступной физической емкости, а не хэширования потоков, предоставляя поставщикам услуг связи (CSP) возможность задействовать весь развернутый ими спектр.
• RLB обеспечила эволюцию от традиционного радиорелейного оборудования к современным высокопроизводительным архитектурам, включая гибкие комбинации различных каналов, видов модуляции и даже диапазонов частот.
• Благодаря RLB становится возможным многодиапазонное объединение (Multi‑band Bonding): высоконадежные микроволновые каналы и высокопроизводительные каналы E-диапазона работают совместно, обеспечивая производительность, недостижимую для каждого из них по отдельности.
• hRLB добавляет учет потоков и ресурсов, оптимизируя задержки и порядок следования в каналах с большим различием пропускной способности — и все это работает поверх стандартного Ethernet, позволяя выполнять простые модернизации даже через оборудование сторонних производителей.

Будущее всегда трудно предсказать — как в хорошем, так и в сложном смысле. Но в одном я уверен: на протяжении более 50 лет MINI-LINK продолжает оправдывать и часто превосходить ожидания клиентов, и это то, чем по-настоящему гордится каждый член нашей команды.

Внутри команды каждый день возникают новые идеи, связанные с RLB и hRLB. Некоторые из них превратятся в будущие функции продуктов; другие будут ждать подходящего момента, вызванного новой задачей клиента или очередным изменением в отрасли. Этот непрерывный цикл идей, улучшений и открытий — это отчасти то, что делает работу с MINI-LINK столь увлекательной.

Для меня это абсолютная привилегия и постоянный источник вдохновения — вносить свой вклад в развитие MINI-LINK. И я уверен, что этот путь продолжится еще много лет, движимый нашими клиентами, формируемый новыми технологиями и подпитываемый тем же любопытством и инженерным духом, которые вели MINI-LINK на протяжении его первых пяти десятилетий.

• Увеличение пропускной способности в микроволновых сетях
• Хронология MINI-LINK за 50 лет
• Ознакомьтесь с нашим портфолио — Микроволновая связь