PTN: Fremtidens Mobile Backhaul

PTN: Revolutionerer Mobile Backhaul Netværk

Med den hastige udvikling af mobilkommunikationsteknologier, fra 3G til LTE og videre, står mobile backhaul-netværk over for nye og presserende udfordringer. Den overordnede trend mod all-IP telekommunikationstjenester betyder en fundamental ændring fra traditionel TDM-baseret tale til IP-baseret tale og data. Denne overgang øger kravene til backhaul-netværkene markant med behov for bedre service-sensing, højere Quality of Service (QoS) og mere effektiv statistisk multiplexing. Ændringen fra E1 til FE-interfaces og i stigende grad GE-interfaces i LTE-systemer medfører en eksponentiel stigning i båndbreddekravet.

I 2G-æraen var løsninger som Synchronous Digital Hierarchy (SDH) og Multiservice Transport Platform (MSTP) dominerende. Disse teknologier var designet til at aggregere og transmittere TDM-baserede kredsløbstjenester. Selvom MSTP kunne bære IP-tjenester, var kernen stadig TDM-kredsløbskift med faste tunneler til pakkeoverførsel. Dette resulterede i lav transmissionseffektivitet, høje omkostninger og dårlig skalerbarhed for variable pakkelængder og bursty IP-trafik. SDH og MSTP kunne simpelthen ikke imødekomme kravene fra 3G/LTE-systemer og hæmmede udviklingen af mobile tjenester. Dette førte til introduktionen af Packet Transport Network (PTN), som integrerer pakke- og SDH-teknologier.

1. Teknologiske Egenskaber ved PTN

For at understøtte de brede og IP-baserede krav fra 3G/LTE-systemer, skal mobile backhaul-netværk besidde traditionelle kapabiliteter såsom effektiv statistisk multiplexing, fleksibel service-sensing og differentieret QoS. Samtidig skal de bevare transmissionsegenskaber fra ældre systemer, herunder end-to-end service management, hierarkisk Operation, Administration and Maintenance (OAM) og carrier-class beskyttelse. PTN-teknologi opfylder disse krav.

PTN anvender connection-oriented pakke-teknologier som kerne og integrerer de nævnte transmissionsegenskaber. Som en integreret transportteknologi er den primært designet til at bære carrier-class Ethernet-tjenester samt TDM og Asynchronous Transfer Mode (ATM) tjenester. Dens pakke-kerne udnytter båndbredden effektivt og tilbyder fleksible tunneler med kraftfuld statistisk multiplexing, hvilket gør den ideel til bursty pakke-tjenester. PTN arver SDH-lignende transmissionsegenskaber, kraftfuld OAM, carrier-class beskyttelse og grafiske brugergrænseflader (GUI) til netværksstyring, hvilket sikrer en følelse af kontinuitet for brugerne.

Der findes to primære teknologier til PTN: Multiprotocol Label Switching Transport Profile (MPLS-TP) og Provider Backbone Bridge Traffic Engineering (PBB-TE). MPLS-TP er en udvidelse af core-netværksteknologier, baseret på Multiprotocol Label Switching Transport (MPLS) fra IP-baserede core-netværk. Den forenkler transportplanet og komplekse kontrolprotokoller, eliminerer connectionless features, forbedrer OAM og beskyttelsesmekanismer, garanterer pålidelig QoS og leverer statistisk multiplexing. PBB-TE er en connection-oriented transportteknologi baseret på Media Access Control (MAC)-in-MAC (IEEE 802.1ah), hvor MAC-adresse selvlæring er deaktiveret til fordel for netværksstyringsfunktioner. MPLS-TP er i øjeblikket den de facto mainstream-teknologi for PTN.

Standardiseringen af MPLS-TP ledes af ITU-T og IETF, som etablerede et fælles arbejdsgruppe (JWT) i februar 2008. Der er gjort betydelige fremskridt inden for standardisering, med udgivelse af adskillige RFC-dokumenter og anbefalinger. De centrale standarder for MPLS-TP forventes at blive udgivet i 2011.

2. Nøgleteknologier i PTN

PTN er en integreret transportnetværksteknologi, der kombinerer pakke- og transmissionsteknologier. Dens succes som mainstream-løsning for IP-baserede mobile backhaul-netværk skyldes flere nøgleteknologier:

2.1 Pseudo Wire Emulation Edge-to-Edge (PWE3)

Selvom 3G-systemer udvikler sig hurtigt, vil traditionelle TDM-tjenester fortsat være en primær indtægtskilde for teleselskaber i en overskuelig fremtid. PTN skal derfor kunne bære flere forskellige tjenestetyper. PWE3 er specifikt designet til dette formål. Gennem PWE3 circuit emulation adapterer MPLS-TP sig til alle kundetyper af tjenester – herunder Ethernet, TDM og ATM – og leverer dedikerede edge-to-edge tunneler.

PWE3 er en serviceemuleringsmekanisme, der indkapsler servicens data i en speciel circuit emulation header. Denne header indeholder grundlæggende attributter som frame format, alarm, signalering og synkron timing. I PWE3 opsættes og vedligeholdes en Pseudo Wire (PW) i en Packet Switched Network (PSN) tunnel. En Provider Edge (PE) bruger PW'en til at indkapsle servicens data, idet den bevarer tjenestens attributter og karakteristika så vidt muligt. For en Customer Edge (CE) fremstår PW'en blot som et link eller kredsløb, der udelukkende benyttes af en specifik tjeneste. Dette kredsløb kaldes et virtuelt kredsløb. CE'en er uvidende om kernenetværkets eksistens og behandler alle tjenester som native tjenester. Dette sikrer fleksibel servicelevering.

2.2 QoS (Quality of Service)

I et SDH-baseret mobile backhaul-netværk tildeles alle tjenester dedikerede, faste tunneler. Denne transmissionsform er yderst pålidelig, men medfører også spild af transmission, da tjenester kan have forskellige karakteristika. Stemmetjenester kræver for eksempel høj realtids-performance, hvilket adskiller sig fra almindelige internettjenester. PTN kan derimod sense tjenesternes karakteristika og levere transmission derefter. For teleselskaber er det omkostningseffektivt at tilbyde passende transmission til forskellige tjenesteflows, især når båndbreddebehovet stiger markant. Dette muliggør en effektiv ressourceudnyttelse.

2.3 Hierarkisk OAM og Carrier-Class Beskyttelse

PTN's OAM-mekanisme stammer grundlæggende fra SDH og tilbyder alarm- og performance management på sektions-, Label Switched Path (LSP)- og Pseudo Wire (PW)-lagene. Ved at understøtte hierarkisk OAM kan denne mekanisme hurtigt lokalisere PTN-fejl og detektere netværksproblemer som pakketab og forsinkelse. ITU-T specificerer OAM-pakkeindkapslingsformater for Transport Multiprotocol Label Switching (T-MPLS), hvor OAM-signaliseringspakker på hvert lag indeholder MPLS-labels. Et specielt label (14) er defineret for at skelne OAM-signaliseringspakker fra brugeres datapakker. Gennem en række OAM-protokolpakker implementerer G.8114 diverse OAM-funktioner.

PTN's all-round carrier-class beskyttelse omfatter adgangslinkbeskyttelse, netværksniveau-beskyttelse og enheds-niveau-beskyttelse. Den understøtter ring-, lineær- og mesh-beskyttelsestilstande. Hver tilstand har sine egne fordele og ulemper og er egnet til forskellige scenarier. Ringbeskyttelse giver høj beskyttelse for ringtopologier, mens lineær beskyttelse er topologiafhængig og kan implementeres med to forbindelser pr. sti i et fast netværk. Ofte anvendes disse tilstande i kombination for at opnå carrier-class tjenestebeskyttelse. OAM og beskyttelse er tæt forbundne; OAM-mekanismen til rettidig fejldetektering er en forudsætning for carrier-class beskyttelse. Der er tre typer OAM relateret til PTN-beskyttelsesmekanismen: alarmrelateret, performance-relateret og kommunikationskanal-relateret.

2.4 Synkronisering

Udviklingen af mobilkommunikationsteknologier har også implikationer for tidssynkronisering i mobile backhaul-netværk. ITU-T, IEEE og andre standardiseringsorganisationer har foreslået adskillige tidssynkroniseringsløsninger. Blandt disse er præcisionsklokkesynkroniseringsprotokollen i IEEE 1588v2-standarden mest attraktiv. Denne protokol anvender en master/slave klokonfiguration og koder tiden før transmission. Ved at udnytte netværkslinks symmetri og forsinkelsesmålingsteknologi synkroniserer den frekvens, fase og absolut tid for master- og slaveklokke.

ZTE var blandt de første til at adoptere IEEE 1588v2 Precision Time Protocol til klokkesynkronisering baseret på synkron Ethernet. Kernen i denne løsning er at oprette et netværk med separat, men meget kontrollerbar klokketid for at undgå uforudsigelige risici. Med synkron Ethernet på fysisk niveau implementeres frekvenssynkronisering mellem noder, hvilket kontrollerer nodernes faser inden for et bestemt område og garanterer nøjagtig frekvens. IEEE 1588-protokollen bruges kun til fasejustering og tidsoverførsel. Et dedikeret klokkenetværk konstrueret på denne måde er connection-oriented, strengt kontrollerbart og punkt-til-punkt, hvilket undgår interferens fra asymmetriske IEEE 1588-systemer under implementering, og dets tidssynkroniseringsperformance er uafhængig af netværkets trafikload.

3. Forholdet mellem PTN og Andre Bærernetværk

Med introduktionen af PTN opstår spørgsmålet om forholdet til eksisterende netværk.

3.1 PTN vs. MSTP Netværk

I 2G-æraen leverede SDH/MSTP-baserede netværk stabil og pålidelig transmission for mobiltjenester. I 3G/LTE-systemer, hvor PTN er introduceret, kan en uafhængig PTN-plane opsættes ud over den eksisterende MSTP-plane for at håndtere netværkskompleksitet, konstruktionsudgifter og driftsomkostninger. Selvom dette kræver en stor investering i starten, er fordelene betydelige: 2G-tjenester kan fortsat køre på MSTP uden påvirkning under 3G-konstruktionen, 3G-tjenester kan udvikles gnidningsløst, fremtidige data-behov kan nemt imødekommes, og mobilnetværk kan gradvist udvikle sig til LTE. Denne løsning giver en klar struktur, der letter fremtidig planlægning, styring og vedligeholdelse.

Afhængigt af tilgængeligheden af MSTP-ressourcer i det eksisterende netværk, kan en kombineret PTN og MSTP-netværksmodel anvendes i visse områder, hvor der er båndbreddemangel. Dette muliggør kryds-område ressource-dispatching og tillader operatører at akkumulere erfaring med PTN-planlægning, drift og styring til lave omkostninger. På lang sigt, efter at alle mobilnetværk er blevet IP-baserede, vil MSTP uundgåeligt blive erstattet af PTN. MSTP kan dog fortsat supplere PTN ved at tilbyde dedikeret adgang for kunder, der kræver lille båndbredde, men høj sikkerhed og privatliv, eller ved at dække områder midlertidigt uden for PTN's rækkevidde.

3.2 PTN vs. WDM/OTN

IP over Wave Division Multiplexing (WDM)/Optical Transport Network (OTN) muliggør fleksibel dispatching og beskyttelse af store tjenestegranuler baseret på bølgelængde eller Optical Channel Data Unit (ODU). Ved opbygning af et Metropolitan Area Network (MAN) kan IP over WDM/OTN anvendes i kernelaget til at håndtere store tjenester. Hvis et stort MAN skal bære mobile backhaul-tjenester, kan en PTN + WDM/OTN netværksmodel anvendes. Her udgør PTN adgangs-/aggregeringslaget, som sender tjenester op til PTN-kernens dispatching-lag i Radio Network Controller (RNC) udstyrsrummet via IP over WDM/OTN. Dette forenkler netværket, reducerer kerne- og aggregeringslagets noder og muliggør fleksibel service-dispatching. Desuden, da kerne-lagets noder kun er forbundet til RNC udstyrsrummet, undgås problemet, hvor alle enheder skal opgraderes, hvis blot én node opgraderes for at udvide kapaciteten (et problem der nogle gange ses i rene PTN-netværk). Netværksomkostningerne reduceres dermed. WDM/OTN giver fleksibel dispatching og netværk for PTN-tjenester.

3.3 PTN vs. Metro Ethernet

Ved opbygning af et MAN anvendes ofte en uafhængig tilgang, hvor to planes konstrueres: et værdifuldt mobile backhaul-netværk og et mindre værdifuldt bredbåndsadgangsnetværk. PTN bruges primært til at bære værdifulde tjenester som mobile backhaul og tjenester til vigtige grupper. Mindre værdifulde tjenester som offentlig bredbåndsadgang og tjenester til store kunder bæres først over et Passive Optical Network (PON) og sendes derefter til servicekontrol-laget, Broadband Remote Access Server (BRAS) eller Service Router (SR) via et metro Ethernet. De to planes fungerer uafhængigt.

Denne strategi tager hensyn til følgende:
1. Vigtige tjenester som internettjenester og mobile backhaul-tjenester har forskellig konfigurerbarhed og pålidelighedskrav. En delt plane øger netværkskompleksiteten. Desuden kræver internettjenester betydeligt mere båndbredde end mobile backhaul-tjenester. Hvis de deler samme plane, skal MAN-adgangsenheder konfigureres med stor kapacitet og høje pålidelighedsteknologier, hvilket øger omkostningerne.
2. Bredbåndstjenester ændrer sig hyppigt. Deling af samme plane med mobile backhaul-tjenester kan påvirke stabiliteten af mobiltjenester. For at garantere stabiliteten af mobiltjenester kan efterspørgslen efter bredbåndstjenester ikke imødekommes hurtigt. Stabilitet og hurtig respons på tjenesteanmodninger kan ikke realiseres samtidigt.
3. Internettjenester er åbne. Hvis de deler samme plane som mobile backhaul-tjenester, kan netværket blive sårbart.

4. Anvendelse af ZTE's PTN Produkter

Med stærk forskning og udvikling samt betydelige investeringer tilbyder ZTE et komplet udvalg af højtydende PTN-produkter. I budtests udført af China Mobile i 2009 rangerede ZTE's produkter øverst. Desuden har ZTE implementeret sine PTN-produkter hos flere multinationale operatører, herunder Telefonica, Telenor og TIM. I andet kvartal af 2009 gennemførte China Mobile performance-tests på PTN-produkter og IP-baserede Iub-interfaces fra flere leverandører. Disse tests blev udført i deres telenetværk i Shenzhen for at evaluere PTN-produkter med hensyn til multi-service bæreevne, QoS, OAM, tidssynkronisering og levetid. Da ZTE's PTN-produkter blev brugt til at bære tjenester via IP-baserede Iub-interfaces, opfyldte serviceindekser og transmissionskvalitet kravene. Sammenlignet med MSTP-produkter, overgik ZTE's PTN endda MSTP i visse indekser og opfyldte TD-tjenestekravene fra China Mobile. Indtil videre er ZTE's PTN-produkter blevet brugt i China Mobiles PTN-netværkskonstruktion i over 20 provinser.

5. Konklusion

Tjenestekrav er drivkraften bag udviklingen af PTN-teknologier. I overgangen til 3G, High Speed Packet Access Plus (HSPA+) og LTE-netværk skal traditionelle mobiltjenester blive IP-baserede, da nye mobiltjenester stiller større krav til synkronisering, netværksforsinkelse, pålidelighed og sikkerhed. PTN er introduceret i denne sammenhæng. Efterhånden som industrikæden modnes, vil PTN avancere teknologisk, tilbyde større omkostningsfordele og i sidste ende blive den dominerende bærplatform for værdifulde tjenester som mobile backhaul. Introduktionen og udviklingen af PTN vil igen drive udviklingen af tjenestenetværk og fremme den hurtige vækst af IP-baserede tjenester. PTN repræsenterer en kritisk evolution for mobile backhaul-netværk.

Hvis du vil læse andre artikler, der ligner PTN: Fremtidens Mobile Backhaul, kan du besøge kategorien Teknologi.