eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #3/2024
А.В.Росляков, В.В.Герасимов
РЕАЛИЗАЦИЯ СЕГМЕНТА FRONTHAUL СЕТЕЙ 4G/5G НА БАЗЕ ТЕХНОЛОГИИ TSN
РЕАЛИЗАЦИЯ СЕГМЕНТА FRONTHAUL СЕТЕЙ 4G/5G НА БАЗЕ ТЕХНОЛОГИИ TSN
Просмотры: 685
DOI: 10.22184/2070-8963.2024.119.3.42.50
Отличительной особенностью централизованной архитектуры радиодоступа в сетях мобильной связи 4G/5G является разделение ее на функциональные блоки, взаимодействующие между собой через соответствующие сегменты транспортной сети xHaul. Сегмент Fronthaul связывает радиоблок с управляющим устройством, выполняющим обработку передаваемых данных, через интерфейсы CPRI/eCPRI. Традиционно Fronthaul реализовывался по схеме "точка-точка" на базе оптических кабелей. В последние годы в связи с бурным развитием перспективных приложений появилась острая необходимость в передаче по мобильным сетям трафика, предъявляющего жесткие требования к сетевым характеристикам. Для построения сегмента Fronthaul было предложено использовать модифицированную версию стандартной технологии Ethernet − чувствительную ко времени сеть TSN, которая позволяет передавать трафик различного вида с соблюдением гарантий качества обслуживания. Требования к характеристикам сегмента Fronthaul на базе мостовой сети TSN Ethernet и принципы его построения описаны в стандарте IEEE 802.1CM. В статье представлен краткий обзор данного стандарта, а также произведен анализ возможностей его применения при практической реализации интерфейсов CPRI/eCPRI в сетях 4G/5G.
Отличительной особенностью централизованной архитектуры радиодоступа в сетях мобильной связи 4G/5G является разделение ее на функциональные блоки, взаимодействующие между собой через соответствующие сегменты транспортной сети xHaul. Сегмент Fronthaul связывает радиоблок с управляющим устройством, выполняющим обработку передаваемых данных, через интерфейсы CPRI/eCPRI. Традиционно Fronthaul реализовывался по схеме "точка-точка" на базе оптических кабелей. В последние годы в связи с бурным развитием перспективных приложений появилась острая необходимость в передаче по мобильным сетям трафика, предъявляющего жесткие требования к сетевым характеристикам. Для построения сегмента Fronthaul было предложено использовать модифицированную версию стандартной технологии Ethernet − чувствительную ко времени сеть TSN, которая позволяет передавать трафик различного вида с соблюдением гарантий качества обслуживания. Требования к характеристикам сегмента Fronthaul на базе мостовой сети TSN Ethernet и принципы его построения описаны в стандарте IEEE 802.1CM. В статье представлен краткий обзор данного стандарта, а также произведен анализ возможностей его применения при практической реализации интерфейсов CPRI/eCPRI в сетях 4G/5G.
Теги: centralised radio access architecture in mobile networks cpri/ecpri interfaces чувствительная ко времени сеть tsn fronthaul standard ieee 802.1cm time-sensitive networking tsn интерфейсы cpri/ecpri стандарт ieee 802.1cm централизованная архитектура радиодоступа в сетях мобильной связ
Реализация сегмента Fronthaul сетей 4G/5G на базе технологии TSN
А.В.Росляков, д.т.н., заведующий кафедрой сетей и систем связи ПГУТИ / arosl@mail.ru,
В.В.Герасимов, аспирант ПГУТИ / slavon131@bk.ru
УДК 621.391, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.119.3.42.50
Отличительной особенностью централизованной архитектуры радиодоступа в сетях мобильной связи 4G/5G является разделение ее на функциональные блоки, взаимодействующие между собой через соответствующие сегменты транспортной сети xHaul. Сегмент Fronthaul связывает радиоблок с управляющим устройством, выполняющим обработку передаваемых данных, через интерфейсы CPRI/eCPRI. Традиционно Fronthaul реализовывался по схеме "точка-точка" на базе оптических кабелей. В последние годы в связи с бурным развитием перспективных приложений появилась острая необходимость в передаче по мобильным сетям трафика, предъявляющего жесткие требования к сетевым характеристикам. Для построения сегмента Fronthaul было предложено использовать модифицированную версию стандартной технологии Ethernet − чувствительную ко времени сеть TSN, которая позволяет передавать трафик различного вида с соблюдением гарантий качества обслуживания. Требования к характеристикам сегмента Fronthaul на базе мостовой сети TSN Ethernet и принципы его построения описаны в стандарте IEEE 802.1CM. В статье представлен краткий обзор данного стандарта, а также произведен анализ возможностей его применения при практической реализации интерфейсов CPRI/eCPRI в сетях 4G/5G.
Введение
Распоряжением Правительства РФ от 24 ноября 2023 года №3339-р была утверждена "Стратегия развития отрасли связи Российской Федерации на период до 2035 года", разработанная Минцифры России совместно с заинтересованными государственными органами и участниками рынка телекоммуникаций и прошедшая публичное обсуждение в августе-сентябре 2023 года. Документ направлен на формирование перспективного и конкурентоспособного облика отрасли путем построения современной и безопасной телекоммуникационной инфраструктуры. Одним из главных путей для достижения поставленных целей Стратегии является "поэтапное внедрение новых поколений сетей связи на основе российских технологий в соответствии с основными тенденциями развития связи в мире". На первом этапе ее реализации (2023–2030 годы) запланированы разработка и внедрение на сетях связи российского оборудования стандарта LTE, а также разработка и опытная эксплуатация отечественных решений для сетей 5G и 6G-Ready. Для решения таких сложных технических задач необходимо ускоренное формирование научно-технологических заделов, соответствующих основным мировым тенденциям развития связи. При этом очевидно, что создаваемое российское оборудование должно удовлетворять всем действующим стандартам сетей мобильной и фиксированной связи, разработанных такими международными организациями, как МСЭ, 3GPPP, IEEE, IETF и др.
В связи с этим российские разработчики аппаратного и программного обеспечения должны не только хорошо знать и понимать эти стандарты, но и уметь применить их на практике с учетом особенностей отечественных сетей связи. К сожалению, материалы ряда международных организаций по стандартизации в области телекоммуникаций практически не освещены и не обобщены на страницах отечественных изданий, в частности, по причине отсутствия открытого доступа к ним. В статье дан краткий обзор материалов стандарта IEEE 802.1CM [1], в котором описаны профили построения транспортного сегмента Fronthaul на базе мостовой сети TSN (Time-Sensitive Networking) [2, 3], а также приведен анализ возможностей применения данного стандарта при практической реализации мобильных сетей поколений 4G/5G.
Сегмент Fronthaul в сетях 4G/5G
С каждым годом расширяются число и объем предоставляемых услуг в сетях мобильной связи и трафик таких сетей растет в геометрической прогрессии [4]. При этом пропускная способность мобильной сети может быть улучшена прежде всего за счет развертывания множества базовых станций с малой зоной покрытия, поскольку снижение размера сот приводит к увеличению эффективности использования радиочастотного спектра. В сетях 4G/5G может использоваться централизованная архитектура сети радиодоступа C-RAN (Centralized Radio Access Network), в которой функции традиционной базовой станции (БС, BS) разделены на два блока − радиооборудование RE (Radio Equipment) и контроллер управления радиооборудованием REC (Radio Equipment Control) [5]. Эти блоки соединяются между собой с помощью переднего сегмента транспортной сети Fronthaul (рис.1). При реализации C-RAN в качестве Fronthaul используются сети с коммутацией пакетов, как, впрочем, и для других транспортных сегментов xHaul.
RE реализует функции передачи и приема радиочастотного сигнала для взаимодействия с абонентскими устройствами, а REC − обработки модулирующего сигнала основной полосы частот BB (Base Band). Архитектура C-RAN позволяет гибко и экономически эффективно развертывать БС в мобильных сетях 4G/5G и способна повысить их производительность за счет использования скоординированной многоточечной передачи и приема. Синфазные и квадратурные (IQ) выборки сигналов основной полосы передаются в сегменте Fronthaul через общий радиоинтерфейс CPRI (Common Public Radio Interface). Чтобы уменьшить объем данных, передаваемых через Fronthaul, было предложено изменить функциональное разделение между RE и REC путем введения расширенного интерфейса eCPRI (enhanced CPRI), основанного на пакетной передаче данных, в котором конечными точками являются блоки eRE и eREC. В отличие от фиксированной и большой пропускной способности интерфейсов CPRI/eCPRI, скорость передачи данных в сегменте Fronthaul является переменной и пропорциональна скорости передачи пользовательских данных беспроводного канала связи. Кроме того, при использовании дуплексной связи с временным разделением в C-RAN передача по восходящему и по нисходящему каналам связи происходит на основе синхронизации времени между соседними RE/eRE. Поэтому CPRI/eCPRI поддерживают следующие типы информационных потоков:
Чувствительные ко времени сети TSN
В сегменте Fronthaul, кроме детерминированных потоков радиоданных IQ интерфейсов CPRI/eCPRI, между RE/eRE и REC/eREC передаются потоки несвязанного фонового трафика (C&M, SaaS и др.), которые могут оказывать негативное влияние на обслуживание данных IQ. Поэтому пакетная сеть Fronthaul должна иметь возможность организовывать передачу потоков данных с разрешением на уровне отдельных кадров. Без этого фоновый трафик может вызвать значительную задержку и джиттер радиопотоков, что повлияет на общую производительность сегмента Fronthaul. Поэтому для его реализации должна использоваться технология, поддерживающая строгие процедуры гарантированной передачи критичного к задержкам трафика IQ и совместного планирования передачи разнородного трафика в масштабах всей сети.
За последнее десятилетие Институт инженеров электроники и электротехники IEEE разработал ряд стандартов, которые описывают новую технологию − чувствительные ко времени сети TSN (Time Sensitive Networking) [2, 3]. Идея сетей TSN заключается в модернизации классической технологии пакетной передачи данных Ethernet с целью обеспечения строгих гарантий сетевых задержек и надежной доставки информации без потерь. Для достижения этих целевых возможностей технология TSN основана на пяти ключевых функциях: точная синхронизация времени, формирование и планирование трафика, высокая гарантия доставки информации, управление ресурсами и гибкие модели конфигурирования сети. Эти функции определены в различных стандартах серии IEEE 802.1Q.
Сеть TSN состоит из конечных устройств и мостов, соединенных между собой с помощью стандартных каналов Ethernet. Мосты TSN − это мосты Ethernet со специальными функциями, гарантирующими детерминированные коммуникации. Эти функции включают в себя строгую синхронизацию времени с использованием стандарта IEEE 802.1AS и планировщик на основе приоритетов, который резервирует определенные интервалы передачи высокоприоритетного трафика с использованием стандарта IEEE 802.1Qbv.
Особенностью практического применения технологии TSN является создание отдельных стандартов в виде соответствующего профиля для каждого отраслевого использования. Профили определяют, какие инструменты базового набора TSN подойдут и как их можно использовать в конкретной области применения. В настоящее время уже приняты такие стандарты в виде соответствующих профилей TSN для переднего транспортного сегмента Fronthaul мобильных сетей 4G/5G (IEEE 802.1CM-2018), сетей аудиовидеомоста AVB (IEEE 802.1BA) и промышленной автоматизации (IEC/IEEE 60802). Планируется создание профилей TSN для бортовых сетей Ethernet в автомобиле (IEEE P802.1DG) и в аэрокосмической отрасли (IEEE P802.1DP/SAE AS 6675), а также для сетей поставщиков услуг (IEEE P802.1DF) [3].
Стандарт IEEE 802.1CM
Основным назначением стандарта IEEE 802.1СМ является определение требуемых характеристик мостовой сети TSN Ethernet (представлена на рис.2) для реализации сегмента Fronthaul в сетях 4G/5G с целью обеспечения требуемого качества передачи различных данных и точности синхронизации в интерфейсах CPRI/eCPRI. В стандарте предложены два решения для удовлетворения строгих требований к потокам данных Fronthaul. Обязательное базовое решение использует такой набор инструментов TSN, который нацелен на простоту реализации, что является ключевым фактором в сетях Fronthaul, в то время как другое решение использует механизм прерывания передачи кадров Ethernet в качестве дополнительного инструмента, если это необходимо для достижения требуемой гарантии времени доставки информации.
Первые предложения по использованию технологии TSN для передачи трафика интерфейса CPRI в сегменте Fronthaul сетей 4G были сформулированы в 2014 году, а начало изучения этой возможности датируется 2015-м. В 2016 году в результате создания коллаборации, в которую вошли исследовательская группа IEEE 802.1, альянс CPRI (в составе компаний Ericsson, Nortel, NEC, Siemens и Huawei) и 15-я исследовательская группа (вопрос 13) MCЭ-T, начался процесс создания стандарта IEEE 802.1CM для сетей 4G, который завершился в 2018 году. При разработке стандарта использовался подход "сверху вниз": требования → решение. Требования интерфейса CPRI для сегмента Fronthaul были предоставлены альянсом CPRI, а решения по применению технологи TSN были выработаны совместно коллаборацией. В этот же период были опубликованы спецификации интерфейса eCPRI для сетей 5G. В связи с этим была начата разработка стандарта IEEE 802.1CMde как дополнения к IEEE 802.1CM, учитывающему особенности сетей 5G, который был одобрен IEEE в 2020 году. Хронология процесса показана на рис.3.
Требования по передаче трафика классов 1 и 2
В стандарте IEEE 802.1СМ используется понятие "класс" − собирательный термин для интерфейсов Fronthaul, которые используют особую функциональную декомпозицию БС сети мобильной связи и особую обработку информационных потоков Fronthaul. Класс 1 относится к интерфейсам Fronthaul, где функциональная декомпозиция базовой станции E-UTRA на RE и REC соответствует спецификации CPRI 7.0. В мостовой сети Fronthaul различные информационные потоки CPRI передаются отдельно друг от друга: один поток кадров передает данные IQ, а другой – данные C&M. Передача данных синхронизации SaaS всегда осуществляется отдельно от данных IQ и C&M (рис.4). Например, синхронизация может быть реализована через профиль для телекоммуникационных приложений (Рекомендация МСЭ-T G.8275.1), который основан на протоколе точного времени PTP, описанном в стандарте IEEE 1588.
Требования к потокам данных IQ и C&M вытекают из требований к функциональной декомпозиции CPRI, причем данные C&M не так критичны к временным задержкам, как данные IQ (см. табл.1).
Класс 2 относится к интерфейсам Fronthaul, в которых функциональная декомпозиция E-UTRA BS или NR BS на eRE и eREC осуществляется внутри радиофизического уровня (PHY) интерфейса eCPRI, что является более гибким, чем функциональное разделение в спецификации CPRI. В интерфейсе eCPRI в пользовательской плоскости и в плоскости C&M передаваемые данные разделяются на два типа: быстрые и медленные, каждая из которых имеет свой приоритет передачи (см. табл.2).
Требования к синхронизации времени
Если мостовая сеть Fronthaul обеспечивает синхронизацию времени, то различают четыре различные категории требований к синхронизации времени, которые определены в требованиях к транспортной сети eCPRI. На основании Рекомендации МСЭ-T G.8271.1 точность синхронизации определяется с использованием максимальных абсолютных значений ошибки времени TE (max|TE|) отноcительно первичных эталонных часов PRTC (Primary Reference Time Clock) или максимальных относительных значений ошибки времени (max|TE|отн), когда ошибка определяется разницей во времени между двумя eRE/RE. Ошибки времени, вносимые линией (каналом), подключенной к eRE/RE, не являются частью бюджета для внутренней ошибки времени (|TE|eRE/RE), но включаются в бюджет max|TE|. Различные ошибки времени в мостовой сети Fronthaul показаны на рис.5.
В соответствии с требованиями к транспортной сети eCPRI максимальный бюджет ошибки времени между eRE/RE и T-TSC зависит от категории требования к синхронизации (см. табл.3).
Требования к синхронизации частоты
Следует учитывать, что параметры синхронизации в мостовой сети Fronthaul реализуются при обязательном наличии сетевой синхронизации по тактовой частоте. Требования к частотной синхронизации в мобильных сетях 4G/5G основаны на спецификации 3GPP TS 36.104. Применительно к мостовой сети они связаны с необходимостью для eRE/RE восстанавливать синхронизирующий сигнал, который соответствует требованиям синхронизации на радиоинтерфейсе. В частности, на радиоинтерфейсе eRE/RE требуется стабильность частоты ±50 ∙ 10–9. В худшем случае на входе eRE/RE сеть должна обеспечить стабильность частоты не менее 16 ∙ 10–9 (в долгосрочной перспективе).
Если частотная синхронизация обеспечивается через синхронный Ethernet (Рекомендация МСЭ-T G.8262), необходимые требования стабильности частоты на входе eRE/RE определяются ограничениями сети синхронного Ethernet в Рекомендации МСЭ-T G.8261. Когда частотная синхронизация обеспечивается непосредственно сигналом PTP, требования на входе eRE/RE определяются требованиями к рабочим характеристикам используемого профиля PTP.
Общие свойства профилей А и В
Целью профилей А и В, введенных в стандарте IEEE 802.1СМ, является обеспечение возможности построения мостовых сетей TSN Ethernet, отвечающих требованиям Fronthaul. Оба профиля применимы к трафику классов 1 и 2, поскольку эти два класса имеют схожие требования к транспортным сетям CPRI и eCPRI. В зависимости от этих требований можно выделить три типа потоков и соответствующие классы трафика Fronthaul:
Поскольку данные IQ класса 1 и данные плоскости пользователя класса 2 принадлежат к HPF, они обрабатываются одинаково в профилях А и B. Таким образом, потоки данных пользовательской плоскости класса 2 рассматриваются как потоки данных с постоянной скоростью CBR (Constant Bit Rate), то есть потоки имеют одинаковый объем данных в каждом временном окне. Существуют потоки данных пользовательской плоскости класса 2, которые не используют всю полосу пропускания, выделенную в мостовой сети, и поэтому в выходном порту моста возможны временные окна без пакетов. Эта неиспользуемая полоса пропускания может быть заполнена любым другим трафиком, независимо от того, является ли он трафиком Fronthaul или нет.
Класс 1 включает только два типа потоков Fronthaul, поэтому для его поддержки достаточно использования приоритетов HPF и LPF. Приоритет MPF не применяется.
Особенности профиля А
Профиль A основан на мостовом соединении TSN Ethernet с очередями со строгим приоритетом передаваемого трафика. Профиль A не использует какие-либо расширенные функции Ethernet или моста, например, прерывание передачи кадров, и должен поддерживаться всеми мостами сети Fronthaul. Размер кадров Ethernet, передаваемых мостовой сетью, может влиять на выполнение требований к передаче данных Fronthaul. В случае профиля A максимальный размер кадра настраивается на каждом порту моста сети Fronthaul в соответствии с правилами, применимыми к кадрам IEEE 802, то есть максимально возможный размер кадра от MAC-адреса получателя до конца поля проверочных байтов CRC составляет 2000 байт. Это относится ко всем видам данных, передаваемым через сегмент Fronthaul. Например, если ничего, кроме основных заголовков IEEE 802.3, не используется с тегом IEEE 802.1Q C-VLAN, то максимальный размер кадра составляет 1522 байта. Максимальный размер кадра, применяемый в сети Fronthaul, может быть меньше максимального размера кадра, разрешенного стандартом IEEE 802.3. Кроме того, он может быть разным для различных классов передаваемого трафика Fronthaul.
В случае профиля A классы трафика настраиваются во всей мостовой сети Fronthaul следующим образом. Максимально возможный приоритет присваивается трафику высокоприоритетных данных HPF, чтобы уменьшить влияние другого трафика. Следует отметить, что оператор мобильной сети может принять решение о присвоении другому трафику, например трафику управления сетью, более высокий приоритет или такой же высокий приоритет, как у данных HPF. Например, класс трафика с наивысшим приоритетом может быть сохранен для трафика управления сетью, чтобы решать критические сетевые проблемы. Это обусловлено тем, что такой трафик обычно отсутствует во время нормального функционирования мобильной сети.
Класс трафика высокоприоритетных данных HPF настроен на использование алгоритма строгого приоритета, который прописывается в расписании GCL (Gate Control List) в соответствии со стандартом IEEE 802.1Q для каждого порта моста, поддерживающего передачу потоков данных HPF по мостовой сети Fronthaul. Среднеприоритетным данным MPF присваивается более низкий приоритет, чем данным HPF, предпочтительно с приоритетом, следующим за приоритетом данных HPF.
Отличия профиля В
Профиль B расширяет профиль A прерыванием передачи кадров, чтобы уменьшить влияние на трафик Fronthaul другого трафика, следовательно, он обеспечивает бόльшую гибкость передачи трафика в мостовой сети TSN. Прерывание кадра может быть полезно, чтобы избежать ограничений на максимальный размер кадра для потоков, не связанных с Fronthaul. Преимущества, обеспечиваемые прерыванием кадров, уменьшаются по мере увеличения скорости передачи данных порта моста.
В профиле B правила максимального размера кадра, применимые к кадрам IEEE 802.3, настраиваются для данных Fronthaul, то есть HPF, MPF и LPF. Прерывание кадра в профиле B применяется для трафика, отличного от трафика Fronthaul; следовательно, размер кадра не-Fronthaul-трафика (например, Ethernet VPN) не влияет на задержку трафика Fronthaul. Таким образом, в профиле B максимальный размер кадра не указан для данных, не являющихся данными Fronthaul.
Следует учитывать, что классам трафика с низким приоритетом может не хватать полосы пропускания в системе со строгим приоритетом, если нет соответствующего ограничения на пропускную способность для классов трафика с высоким приоритетом.
В случае профиля B прерывание кадров настроено так, чтобы оно было включено во всей мостовой сети Fronthaul для каждого порта, который поддерживает информационные потоки данных как в прямом, так и в обратном направлениях. Кроме того, наименьший возможный размер фрагмента в 64 байта конфигурируется для прерывания кадров на каждом порту, поддерживающем информационные потоки данных Fronthaul, что снижает влияние другого трафика на трафик Fronthaul.
Дополнение к стандарту IEEE 802.1CMde
В 2020 году была принята поправка к стандарту IEEE 802.1CMde [6], которая определяет усовершенствования профилей Fronthaul для учета новых разработок в стандартах интерфейса Fronthaul и связанных стандартах синхронизации и синтонизации. Эта поправка также устраняет ошибки и упущения, имевшиеся в стандарте IEEE 802.1CM, принятом в 2018 году.
Укажем наиболее существенные изменения и правки, которые вошли в стандарт IEEE 802.1CMde:
В классе 2 требований к интерфейсу eCPRI для быстрых данных пользовательской плоскости (трафик высокого приоритета) Fronthaul, которые имеют наиболее строгие требования к задержке, введены четыре класса сквозной односторонней задержки между граничным портом, подключенным к eREC, и другим граничным портом, подключенным к eRE (см. табл.4).
Исключена категория синхронизации А+, которая соответствует режиму MIMO или с разнесением при передаче между двумя eRE/RE. Она объединена с категорией А.
Удалены абсолютные значения бюджетов внутренней абсолютной ошибки времени eRE/RE и ошибок времени синхронизации между eRE/RE и T-TSC для различных случаев и категорий синхронизации и оставлены только формулы для их расчета с учетом общей ошибки выравнивания времени между eRE/RE и T-TSC.
Ожидается, что в ближайшие несколько лет будут внесены дополнительные изменения в стандарт IEEE 802.1CM для уточнения существующего текста, исправления возможных ошибок и включения нового материала.
Роль стандарта IEEE 802.1CM для реализации сетей 4G/5G
Как было указано выше, основной целью, стоявшей перед разработчиками стандарта IEEE 802.1CM, было удовлетворение требований интерфейсов CPRI и eCPRI к качеству передачи различных видов данных в транспортном сегменте Fronthaul мобильных сетей 4G и 5G, соответственно. Эта задача была решена путем создания двух профилей − А и В, каждый из которых содержит набор нормативных величин характеристик мостовых сетей Fronthaul: максимальные сквозные односторонние задержки и максимально допустимые потери кадров при передаче пользовательских данных IQ и данных C&M, а также бюджеты внутренней абсолютной ошибки времени для обеспечения синхронизации узлов сети и требуемые величины стабильности частоты. В данном стандарте также приведена методика определения сквозной задержки в наихудшем случае для передачи информационных потоков данных IQ, имеющих наивысший приоритет и предъявляющих самые строгие требования к качеству передачи в сегменте Fronthaul.
Таким образом, материалы стандарта IEEE 802.1CM формируют не только нормативную базу практической реализации транспортного сегмента Fronthaul с использованием технологии TSN, но и позволяют решать ряд практических задач, возникающих в процессе реализации мобильных сетей 4G и 5G на основе отечественных решений.
Так, при решении задачи анализа работы мостовой сети Fronthaul, когда уже сформированы временные расписания GCL работы мостов сети, приведенная в стандарте IEEE 802.1CM методика позволяет рассчитать сквозные односторонние задержки. Зная их нормируемые граничные значения и задержки трафика в мостах, можно определить допустимые задержки в каналах xEthernet, которые позволяют определить максимальную физическую длину сегмента Fronthaul. В случае решения задачи синтеза расписания GCL, когда известна физическая длина сегмента Fronthaul, производится выбор длительности открытия выходных портов мостов и порядка передачи через них потоков трафика различных приоритетов с учетом соблюдения ограничений на сквозные задержки на основе методики расчета значений задержек в мостах, приведенной в стандарте IEEE 802.1CM.
Заключение
Используя повсеместно распространенную технологию пакетной передачи данных Ethernet, стандартизированная IEEE технология чувствительных ко времени сетей TSN позволяет реализовать транспортный сегмент Fronthaul мобильных сетей 4G/5G для удовлетворения требований интерфейсов CPRI/eCPRI с точки зрения масштабируемости, надежности, гибкости и синхронизации.
Набор инструментов IEEE 802.1 TSN позволяет сегменту Fronthaul динамически удовлетворять конкретным требованиям к производительности транспортной сети, необходимые для пропуска трафика сетей текущих (4G/5G) и последующего (6G) поколений. Однако важны не только стандарты в наборе инструментов TSN, но и то, как их можно использовать на практике. Стандарт IEEE 802.1CM описывает принципы построения и архитектуру мостовых сетей Fronthaul, содержит механизм проверки соответствия устройств стандарту, определяет, как использовать на практике определенные части набора инструментов TSN, а также предоставляет рекомендации по развертыванию и конфигурированию устройств, соответствующих стандартам IEEE 802.1 TSN.
По мере того как требования потребителей услуг связи будут выходить за пределы возможностей существующих сетей 4G, технология TSN будет играть ключевую роль в обеспечении гарантированного качества обслуживания новых видов источников трафика (критически важные приложения "Индустрии 4.0", беспилотные автомобили, промышленный Интернет вещей (IIoT), киберфизические системы, тактильный Интернет и др.) в сетях 5G/6G. Путем объединения независимых приложений информационных и операционных технологий в единую сеть Ethernet существует возможность осуществлять передачу данных в реальном времени с использованием одной и той же сетевой инфраструктуры (кабельных линий, коммутаторов и т.д.) для снижения затрат и сложности построения отечественных мобильных сетей поколений 4G/5G. Технология TSN отвечает всем этим требованиям, обеспечивая совместимость решений разных производителей посредством стандарта IEEE 802.1СМ. Использование ее на практике позволит создать конкурентоспособное отечественное оборудование сетей 4G, а в дальнейшем и оборудование стандартов 5G и 6G-Ready.
ЛИТЕРАТУРА
IEEE Std 802.1CM-2018. IEEE Standard for local and metropolitan area networks. Time-Sensitive Networking for Fronthaul. 2018. 62 р.
Росляков А.В., Герасимов В.В., Мамошина Ю.С., Сударева М.Е. Стандартизация синхронизируемых по времени сетей TSN // Стандарты и качество. 2021. № 4(1006). С. 29−33.
Росляков А.В., Сударева М.Е., Мамошина Ю.С., Герасимов В.В. TSN − сети Еthernet, чувствительные ко времени // Инфокоммуникационные технологии. 2021. Т. 19. № 2. С. 187–201.
Пшеничников А.П., Росляков А.В. Будущие сети. Учебник для вузов. М.: Горячая линия−Телеком, 2022. 256 c.
Росляков А.В. Открытые сети радиодоступа OpenRAN // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. № 3. С. 40−49.
IEEE Std 802.1CMde-2020 (Amendment to IEEE Std 802.1CM-2018). Time-Sensitive Networking for Fronthaul. Amendment 1: Enhancements to Fronthaul Profiles to Support New Fronthaul Interface, Synchronization and Syntonization Standards. 2020. 35 р.
Реализация сегмента
Fronthaul сетей 4G/5G
на базе технологии TSN
А.В.Росляков, д.т.н., заведующий кафедрой сетей и систем связи ПГУТИ / arosl@mail.ru,
В.В.Герасимов, аспирант ПГУТИ / slavon131@bk.ru
УДК 621.391, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.119.3.42.50
Отличительной особенностью централизованной архитектуры радиодоступа в сетях мобильной связи 4G/5G является разделение ее на функциональные блоки, взаимодействующие между собой через соответствующие сегменты транспортной сети xHaul. Сегмент Fronthaul связывает радиоблок с управляющим устройством, выполняющим обработку передаваемых данных, через интерфейсы CPRI/eCPRI. Традиционно Fronthaul реализовывался по схеме "точка-точка" на базе оптических кабелей. В последние годы в связи с бурным развитием перспективных приложений появилась острая необходимость в передаче по мобильным сетям трафика, предъявляющего жесткие требования к сетевым характеристикам. Для построения сегмента Fronthaul было предложено использовать модифицированную версию стандартной технологии Ethernet − чувствительную ко времени сеть TSN, которая позволяет передавать трафик различного вида с соблюдением гарантий качества обслуживания. Требования к характеристикам сегмента Fronthaul на базе мостовой сети TSN Ethernet и принципы его построения описаны в стандарте IEEE 802.1CM. В статье представлен краткий обзор данного стандарта, а также произведен анализ возможностей его применения при практической реализации интерфейсов CPRI/eCPRI в сетях 4G/5G.
Введение
Распоряжением Правительства РФ от 24 ноября 2023 года №3339-р была утверждена "Стратегия развития отрасли связи Российской Федерации на период до 2035 года", разработанная Минцифры России совместно с заинтересованными государственными органами и участниками рынка телекоммуникаций и прошедшая публичное обсуждение в августе-сентябре 2023 года. Документ направлен на формирование перспективного и конкурентоспособного облика отрасли путем построения современной и безопасной телекоммуникационной инфраструктуры. Одним из главных путей для достижения поставленных целей Стратегии является "поэтапное внедрение новых поколений сетей связи на основе российских технологий в соответствии с основными тенденциями развития связи в мире". На первом этапе ее реализации (2023–2030 годы) запланированы разработка и внедрение на сетях связи российского оборудования стандарта LTE, а также разработка и опытная эксплуатация отечественных решений для сетей 5G и 6G-Ready. Для решения таких сложных технических задач необходимо ускоренное формирование научно-технологических заделов, соответствующих основным мировым тенденциям развития связи. При этом очевидно, что создаваемое российское оборудование должно удовлетворять всем действующим стандартам сетей мобильной и фиксированной связи, разработанных такими международными организациями, как МСЭ, 3GPPP, IEEE, IETF и др.
В связи с этим российские разработчики аппаратного и программного обеспечения должны не только хорошо знать и понимать эти стандарты, но и уметь применить их на практике с учетом особенностей отечественных сетей связи. К сожалению, материалы ряда международных организаций по стандартизации в области телекоммуникаций практически не освещены и не обобщены на страницах отечественных изданий, в частности, по причине отсутствия открытого доступа к ним. В статье дан краткий обзор материалов стандарта IEEE 802.1CM [1], в котором описаны профили построения транспортного сегмента Fronthaul на базе мостовой сети TSN (Time-Sensitive Networking) [2, 3], а также приведен анализ возможностей применения данного стандарта при практической реализации мобильных сетей поколений 4G/5G.
Сегмент Fronthaul в сетях 4G/5G
С каждым годом расширяются число и объем предоставляемых услуг в сетях мобильной связи и трафик таких сетей растет в геометрической прогрессии [4]. При этом пропускная способность мобильной сети может быть улучшена прежде всего за счет развертывания множества базовых станций с малой зоной покрытия, поскольку снижение размера сот приводит к увеличению эффективности использования радиочастотного спектра. В сетях 4G/5G может использоваться централизованная архитектура сети радиодоступа C-RAN (Centralized Radio Access Network), в которой функции традиционной базовой станции (БС, BS) разделены на два блока − радиооборудование RE (Radio Equipment) и контроллер управления радиооборудованием REC (Radio Equipment Control) [5]. Эти блоки соединяются между собой с помощью переднего сегмента транспортной сети Fronthaul (рис.1). При реализации C-RAN в качестве Fronthaul используются сети с коммутацией пакетов, как, впрочем, и для других транспортных сегментов xHaul.
RE реализует функции передачи и приема радиочастотного сигнала для взаимодействия с абонентскими устройствами, а REC − обработки модулирующего сигнала основной полосы частот BB (Base Band). Архитектура C-RAN позволяет гибко и экономически эффективно развертывать БС в мобильных сетях 4G/5G и способна повысить их производительность за счет использования скоординированной многоточечной передачи и приема. Синфазные и квадратурные (IQ) выборки сигналов основной полосы передаются в сегменте Fronthaul через общий радиоинтерфейс CPRI (Common Public Radio Interface). Чтобы уменьшить объем данных, передаваемых через Fronthaul, было предложено изменить функциональное разделение между RE и REC путем введения расширенного интерфейса eCPRI (enhanced CPRI), основанного на пакетной передаче данных, в котором конечными точками являются блоки eRE и eREC. В отличие от фиксированной и большой пропускной способности интерфейсов CPRI/eCPRI, скорость передачи данных в сегменте Fronthaul является переменной и пропорциональна скорости передачи пользовательских данных беспроводного канала связи. Кроме того, при использовании дуплексной связи с временным разделением в C-RAN передача по восходящему и по нисходящему каналам связи происходит на основе синхронизации времени между соседними RE/eRE. Поэтому CPRI/eCPRI поддерживают следующие типы информационных потоков:
информация пользователей в форме данных синфазной и квадратурной модуляции IQ (In-phase and Quadrature modulation);
данные управления и обслуживания C&M (Control and Management), передаваемые между REC/eRECи RE/eRE;
данные синхронизации SaaS (Sync as a Service), которые обеспечивают частотную и временную/фазовую синхронизацию REC/eREC и RE/eRE.
Чувствительные ко времени сети TSN
В сегменте Fronthaul, кроме детерминированных потоков радиоданных IQ интерфейсов CPRI/eCPRI, между RE/eRE и REC/eREC передаются потоки несвязанного фонового трафика (C&M, SaaS и др.), которые могут оказывать негативное влияние на обслуживание данных IQ. Поэтому пакетная сеть Fronthaul должна иметь возможность организовывать передачу потоков данных с разрешением на уровне отдельных кадров. Без этого фоновый трафик может вызвать значительную задержку и джиттер радиопотоков, что повлияет на общую производительность сегмента Fronthaul. Поэтому для его реализации должна использоваться технология, поддерживающая строгие процедуры гарантированной передачи критичного к задержкам трафика IQ и совместного планирования передачи разнородного трафика в масштабах всей сети.
За последнее десятилетие Институт инженеров электроники и электротехники IEEE разработал ряд стандартов, которые описывают новую технологию − чувствительные ко времени сети TSN (Time Sensitive Networking) [2, 3]. Идея сетей TSN заключается в модернизации классической технологии пакетной передачи данных Ethernet с целью обеспечения строгих гарантий сетевых задержек и надежной доставки информации без потерь. Для достижения этих целевых возможностей технология TSN основана на пяти ключевых функциях: точная синхронизация времени, формирование и планирование трафика, высокая гарантия доставки информации, управление ресурсами и гибкие модели конфигурирования сети. Эти функции определены в различных стандартах серии IEEE 802.1Q.
Сеть TSN состоит из конечных устройств и мостов, соединенных между собой с помощью стандартных каналов Ethernet. Мосты TSN − это мосты Ethernet со специальными функциями, гарантирующими детерминированные коммуникации. Эти функции включают в себя строгую синхронизацию времени с использованием стандарта IEEE 802.1AS и планировщик на основе приоритетов, который резервирует определенные интервалы передачи высокоприоритетного трафика с использованием стандарта IEEE 802.1Qbv.
Особенностью практического применения технологии TSN является создание отдельных стандартов в виде соответствующего профиля для каждого отраслевого использования. Профили определяют, какие инструменты базового набора TSN подойдут и как их можно использовать в конкретной области применения. В настоящее время уже приняты такие стандарты в виде соответствующих профилей TSN для переднего транспортного сегмента Fronthaul мобильных сетей 4G/5G (IEEE 802.1CM-2018), сетей аудиовидеомоста AVB (IEEE 802.1BA) и промышленной автоматизации (IEC/IEEE 60802). Планируется создание профилей TSN для бортовых сетей Ethernet в автомобиле (IEEE P802.1DG) и в аэрокосмической отрасли (IEEE P802.1DP/SAE AS 6675), а также для сетей поставщиков услуг (IEEE P802.1DF) [3].
Стандарт IEEE 802.1CM
Основным назначением стандарта IEEE 802.1СМ является определение требуемых характеристик мостовой сети TSN Ethernet (представлена на рис.2) для реализации сегмента Fronthaul в сетях 4G/5G с целью обеспечения требуемого качества передачи различных данных и точности синхронизации в интерфейсах CPRI/eCPRI. В стандарте предложены два решения для удовлетворения строгих требований к потокам данных Fronthaul. Обязательное базовое решение использует такой набор инструментов TSN, который нацелен на простоту реализации, что является ключевым фактором в сетях Fronthaul, в то время как другое решение использует механизм прерывания передачи кадров Ethernet в качестве дополнительного инструмента, если это необходимо для достижения требуемой гарантии времени доставки информации.
Первые предложения по использованию технологии TSN для передачи трафика интерфейса CPRI в сегменте Fronthaul сетей 4G были сформулированы в 2014 году, а начало изучения этой возможности датируется 2015-м. В 2016 году в результате создания коллаборации, в которую вошли исследовательская группа IEEE 802.1, альянс CPRI (в составе компаний Ericsson, Nortel, NEC, Siemens и Huawei) и 15-я исследовательская группа (вопрос 13) MCЭ-T, начался процесс создания стандарта IEEE 802.1CM для сетей 4G, который завершился в 2018 году. При разработке стандарта использовался подход "сверху вниз": требования → решение. Требования интерфейса CPRI для сегмента Fronthaul были предоставлены альянсом CPRI, а решения по применению технологи TSN были выработаны совместно коллаборацией. В этот же период были опубликованы спецификации интерфейса eCPRI для сетей 5G. В связи с этим была начата разработка стандарта IEEE 802.1CMde как дополнения к IEEE 802.1CM, учитывающему особенности сетей 5G, который был одобрен IEEE в 2020 году. Хронология процесса показана на рис.3.
Требования по передаче трафика классов 1 и 2
В стандарте IEEE 802.1СМ используется понятие "класс" − собирательный термин для интерфейсов Fronthaul, которые используют особую функциональную декомпозицию БС сети мобильной связи и особую обработку информационных потоков Fronthaul. Класс 1 относится к интерфейсам Fronthaul, где функциональная декомпозиция базовой станции E-UTRA на RE и REC соответствует спецификации CPRI 7.0. В мостовой сети Fronthaul различные информационные потоки CPRI передаются отдельно друг от друга: один поток кадров передает данные IQ, а другой – данные C&M. Передача данных синхронизации SaaS всегда осуществляется отдельно от данных IQ и C&M (рис.4). Например, синхронизация может быть реализована через профиль для телекоммуникационных приложений (Рекомендация МСЭ-T G.8275.1), который основан на протоколе точного времени PTP, описанном в стандарте IEEE 1588.
Требования к потокам данных IQ и C&M вытекают из требований к функциональной декомпозиции CPRI, причем данные C&M не так критичны к временным задержкам, как данные IQ (см. табл.1).
Класс 2 относится к интерфейсам Fronthaul, в которых функциональная декомпозиция E-UTRA BS или NR BS на eRE и eREC осуществляется внутри радиофизического уровня (PHY) интерфейса eCPRI, что является более гибким, чем функциональное разделение в спецификации CPRI. В интерфейсе eCPRI в пользовательской плоскости и в плоскости C&M передаваемые данные разделяются на два типа: быстрые и медленные, каждая из которых имеет свой приоритет передачи (см. табл.2).
Требования к синхронизации времени
Если мостовая сеть Fronthaul обеспечивает синхронизацию времени, то различают четыре различные категории требований к синхронизации времени, которые определены в требованиях к транспортной сети eCPRI. На основании Рекомендации МСЭ-T G.8271.1 точность синхронизации определяется с использованием максимальных абсолютных значений ошибки времени TE (max|TE|) отноcительно первичных эталонных часов PRTC (Primary Reference Time Clock) или максимальных относительных значений ошибки времени (max|TE|отн), когда ошибка определяется разницей во времени между двумя eRE/RE. Ошибки времени, вносимые линией (каналом), подключенной к eRE/RE, не являются частью бюджета для внутренней ошибки времени (|TE|eRE/RE), но включаются в бюджет max|TE|. Различные ошибки времени в мостовой сети Fronthaul показаны на рис.5.
В соответствии с требованиями к транспортной сети eCPRI максимальный бюджет ошибки времени между eRE/RE и T-TSC зависит от категории требования к синхронизации (см. табл.3).
Требования к синхронизации частоты
Следует учитывать, что параметры синхронизации в мостовой сети Fronthaul реализуются при обязательном наличии сетевой синхронизации по тактовой частоте. Требования к частотной синхронизации в мобильных сетях 4G/5G основаны на спецификации 3GPP TS 36.104. Применительно к мостовой сети они связаны с необходимостью для eRE/RE восстанавливать синхронизирующий сигнал, который соответствует требованиям синхронизации на радиоинтерфейсе. В частности, на радиоинтерфейсе eRE/RE требуется стабильность частоты ±50 ∙ 10–9. В худшем случае на входе eRE/RE сеть должна обеспечить стабильность частоты не менее 16 ∙ 10–9 (в долгосрочной перспективе).
Если частотная синхронизация обеспечивается через синхронный Ethernet (Рекомендация МСЭ-T G.8262), необходимые требования стабильности частоты на входе eRE/RE определяются ограничениями сети синхронного Ethernet в Рекомендации МСЭ-T G.8261. Когда частотная синхронизация обеспечивается непосредственно сигналом PTP, требования на входе eRE/RE определяются требованиями к рабочим характеристикам используемого профиля PTP.
Общие свойства профилей А и В
Целью профилей А и В, введенных в стандарте IEEE 802.1СМ, является обеспечение возможности построения мостовых сетей TSN Ethernet, отвечающих требованиям Fronthaul. Оба профиля применимы к трафику классов 1 и 2, поскольку эти два класса имеют схожие требования к транспортным сетям CPRI и eCPRI. В зависимости от этих требований можно выделить три типа потоков и соответствующие классы трафика Fronthaul:
высокоприоритетные данные HPF (High Priority Fronthaul), которые включают данные IQ класса 1 и данные пользовательской плоскости класса 2 с максимальной сквозной односторонней задержкой 100 мкс;
данные Fronthaul со средним приоритетом MPF (Middle Priority Fronthaul), которые требуют максимальной сквозной односторонней задержки 1 мс. Они включают медленные данные плоскости пользователя класса 2 и быстрые данные плоскости C&M класса 2;
низкоприоритетные данные Fronthaul LPF (Low Priority Fronthaul), для которых сквозная односторонняя задержка не должна превышать 100 мс. Следовательно, они включают данные плоскости C&M классов 1 и 2.
Поскольку данные IQ класса 1 и данные плоскости пользователя класса 2 принадлежат к HPF, они обрабатываются одинаково в профилях А и B. Таким образом, потоки данных пользовательской плоскости класса 2 рассматриваются как потоки данных с постоянной скоростью CBR (Constant Bit Rate), то есть потоки имеют одинаковый объем данных в каждом временном окне. Существуют потоки данных пользовательской плоскости класса 2, которые не используют всю полосу пропускания, выделенную в мостовой сети, и поэтому в выходном порту моста возможны временные окна без пакетов. Эта неиспользуемая полоса пропускания может быть заполнена любым другим трафиком, независимо от того, является ли он трафиком Fronthaul или нет.
Класс 1 включает только два типа потоков Fronthaul, поэтому для его поддержки достаточно использования приоритетов HPF и LPF. Приоритет MPF не применяется.
Особенности профиля А
Профиль A основан на мостовом соединении TSN Ethernet с очередями со строгим приоритетом передаваемого трафика. Профиль A не использует какие-либо расширенные функции Ethernet или моста, например, прерывание передачи кадров, и должен поддерживаться всеми мостами сети Fronthaul. Размер кадров Ethernet, передаваемых мостовой сетью, может влиять на выполнение требований к передаче данных Fronthaul. В случае профиля A максимальный размер кадра настраивается на каждом порту моста сети Fronthaul в соответствии с правилами, применимыми к кадрам IEEE 802, то есть максимально возможный размер кадра от MAC-адреса получателя до конца поля проверочных байтов CRC составляет 2000 байт. Это относится ко всем видам данных, передаваемым через сегмент Fronthaul. Например, если ничего, кроме основных заголовков IEEE 802.3, не используется с тегом IEEE 802.1Q C-VLAN, то максимальный размер кадра составляет 1522 байта. Максимальный размер кадра, применяемый в сети Fronthaul, может быть меньше максимального размера кадра, разрешенного стандартом IEEE 802.3. Кроме того, он может быть разным для различных классов передаваемого трафика Fronthaul.
В случае профиля A классы трафика настраиваются во всей мостовой сети Fronthaul следующим образом. Максимально возможный приоритет присваивается трафику высокоприоритетных данных HPF, чтобы уменьшить влияние другого трафика. Следует отметить, что оператор мобильной сети может принять решение о присвоении другому трафику, например трафику управления сетью, более высокий приоритет или такой же высокий приоритет, как у данных HPF. Например, класс трафика с наивысшим приоритетом может быть сохранен для трафика управления сетью, чтобы решать критические сетевые проблемы. Это обусловлено тем, что такой трафик обычно отсутствует во время нормального функционирования мобильной сети.
Класс трафика высокоприоритетных данных HPF настроен на использование алгоритма строгого приоритета, который прописывается в расписании GCL (Gate Control List) в соответствии со стандартом IEEE 802.1Q для каждого порта моста, поддерживающего передачу потоков данных HPF по мостовой сети Fronthaul. Среднеприоритетным данным MPF присваивается более низкий приоритет, чем данным HPF, предпочтительно с приоритетом, следующим за приоритетом данных HPF.
Отличия профиля В
Профиль B расширяет профиль A прерыванием передачи кадров, чтобы уменьшить влияние на трафик Fronthaul другого трафика, следовательно, он обеспечивает бόльшую гибкость передачи трафика в мостовой сети TSN. Прерывание кадра может быть полезно, чтобы избежать ограничений на максимальный размер кадра для потоков, не связанных с Fronthaul. Преимущества, обеспечиваемые прерыванием кадров, уменьшаются по мере увеличения скорости передачи данных порта моста.
В профиле B правила максимального размера кадра, применимые к кадрам IEEE 802.3, настраиваются для данных Fronthaul, то есть HPF, MPF и LPF. Прерывание кадра в профиле B применяется для трафика, отличного от трафика Fronthaul; следовательно, размер кадра не-Fronthaul-трафика (например, Ethernet VPN) не влияет на задержку трафика Fronthaul. Таким образом, в профиле B максимальный размер кадра не указан для данных, не являющихся данными Fronthaul.
Следует учитывать, что классам трафика с низким приоритетом может не хватать полосы пропускания в системе со строгим приоритетом, если нет соответствующего ограничения на пропускную способность для классов трафика с высоким приоритетом.
В случае профиля B прерывание кадров настроено так, чтобы оно было включено во всей мостовой сети Fronthaul для каждого порта, который поддерживает информационные потоки данных как в прямом, так и в обратном направлениях. Кроме того, наименьший возможный размер фрагмента в 64 байта конфигурируется для прерывания кадров на каждом порту, поддерживающем информационные потоки данных Fronthaul, что снижает влияние другого трафика на трафик Fronthaul.
Дополнение к стандарту IEEE 802.1CMde
В 2020 году была принята поправка к стандарту IEEE 802.1CMde [6], которая определяет усовершенствования профилей Fronthaul для учета новых разработок в стандартах интерфейса Fronthaul и связанных стандартах синхронизации и синтонизации. Эта поправка также устраняет ошибки и упущения, имевшиеся в стандарте IEEE 802.1CM, принятом в 2018 году.
Укажем наиболее существенные изменения и правки, которые вошли в стандарт IEEE 802.1CMde:
В классе 2 требований к интерфейсу eCPRI для быстрых данных пользовательской плоскости (трафик высокого приоритета) Fronthaul, которые имеют наиболее строгие требования к задержке, введены четыре класса сквозной односторонней задержки между граничным портом, подключенным к eREC, и другим граничным портом, подключенным к eRE (см. табл.4).
Исключена категория синхронизации А+, которая соответствует режиму MIMO или с разнесением при передаче между двумя eRE/RE. Она объединена с категорией А.
Удалены абсолютные значения бюджетов внутренней абсолютной ошибки времени eRE/RE и ошибок времени синхронизации между eRE/RE и T-TSC для различных случаев и категорий синхронизации и оставлены только формулы для их расчета с учетом общей ошибки выравнивания времени между eRE/RE и T-TSC.
Ожидается, что в ближайшие несколько лет будут внесены дополнительные изменения в стандарт IEEE 802.1CM для уточнения существующего текста, исправления возможных ошибок и включения нового материала.
Роль стандарта IEEE 802.1CM для реализации сетей 4G/5G
Как было указано выше, основной целью, стоявшей перед разработчиками стандарта IEEE 802.1CM, было удовлетворение требований интерфейсов CPRI и eCPRI к качеству передачи различных видов данных в транспортном сегменте Fronthaul мобильных сетей 4G и 5G, соответственно. Эта задача была решена путем создания двух профилей − А и В, каждый из которых содержит набор нормативных величин характеристик мостовых сетей Fronthaul: максимальные сквозные односторонние задержки и максимально допустимые потери кадров при передаче пользовательских данных IQ и данных C&M, а также бюджеты внутренней абсолютной ошибки времени для обеспечения синхронизации узлов сети и требуемые величины стабильности частоты. В данном стандарте также приведена методика определения сквозной задержки в наихудшем случае для передачи информационных потоков данных IQ, имеющих наивысший приоритет и предъявляющих самые строгие требования к качеству передачи в сегменте Fronthaul.
Таким образом, материалы стандарта IEEE 802.1CM формируют не только нормативную базу практической реализации транспортного сегмента Fronthaul с использованием технологии TSN, но и позволяют решать ряд практических задач, возникающих в процессе реализации мобильных сетей 4G и 5G на основе отечественных решений.
Так, при решении задачи анализа работы мостовой сети Fronthaul, когда уже сформированы временные расписания GCL работы мостов сети, приведенная в стандарте IEEE 802.1CM методика позволяет рассчитать сквозные односторонние задержки. Зная их нормируемые граничные значения и задержки трафика в мостах, можно определить допустимые задержки в каналах xEthernet, которые позволяют определить максимальную физическую длину сегмента Fronthaul. В случае решения задачи синтеза расписания GCL, когда известна физическая длина сегмента Fronthaul, производится выбор длительности открытия выходных портов мостов и порядка передачи через них потоков трафика различных приоритетов с учетом соблюдения ограничений на сквозные задержки на основе методики расчета значений задержек в мостах, приведенной в стандарте IEEE 802.1CM.
Заключение
Используя повсеместно распространенную технологию пакетной передачи данных Ethernet, стандартизированная IEEE технология чувствительных ко времени сетей TSN позволяет реализовать транспортный сегмент Fronthaul мобильных сетей 4G/5G для удовлетворения требований интерфейсов CPRI/eCPRI с точки зрения масштабируемости, надежности, гибкости и синхронизации.
Набор инструментов IEEE 802.1 TSN позволяет сегменту Fronthaul динамически удовлетворять конкретным требованиям к производительности транспортной сети, необходимые для пропуска трафика сетей текущих (4G/5G) и последующего (6G) поколений. Однако важны не только стандарты в наборе инструментов TSN, но и то, как их можно использовать на практике. Стандарт IEEE 802.1CM описывает принципы построения и архитектуру мостовых сетей Fronthaul, содержит механизм проверки соответствия устройств стандарту, определяет, как использовать на практике определенные части набора инструментов TSN, а также предоставляет рекомендации по развертыванию и конфигурированию устройств, соответствующих стандартам IEEE 802.1 TSN.
По мере того как требования потребителей услуг связи будут выходить за пределы возможностей существующих сетей 4G, технология TSN будет играть ключевую роль в обеспечении гарантированного качества обслуживания новых видов источников трафика (критически важные приложения "Индустрии 4.0", беспилотные автомобили, промышленный Интернет вещей (IIoT), киберфизические системы, тактильный Интернет и др.) в сетях 5G/6G. Путем объединения независимых приложений информационных и операционных технологий в единую сеть Ethernet существует возможность осуществлять передачу данных в реальном времени с использованием одной и той же сетевой инфраструктуры (кабельных линий, коммутаторов и т.д.) для снижения затрат и сложности построения отечественных мобильных сетей поколений 4G/5G. Технология TSN отвечает всем этим требованиям, обеспечивая совместимость решений разных производителей посредством стандарта IEEE 802.1СМ. Использование ее на практике позволит создать конкурентоспособное отечественное оборудование сетей 4G, а в дальнейшем и оборудование стандартов 5G и 6G-Ready.
ЛИТЕРАТУРА
IEEE Std 802.1CM-2018. IEEE Standard for local and metropolitan area networks. Time-Sensitive Networking for Fronthaul. 2018. 62 р.
Росляков А.В., Герасимов В.В., Мамошина Ю.С., Сударева М.Е. Стандартизация синхронизируемых по времени сетей TSN // Стандарты и качество. 2021. № 4(1006). С. 29−33.
Росляков А.В., Сударева М.Е., Мамошина Ю.С., Герасимов В.В. TSN − сети Еthernet, чувствительные ко времени // Инфокоммуникационные технологии. 2021. Т. 19. № 2. С. 187–201.
Пшеничников А.П., Росляков А.В. Будущие сети. Учебник для вузов. М.: Горячая линия−Телеком, 2022. 256 c.
Росляков А.В. Открытые сети радиодоступа OpenRAN // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. № 3. С. 40−49.
IEEE Std 802.1CMde-2020 (Amendment to IEEE Std 802.1CM-2018). Time-Sensitive Networking for Fronthaul. Amendment 1: Enhancements to Fronthaul Profiles to Support New Fronthaul Interface, Synchronization and Syntonization Standards. 2020. 35 р.
А.В.Росляков, д.т.н., заведующий кафедрой сетей и систем связи ПГУТИ / arosl@mail.ru,
В.В.Герасимов, аспирант ПГУТИ / slavon131@bk.ru
УДК 621.391, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.119.3.42.50
Отличительной особенностью централизованной архитектуры радиодоступа в сетях мобильной связи 4G/5G является разделение ее на функциональные блоки, взаимодействующие между собой через соответствующие сегменты транспортной сети xHaul. Сегмент Fronthaul связывает радиоблок с управляющим устройством, выполняющим обработку передаваемых данных, через интерфейсы CPRI/eCPRI. Традиционно Fronthaul реализовывался по схеме "точка-точка" на базе оптических кабелей. В последние годы в связи с бурным развитием перспективных приложений появилась острая необходимость в передаче по мобильным сетям трафика, предъявляющего жесткие требования к сетевым характеристикам. Для построения сегмента Fronthaul было предложено использовать модифицированную версию стандартной технологии Ethernet − чувствительную ко времени сеть TSN, которая позволяет передавать трафик различного вида с соблюдением гарантий качества обслуживания. Требования к характеристикам сегмента Fronthaul на базе мостовой сети TSN Ethernet и принципы его построения описаны в стандарте IEEE 802.1CM. В статье представлен краткий обзор данного стандарта, а также произведен анализ возможностей его применения при практической реализации интерфейсов CPRI/eCPRI в сетях 4G/5G.
Введение
Распоряжением Правительства РФ от 24 ноября 2023 года №3339-р была утверждена "Стратегия развития отрасли связи Российской Федерации на период до 2035 года", разработанная Минцифры России совместно с заинтересованными государственными органами и участниками рынка телекоммуникаций и прошедшая публичное обсуждение в августе-сентябре 2023 года. Документ направлен на формирование перспективного и конкурентоспособного облика отрасли путем построения современной и безопасной телекоммуникационной инфраструктуры. Одним из главных путей для достижения поставленных целей Стратегии является "поэтапное внедрение новых поколений сетей связи на основе российских технологий в соответствии с основными тенденциями развития связи в мире". На первом этапе ее реализации (2023–2030 годы) запланированы разработка и внедрение на сетях связи российского оборудования стандарта LTE, а также разработка и опытная эксплуатация отечественных решений для сетей 5G и 6G-Ready. Для решения таких сложных технических задач необходимо ускоренное формирование научно-технологических заделов, соответствующих основным мировым тенденциям развития связи. При этом очевидно, что создаваемое российское оборудование должно удовлетворять всем действующим стандартам сетей мобильной и фиксированной связи, разработанных такими международными организациями, как МСЭ, 3GPPP, IEEE, IETF и др.
В связи с этим российские разработчики аппаратного и программного обеспечения должны не только хорошо знать и понимать эти стандарты, но и уметь применить их на практике с учетом особенностей отечественных сетей связи. К сожалению, материалы ряда международных организаций по стандартизации в области телекоммуникаций практически не освещены и не обобщены на страницах отечественных изданий, в частности, по причине отсутствия открытого доступа к ним. В статье дан краткий обзор материалов стандарта IEEE 802.1CM [1], в котором описаны профили построения транспортного сегмента Fronthaul на базе мостовой сети TSN (Time-Sensitive Networking) [2, 3], а также приведен анализ возможностей применения данного стандарта при практической реализации мобильных сетей поколений 4G/5G.
Сегмент Fronthaul в сетях 4G/5G
С каждым годом расширяются число и объем предоставляемых услуг в сетях мобильной связи и трафик таких сетей растет в геометрической прогрессии [4]. При этом пропускная способность мобильной сети может быть улучшена прежде всего за счет развертывания множества базовых станций с малой зоной покрытия, поскольку снижение размера сот приводит к увеличению эффективности использования радиочастотного спектра. В сетях 4G/5G может использоваться централизованная архитектура сети радиодоступа C-RAN (Centralized Radio Access Network), в которой функции традиционной базовой станции (БС, BS) разделены на два блока − радиооборудование RE (Radio Equipment) и контроллер управления радиооборудованием REC (Radio Equipment Control) [5]. Эти блоки соединяются между собой с помощью переднего сегмента транспортной сети Fronthaul (рис.1). При реализации C-RAN в качестве Fronthaul используются сети с коммутацией пакетов, как, впрочем, и для других транспортных сегментов xHaul.
RE реализует функции передачи и приема радиочастотного сигнала для взаимодействия с абонентскими устройствами, а REC − обработки модулирующего сигнала основной полосы частот BB (Base Band). Архитектура C-RAN позволяет гибко и экономически эффективно развертывать БС в мобильных сетях 4G/5G и способна повысить их производительность за счет использования скоординированной многоточечной передачи и приема. Синфазные и квадратурные (IQ) выборки сигналов основной полосы передаются в сегменте Fronthaul через общий радиоинтерфейс CPRI (Common Public Radio Interface). Чтобы уменьшить объем данных, передаваемых через Fronthaul, было предложено изменить функциональное разделение между RE и REC путем введения расширенного интерфейса eCPRI (enhanced CPRI), основанного на пакетной передаче данных, в котором конечными точками являются блоки eRE и eREC. В отличие от фиксированной и большой пропускной способности интерфейсов CPRI/eCPRI, скорость передачи данных в сегменте Fronthaul является переменной и пропорциональна скорости передачи пользовательских данных беспроводного канала связи. Кроме того, при использовании дуплексной связи с временным разделением в C-RAN передача по восходящему и по нисходящему каналам связи происходит на основе синхронизации времени между соседними RE/eRE. Поэтому CPRI/eCPRI поддерживают следующие типы информационных потоков:
- информация пользователей в форме данных синфазной и квадратурной модуляции IQ (In-phase and Quadrature modulation);
- данные управления и обслуживания C&M (Control and Management), передаваемые между REC/eRECи RE/eRE;
- данные синхронизации SaaS (Sync as a Service), которые обеспечивают частотную и временную/фазовую синхронизацию REC/eREC и RE/eRE.
Чувствительные ко времени сети TSN
В сегменте Fronthaul, кроме детерминированных потоков радиоданных IQ интерфейсов CPRI/eCPRI, между RE/eRE и REC/eREC передаются потоки несвязанного фонового трафика (C&M, SaaS и др.), которые могут оказывать негативное влияние на обслуживание данных IQ. Поэтому пакетная сеть Fronthaul должна иметь возможность организовывать передачу потоков данных с разрешением на уровне отдельных кадров. Без этого фоновый трафик может вызвать значительную задержку и джиттер радиопотоков, что повлияет на общую производительность сегмента Fronthaul. Поэтому для его реализации должна использоваться технология, поддерживающая строгие процедуры гарантированной передачи критичного к задержкам трафика IQ и совместного планирования передачи разнородного трафика в масштабах всей сети.
За последнее десятилетие Институт инженеров электроники и электротехники IEEE разработал ряд стандартов, которые описывают новую технологию − чувствительные ко времени сети TSN (Time Sensitive Networking) [2, 3]. Идея сетей TSN заключается в модернизации классической технологии пакетной передачи данных Ethernet с целью обеспечения строгих гарантий сетевых задержек и надежной доставки информации без потерь. Для достижения этих целевых возможностей технология TSN основана на пяти ключевых функциях: точная синхронизация времени, формирование и планирование трафика, высокая гарантия доставки информации, управление ресурсами и гибкие модели конфигурирования сети. Эти функции определены в различных стандартах серии IEEE 802.1Q.
Сеть TSN состоит из конечных устройств и мостов, соединенных между собой с помощью стандартных каналов Ethernet. Мосты TSN − это мосты Ethernet со специальными функциями, гарантирующими детерминированные коммуникации. Эти функции включают в себя строгую синхронизацию времени с использованием стандарта IEEE 802.1AS и планировщик на основе приоритетов, который резервирует определенные интервалы передачи высокоприоритетного трафика с использованием стандарта IEEE 802.1Qbv.
Особенностью практического применения технологии TSN является создание отдельных стандартов в виде соответствующего профиля для каждого отраслевого использования. Профили определяют, какие инструменты базового набора TSN подойдут и как их можно использовать в конкретной области применения. В настоящее время уже приняты такие стандарты в виде соответствующих профилей TSN для переднего транспортного сегмента Fronthaul мобильных сетей 4G/5G (IEEE 802.1CM-2018), сетей аудиовидеомоста AVB (IEEE 802.1BA) и промышленной автоматизации (IEC/IEEE 60802). Планируется создание профилей TSN для бортовых сетей Ethernet в автомобиле (IEEE P802.1DG) и в аэрокосмической отрасли (IEEE P802.1DP/SAE AS 6675), а также для сетей поставщиков услуг (IEEE P802.1DF) [3].
Стандарт IEEE 802.1CM
Основным назначением стандарта IEEE 802.1СМ является определение требуемых характеристик мостовой сети TSN Ethernet (представлена на рис.2) для реализации сегмента Fronthaul в сетях 4G/5G с целью обеспечения требуемого качества передачи различных данных и точности синхронизации в интерфейсах CPRI/eCPRI. В стандарте предложены два решения для удовлетворения строгих требований к потокам данных Fronthaul. Обязательное базовое решение использует такой набор инструментов TSN, который нацелен на простоту реализации, что является ключевым фактором в сетях Fronthaul, в то время как другое решение использует механизм прерывания передачи кадров Ethernet в качестве дополнительного инструмента, если это необходимо для достижения требуемой гарантии времени доставки информации.
Первые предложения по использованию технологии TSN для передачи трафика интерфейса CPRI в сегменте Fronthaul сетей 4G были сформулированы в 2014 году, а начало изучения этой возможности датируется 2015-м. В 2016 году в результате создания коллаборации, в которую вошли исследовательская группа IEEE 802.1, альянс CPRI (в составе компаний Ericsson, Nortel, NEC, Siemens и Huawei) и 15-я исследовательская группа (вопрос 13) MCЭ-T, начался процесс создания стандарта IEEE 802.1CM для сетей 4G, который завершился в 2018 году. При разработке стандарта использовался подход "сверху вниз": требования → решение. Требования интерфейса CPRI для сегмента Fronthaul были предоставлены альянсом CPRI, а решения по применению технологи TSN были выработаны совместно коллаборацией. В этот же период были опубликованы спецификации интерфейса eCPRI для сетей 5G. В связи с этим была начата разработка стандарта IEEE 802.1CMde как дополнения к IEEE 802.1CM, учитывающему особенности сетей 5G, который был одобрен IEEE в 2020 году. Хронология процесса показана на рис.3.
Требования по передаче трафика классов 1 и 2
В стандарте IEEE 802.1СМ используется понятие "класс" − собирательный термин для интерфейсов Fronthaul, которые используют особую функциональную декомпозицию БС сети мобильной связи и особую обработку информационных потоков Fronthaul. Класс 1 относится к интерфейсам Fronthaul, где функциональная декомпозиция базовой станции E-UTRA на RE и REC соответствует спецификации CPRI 7.0. В мостовой сети Fronthaul различные информационные потоки CPRI передаются отдельно друг от друга: один поток кадров передает данные IQ, а другой – данные C&M. Передача данных синхронизации SaaS всегда осуществляется отдельно от данных IQ и C&M (рис.4). Например, синхронизация может быть реализована через профиль для телекоммуникационных приложений (Рекомендация МСЭ-T G.8275.1), который основан на протоколе точного времени PTP, описанном в стандарте IEEE 1588.
Требования к потокам данных IQ и C&M вытекают из требований к функциональной декомпозиции CPRI, причем данные C&M не так критичны к временным задержкам, как данные IQ (см. табл.1).
Класс 2 относится к интерфейсам Fronthaul, в которых функциональная декомпозиция E-UTRA BS или NR BS на eRE и eREC осуществляется внутри радиофизического уровня (PHY) интерфейса eCPRI, что является более гибким, чем функциональное разделение в спецификации CPRI. В интерфейсе eCPRI в пользовательской плоскости и в плоскости C&M передаваемые данные разделяются на два типа: быстрые и медленные, каждая из которых имеет свой приоритет передачи (см. табл.2).
Требования к синхронизации времени
Если мостовая сеть Fronthaul обеспечивает синхронизацию времени, то различают четыре различные категории требований к синхронизации времени, которые определены в требованиях к транспортной сети eCPRI. На основании Рекомендации МСЭ-T G.8271.1 точность синхронизации определяется с использованием максимальных абсолютных значений ошибки времени TE (max|TE|) отноcительно первичных эталонных часов PRTC (Primary Reference Time Clock) или максимальных относительных значений ошибки времени (max|TE|отн), когда ошибка определяется разницей во времени между двумя eRE/RE. Ошибки времени, вносимые линией (каналом), подключенной к eRE/RE, не являются частью бюджета для внутренней ошибки времени (|TE|eRE/RE), но включаются в бюджет max|TE|. Различные ошибки времени в мостовой сети Fronthaul показаны на рис.5.
В соответствии с требованиями к транспортной сети eCPRI максимальный бюджет ошибки времени между eRE/RE и T-TSC зависит от категории требования к синхронизации (см. табл.3).
Требования к синхронизации частоты
Следует учитывать, что параметры синхронизации в мостовой сети Fronthaul реализуются при обязательном наличии сетевой синхронизации по тактовой частоте. Требования к частотной синхронизации в мобильных сетях 4G/5G основаны на спецификации 3GPP TS 36.104. Применительно к мостовой сети они связаны с необходимостью для eRE/RE восстанавливать синхронизирующий сигнал, который соответствует требованиям синхронизации на радиоинтерфейсе. В частности, на радиоинтерфейсе eRE/RE требуется стабильность частоты ±50 ∙ 10–9. В худшем случае на входе eRE/RE сеть должна обеспечить стабильность частоты не менее 16 ∙ 10–9 (в долгосрочной перспективе).
Если частотная синхронизация обеспечивается через синхронный Ethernet (Рекомендация МСЭ-T G.8262), необходимые требования стабильности частоты на входе eRE/RE определяются ограничениями сети синхронного Ethernet в Рекомендации МСЭ-T G.8261. Когда частотная синхронизация обеспечивается непосредственно сигналом PTP, требования на входе eRE/RE определяются требованиями к рабочим характеристикам используемого профиля PTP.
Общие свойства профилей А и В
Целью профилей А и В, введенных в стандарте IEEE 802.1СМ, является обеспечение возможности построения мостовых сетей TSN Ethernet, отвечающих требованиям Fronthaul. Оба профиля применимы к трафику классов 1 и 2, поскольку эти два класса имеют схожие требования к транспортным сетям CPRI и eCPRI. В зависимости от этих требований можно выделить три типа потоков и соответствующие классы трафика Fronthaul:
- высокоприоритетные данные HPF (High Priority Fronthaul), которые включают данные IQ класса 1 и данные пользовательской плоскости класса 2 с максимальной сквозной односторонней задержкой 100 мкс;
- данные Fronthaul со средним приоритетом MPF (Middle Priority Fronthaul), которые требуют максимальной сквозной односторонней задержки 1 мс. Они включают медленные данные плоскости пользователя класса 2 и быстрые данные плоскости C&M класса 2;
- низкоприоритетные данные Fronthaul LPF (Low Priority Fronthaul), для которых сквозная односторонняя задержка не должна превышать 100 мс. Следовательно, они включают данные плоскости C&M классов 1 и 2.
Поскольку данные IQ класса 1 и данные плоскости пользователя класса 2 принадлежат к HPF, они обрабатываются одинаково в профилях А и B. Таким образом, потоки данных пользовательской плоскости класса 2 рассматриваются как потоки данных с постоянной скоростью CBR (Constant Bit Rate), то есть потоки имеют одинаковый объем данных в каждом временном окне. Существуют потоки данных пользовательской плоскости класса 2, которые не используют всю полосу пропускания, выделенную в мостовой сети, и поэтому в выходном порту моста возможны временные окна без пакетов. Эта неиспользуемая полоса пропускания может быть заполнена любым другим трафиком, независимо от того, является ли он трафиком Fronthaul или нет.
Класс 1 включает только два типа потоков Fronthaul, поэтому для его поддержки достаточно использования приоритетов HPF и LPF. Приоритет MPF не применяется.
Особенности профиля А
Профиль A основан на мостовом соединении TSN Ethernet с очередями со строгим приоритетом передаваемого трафика. Профиль A не использует какие-либо расширенные функции Ethernet или моста, например, прерывание передачи кадров, и должен поддерживаться всеми мостами сети Fronthaul. Размер кадров Ethernet, передаваемых мостовой сетью, может влиять на выполнение требований к передаче данных Fronthaul. В случае профиля A максимальный размер кадра настраивается на каждом порту моста сети Fronthaul в соответствии с правилами, применимыми к кадрам IEEE 802, то есть максимально возможный размер кадра от MAC-адреса получателя до конца поля проверочных байтов CRC составляет 2000 байт. Это относится ко всем видам данных, передаваемым через сегмент Fronthaul. Например, если ничего, кроме основных заголовков IEEE 802.3, не используется с тегом IEEE 802.1Q C-VLAN, то максимальный размер кадра составляет 1522 байта. Максимальный размер кадра, применяемый в сети Fronthaul, может быть меньше максимального размера кадра, разрешенного стандартом IEEE 802.3. Кроме того, он может быть разным для различных классов передаваемого трафика Fronthaul.
В случае профиля A классы трафика настраиваются во всей мостовой сети Fronthaul следующим образом. Максимально возможный приоритет присваивается трафику высокоприоритетных данных HPF, чтобы уменьшить влияние другого трафика. Следует отметить, что оператор мобильной сети может принять решение о присвоении другому трафику, например трафику управления сетью, более высокий приоритет или такой же высокий приоритет, как у данных HPF. Например, класс трафика с наивысшим приоритетом может быть сохранен для трафика управления сетью, чтобы решать критические сетевые проблемы. Это обусловлено тем, что такой трафик обычно отсутствует во время нормального функционирования мобильной сети.
Класс трафика высокоприоритетных данных HPF настроен на использование алгоритма строгого приоритета, который прописывается в расписании GCL (Gate Control List) в соответствии со стандартом IEEE 802.1Q для каждого порта моста, поддерживающего передачу потоков данных HPF по мостовой сети Fronthaul. Среднеприоритетным данным MPF присваивается более низкий приоритет, чем данным HPF, предпочтительно с приоритетом, следующим за приоритетом данных HPF.
Отличия профиля В
Профиль B расширяет профиль A прерыванием передачи кадров, чтобы уменьшить влияние на трафик Fronthaul другого трафика, следовательно, он обеспечивает бόльшую гибкость передачи трафика в мостовой сети TSN. Прерывание кадра может быть полезно, чтобы избежать ограничений на максимальный размер кадра для потоков, не связанных с Fronthaul. Преимущества, обеспечиваемые прерыванием кадров, уменьшаются по мере увеличения скорости передачи данных порта моста.
В профиле B правила максимального размера кадра, применимые к кадрам IEEE 802.3, настраиваются для данных Fronthaul, то есть HPF, MPF и LPF. Прерывание кадра в профиле B применяется для трафика, отличного от трафика Fronthaul; следовательно, размер кадра не-Fronthaul-трафика (например, Ethernet VPN) не влияет на задержку трафика Fronthaul. Таким образом, в профиле B максимальный размер кадра не указан для данных, не являющихся данными Fronthaul.
Следует учитывать, что классам трафика с низким приоритетом может не хватать полосы пропускания в системе со строгим приоритетом, если нет соответствующего ограничения на пропускную способность для классов трафика с высоким приоритетом.
В случае профиля B прерывание кадров настроено так, чтобы оно было включено во всей мостовой сети Fronthaul для каждого порта, который поддерживает информационные потоки данных как в прямом, так и в обратном направлениях. Кроме того, наименьший возможный размер фрагмента в 64 байта конфигурируется для прерывания кадров на каждом порту, поддерживающем информационные потоки данных Fronthaul, что снижает влияние другого трафика на трафик Fronthaul.
Дополнение к стандарту IEEE 802.1CMde
В 2020 году была принята поправка к стандарту IEEE 802.1CMde [6], которая определяет усовершенствования профилей Fronthaul для учета новых разработок в стандартах интерфейса Fronthaul и связанных стандартах синхронизации и синтонизации. Эта поправка также устраняет ошибки и упущения, имевшиеся в стандарте IEEE 802.1CM, принятом в 2018 году.
Укажем наиболее существенные изменения и правки, которые вошли в стандарт IEEE 802.1CMde:
В классе 2 требований к интерфейсу eCPRI для быстрых данных пользовательской плоскости (трафик высокого приоритета) Fronthaul, которые имеют наиболее строгие требования к задержке, введены четыре класса сквозной односторонней задержки между граничным портом, подключенным к eREC, и другим граничным портом, подключенным к eRE (см. табл.4).
Исключена категория синхронизации А+, которая соответствует режиму MIMO или с разнесением при передаче между двумя eRE/RE. Она объединена с категорией А.
Удалены абсолютные значения бюджетов внутренней абсолютной ошибки времени eRE/RE и ошибок времени синхронизации между eRE/RE и T-TSC для различных случаев и категорий синхронизации и оставлены только формулы для их расчета с учетом общей ошибки выравнивания времени между eRE/RE и T-TSC.
Ожидается, что в ближайшие несколько лет будут внесены дополнительные изменения в стандарт IEEE 802.1CM для уточнения существующего текста, исправления возможных ошибок и включения нового материала.
Роль стандарта IEEE 802.1CM для реализации сетей 4G/5G
Как было указано выше, основной целью, стоявшей перед разработчиками стандарта IEEE 802.1CM, было удовлетворение требований интерфейсов CPRI и eCPRI к качеству передачи различных видов данных в транспортном сегменте Fronthaul мобильных сетей 4G и 5G, соответственно. Эта задача была решена путем создания двух профилей − А и В, каждый из которых содержит набор нормативных величин характеристик мостовых сетей Fronthaul: максимальные сквозные односторонние задержки и максимально допустимые потери кадров при передаче пользовательских данных IQ и данных C&M, а также бюджеты внутренней абсолютной ошибки времени для обеспечения синхронизации узлов сети и требуемые величины стабильности частоты. В данном стандарте также приведена методика определения сквозной задержки в наихудшем случае для передачи информационных потоков данных IQ, имеющих наивысший приоритет и предъявляющих самые строгие требования к качеству передачи в сегменте Fronthaul.
Таким образом, материалы стандарта IEEE 802.1CM формируют не только нормативную базу практической реализации транспортного сегмента Fronthaul с использованием технологии TSN, но и позволяют решать ряд практических задач, возникающих в процессе реализации мобильных сетей 4G и 5G на основе отечественных решений.
Так, при решении задачи анализа работы мостовой сети Fronthaul, когда уже сформированы временные расписания GCL работы мостов сети, приведенная в стандарте IEEE 802.1CM методика позволяет рассчитать сквозные односторонние задержки. Зная их нормируемые граничные значения и задержки трафика в мостах, можно определить допустимые задержки в каналах xEthernet, которые позволяют определить максимальную физическую длину сегмента Fronthaul. В случае решения задачи синтеза расписания GCL, когда известна физическая длина сегмента Fronthaul, производится выбор длительности открытия выходных портов мостов и порядка передачи через них потоков трафика различных приоритетов с учетом соблюдения ограничений на сквозные задержки на основе методики расчета значений задержек в мостах, приведенной в стандарте IEEE 802.1CM.
Заключение
Используя повсеместно распространенную технологию пакетной передачи данных Ethernet, стандартизированная IEEE технология чувствительных ко времени сетей TSN позволяет реализовать транспортный сегмент Fronthaul мобильных сетей 4G/5G для удовлетворения требований интерфейсов CPRI/eCPRI с точки зрения масштабируемости, надежности, гибкости и синхронизации.
Набор инструментов IEEE 802.1 TSN позволяет сегменту Fronthaul динамически удовлетворять конкретным требованиям к производительности транспортной сети, необходимые для пропуска трафика сетей текущих (4G/5G) и последующего (6G) поколений. Однако важны не только стандарты в наборе инструментов TSN, но и то, как их можно использовать на практике. Стандарт IEEE 802.1CM описывает принципы построения и архитектуру мостовых сетей Fronthaul, содержит механизм проверки соответствия устройств стандарту, определяет, как использовать на практике определенные части набора инструментов TSN, а также предоставляет рекомендации по развертыванию и конфигурированию устройств, соответствующих стандартам IEEE 802.1 TSN.
По мере того как требования потребителей услуг связи будут выходить за пределы возможностей существующих сетей 4G, технология TSN будет играть ключевую роль в обеспечении гарантированного качества обслуживания новых видов источников трафика (критически важные приложения "Индустрии 4.0", беспилотные автомобили, промышленный Интернет вещей (IIoT), киберфизические системы, тактильный Интернет и др.) в сетях 5G/6G. Путем объединения независимых приложений информационных и операционных технологий в единую сеть Ethernet существует возможность осуществлять передачу данных в реальном времени с использованием одной и той же сетевой инфраструктуры (кабельных линий, коммутаторов и т.д.) для снижения затрат и сложности построения отечественных мобильных сетей поколений 4G/5G. Технология TSN отвечает всем этим требованиям, обеспечивая совместимость решений разных производителей посредством стандарта IEEE 802.1СМ. Использование ее на практике позволит создать конкурентоспособное отечественное оборудование сетей 4G, а в дальнейшем и оборудование стандартов 5G и 6G-Ready.
ЛИТЕРАТУРА
IEEE Std 802.1CM-2018. IEEE Standard for local and metropolitan area networks. Time-Sensitive Networking for Fronthaul. 2018. 62 р.
Росляков А.В., Герасимов В.В., Мамошина Ю.С., Сударева М.Е. Стандартизация синхронизируемых по времени сетей TSN // Стандарты и качество. 2021. № 4(1006). С. 29−33.
Росляков А.В., Сударева М.Е., Мамошина Ю.С., Герасимов В.В. TSN − сети Еthernet, чувствительные ко времени // Инфокоммуникационные технологии. 2021. Т. 19. № 2. С. 187–201.
Пшеничников А.П., Росляков А.В. Будущие сети. Учебник для вузов. М.: Горячая линия−Телеком, 2022. 256 c.
Росляков А.В. Открытые сети радиодоступа OpenRAN // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. № 3. С. 40−49.
IEEE Std 802.1CMde-2020 (Amendment to IEEE Std 802.1CM-2018). Time-Sensitive Networking for Fronthaul. Amendment 1: Enhancements to Fronthaul Profiles to Support New Fronthaul Interface, Synchronization and Syntonization Standards. 2020. 35 р.
Реализация сегмента
Fronthaul сетей 4G/5G
на базе технологии TSN
А.В.Росляков, д.т.н., заведующий кафедрой сетей и систем связи ПГУТИ / arosl@mail.ru,
В.В.Герасимов, аспирант ПГУТИ / slavon131@bk.ru
УДК 621.391, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.119.3.42.50
Отличительной особенностью централизованной архитектуры радиодоступа в сетях мобильной связи 4G/5G является разделение ее на функциональные блоки, взаимодействующие между собой через соответствующие сегменты транспортной сети xHaul. Сегмент Fronthaul связывает радиоблок с управляющим устройством, выполняющим обработку передаваемых данных, через интерфейсы CPRI/eCPRI. Традиционно Fronthaul реализовывался по схеме "точка-точка" на базе оптических кабелей. В последние годы в связи с бурным развитием перспективных приложений появилась острая необходимость в передаче по мобильным сетям трафика, предъявляющего жесткие требования к сетевым характеристикам. Для построения сегмента Fronthaul было предложено использовать модифицированную версию стандартной технологии Ethernet − чувствительную ко времени сеть TSN, которая позволяет передавать трафик различного вида с соблюдением гарантий качества обслуживания. Требования к характеристикам сегмента Fronthaul на базе мостовой сети TSN Ethernet и принципы его построения описаны в стандарте IEEE 802.1CM. В статье представлен краткий обзор данного стандарта, а также произведен анализ возможностей его применения при практической реализации интерфейсов CPRI/eCPRI в сетях 4G/5G.
Введение
Распоряжением Правительства РФ от 24 ноября 2023 года №3339-р была утверждена "Стратегия развития отрасли связи Российской Федерации на период до 2035 года", разработанная Минцифры России совместно с заинтересованными государственными органами и участниками рынка телекоммуникаций и прошедшая публичное обсуждение в августе-сентябре 2023 года. Документ направлен на формирование перспективного и конкурентоспособного облика отрасли путем построения современной и безопасной телекоммуникационной инфраструктуры. Одним из главных путей для достижения поставленных целей Стратегии является "поэтапное внедрение новых поколений сетей связи на основе российских технологий в соответствии с основными тенденциями развития связи в мире". На первом этапе ее реализации (2023–2030 годы) запланированы разработка и внедрение на сетях связи российского оборудования стандарта LTE, а также разработка и опытная эксплуатация отечественных решений для сетей 5G и 6G-Ready. Для решения таких сложных технических задач необходимо ускоренное формирование научно-технологических заделов, соответствующих основным мировым тенденциям развития связи. При этом очевидно, что создаваемое российское оборудование должно удовлетворять всем действующим стандартам сетей мобильной и фиксированной связи, разработанных такими международными организациями, как МСЭ, 3GPPP, IEEE, IETF и др.
В связи с этим российские разработчики аппаратного и программного обеспечения должны не только хорошо знать и понимать эти стандарты, но и уметь применить их на практике с учетом особенностей отечественных сетей связи. К сожалению, материалы ряда международных организаций по стандартизации в области телекоммуникаций практически не освещены и не обобщены на страницах отечественных изданий, в частности, по причине отсутствия открытого доступа к ним. В статье дан краткий обзор материалов стандарта IEEE 802.1CM [1], в котором описаны профили построения транспортного сегмента Fronthaul на базе мостовой сети TSN (Time-Sensitive Networking) [2, 3], а также приведен анализ возможностей применения данного стандарта при практической реализации мобильных сетей поколений 4G/5G.
Сегмент Fronthaul в сетях 4G/5G
С каждым годом расширяются число и объем предоставляемых услуг в сетях мобильной связи и трафик таких сетей растет в геометрической прогрессии [4]. При этом пропускная способность мобильной сети может быть улучшена прежде всего за счет развертывания множества базовых станций с малой зоной покрытия, поскольку снижение размера сот приводит к увеличению эффективности использования радиочастотного спектра. В сетях 4G/5G может использоваться централизованная архитектура сети радиодоступа C-RAN (Centralized Radio Access Network), в которой функции традиционной базовой станции (БС, BS) разделены на два блока − радиооборудование RE (Radio Equipment) и контроллер управления радиооборудованием REC (Radio Equipment Control) [5]. Эти блоки соединяются между собой с помощью переднего сегмента транспортной сети Fronthaul (рис.1). При реализации C-RAN в качестве Fronthaul используются сети с коммутацией пакетов, как, впрочем, и для других транспортных сегментов xHaul.
RE реализует функции передачи и приема радиочастотного сигнала для взаимодействия с абонентскими устройствами, а REC − обработки модулирующего сигнала основной полосы частот BB (Base Band). Архитектура C-RAN позволяет гибко и экономически эффективно развертывать БС в мобильных сетях 4G/5G и способна повысить их производительность за счет использования скоординированной многоточечной передачи и приема. Синфазные и квадратурные (IQ) выборки сигналов основной полосы передаются в сегменте Fronthaul через общий радиоинтерфейс CPRI (Common Public Radio Interface). Чтобы уменьшить объем данных, передаваемых через Fronthaul, было предложено изменить функциональное разделение между RE и REC путем введения расширенного интерфейса eCPRI (enhanced CPRI), основанного на пакетной передаче данных, в котором конечными точками являются блоки eRE и eREC. В отличие от фиксированной и большой пропускной способности интерфейсов CPRI/eCPRI, скорость передачи данных в сегменте Fronthaul является переменной и пропорциональна скорости передачи пользовательских данных беспроводного канала связи. Кроме того, при использовании дуплексной связи с временным разделением в C-RAN передача по восходящему и по нисходящему каналам связи происходит на основе синхронизации времени между соседними RE/eRE. Поэтому CPRI/eCPRI поддерживают следующие типы информационных потоков:
информация пользователей в форме данных синфазной и квадратурной модуляции IQ (In-phase and Quadrature modulation);
данные управления и обслуживания C&M (Control and Management), передаваемые между REC/eRECи RE/eRE;
данные синхронизации SaaS (Sync as a Service), которые обеспечивают частотную и временную/фазовую синхронизацию REC/eREC и RE/eRE.
Чувствительные ко времени сети TSN
В сегменте Fronthaul, кроме детерминированных потоков радиоданных IQ интерфейсов CPRI/eCPRI, между RE/eRE и REC/eREC передаются потоки несвязанного фонового трафика (C&M, SaaS и др.), которые могут оказывать негативное влияние на обслуживание данных IQ. Поэтому пакетная сеть Fronthaul должна иметь возможность организовывать передачу потоков данных с разрешением на уровне отдельных кадров. Без этого фоновый трафик может вызвать значительную задержку и джиттер радиопотоков, что повлияет на общую производительность сегмента Fronthaul. Поэтому для его реализации должна использоваться технология, поддерживающая строгие процедуры гарантированной передачи критичного к задержкам трафика IQ и совместного планирования передачи разнородного трафика в масштабах всей сети.
За последнее десятилетие Институт инженеров электроники и электротехники IEEE разработал ряд стандартов, которые описывают новую технологию − чувствительные ко времени сети TSN (Time Sensitive Networking) [2, 3]. Идея сетей TSN заключается в модернизации классической технологии пакетной передачи данных Ethernet с целью обеспечения строгих гарантий сетевых задержек и надежной доставки информации без потерь. Для достижения этих целевых возможностей технология TSN основана на пяти ключевых функциях: точная синхронизация времени, формирование и планирование трафика, высокая гарантия доставки информации, управление ресурсами и гибкие модели конфигурирования сети. Эти функции определены в различных стандартах серии IEEE 802.1Q.
Сеть TSN состоит из конечных устройств и мостов, соединенных между собой с помощью стандартных каналов Ethernet. Мосты TSN − это мосты Ethernet со специальными функциями, гарантирующими детерминированные коммуникации. Эти функции включают в себя строгую синхронизацию времени с использованием стандарта IEEE 802.1AS и планировщик на основе приоритетов, который резервирует определенные интервалы передачи высокоприоритетного трафика с использованием стандарта IEEE 802.1Qbv.
Особенностью практического применения технологии TSN является создание отдельных стандартов в виде соответствующего профиля для каждого отраслевого использования. Профили определяют, какие инструменты базового набора TSN подойдут и как их можно использовать в конкретной области применения. В настоящее время уже приняты такие стандарты в виде соответствующих профилей TSN для переднего транспортного сегмента Fronthaul мобильных сетей 4G/5G (IEEE 802.1CM-2018), сетей аудиовидеомоста AVB (IEEE 802.1BA) и промышленной автоматизации (IEC/IEEE 60802). Планируется создание профилей TSN для бортовых сетей Ethernet в автомобиле (IEEE P802.1DG) и в аэрокосмической отрасли (IEEE P802.1DP/SAE AS 6675), а также для сетей поставщиков услуг (IEEE P802.1DF) [3].
Стандарт IEEE 802.1CM
Основным назначением стандарта IEEE 802.1СМ является определение требуемых характеристик мостовой сети TSN Ethernet (представлена на рис.2) для реализации сегмента Fronthaul в сетях 4G/5G с целью обеспечения требуемого качества передачи различных данных и точности синхронизации в интерфейсах CPRI/eCPRI. В стандарте предложены два решения для удовлетворения строгих требований к потокам данных Fronthaul. Обязательное базовое решение использует такой набор инструментов TSN, который нацелен на простоту реализации, что является ключевым фактором в сетях Fronthaul, в то время как другое решение использует механизм прерывания передачи кадров Ethernet в качестве дополнительного инструмента, если это необходимо для достижения требуемой гарантии времени доставки информации.
Первые предложения по использованию технологии TSN для передачи трафика интерфейса CPRI в сегменте Fronthaul сетей 4G были сформулированы в 2014 году, а начало изучения этой возможности датируется 2015-м. В 2016 году в результате создания коллаборации, в которую вошли исследовательская группа IEEE 802.1, альянс CPRI (в составе компаний Ericsson, Nortel, NEC, Siemens и Huawei) и 15-я исследовательская группа (вопрос 13) MCЭ-T, начался процесс создания стандарта IEEE 802.1CM для сетей 4G, который завершился в 2018 году. При разработке стандарта использовался подход "сверху вниз": требования → решение. Требования интерфейса CPRI для сегмента Fronthaul были предоставлены альянсом CPRI, а решения по применению технологи TSN были выработаны совместно коллаборацией. В этот же период были опубликованы спецификации интерфейса eCPRI для сетей 5G. В связи с этим была начата разработка стандарта IEEE 802.1CMde как дополнения к IEEE 802.1CM, учитывающему особенности сетей 5G, который был одобрен IEEE в 2020 году. Хронология процесса показана на рис.3.
Требования по передаче трафика классов 1 и 2
В стандарте IEEE 802.1СМ используется понятие "класс" − собирательный термин для интерфейсов Fronthaul, которые используют особую функциональную декомпозицию БС сети мобильной связи и особую обработку информационных потоков Fronthaul. Класс 1 относится к интерфейсам Fronthaul, где функциональная декомпозиция базовой станции E-UTRA на RE и REC соответствует спецификации CPRI 7.0. В мостовой сети Fronthaul различные информационные потоки CPRI передаются отдельно друг от друга: один поток кадров передает данные IQ, а другой – данные C&M. Передача данных синхронизации SaaS всегда осуществляется отдельно от данных IQ и C&M (рис.4). Например, синхронизация может быть реализована через профиль для телекоммуникационных приложений (Рекомендация МСЭ-T G.8275.1), который основан на протоколе точного времени PTP, описанном в стандарте IEEE 1588.
Требования к потокам данных IQ и C&M вытекают из требований к функциональной декомпозиции CPRI, причем данные C&M не так критичны к временным задержкам, как данные IQ (см. табл.1).
Класс 2 относится к интерфейсам Fronthaul, в которых функциональная декомпозиция E-UTRA BS или NR BS на eRE и eREC осуществляется внутри радиофизического уровня (PHY) интерфейса eCPRI, что является более гибким, чем функциональное разделение в спецификации CPRI. В интерфейсе eCPRI в пользовательской плоскости и в плоскости C&M передаваемые данные разделяются на два типа: быстрые и медленные, каждая из которых имеет свой приоритет передачи (см. табл.2).
Требования к синхронизации времени
Если мостовая сеть Fronthaul обеспечивает синхронизацию времени, то различают четыре различные категории требований к синхронизации времени, которые определены в требованиях к транспортной сети eCPRI. На основании Рекомендации МСЭ-T G.8271.1 точность синхронизации определяется с использованием максимальных абсолютных значений ошибки времени TE (max|TE|) отноcительно первичных эталонных часов PRTC (Primary Reference Time Clock) или максимальных относительных значений ошибки времени (max|TE|отн), когда ошибка определяется разницей во времени между двумя eRE/RE. Ошибки времени, вносимые линией (каналом), подключенной к eRE/RE, не являются частью бюджета для внутренней ошибки времени (|TE|eRE/RE), но включаются в бюджет max|TE|. Различные ошибки времени в мостовой сети Fronthaul показаны на рис.5.
В соответствии с требованиями к транспортной сети eCPRI максимальный бюджет ошибки времени между eRE/RE и T-TSC зависит от категории требования к синхронизации (см. табл.3).
Требования к синхронизации частоты
Следует учитывать, что параметры синхронизации в мостовой сети Fronthaul реализуются при обязательном наличии сетевой синхронизации по тактовой частоте. Требования к частотной синхронизации в мобильных сетях 4G/5G основаны на спецификации 3GPP TS 36.104. Применительно к мостовой сети они связаны с необходимостью для eRE/RE восстанавливать синхронизирующий сигнал, который соответствует требованиям синхронизации на радиоинтерфейсе. В частности, на радиоинтерфейсе eRE/RE требуется стабильность частоты ±50 ∙ 10–9. В худшем случае на входе eRE/RE сеть должна обеспечить стабильность частоты не менее 16 ∙ 10–9 (в долгосрочной перспективе).
Если частотная синхронизация обеспечивается через синхронный Ethernet (Рекомендация МСЭ-T G.8262), необходимые требования стабильности частоты на входе eRE/RE определяются ограничениями сети синхронного Ethernet в Рекомендации МСЭ-T G.8261. Когда частотная синхронизация обеспечивается непосредственно сигналом PTP, требования на входе eRE/RE определяются требованиями к рабочим характеристикам используемого профиля PTP.
Общие свойства профилей А и В
Целью профилей А и В, введенных в стандарте IEEE 802.1СМ, является обеспечение возможности построения мостовых сетей TSN Ethernet, отвечающих требованиям Fronthaul. Оба профиля применимы к трафику классов 1 и 2, поскольку эти два класса имеют схожие требования к транспортным сетям CPRI и eCPRI. В зависимости от этих требований можно выделить три типа потоков и соответствующие классы трафика Fronthaul:
высокоприоритетные данные HPF (High Priority Fronthaul), которые включают данные IQ класса 1 и данные пользовательской плоскости класса 2 с максимальной сквозной односторонней задержкой 100 мкс;
данные Fronthaul со средним приоритетом MPF (Middle Priority Fronthaul), которые требуют максимальной сквозной односторонней задержки 1 мс. Они включают медленные данные плоскости пользователя класса 2 и быстрые данные плоскости C&M класса 2;
низкоприоритетные данные Fronthaul LPF (Low Priority Fronthaul), для которых сквозная односторонняя задержка не должна превышать 100 мс. Следовательно, они включают данные плоскости C&M классов 1 и 2.
Поскольку данные IQ класса 1 и данные плоскости пользователя класса 2 принадлежат к HPF, они обрабатываются одинаково в профилях А и B. Таким образом, потоки данных пользовательской плоскости класса 2 рассматриваются как потоки данных с постоянной скоростью CBR (Constant Bit Rate), то есть потоки имеют одинаковый объем данных в каждом временном окне. Существуют потоки данных пользовательской плоскости класса 2, которые не используют всю полосу пропускания, выделенную в мостовой сети, и поэтому в выходном порту моста возможны временные окна без пакетов. Эта неиспользуемая полоса пропускания может быть заполнена любым другим трафиком, независимо от того, является ли он трафиком Fronthaul или нет.
Класс 1 включает только два типа потоков Fronthaul, поэтому для его поддержки достаточно использования приоритетов HPF и LPF. Приоритет MPF не применяется.
Особенности профиля А
Профиль A основан на мостовом соединении TSN Ethernet с очередями со строгим приоритетом передаваемого трафика. Профиль A не использует какие-либо расширенные функции Ethernet или моста, например, прерывание передачи кадров, и должен поддерживаться всеми мостами сети Fronthaul. Размер кадров Ethernet, передаваемых мостовой сетью, может влиять на выполнение требований к передаче данных Fronthaul. В случае профиля A максимальный размер кадра настраивается на каждом порту моста сети Fronthaul в соответствии с правилами, применимыми к кадрам IEEE 802, то есть максимально возможный размер кадра от MAC-адреса получателя до конца поля проверочных байтов CRC составляет 2000 байт. Это относится ко всем видам данных, передаваемым через сегмент Fronthaul. Например, если ничего, кроме основных заголовков IEEE 802.3, не используется с тегом IEEE 802.1Q C-VLAN, то максимальный размер кадра составляет 1522 байта. Максимальный размер кадра, применяемый в сети Fronthaul, может быть меньше максимального размера кадра, разрешенного стандартом IEEE 802.3. Кроме того, он может быть разным для различных классов передаваемого трафика Fronthaul.
В случае профиля A классы трафика настраиваются во всей мостовой сети Fronthaul следующим образом. Максимально возможный приоритет присваивается трафику высокоприоритетных данных HPF, чтобы уменьшить влияние другого трафика. Следует отметить, что оператор мобильной сети может принять решение о присвоении другому трафику, например трафику управления сетью, более высокий приоритет или такой же высокий приоритет, как у данных HPF. Например, класс трафика с наивысшим приоритетом может быть сохранен для трафика управления сетью, чтобы решать критические сетевые проблемы. Это обусловлено тем, что такой трафик обычно отсутствует во время нормального функционирования мобильной сети.
Класс трафика высокоприоритетных данных HPF настроен на использование алгоритма строгого приоритета, который прописывается в расписании GCL (Gate Control List) в соответствии со стандартом IEEE 802.1Q для каждого порта моста, поддерживающего передачу потоков данных HPF по мостовой сети Fronthaul. Среднеприоритетным данным MPF присваивается более низкий приоритет, чем данным HPF, предпочтительно с приоритетом, следующим за приоритетом данных HPF.
Отличия профиля В
Профиль B расширяет профиль A прерыванием передачи кадров, чтобы уменьшить влияние на трафик Fronthaul другого трафика, следовательно, он обеспечивает бόльшую гибкость передачи трафика в мостовой сети TSN. Прерывание кадра может быть полезно, чтобы избежать ограничений на максимальный размер кадра для потоков, не связанных с Fronthaul. Преимущества, обеспечиваемые прерыванием кадров, уменьшаются по мере увеличения скорости передачи данных порта моста.
В профиле B правила максимального размера кадра, применимые к кадрам IEEE 802.3, настраиваются для данных Fronthaul, то есть HPF, MPF и LPF. Прерывание кадра в профиле B применяется для трафика, отличного от трафика Fronthaul; следовательно, размер кадра не-Fronthaul-трафика (например, Ethernet VPN) не влияет на задержку трафика Fronthaul. Таким образом, в профиле B максимальный размер кадра не указан для данных, не являющихся данными Fronthaul.
Следует учитывать, что классам трафика с низким приоритетом может не хватать полосы пропускания в системе со строгим приоритетом, если нет соответствующего ограничения на пропускную способность для классов трафика с высоким приоритетом.
В случае профиля B прерывание кадров настроено так, чтобы оно было включено во всей мостовой сети Fronthaul для каждого порта, который поддерживает информационные потоки данных как в прямом, так и в обратном направлениях. Кроме того, наименьший возможный размер фрагмента в 64 байта конфигурируется для прерывания кадров на каждом порту, поддерживающем информационные потоки данных Fronthaul, что снижает влияние другого трафика на трафик Fronthaul.
Дополнение к стандарту IEEE 802.1CMde
В 2020 году была принята поправка к стандарту IEEE 802.1CMde [6], которая определяет усовершенствования профилей Fronthaul для учета новых разработок в стандартах интерфейса Fronthaul и связанных стандартах синхронизации и синтонизации. Эта поправка также устраняет ошибки и упущения, имевшиеся в стандарте IEEE 802.1CM, принятом в 2018 году.
Укажем наиболее существенные изменения и правки, которые вошли в стандарт IEEE 802.1CMde:
В классе 2 требований к интерфейсу eCPRI для быстрых данных пользовательской плоскости (трафик высокого приоритета) Fronthaul, которые имеют наиболее строгие требования к задержке, введены четыре класса сквозной односторонней задержки между граничным портом, подключенным к eREC, и другим граничным портом, подключенным к eRE (см. табл.4).
Исключена категория синхронизации А+, которая соответствует режиму MIMO или с разнесением при передаче между двумя eRE/RE. Она объединена с категорией А.
Удалены абсолютные значения бюджетов внутренней абсолютной ошибки времени eRE/RE и ошибок времени синхронизации между eRE/RE и T-TSC для различных случаев и категорий синхронизации и оставлены только формулы для их расчета с учетом общей ошибки выравнивания времени между eRE/RE и T-TSC.
Ожидается, что в ближайшие несколько лет будут внесены дополнительные изменения в стандарт IEEE 802.1CM для уточнения существующего текста, исправления возможных ошибок и включения нового материала.
Роль стандарта IEEE 802.1CM для реализации сетей 4G/5G
Как было указано выше, основной целью, стоявшей перед разработчиками стандарта IEEE 802.1CM, было удовлетворение требований интерфейсов CPRI и eCPRI к качеству передачи различных видов данных в транспортном сегменте Fronthaul мобильных сетей 4G и 5G, соответственно. Эта задача была решена путем создания двух профилей − А и В, каждый из которых содержит набор нормативных величин характеристик мостовых сетей Fronthaul: максимальные сквозные односторонние задержки и максимально допустимые потери кадров при передаче пользовательских данных IQ и данных C&M, а также бюджеты внутренней абсолютной ошибки времени для обеспечения синхронизации узлов сети и требуемые величины стабильности частоты. В данном стандарте также приведена методика определения сквозной задержки в наихудшем случае для передачи информационных потоков данных IQ, имеющих наивысший приоритет и предъявляющих самые строгие требования к качеству передачи в сегменте Fronthaul.
Таким образом, материалы стандарта IEEE 802.1CM формируют не только нормативную базу практической реализации транспортного сегмента Fronthaul с использованием технологии TSN, но и позволяют решать ряд практических задач, возникающих в процессе реализации мобильных сетей 4G и 5G на основе отечественных решений.
Так, при решении задачи анализа работы мостовой сети Fronthaul, когда уже сформированы временные расписания GCL работы мостов сети, приведенная в стандарте IEEE 802.1CM методика позволяет рассчитать сквозные односторонние задержки. Зная их нормируемые граничные значения и задержки трафика в мостах, можно определить допустимые задержки в каналах xEthernet, которые позволяют определить максимальную физическую длину сегмента Fronthaul. В случае решения задачи синтеза расписания GCL, когда известна физическая длина сегмента Fronthaul, производится выбор длительности открытия выходных портов мостов и порядка передачи через них потоков трафика различных приоритетов с учетом соблюдения ограничений на сквозные задержки на основе методики расчета значений задержек в мостах, приведенной в стандарте IEEE 802.1CM.
Заключение
Используя повсеместно распространенную технологию пакетной передачи данных Ethernet, стандартизированная IEEE технология чувствительных ко времени сетей TSN позволяет реализовать транспортный сегмент Fronthaul мобильных сетей 4G/5G для удовлетворения требований интерфейсов CPRI/eCPRI с точки зрения масштабируемости, надежности, гибкости и синхронизации.
Набор инструментов IEEE 802.1 TSN позволяет сегменту Fronthaul динамически удовлетворять конкретным требованиям к производительности транспортной сети, необходимые для пропуска трафика сетей текущих (4G/5G) и последующего (6G) поколений. Однако важны не только стандарты в наборе инструментов TSN, но и то, как их можно использовать на практике. Стандарт IEEE 802.1CM описывает принципы построения и архитектуру мостовых сетей Fronthaul, содержит механизм проверки соответствия устройств стандарту, определяет, как использовать на практике определенные части набора инструментов TSN, а также предоставляет рекомендации по развертыванию и конфигурированию устройств, соответствующих стандартам IEEE 802.1 TSN.
По мере того как требования потребителей услуг связи будут выходить за пределы возможностей существующих сетей 4G, технология TSN будет играть ключевую роль в обеспечении гарантированного качества обслуживания новых видов источников трафика (критически важные приложения "Индустрии 4.0", беспилотные автомобили, промышленный Интернет вещей (IIoT), киберфизические системы, тактильный Интернет и др.) в сетях 5G/6G. Путем объединения независимых приложений информационных и операционных технологий в единую сеть Ethernet существует возможность осуществлять передачу данных в реальном времени с использованием одной и той же сетевой инфраструктуры (кабельных линий, коммутаторов и т.д.) для снижения затрат и сложности построения отечественных мобильных сетей поколений 4G/5G. Технология TSN отвечает всем этим требованиям, обеспечивая совместимость решений разных производителей посредством стандарта IEEE 802.1СМ. Использование ее на практике позволит создать конкурентоспособное отечественное оборудование сетей 4G, а в дальнейшем и оборудование стандартов 5G и 6G-Ready.
ЛИТЕРАТУРА
IEEE Std 802.1CM-2018. IEEE Standard for local and metropolitan area networks. Time-Sensitive Networking for Fronthaul. 2018. 62 р.
Росляков А.В., Герасимов В.В., Мамошина Ю.С., Сударева М.Е. Стандартизация синхронизируемых по времени сетей TSN // Стандарты и качество. 2021. № 4(1006). С. 29−33.
Росляков А.В., Сударева М.Е., Мамошина Ю.С., Герасимов В.В. TSN − сети Еthernet, чувствительные ко времени // Инфокоммуникационные технологии. 2021. Т. 19. № 2. С. 187–201.
Пшеничников А.П., Росляков А.В. Будущие сети. Учебник для вузов. М.: Горячая линия−Телеком, 2022. 256 c.
Росляков А.В. Открытые сети радиодоступа OpenRAN // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. № 3. С. 40−49.
IEEE Std 802.1CMde-2020 (Amendment to IEEE Std 802.1CM-2018). Time-Sensitive Networking for Fronthaul. Amendment 1: Enhancements to Fronthaul Profiles to Support New Fronthaul Interface, Synchronization and Syntonization Standards. 2020. 35 р.
Отзывы читателей
