Сети Нового Поколения

Семейство технологий доступа, использующее телефонные абонентские кабели, называют DSL ( Digital Subscriber Loop ) или ЦСПАЛ (цифровая система передачи по абонентским линиям). Схему организации канала широкополосного доступа в оборудовании DSL можно представить так, как изображено на рис. 3.4. Как следует из рисунка, технологически все решения DSL представляют собой замкнутые системы. На концах телефонной линии устанавливаются модемы DSL , которые преобразуют цифровой поток данных в модулированный сигнал. На выходе системы пользователям предоставляются стандартные интерфейсы передачи данных: El , V .35/ V .24, USB или Ethernet . Но внутри области решения DSL разработчик может использовать разные принципы и методы модуляции цифрового сигнала. Таким образом, за исключением некоторых технологий ( ADSL , ADSL 2+, VDSL ), в технологии DSL совместимость модемов не требуется. В [18] технологии DSL были классифицированы по различным принципам, заложенным в основу технических решений. Для нашего исследования нет необходимости погружаться в проблематику столь глубоко. Достаточно заменить, что все решения DSL делятся на симметричные и асимметричные. Технологии IDSL , HDSL , SDSL , MDSL , G . SHDSL . Данные технологии симметричного доступа широко используют для цифровизации старых аналоговых систем передачи. Для работы оборудования необходимы одна или несколько телефонных пар, а на выходе формируется симметричный канал (обычно Е1 — 2048 кбит/с) (рис. 3.5). Первой технологией симметричного доступа DSL , получившей распространение в России, стала технология HDSL [5, 18, 19]. В этой технологии предусматривалось использование от одной до трех телефонных пар для формирования симметричного цифрового капала разной пропускной способности (рис. 3.6).

Рис.3.5.Формирование канала симметричного доступа

Наибольшее распространение получили различные модификации HDSL с использованием одной телефонной пары. Здесь разработка шла в двух направлениях. Одна группа разработчиков использовала разные методы модуляции (2 B 1 Q . САР и пр.) для формирования потока с постоянной скоростью [5, 19]. Так появились технологии 1 DSL и HDSL разного типа. Альтернативным подходом стала разработка технологий симметричного доступа, обеспечивающих переменную скорость цифровой передачи в зависимости от состояния кабельной пары. Оборудование этого типа диагностирует состояние пары и устанавливает максимально возможную скорость передачи. Так появились технологии MDSL , MSDSL и SDSL . В настоящее время оба подхода были объединены под единой технологией симметричного доступа G . SHDSL , которая в настоящее время является одной из лидирующих технологий мирового рынка NGN . Технологии ADSL , ADSL 2, ADSL 2+, RE - ADSL . Технологии симметричного доступа были изначально ориентированы на решение задачи цифровизации сетей и редко использовались для предоставления широкополосного доступа отдельным пользователям. Для этого более удобен асимметричный доступ, который в современных сетях NGN применяется для организации связи «клиент-сервер». В традиционных услугах, таких как доступ в Интернет, электронная почта, IPTV , интерактивные игры и пр., всегда возникает асимметричность обмена данными: данные от пользователя представляют собой по большей части запрос па предоставление информации, данные от сервера - запрошенную информацию. Как следствие, объем данных от пользователя в среднем значительно меньше, чем от сервера. Развитие технологии асимметричного доступа привело к созданию семейства технологий ADSL , которые доминируют в мировой практике в качестве технологии широкополосного доступа NGN . Технология ADSL отличается от других DSL -техпологий тем, что ее структура, используемый принцип модуляции ( DMT ), а также архитектура протоколов стандартизированы, так что оборудование разных производителей оказывается совместимым. ADSL изначально ориентировалась на использование телефонных абонентских пар. Успех этой технологии во многом связан с эффективной методикой совмещения обычной телефонной сети и сети ADSL (рис. 3.7). В АТС устанавливается станционное окончание ADSL — DSLAM . Рядом с ним, а также па стороне абонента устанавливаются разветвители (сплиттеры), которые разделяют сигнал традиционной телефонии и высокочастотный сигнал ADSL . В результате связь АТС - телефон остается рабочей, но появляется новая связь модем - DSLAM . которая обеспечивает широкополосный доступ.

В основе типовой схемы абонентского подключения лежит частотное разделение сигналов на три диапазона (рис. 3.8): традиционная телефония, линии ADSL вверх (от абонента) и вниз. Поскольку объем данных от абонента к сети заведомо меньше, чем объем данных от сети к абоненту, для передачи данных по линии вверх отводится меньший частотный

диапазон. В первой версии технологии ADSL предполагалось использовать общий диапазон до 1,1 МГц, но в новых версиях стандарта ADSL 2+ диапазон был расширен до 2,2 МГц. Еще одним преимуществом технологии ADSL является стандартизированный стек околов, который обеспечивает совместимость сегментов ADSL с другими системами NGN . Технология ADSL не ограничивается только физическим и канальным уровнем, но и выполняет преобразование данных от оборудования оконечного пользователя (СРЕ), те. компьютера, до сервера Интернет-провайдера ( ISP ).

На рис. 3.9 показана цепочка различных устройств, участвующих в процессе передачи данных от абонента к сети, в частности сети Интернет, и наиболее частая схема взаимодействия протоколов. Данные пользователя передаются в виде запросов по протоколу верхнего уровня H ТТР, который используется в Интернете. Для передачи данных кадры HTTP упаковываются в транспортные кадры TCP/IP и передаются па модем ADSL . Для этого могут использоваться различные интерфейсы обмена, наиболее часто — Ethernet или USB . Роль модема ADSL состоит в том, чтобы преобразовать данные пользователя в формат, удобный для передачи через ADSL . Модем не работает с данными верхних уровней, для него существуют только кадры TCP/IP. Для передачи кадров но цепи абонентского доступа модем формирует четырехуровневую структуру ADSL , включающую физический уровень протокола ADSL , канальный уровень на основе ATM , уровень РРР для контроля связности канала в режиме «точка-точка» и собственно TCP/IP. Сформированные в модеме кадры ADSL в виде модулированного сигнала поступают в используемую для передачи телефонную линию и передаются на DSLAM . Обычно на один DSLAM приходится несколько (иногда несколько сотен) подключений модемов. В современной концепции NGN технология ATM сохранена только как служебная, а ячейки ATM преобразуются в данные на основе TCP/IP. Для этой цели в состав цепи абонентского доступа был включен сервер широкополосного удаленного доступа BRAS ( Broadband Remote Access Server ). Это устройство представляет собой оконечный маршрутизатор IP для интеллектуального управления широкополосным доступом. BRAS позволяет управлять параметрами трафика от пользователей ADSL на уровне капала передачи данных пакетного трафика. Например, регулирование скорости передачи данных от пользователя в сеть осуществляется именно BRAS .

В настоящее время операторы сетей доступа DSL для ограничения прямого и обратного трафика используют на узлах доступа ATM фиксированные профили скоростей, что можно реализовать без помощи BRAS . Но на перспективу для предоставления адаптируемой пропускной способности будут необходимы более тонко настраиваемые механизмы, и реализовать такие функции без оконечного мультиплексора затруднительно. Развитие технологии ADSL привело к появлению семейства из четырех технологий, выполняющих разные функции: ADSL , ADSL 2, ADSL 2+ и RE - ADSL 2 [3]. В технологии ADSL максимальная полоса передачи по линии вниз составляет 8 Мбит/с, тогда как минимальными требованиями систем Triple Play являлась скорость 24 Мбит/с. По этой причине стандарты были модифицированы. Несколько новых алгоритмов позволили оптимизировать структуру ADSL и улучшить технические показатели технологии. Так появилась технология ADSL 2. Затем эта технология использовалась как каркас для решения двух совершенно разных задач. С одной стороны, на небольших расстояниях требовалось увеличить скорость передачи, что привело к появлению ADSL 2+, с другой стороны, нужно было при той же самой скорости передачи повысить помехоустойчивость широкополосного доступа на длинных линиях, что привело к появлению технологии RE - ADSL 2.

Рис. 3.12. Сравнение скоростей передачи данных по линии вниз для технологии ADSL и VDSL

Рсистемы широкополосного доступа на основе стандартов IEEE 802.11/802.16 со скоростью передачи от 10 до 70 Мбит/с, куда вошли доминирующие в настоящее время технологии Wi - Fi и WiMAX ;

• системы сверхширокополосного доступа ( UWB ) со скоростью передачи 100 Мбит/с и выше.

Очевидно, что для современного развития сетей NGN подходят только технологии четвертого и пятого поколений. Системы второго и третьего поколений могут применяться в качестве средства доступа для нетребовательных абонентов, демократичность NGN позволяет применять и такие решения. Обобщенная структура системы радиодоступа представлена на рис. 3.15. Абоненты широкополосного доступа подключаются к радиосети с использованием абонентских устройств (радиомодемов), на вход которых подаются абонентские данные, а па выходе формируется абонентский радиосигнал. Абонентские устройства могут выполняться в виде карт PCMCIA или в виде внешних устройств. Радиосигнал передается на базовую станцию системы радиодоступа, где преобразуется

снова в данные пользователя. Базовые станции системы радиодосту-па объединяются через каналы проводной сети, образуя опорную сеть системы, в которой решаются вопросы коммутации, маршрутизации, авторизации пользователей, биллинга и пр. Через одну или несколько точек присутствия (линейный интерфейс) опорная сеть подключается к транспортной сети NGN . Таким образом решается задача организации широкополосного доступа. Системы радиодоступа отличаются параметрами радиоинтерфейса, зоной охвата сети и параметрами линейного интерфейса. Размер зоны охвата разделяет все системы доступа на пять категорий: глобальные ( WAN ), региональные сети ( RAN ), городские ( MAN ), локальные ( LAN ) и персональные сети ( PAN ). Зона покрытия систем радиодоступа разделяется на соты, каждая из которых обеспечивает покрытие от отдельной базовой станции. Системы радиодоступа могут быть односотовыми и многосотовыми. По размеру соты системы радиодоступа разделяются на три категории:

• макросотовые сети с размером соты до 30 км;
• микросотовые сети с размером соты до 3 км;
• пикосотовые сети с размером соты до 100 м.

Технология макросотовых сетей используется для развертывания сетей WAN , RAN и MAN . Микросотовые технологии используются в сетях LAN и MAN . Б персональных сетях ( PAN ) используется технология пикосотовых сетей. Основными параметрами радиоинтерфейса являются рабочий диапазон сигналов, метод разделения каналов и принципы модуляции. На рис. 3.16 представлены возможные диапазоны работы аналоговых и цифровы x систем радиодоступа и используемые в них принципы разделения каналов. Как видно из рисунка, современные системы радиодоступа отличаются многообразием решений, большая часть из которых (выделена на рисунке) может эффективно использоваться в качестве средств доступа в современных сетях NGN . Из перспективных технологий радиодоступа, которые легко интегрируются в современные сети NGN и рассматриваются как авангард

развития современных систем радиодоступа, рассмотрим две технологии: Wi - Fi и WiMAX . Технология Wi - Fi . Первоначально эта технология была изобретена для создания беспроводных LAN , но сейчас она все чаше используется как технология доступа пользователей в Интернет. До последнего времени сферой приложения этой технологии являлись комнатные сети, особенно в случае, если в семье несколько пользователей Интернета. Сейчас Wi - Fi начинает эффективно использоваться для создания MAN , RAN и даже WAN . Технология Wi - Fi интересна в концепции NGN тем, что дает быстрый эффект. Одна базовая станция сети ( holspot ) системы Wi - Fi может дать широкополосный доступ десяткам абонентов сразу, причем с довольно большими скоростями. Минимальные вложения (отсутствие абонентской проводки) в сочетании с реальной возможностью «притянуть» довольно внушительный трафик — все это делает Wi - Fi интересной технологией доступа самого широкого применения. Wi - Fi часто применяется в качестве системы доступа в публичных местах (Интернет-кафе, стадионы, аэропорты, вокзалы, супермаркеты, отели и пр.). Тот факт, что в современных ноутбуках и карманных компьютерах (КПК) реализованы функции Wi - Fi , облегчает применение этой технологии в публичных местах. Техногенные зоны, оснащенные системой Wi - Fi , позволяют эффективно использовать эту технологию в различных системах телемеханики и т.н.

В настоящее время во всем мире идет процесс объединения зон Wi - Fi и создание больших сетей Wi - Fi с функцией роуминга. Примером такого применения технологии Wi - Fi может служить сеть McDonald ' s , которая насчитывает уже более 6000 hotspot в мире. Появились также национальные и международные Wi - Fi -операторы, первым примером которых можно назвать Swisscora Eurospot (сети аэропортов, ресторанов. ба po в и пр.), которая покрывает территорию всего Евросоюза. В России наиболее крупным проектом в области технологии Wi - Fi является сеть Golden Wi - Fi оператора Golden Telecom . В качестве первых задач развития этой сети на 2007-2008 гг. обозначено создание городских зон покрытия Москвы и С-Петербурга, причем в Москве планируется почти полная зона покрытия (рис. 3.17), В настоящее время технология Wi - Fi в полной мере адаптирована с концепции «мобильный Интернет», что заставляет даже скептиков и консерваторов присмотреться к этой технологии. Таким образом, Wi - Fi — это очень важный метод организации сети доступа, имеющий все нюансы стать едва ли не доминирующим. Современная сетевая технология коммерческого Wi - Fi предполагает разделение сети на две подсистемы: подсистемы сбора трафика в виде «пятен» ( hotspot ), размещаемых в точках, где можно «встретить» пользователей, и подсистемы управления, где содержится сервер идентифи

кации пользователей, сервер биллинга, Web -портал управления сервисом, сервер авторизации Radius и пр. Hotspot соединяются между собой через маршрутизаторы или через Интернет. Каждый пользователь, прежде чем получит доступ к коммерческой услуге, должен пройти процедуру авторизации, связанную с бил-лингом. Для этого он получает доступ к Web -порталу идентификации, где регистрирует свои права (например, активирует карточку оплаты). Теперь он может пользоваться всеми услугами широкополосного доступа, пока на его счету остаются средства. Внутри hotspot система может иметь внутренние коммутаторы и самое главное - отдельный контроллер доступа, который выполняет роль интерфейса между всеми пользователями hotspot и распределенной сетью Wi - Fi (рис. 3.18), это особенно касается неоднородных зон покрытия сетью Wi - Fi (например, аэропортов, отелей, бизнес-центров и пр.). Информация об услугах и их состоянии доступна на портале hotspot в рамках всего Web -портала сети. Чтобы пользователь получил доступ к услугам сети Wi - Fi , его запрос должен пройти последовательно три элемента сети: контроллер доступа, сервер управления Radius и Web -портал идентификации. Как следует из рис. 3.19, процедура идентификации пользователя (процедура AAA ) представляет собой сложный алгоритм, ориентированный на при

менение специальных протоколов сигнализации верхнего уровня. Для систем радиодоступа разработаны несколько таких алгоритмов [18]. Подробное исследование процедур AAA в системах беспроводного доступа было сделано в [19], где показана специфика процедур идентификации, авторизации, биллинга и связанных с ними процедур роуминга. Параметры радиоинтерфейса систем Wi - Fi предложены в стандартах WLAN IEEE 802.11 a / b / g / h / j / n . В этих стандартах предусмотрено два диапазона работы систем Wi - Fi : 2,4...2,5 ГГц (для IEEE 802.11 b / g ) а 4,9...5,9 ГГц (остальные стандарты). Скорость обмена данными в системе Wi - Fi может быть в зависимости от стандарта 11, 50 и более 100 Мбит/с (для нового стандарта IEEE 802.11 n ). В системах может приценяться симметричный обмен данными либо асимметричный, напоминающий режим ADSL или PON . Технология Wi - Fi интересна для нашего исследования не только в силу своей перспективности, но и поскольку дает представление о принципах функционирования систем радиодоступа четвертого поколения, в том числе и технологии WiMAX . Технология WiMAX напоминает технологию Wi - Fi по структуре. WiMAX описывается стандартом IEEE 802.16е. В качестве примера на рис. 3.20 представлена конфигурация технического решения сети WiMAX компании Nortel . Как следует из рисунка, в системе WiMAX

существует опорная радиосистема, включающая в себя абонентские устройства и базовые станции, объединенные в систему сотового покрытия, а также проводная компонента, где имеются шлюзы с сетями общего пользования, серверы авторизации, идентификации ( Radius ), управления, коммутации и пр. Поскольку технология WiMAX изначально была ориентирована на создание сетей доступа MAN и более широкого масштаба, архитектура управляющих элементов в пей проработана глубже, чем в Wi - Fi . и включает в себя элементы уровня управления и коммутации систем NGN ( Softswitch , IMS — см. ниже). По этой причине схема на рис. 3.20 оказывается сложнее схемы на рис. 3.19, хотя набор компонентов сетей радиодоступа почти идентичен. Технологии Wi - Fi и WiMAX отличаются не только сложностью структуры сети, но и частотным диапазоном, размером сот, процедурами AAA , а также специальными технологическими решениями, обеспечивающими функции мобильности абонентов. Имеются и другие отлития технологий WiMAX и Wi - Fi . которые проанализированы в [20]. Как следует из таблицы, технология WiMAX выглядит более перспективной для создания крупных сетей радиодоступа. В то же время технология Wi - Fi позволяет создавать небольшие «очаги» систем радиодоступа в наиболее популярных точках современных городов. С учетом рассмотренной выше тенденции технологии Wi - Fi и WiMAX в настоящее время можно рассматривать как две конкурентных технологии. В данном случае, как и в системах проводных сетей доступа, существуют две альтернативных бизнес-модели развертывания сети. Оператор может начать развивать сети доступа от абонента на основе технологии Wi - Fi . В таком случае стратегия «захвата города» будет состоять в том, чтобы охватить hotspot 'ами наиболее посещаемые места города, затем установить роуминг по всей сети, чтобы абонент мог работать в тюбом публичном месте, и постепенно расширять зону присутствия на менее популярные места досуга. Таким образом, мы получаем бизнес-модель постепенного «выращивания бизнеса», довольно скромные начальные инвестиции в проект и последовательное движение «снизу». Технология WiMAX предлагает инвестиционную бизнес-модель, развертывая сеть радиодоступа так, чтобы она накрыла территорию всего города. а после этого начинается сбор трафика от городских жителей. Если провести параллель с проводными технологиями широкополосного доступа, то эквивалентом технологии Wi - Fi по использованию бизнес-модели могут служить сети домашнего Ethernet , а эквивалентом технологии WiMAX - инвестиционные проекты DSL и PON . Указанные аналогии совершенно не случайны. Операторы домашнего Ethernet часто используют технологию Wi - Fi для минимизации расходов на абонентскую сеть внутри здания. Точно так же крупные операторы параллельно с развитием сетей DSL и PON в последнее время все чаще используют технологии стандарта IEEE 802.16 и всерьез присматриваются к технологии WiMAX .