LTE Backhaul
Resumen A medida que los usuarios requieren cada vez más ancho de banda, las redes de telecomunicaciones van evolucionando de manera tal de poder ofrecer todo lo necesario para cubrir esta demanda. Hoy en día cada vez existen más clientes conectados a las diversas redes, con más funcionalidades, más inteligencia, más prestaciones, más exigencias y un apetito cada vez mayor de datos en cantidades nunca vistas. Adicionalmente a estos requerimientos, los usuarios poseen dispositivos que son portables, por lo que no solo se demandan altos anchos de banda, sino que se los busca en todo momento y en todo lugar. Como respuesta a todas estas exigencias, el mercado ha adoptado la tecnología LTE, que ofrece un alto nivel de prestaciones con respuestas a todos los requerimientos que se han enumerado más arriba. Como es de imaginar, para poder hacer frente a tantas exigencias, estas redes LTE tienen un nivel de complejidad nunca visto, con una utilización de la tecnología cada vez más eficiente y coordinada entre todas las partes que conforman la misma. Nuestro trabajo diario está basado en el diseño, la operación y la implementación de estas complejas tecnologías, es por ello que hemos expuesto en este whitepaper, los principales conceptos referentes a esta temática, abordando diferentes escenarios, posibilidades, ventajas e inconvenientes en cada caso, y dando una breve guía de uso según cada opción posible. A quién está dirigido? Hemos preparado este whitepaper pensando en nuestros principales clientes. Por lo que este documento está orientado a aquellos proveedores de internet, carriers, operadores celulares y actores del mercado que quieran brindar a sus clientes un servicio de cuarta generación, y que necesiten conocer las diferencias entre las diferentes opciones a la hora de implementar la red del backhaul para poder hacer llevar la mejor experiencia al usuario final. La experiencia de nuestros profesionales, quienes trabajan día a día con estas tecnologías, ha sido la base de este documento, que tiene carácter de divulgación y orientación para entender estos nuevos conocimientos. No obstante, nos encontramos siempre disponibles para evacuar cualquier consulta que se tenga o para lograr un mayor grado de profundidad en cada tema de los tocados en este documento. Conocimientos mínimos necesarios A fin de entender este documento, se recomienda tener un conocimiento general acerca de redes móviles y de la solución LTE. Como recomendación, creemos que el lector tiene que estar familiarizado con los diferentes tipos de medios de transmisión y soluciones aplicadas relacionadas con las redes de transmisión. La explicación detallada de las capas inferiores de las topologías y sus protocolos no forma parte del alcance de este documento. Ya sea para lograr un mayor detalle de cada tema, o para consolidar los conocimientos necesarios, puede consultarse a los links que figuran al final de este documento o bien contactarse con nosotros por cualquiera de las vías que tenemos para tal fin (teléfono, email, web, redes sociales, etc).... estas redes LTE tienen un nivel de complejidad nunca antes visto, con una utilización de la tecnología cada vez más eficiente y coordinada entre todas las partes que la conforman. 2
1. Introducción La introducción de LTE hizo que fuera necesario realizar un estudio detallado de la red backhaul que permitiera a los operadores conectar los enbs (evolved NodeBs) al MME y al S/P GW, sin que hubiese afectación del servicio y adaptándose a los nuevos requerimientos de la estructura de manera transparente. La red backhaul es el medio de transporte dentro de la RAN (Radio Access Network), entre las estaciones base y los controladores necesarios. El término controlador engloba a los elementos frontera de la red EPC (Evolved Core), como son los MME, SGW y PDN GW en las redes 4G, los RNC en redes 3G y las MSC en redes 2G. La red backhaul es el medio de transporte dentro de la RAN (Radio Access Network), entre las estaciones base y los controladores necesarios. Una red backhaul está compuesta por tres dominios: core, aggregation y access (red de acceso). Los bordes de cada domino son definidos por la tecnología y la topología de cada uno de ellos. La red de acceso se conecta a la BTSs en las celdas generalmente por medio de micro-ondas de radio, aunque también es posible encontrar fibra o coaxial. Se subdividide en primera milla y segunda milla, haciendo referencia a las diferentes topologías físicas que se pueden encontrar dentro del mismo dominio. En la red aggregation, las topologías más comúnmente encontradas son las de anillo o mesh, normalmente sobre conexiones ópticas. La conexión entre controladores y las redes EPC se realiza por medio de dominio del core, el cual es una red IP/MPLS en la mayoría de los casos. Los diferentes dominios se ven definidos en la figura 1. IP / MPLS L2 Carrier TDM WDM Mayormente L2 carrier & TDM Mix de IP/MPLS, Carrier & TDM Mayormente IP/MPLS ACCESS DOMAIN AGGREGATION DOMAIN CORE DOMAIN Figura 1. Dominios de la Red Backhaul (REF: LTE: THE TRIGGER FOR NEXT-GEN BACKHAUL ) 3
2. Requerimientos y principales problemas De acuerdo con el organismo 3GPP, los principales requerimientos de un backhauling 4G son: La red backhaul está basada en paquetes Provee un gran ancho de banda Los nodos se caracterizan por poseer interfaces de alta capacidad y poder realizar QoS con el tráfico recibido Permite OAM end-to-end Soporta los modelos de red y los servicios de transporte de organizaciones como MEF, BBF o IETF La mayor parte del tráfico backhauling sigue un tradicional esquema hub-and-spoke. De este modo, las enbs envían el trafico hacia el core a través de un punto en común. Sin embargo, se introduce una nueva interfaz, llamada, para comunicar las BTSs entre sí cuando se produce en handover entre ellas, tal como como se puede apreciar en la siguiente figura. agw agw S-GW S-GW MME S-GW Figura 2. Interfaces enb (REF: LTE BACKHAUL: MEETING OPERATOR REQUIREMENTS ) enb enb enb Uno de los puntos más críticos de la implantación de LTE es la transformación de las redes tradicionales (basadas en tecnologías legacy como TDM o ATM) en redes all-packet. Una de las formas de abordar este delicado punto de la migración es desplegar una red LTE que coexista con la red actual hasta que el cambio sea completo. Para llevar esto a cabo, la migración podría basarse en un dominio de aggregation compuesto por una red que simplifique la interconexión de las redes existentes y permita seguir el modelo de hub-and-spoke entre controladores RAN o componentes EPC y las estaciones base (figura 3). Otra aproximación podría ser el adoptar como la tecnología de trasporte común de la red de backhaul, desde la celda del sitio hasta la red de aggregation, usando tan solo una red. El principal impacto es el upgrade a de cada uno de los elementos de red y de las estaciones base, incluso aunque y el transporte legacy puedan coexistir en el mismo dominio de acceso (aproximación híbrida). Los servicios legacy son mapeados a la capa por medio de pseudowires o VLANS. El dominio aggregation podría seguir utilizando SDH colocando sobre éste (figura 4). / legacy / legacy / legacy SDH / ATM IP / MPLS ACCESS AGGREGATION ACCESS AGGREGATION Figura 3. Red basada en circuitos Figura 4. Red mixta basada en circuitos y en paquetes 4
Una última aproximación para convertir el backhaul en una red basada en paquetes es desarrollar VPNs viajando sobre MPLS, desde la celda hasta los nodos del borde del core, pudiendo seguir existiendo como la capa más baja. Con este método se podría usar hub-and-spoke, anillo o mesh (figura 5). IP / MPLS IP / MPLS IP / MPLS ACCESS AGGREGATION Figura 5. Red basada en paquetes 5
3.Configuración de la RAN La mayor parte de las estaciones base pueden asociar de forma flexible las aplicaciones de las enbs a una de las dos siguientes opciones: Direcciones de las interfaces del enb Direcciones de loopback de las enb Esto permite a las estaciones base ser configuradas en función de los servicios de transporte ofrecidos por la red backhaul y a separar el tráfico según sus necesidades (control, usuario, sincronización o management). Las direcciones de las interfaces IP de las enbs pueden ser asignadas a: Una o más interfaces físicas (puertos ) Una o más interfaces lógicas (VLANs) 6
4. Escenarios de Backhauling LTE Por simplicidad, todos los escenarios expuestos a continuación han sido definidos sobre (IEEE 802.3), ya que esta es la tecnología base sobre la que las redes backhaul van a ser asentadas. Las interfaces para las estaciones base y los diferentes controladores también están basados en para el presente estudio. Es importante destacar la diferencia existente entre MPLS y MPLS-TP. Como más adelante se verá, el uso de una u otra de estas tecnologías está estrechamente relacionado con el dominio del que se trate, debido a las diferentes características de cada una de ellas. No se ahondará en el funcionamiento de MPLS sino que directamente se estudiarán las diferencias entre ambos protocolos. Puede decirse que MPLS-TP es creado para poder usar MPLS como un protocolo de transporte más robusto. Las principales diferencias entre uno y otro son: En MPLS la creación de los caminos es unidireccional. Esto significa que el paquete no tiene por qué seguir el mismo LSP para ir de A a B que de B a A. En MPLS-TP estos paths tienen que ser congruentes, es decir, iguales a la ida y a la vuelta. De esta manera se puede avisar al origen de que, por la razón que sea, un nodo intermedio es inaccesible. MPLS-TP elimina PHP, LSP merge y ECMP. MPLS añade determinismo, OAM y aprovisionamiento estático de caminos congruentes. En resumen, MPLS-TP provee a los clientes más flexibilidad, determinismo, resistencia y predictibilidad. Por lo general MPLS-TP es usado en la red de acceso o point-to-point, mientras que IP/MPLS es usado en la red aggregation. 4.1 Carrier Esta primera opción utiliza como el medio de transporte sobre el que viajan el tráfico y el, tanto en la red de acceso como en la de aggregation. Service / Networking plane ACCESS AGGREGATION CORE enb First mile Second mile Aggregation Core Controller IP MEF EVC VLAN - based Service Layer, ej: E-Line o E-LAN) any network / DWDM Figura 6. Carrier 4.2 Carrier + L2/L3 VPN En este caso se usa para la red de acceso pero en la red aggregation nos encontraremos con una topología en anillo o mesh, lo cual hace que sea común encontrarse con MPLS como la tecnología utilizada para el dominio de aggregation. La siguiente figura muestra la arquitectura. En el dominio de la red aggregation DWDM puede encontrarse como alternativa o en conjunto con, mientras que MPLS es el protocolo elegido para transportar las VPN L2 o L3 por medio de pseudowires o LSPs. Considerando que en la red de acceso se sigue usando, es necesario que exista un nodo de borde entre el domino de acceso y de aggregation que traduzca las VLANs a la tecnología correspondiente. Otra alternativa puede ser el uso de, en lugar de las VLANs, MPLS-TP en la red de acceso y en la red aggregation para realizar L2 VPNs punto a punto. La red de acceso puede tener cualquier tipo de tecnología física, dejando a su cargo los métodos de protección, mientras que en el dominio aggregation MPLS se encarga de ello. End-to-end OAM se consigue mediante el pseudowire en conjunto con OAM. Es común encontrar en la red de acceso una topología como la estudiada en el escenario anterior, pero con un dominio aggregation basado en metro o SDH para formar una topología en mesh o anillo. 7
Service / Networking plane enb ACCESS AGGREGATION CORE First mile Second mile Aggregation Core Controller IP MEF EVC VLAN - based Service Layer L2 / L3 VPN IP / MPLS any network / DWDM Figura 7. Carrier + L2/L3 VPN 4.3 MPLS en el acceso + L2/L3 VPN Esta opción basa el backhaul en el uso de MPLS en todos sus dominios. En la red de acceso se puede usar MPLS o MPLS-TP para introducir las conexiones punto a punto dentro de las VPNs existentes en la red aggregation. Es otra forma de encarar redes con una topología como la del caso anterior. Service / Networking plane enb ACCESS AGGREGATION CORE First mile Second mile Aggregation Core Controller IP MEF EVC MPLS / MPLS - TP L2 / L3 VPN IP / MPLS any network / DWDM Figura 8. MPLS + L2/L3 VPN 4.4 L2/L3 VPN en el acceso + L2/L3 VPN en agregación Esta es una variación del escenario anterior, en la cual se El caso de uso típico de esta configuración es el de aquellas añade la opción de segregar el tráfico mediante VPNs junto redes en las que el dominio de acceso tiene una topología de con el uso de MPLS. Se pueden crear diferentes combinaciones anillo o mesh basado en fibra o micro ondas mientras que la red de VPNs pero lo más común es tener una VPN L2 en la red de aggregation se basa en anillo o mesh pero a través de o acceso y una VPN L3 en la red aggregation. End-to-end OAM se SDH. consigue mediante combinación de diferentes herramientas de los pseudowires y los LSPs. 8
Service / Networking plane enb ACCESS AGGREGATION CORE First mile Second mile Aggregation Core Controller IP L2 / L3 VPN MPLS / MPLS - TP L2 / L3 VPN IP / MPLS any network / DWDM Figura 9. L2/L3 VPN en red acceso y red aggregation 4.5 End-to-End Pseudowire En este escenario se combina el tener un servicio end-to-end a través de diferentes segmentos del mismo pseudowire pero manteniendo diferentes dominios de seguridad y transporte, teniendo un nodo en el borde acceso/aggregation que finalice o switchee los pseudowires. En este caso la implementación típica es la de aquellas redes con un acceso basado en árbol o anillo por medio de fibra o micro ondas y el dominio aggregation se conecta por medio de metro o SDH con topologías de anillo o mesh. Service / Networking plane enb ACCESS AGGREGATION CORE First mile Second mile Aggregation Core Controller IP MS - PW MPLS / MPLS - TP / VLAN MS - PW MPLS / MPLS - TP any network / DWDM Figura 10. End-toEnd Pseudowire 9
4.6 Full L3 Esta arquitectura está basada en el uso de MPLS/MPLS-TP como medio de transporte desde la enb hasta el MME y los S/P-GWs, sobre el que se habilitará una VPN. En este caso la red de acceso y de aggregation se trata como una sola. La siguiente figura ejemplifica el escenario. El caso más común para el uso de este escenario es aquel con un acceso tipo mesh basado en fibra o micro ondas, mientras que la red aggregation puede ser de tipo mesh o anillo por medio de metro o SDH. Service / Networking plane enb ACCESS AGGREGATION CORE First mile Second mile Aggregation Core Controller IP Pseudo wire any network MPLS / MPLS - TP / DWDM Figura 11. Full L3 10
5. Conclusión En este documento se ha introducido el concepto de LTE backhauling para más adelante poder discutir sobre las diferentes formas de implementación posibles en función de las necesidades del operador. Un amplio abanico de posibilidades, infraestructuras y funcionalidades son ofrecidas en el backhaul de LTE, como se observa en la figura 12. Es clave no quedarse atrás en lo que al mercado 3G y 4G respecta si se tiene en cuenta el rápido crecimiento de los últimos dos años, así como el aún más importante crecimiento previsto para el futuro próximo (duplicando cada dos años el número de usuarios y llegando a superar el billón de suscriptores a finales de esta década). La situación actual del mundo de las comunicaciones móviles apunta a la evolución de LTE con el objetivo de alcanzar una mejor, más rápida y eficiente comunicación global. Esto permitirá dar el próximo paso hacia la siguiente etapa, visible ya en el horizonte de las telecomunicaciones: LTE-Advanced. SERVICE DELIVERY Los nuevos requerimientos de ancho de banda de LTE hace que sean necesarias nuevas aproximaciones para poder transportar las señales hasta el core de la red usando un backhaul basado en una arquitectura all-packet. Es importante realizar una migración en la que, en un principio, puedan convivir más de una topología y así evitar una interrupción del servicio, haciendo la llegada del concepto LTE lo más transparente posible. Las arquitecturas de red tienden a convertirse en más dinámicas mientras que los nodos entre dominios a ser menos rígidos. Antes de realizar algún cambio del diseño de arquitectura, los operadores deben crear una lista con los requerimientos buscados a la hora de desarrollar la nueva red LTE para poder llegar a una solución óptima en el menor tiempo posible y de la manera más transparente. Nuestros profesionales trabajan día a día en el diseño, operación e implementación de estas tecnologías, y se encuentran siempre disponibles ante cualquier consulta sobre los temas tratados en este documento. Para ello lo invitamos a revisar las referencias de este documento donde encontrará links relacionados o a contactarse con nosotros por medio de cualquiera de nuestros canales de comunicación (sitio web, email, redes sociales). Mobile Backhaul Services Service assunce TRANSPORT NETWORK FUNCTIONALITIES Hard CoS/QoS Resiliency & restoration Traffic management Synch and Clock transfer Forwarding Performance management Fault management Ring topology Security & customer separation MANAGEMENT ACCESS INSFRASTRUCTURE MPLS/MPLS-TP IP DSL PDH SDH Fiber GPON Radio Figura 12. Redes de Transporte y Funcionalidades de un backhaul LTE (REF: LTE BACKHAUL: MEETING OPERATOR REQUIREMENTS ) 11
6. Referencias [1] LTE Backhauling Deployment Scenarios, NGMN Alliance Whitepaper, Julio 2011 [2] LTE Backhaul: Meeting Operator Requirements, RAD Data Communications, Nov 2009 [3] LTE: The Trigger for Next-Gen Backhaul, Heavy Reading and Juniper, Agosto 2013 Links relacionados SERVICIOS PROFESIONALES IQUALL http://www.iquall.net/es/servicios/servicios-profesionales/ CAPACITACIÓN DE TECNOLOGÍA http://www.iquall.net/es/capacitacion/agnosticos-tecnologia/fundamentos-de-redes-moviles-mov-f.html http://www.iquall.net/es/capacitacion/agnosticos-tecnologia/redes-de-datos-moviles-backbone-y-backhaul-mov-rd.html http://www.iquall.net/es/capacitacion/agnosticos-tecnologia/mensajeria-en-redes-moviles-mov-msg.html http://www.iquall.net/es/capacitacion/agnosticos-tecnologia/evolucion-de-la-red-movil-en-lte-y-lte-advanced-mov-lte.html Iquall S.A. 2014 Teléfono +54 11 4855 6041 www.iquall.net 12