行動用戶/多媒體服務帶動頻寬需求
綜合式行動網路方案順勢成長

2009-08-18

馮國璋

隨著行動用戶數及多媒體應用服務需求的提升，基地台的數量隨之快速成長，並由巨型細胞(Macro Cell)、微型細胞(Micro Cell)演進至超微細胞(Pico Cell)，同時提升頻寬。既已提升頻寬，下一步自然是縮小細胞範圍，並最大化每一用戶使用頻寬之容量。依據Heavy Reading 2009年3月的統計，全球乙太網路骨幹網路(Ethernet Backhaul)僅占2008年四萬五千個基地台中的2%，但預計到2012年時約可占七十五萬個基地台數目中的25%，行動寬頻應用的影響力可見一斑。而整合各種技術、將相關流量話務傳回核心行動機房的議題，即為此次探討重點。本文並希望透過對骨幹網路關鍵技術及方案的討論，提供相關設備研發、網路規畫及營運業者一些參考方向。

行動應用升溫　骨幹網路挑戰加劇

行動骨幹網路(Mobile Backhaul)泛指基地台(Note B或BTS)至核心網路之間的任何電路(圖1)，其中包含以光纖、雙絞線、銅軸或微波等設備所架構的路由器，以及基地台控制系統(BSC)等，皆是提供接取傳輸網路(Access Transmission Network)及都會傳輸網路(Metro Transmission Network)的主要系統。而行動骨幹網路網路的挑戰，主要包含即時多媒體服務與網路複雜度。

資源來源：Ethernet Backhaul Quarterly Market Tracker, Heavy Reading (03/2009)
圖1　行動骨幹網路之定義

即時多媒體服務至為關鍵

隨著行動標準技術的演進，全球微波存取互通介面(WiMAX)及長程演進計畫(LTE)已成為主要趨勢，其所提供的頻寬更已來到下載100Mbit/s、上傳50Mbit/s之譜。而無所不在的即時影音服務，雖已成為生活中重要的娛樂，卻同時考驗行動網路業者對於網路建設的能耐。特別在骨幹網路中，存有分時多工(TDM)、非同步傳輸模式(ATM)、數位用戶迴路(DSL)或點對點(P2P)等混合網路架構，如何滿足用戶高速應用服務的需求，同時整合IP/Ethernet與既有傳統如語音E1/T1、POTS電路，即成為試驗及規畫的重點。

如圖2所示，行動網路提升頻寬的同時，IP/Ethernet也快速成為行動接取網路傳輸的主流；但如何結合2G、3G、3.5G甚至4G網路的相關技術及服務應用才是營運業者思考的重點。

資料來源：Alcatel-Lucent META方案(2008)
圖2　行動應用服務及頻寬需求趨勢

網路複雜性限制大

依據Heavy Reading截至2008年底的統計，行動骨幹網路使用的網路技術包含19%銅線、33%光纖及48%的微波等實體層路由；其中利用乙太網路的方式來傳輸語音及數據、純數據或混合TDM及數據是其中主要的應用。而隨著地域、使用需求與網路技術之差異，營運業者多具備混合型的網路架構(圖3)，依不同時間、網路需求及技術成本等考量，形成各自獨立之接取網路。但在此前提下，隨之而來的網路維護複雜性及受限的擴充性，反成升級為4G網路的最大包袱。

資源來源：European Advanced Network Test Center(2009)
圖3　行動骨幹網路整合應用網路

行動骨幹網路應用普及　關鍵技術不可不知

影響行動骨幹網路相關技術，可以歐洲先進網路測試中心(European Advanced Networking Test Center)對行動互連關鍵技術的分析曲線加以說明(圖4)。其中包含時脈提供方式與時脈恢復方式、數據流量多通訊協定標籤切換(MPLS)、供應商骨幹橋接流量工程(PBB-TE)、Transparent-MPLS、流量品質監控ITU-T Y.1731及都會乙太網路論壇(MEF)10.1對訊框延遲(Frame Delay)、訊框延遲變異(Frame Delay Variation)與訊框遺失率(Frame Loss Ratio)等要求。另外在IEEE 802.1ag中更針對連線障礙管理維護作要求，也形成目前規範的主流。

資料來源：European Advanced Networking Test Center(04/2009)
圖4　行動互連關鍵技術

在數據服務的型態上MEF定義了三種主要項目，包括點對點的乙太網路虛擬私有線路(EVPL)、點對多點的乙太網路樹(ET)及多點對多點的乙太網路私有區域網路(Ethernet Private LAN)，其中對於目前仍具大量需求的語音TDM電路，也以線路模擬服務(CES)方式在符合RFC或MEF標準的形式在乙太網路作提供，透過多樣虛擬電路(Pseudo Wire)格式來滿足多樣化技術所提供之行動骨幹網路電路應用，亦透過服務品質(QoS)的設定來區別不同服務等級及限制其流量頻寬來達到差異化的應用服務。以下針對同步時脈及CES電路技術進一步說明：

同步時脈技術決定服務品質

當傳統TDM電路轉由乙太網路提供時，必須透過精準的同步時脈技術來確保訊號傳輸的品質及穩定性；特別對於高敏感度的語音品質而言，若是沒有較佳的同步訊號源可依循，則會發生語音內容斷續或嚴重延遲等影響。行動基地台更因為對於換手(Handover)要求較為嚴苛，故隨著不同細胞等級的基地台有著不同時脈精確度等級的限制(圖5)。射頻(RF)頻率輸出精確度在Macro型式基地台需求小於+50ppb，在Micro及Femto型式基地台需求小於+100ppb；在行動網路輸入的頻率精準度在Macro型式基地台需求小於+16ppb，在Micro及Femto型式基地台需求小於+33ppb。

資料來源：European Advanced Networking Test Center(04/2009)
圖5　行動時脈關鍵技術

其中，基地台鎖相迴路電路(PLL)依系統有使用溫度補償晶體振盪器(TCXO)、低相位干擾、低漂移的恆溫雙槽高穩晶振盪器(DOCXO)及恆溫控制石英振盪器(OCXO)。同時，不同的行動系統需配合著不同的時脈或頻率的方式作同步，並依循搭配不同的同步技術或設備來達成(表1)。在適用的骨幹網路上有點對點、點對多點的乙太網路、DSL、同步光纖網路同步數位階層(SONET SDH)及光纖被動網路(PON)等。

表1　行動系統同步支援及同步技術一覽表

資料來源：Alcatel-Lucent(2008)

對於符合同步時脈精確度的技術，一般支援的方式有幾種：首先是IEEE1588 PTP，乃由IETF及IEEE1588定義，是一種基於封包型態即時時脈精準同步的協定，特別對於支援單播(Unicast)及群播(Multicast)能力的區域數據網路提供一個以樹狀通訊架構毫秒到奈秒精確等級的時脈能力。依功能區分為給定通訊通道的時脈源的主時脈(Master Clock)，多重通訊通道最佳主時脈中的Grandmaster Clock，依循Master或Grandmaster同步時脈源的從時脈(Slave Clock)，以及避免時脈迴路與混亂樹狀時脈架構的被動時脈(Passive Clock)等類型。由於是依網路封包方式及群播作時脈之傳送，故會占用部分網路的資源，同時也會受到網路品質不良如延遲、封包到達時間差不一致、掉封包等而影響同步訊號之品質；同時也會受到終端對終端調整、使用協定、設定方式及演算法的影響。

第二種則是同步乙太網路(Synchronous Ethernet, Synch. E)，由ITU-T G.8261、G.8262和 G.8264所定義，是一種類似同步及網路同步(Plesiochronous and Network Synchronous)的方式透過乙太網路實體層的位元串流(Bit Stream)來傳遞時脈，與傳統PDH/SONET/SDH PLL方式相似，在每個數據網路設備節點進行時脈回復，具備不受網路延遲、封包抖動及頻寬限制等影響的優點；但每個經過的網路設備必須具備支援Synch. E的功能方能傳遞同步時脈是其限制。

第三種則為大樓綜合時脈供應(BITS)，即傳統透過全球衛星定位系統(GPS)或主要參考時脈(PRC)或同步補給單元(SSU)等同步時脈源作精準時脈的傳遞，直接提供予相關主要設備，依傳輸介接之介面，作不形成迴路方式之時脈傳輸，也是目前提供行動及固網業者主要的同步訊號模式；但隨著網路技術、營收成本及長距離時脈傳遞等綜合要求，逐漸由前述兩項的方案所替換。

接著則是模擬TDM電路時脈回復，其中包含適性時脈回復(ACR)及差分時脈(Differential Timing)。

如圖6所示，兩者的接收端必須配置鎖頻或鎖相迴路電路(FLL/PLL)，或具備精確控制輸出TDM流量的組合式頻率與相位模組。在ACR控制中僅能利用抖動緩衝器(Jitter Buffer)來對輸入有變化的流量作調整，以確保在自由運作(Free Running)時脈的穩定，特別對於來自於數據網路所造成的流量損害(Impairment)如延遲、掉封包及封包延遲變異(PDV)等，是此時脈迴路電路的最大考驗。

資料來源：Aim Vally
圖6　上圖為適性時脈回復技術，下圖為差分時脈回復技術

綜合以上的說明，從表2可看出較完整之概念。將各種時脈模式分別以接收方式、精確度、影響網路流量、受網路損害影響、支援頻率及時間與特殊要求等作比較，原則上皆可適用於行動骨幹相關之TDM/Ethernet網路上，但依據技術趨勢、時脈成本考量、同步時脈精確度對應用服務之要求與網路架構升級以迎合4G網路在資本支出、營運成本要求的不同，將會有著不一樣的建置規畫，一般相信會以混合式的型態出現於行動骨幹網路當中。

CES PW電路決定互連成敗

以下是數據封包格式包覆TDM訊號之技術說明，其中包含SAToP(Structure-Agnostic Transport over Packet)、CESoPSN(Circuit Emulation Services over Packet Switched Network)、PWE3(Pseudo-Wire Emulation Edge-to-Edge)及TDMoIP(TDM over IP)。

SAToP符合IETF RFC 4553、ITU-T Y.1413、MEF 8、MFA 8.0.0等標準，支援非結構式PDH訊號的電路模擬，是一種毋須考量訊框或64kbit/s與DS0時槽之理想傳輸TDM載在相關數據網路中的技術；透過SAToP封包標頭(Packet Header)的加入，即可進行連續N個位元組(Byte)簡單包覆並送入數據交換網路(PSN)。

由於僅須對目的地設備如MAC及相關TDM電路作指定ID等設定，故對於施工及電路服務是一種簡易的供裝模式。須謹慎使用的是，SAToP對於PSN網路映射承載流量的選擇，以及只針對IP/MPLS PSN說明的IETF RFC 4553並未明確地定義，造成即使皆支援此技術但仍須作互連測試加以驗證品質之額外工程。

另一種數據包覆TDM訊號的方式是CESoPSN，由IETF PWE3 CESoPSN Draft、ITU-T Y.1413、MEF 8、MFA 8.0.0等標準所定義。提供較SAToP較佳頻寬效率的技術，它決定哪一個時槽(64kbit/s或DS0通道)將會轉換至數據網路，故對於頻寬受限的網路而言可提高其經濟效益。

一般在行動骨幹網路中大多使用此類方式作TDM訊號的傳輸，原因包括可支援Nx64kbit/s通道結構式PDH訊號的電路模擬、具備多種選擇，包含基本/可延伸Nx64kbit/s、公共通道訊號(CCS)訊令與話務抓取及分析(CCA)、可包覆NxDS0及彈性非連續64kbit/s通道之傳遞、當使用可分割時槽(Fractional)E1時對於沒有被配置到的時槽將不會被傳遞，故可以節省PSN的頻寬，同時亦可彈性地調整時槽之指配、當使用集縮可分割時槽E1時，可以有效節省TDM埠數的使用等。

相關SAToP及CESoPSH傳輸的方式如圖7所示，可明顯比較出在數據網路中傳遞TDM訊號的效率。

資料來源：Alcatel-Lucent(2008)
圖7　CES電路傳輸方式

第三種技術為依據RFC 3985標準所定義的PWE3，是一種在PSN網路中模擬實體層及鏈路層網路(非IP網路協定)的電信服務，其中實體層包含TDM(PDH)、SONET/SDH、鏈路層如ATM、Frame Relay、PPP/HDLC與乙太網路等；而PSN多數以MPLS、IP(v4或v6)、GRE、L2TPv3為主，透過PW的多工傳送至PSN可垂直擴充的傳輸通道中。此外，PW提供一個由終端用戶感知的點對點專屬模擬服務，在其電路上可以支援多重協定之透通傳輸以及對上層協定之接受能力。

第四種TDMoIP技術則是依據ITU-T Y.1413、MEF 8、MFA 4.1及IETF PWE3 TDMoIP Draft標準所定義，原本為提供予ATM網路使用，但卻多使用於PSN網路中，具備包覆NxDS0架構下不論有無通道關聯訊令(CAS)及8位元時槽解析能力的TDM訊號；最後由多家電信系統業者所主推的SAToP/CESoPSN所取代。相關支援CES PW電路標準的參考如表3，其中SAToP、CESoPSN主要由IETF提出，MEF-3、MEF-8由MEF提出，Y.1413由ITU-T提出，而MFA8.0.0由MFA提出等。

表3　CES電路國際標準

資料來源：Alcatel-Lucent(2008)

行動骨幹綜合網路方案正當紅

為了符合行動網路對多媒體應用服務的趨勢，考量整合2G、2.5G、3G、3.5G以及迎合4G IP/MPLS網路架構，同時兼具時脈或頻率精確度及效率之使用，以及透過CES PW電路方式來達成傳統語音TDM訊號與數據IP流量分流(Offload)及相關投入與維護成本費用等需求是相關研發、規畫與建置前所應思考的要項。

一般骨幹網路型態(圖8)包含傳輸NG-SDH、DWDM、數據IP為主的L2/L3設備、微波產品、接取GPON/xDSL以及行動設備本身具備E1及乙太網路等介面系統。依據業者現有網路作擴充，或配合新網路新應用的新增，或取代舊網路及成本考量而再建置的作法是各類產品皆存在的主要因素。目前混合式的網路因基地台用戶數量及應用服務不一，故常同時保持雙絞線或光纖同時存在的網路架構。同時，就一般基地台的需求，具備四路的E1及四路的IP/Ethernet埠即已足夠。