摘 要：隨著3G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模的應(yīng)用和LTE部署的臨近，大帶寬的需求普遍應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層級(jí)，網(wǎng)絡(luò)IP化將是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。微波作為移動(dòng)回傳的主力應(yīng)用，在調(diào)制模式和頻率資源限制的條件下，如何做到帶寬迅速提升成為業(yè)界的挑戰(zhàn)和關(guān)注。IP微波幀頭壓縮技術(shù)在此時(shí)應(yīng)運(yùn)而生，其通過將微波中傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)幀中重復(fù)傳遞而不發(fā)生變化的內(nèi)容在微波發(fā)送端用短字節(jié)替代，從而大幅度提升微波傳輸?shù)挠行ё止?jié)，提升單載波的IP業(yè)務(wù)傳送能力，在短字節(jié)時(shí)吞吐量提升最高可至每載波1Gb/s水平(業(yè)界最高普遍為400Mb/s左右每載波),很好地減輕了運(yùn)營(yíng)商所面臨數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)迅速增長(zhǎng)所帶來的壓力。 本文就華為IP微波幀頭壓縮技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)帶寬的提升及其應(yīng)用價(jià)值為讀者闡述。
前言
隨著3G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模的應(yīng)用和LTE部署的臨近，移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)也向IP化演進(jìn)，IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅猛增長(zhǎng)，使數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在當(dāng)前移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的流量占比越來越高，加上數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展性強(qiáng)，對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展性也提出了較高的要求。傳統(tǒng)微波的承載能力不能滿足帶寬需求的增長(zhǎng)速度，如何快速提升數(shù)據(jù)吞吐量是微波行業(yè)普遍關(guān)注的課題。
目前業(yè)界用于解決微波帶寬問題的主流應(yīng)用有XPIC（交叉極化干擾抵消）技術(shù)、 AM(自適應(yīng)調(diào)制技術(shù))、以及空口LAG和高調(diào)（1024QAM）等技術(shù)。華為在擁有了這些提升帶寬的微波技術(shù)后，再次發(fā)力，實(shí)現(xiàn)了IP微波的幀頭壓縮技術(shù)，進(jìn)一步推進(jìn)了微波承載帶寬提升的速度。其通過將微波中傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)幀中重復(fù)傳遞而不發(fā)生變化的內(nèi)容在微波發(fā)送端用短字節(jié)替代，在接收端將相應(yīng)的內(nèi)容恢復(fù)，從而大幅度提升單載波的IP業(yè)務(wù)傳送能力。業(yè)界微波每載波的容量最大為400Mb/s左右，在使用IP微波幀頭壓縮技術(shù)的情況下，短字節(jié)時(shí)最高可提升至每載波1Gb/s水平。其對(duì)帶寬傳輸效率的提升，很好地減輕了運(yùn)營(yíng)商所面臨數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)迅速增長(zhǎng)所帶來的壓力。
技術(shù)和方案介紹
2.1以太幀頭壓縮的實(shí)現(xiàn)原理
在普通的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的點(diǎn)到點(diǎn)的業(yè)務(wù)傳送過程中，對(duì)于同一條數(shù)據(jù)流，存在大量重復(fù)傳輸?shù)姆庋b字節(jié)，如MAC地址、Type域、VLAN標(biāo)簽，IP/UDP頭中的地址和類型等，而這些封裝字節(jié)在傳輸?shù)倪^程中是不發(fā)生變化的。目前數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)大多采用主流的802.3以太網(wǎng)幀，其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：
圖2-1. 802.3以太幀結(jié)構(gòu)
微波幀頭壓縮技術(shù)將以太業(yè)務(wù)根據(jù)頭格式中地址/類型/標(biāo)簽等字段區(qū)分為不同的業(yè)務(wù)流，具有相同字段的報(bào)文定義為一個(gè)流，這些相同字段被稱為關(guān)鍵字。在業(yè)務(wù)發(fā)送端，壓縮算法將這些關(guān)鍵字映射為流對(duì)應(yīng)的一個(gè)上下文ID號(hào)，在業(yè)務(wù)接收端，再將ID號(hào)還原為對(duì)應(yīng)的字段，這樣就實(shí)現(xiàn)了頭的壓縮傳送。
以二層以太頭壓縮為例，了解壓縮實(shí)現(xiàn)過程，如圖3-2所示：
注：N表示鏈路封裝頭字節(jié)長(zhǎng)度，與包長(zhǎng)有關(guān);M表示壓縮ID的長(zhǎng)度，值恒定。
壓縮過程分為3個(gè)過程：
壓縮學(xué)習(xí)：在發(fā)送端動(dòng)態(tài)識(shí)別要壓縮的字段，分配壓縮ID，然后跟接收端協(xié)商，確保收到后，才會(huì)對(duì)報(bào)文進(jìn)行壓縮。采用類似于RFC1533的協(xié)商機(jī)制，原因在于微波處于傳送層面，一旦出錯(cuò)誤壓縮造成收端無法識(shí)別，會(huì)連續(xù)解壓出錯(cuò)；同時(shí)通過空口傳遞可能會(huì)出錯(cuò)，因此使用握手同步壓縮可以保證一旦對(duì)報(bào)文壓縮，解壓縮端一定不會(huì)解析錯(cuò)誤。
壓縮生效過程：壓縮學(xué)習(xí)完成后，壓縮端對(duì)報(bào)文進(jìn)行壓縮，MAC地址和Type域等字節(jié)被壓縮，檢索壓縮同步表，用對(duì)應(yīng)的固定指示字節(jié)替代；解壓縮端解壓縮，報(bào)文根據(jù)指示字節(jié)檢索壓縮同步表，按照相同原則恢復(fù)MAC地址和Type域等。替代字節(jié)和被壓縮部分需要有固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這些對(duì)應(yīng)關(guān)系被記錄在壓縮同步表，存在并同步于收發(fā)兩端，使得發(fā)端的壓縮替代策略和收端的恢復(fù)策略保持一致。壓縮同步表中，對(duì)應(yīng)關(guān)系的建立需要通過握手機(jī)制保證 ，要求過程中業(yè)務(wù)流處于穩(wěn)定傳輸狀態(tài)，在經(jīng)歷握手確認(rèn)信息同步以后，壓縮和壓縮恢復(fù)功能才能工作。
壓縮老化過程（和2同時(shí)進(jìn)行）：壓縮表學(xué)習(xí)到以后，如果在一段時(shí)間內(nèi)如果該類業(yè)務(wù)不再發(fā)送，則釋放該壓縮表。
關(guān)鍵技術(shù)
依托強(qiáng)大的研發(fā)實(shí)力，華為公司經(jīng)過深入探索和研究，通過以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，可以取得目前業(yè)界領(lǐng)先的數(shù)據(jù)壓縮效率。
采用類似于RFC1533的協(xié)商機(jī)制，收發(fā)兩端進(jìn)行參數(shù)協(xié)商，從而保障壓縮過程的可靠；
與業(yè)界目前僅能夠?qū)σ蕴珟^中的二層頭壓縮相比，華為IP微波還能夠提供對(duì)以太幀頭的L2和L3頭進(jìn)行壓縮，深度越深，被壓縮掉的字節(jié)就越多。
下面就深度壓縮技術(shù)進(jìn)行介紹。
我們知道以太幀的格式是固定的，而且?guī)袷降膬?nèi)容層層封裝。華為IP微波具有進(jìn)行不同深度以太幀頭壓縮的能力,按照深度由淺至深包括有:MAC壓縮、MAC+VLAN/MPLS壓縮、IPv4 & UDP壓縮以及IPv6頭壓縮。壓縮的深度越深，被壓縮的內(nèi)容越多,數(shù)據(jù)傳送效率提升越高。我們以三層壓縮IPv6報(bào)文方案為例。
3.1空口報(bào)文L3壓縮技術(shù)方案——IPv6
圖3-1. IPv6報(bào)文幀壓縮過程（帶顏色字節(jié)將被處理）
1、首先經(jīng)過壓縮學(xué)習(xí)后，對(duì)IPv6報(bào)文中的以下字段進(jìn)行壓縮處理： IPv6報(bào)文版本（Version）、流量類型（Traffic Class）、流標(biāo)記(Flow Label），下一報(bào)頭(Next Header)、源地址（Source Address）和目的地址（Destination Address），總共37字節(jié) 。
2、再用2個(gè)字節(jié)的壓縮頭代替被壓縮的字節(jié)，增加4字節(jié)鏈路封裝頭后發(fā)送到對(duì)端。
3、經(jīng)過壓縮生效過程后，按照363M空口容量計(jì)算，進(jìn)行L2+L3（IPv6）+UDP壓縮，吞吐量可以達(dá)到1G。
3.2微波壓縮特性
雙壓縮引擎：ETH和IP雙引擎，可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景靈活選擇。
壓縮范圍：
ETH:支持DA_SA/VLAN/MPLS多種組合。最大支持壓縮22個(gè)字節(jié)。
IP：支持IPv4/IPv6/UDP多種組合�？蛇x擇加速模式，整個(gè)頭全部壓縮。最大支持48個(gè)字節(jié)。
壓縮流數(shù)目：
ETH：支持256條流。
IP：支持128條流。
自動(dòng)進(jìn)行壓縮學(xué)習(xí)：通過對(duì)業(yè)務(wù)流自動(dòng)解析，動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)新的條目。
自動(dòng)釋放不活的壓縮條目：老化功能釋放不活的壓縮條目，動(dòng)態(tài)利用壓縮資源。
應(yīng)用/Aplications
那么，華為IP微波的幀頭壓縮技術(shù)到底對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的提升有多大？根據(jù)從移動(dòng)基站熱點(diǎn)地區(qū)捕獲的IP數(shù)據(jù)包長(zhǎng)整理出以下模型，如圖4-1所示：
圖4-2 移動(dòng)基站報(bào)文流量模型
依據(jù)以上模型，華為IP微波對(duì)各種包長(zhǎng)下的吞吐量提升比和各種包長(zhǎng)的占比綜合考慮幀頭壓縮技術(shù)對(duì)整個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)帶寬流量的提升效果，整理出以下數(shù)據(jù)：
在50M/256QAM條件下，空口物理容量為362.09Mb/s時(shí)，綜合IP吞吐量可以提升至640.39Mb/s.
隨著網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展，IPv6格式報(bào)文會(huì)逐漸占據(jù)網(wǎng)絡(luò)主導(dǎo)，對(duì)于IPv6封裝的報(bào)文，幀頭壓縮技術(shù)能夠提供更高的平均流量提升比，預(yù)計(jì)比例如表4-2所示：
預(yù)設(shè)條件：
報(bào)文長(zhǎng)度在IPv4基礎(chǔ)上增加20（IPv6報(bào)文頭40字節(jié)，IPv4報(bào)文頭20字節(jié)）
仍參考當(dāng)前移動(dòng)基站部署下的數(shù)據(jù)流量模型百分比
在50M/256QAM條件下，空口物理容量為362.09Mb/s時(shí)，綜合IP吞吐量能力可以提升至677.79Mb/s.
在實(shí)際的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，還存在通訊網(wǎng)絡(luò)在某一段時(shí)間內(nèi)的熱點(diǎn)情況，例如：重大節(jié)日或者大型聚會(huì)等，人口在某一地區(qū)密集聚集，大量通信數(shù)據(jù)導(dǎo)致區(qū)域基站和網(wǎng)絡(luò)的流量突發(fā)，熱點(diǎn)地區(qū)存在大量的語(yǔ)音視頻業(yè)務(wù)突發(fā)的傳送需要得到保證。此時(shí)，幀頭壓縮技術(shù)對(duì)視頻和語(yǔ)音突發(fā)短包的優(yōu)化能力對(duì)降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載將會(huì)起到明顯的緩解作用。
結(jié)論/Conclution
華為IP微波通過幀頭壓縮技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文的深度壓縮，利用有限的帶寬傳輸更多價(jià)值數(shù)據(jù)，等效大幅度提升IP網(wǎng)絡(luò)的平均帶寬。
給客戶帶來的價(jià)值主要體現(xiàn)在：
提升鏈路IP傳送能力和效率，在傳輸?shù)热萘康臄?shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)，降低上行物理帶寬需求，也就降低了客戶的建網(wǎng)中每Mbit投資成本
有效節(jié)約了頻譜資源，降低投資成本，提升收益；
在各種調(diào)制模式下都可以使用，客戶不一定需要通過更高調(diào)方式來提升帶寬，在傳輸距離等網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃上可以有更多余量。
帶寬的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展能力強(qiáng)，在熱點(diǎn)地區(qū)突發(fā)語(yǔ)音和視頻短包流時(shí)，業(yè)務(wù)保障效果明顯。
縮略語(yǔ)表/Acronyms and Abbreviations
參考文獻(xiàn)/Reference
1. Network Working Group M. DegermarkRequest for Comments: 2507 Lulea University of Technology/SICSCategory: Standards Track B. Nordgren Lulea University of Technology/Telia Research AB S. Pink Lulea University of Technology/SICS. RFC 2507(IPHC)
2. Network Working Group S. CasnerRequest for Comments: 2508 Cisco SystemsCategory: Standards Track V. Jacobson Cisco Systems. RFC 2508(CRTP)
