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)的各個層級，網(wǎng)絡(luò)IP化將是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。微波作為移動回傳的主力應(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)營商所面臨數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)迅速增長所帶來的壓力。 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，使數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在當(dāng)前移動網(wǎng)絡(luò)中的流量占比越來越高，加上數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)動態(tài)可擴(kuò)展性強(qiáng)，對傳輸網(wǎng)絡(luò)的動態(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)時最高可提升至每載波1Gb/s水平。其對帶寬傳輸效率的提升，很好地減輕了運(yùn)營商所面臨數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)迅速增長所帶來的壓力。
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，具有相同字段的報文定義為一個流，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)鍵字映射為流對應(yīng)的一個上下文ID號，在業(yè)務(wù)接收端，再將ID號還原為對應(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)長度，與包長有關(guān);M表示壓縮ID的長度，值恒定。
壓縮過程分為3個過程：
壓縮學(xué)習(xí)：在發(fā)送端動態(tài)識別要壓縮的字段，分配壓縮ID，然后跟接收端協(xié)商，確保收到后，才會對報文進(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，一旦出錯誤壓縮造成收端無法識別，會連續(xù)解壓出錯；同時通過空口傳遞可能會出錯，因此使用握手同步壓縮可以保證一旦對報文壓縮，解壓縮端一定不會解析錯誤。
壓縮生效過程：壓縮學(xué)習(xí)完成后，壓縮端對報文進(jìn)行壓縮，MAC地址和Type域等字節(jié)被壓縮，檢索壓縮同步表，用對應(yīng)的固定指示字節(jié)替代；解壓縮端解壓縮，報文根據(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應(yīng)關(guān)系，這些對應(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同時進(jìn)行）：壓縮表學(xué)習(xí)到以后，如果在一段時間內(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報文方案為例。
3.1空口報文L3壓縮技術(shù)方案——IPv6
圖3-1. IPv6報文幀壓縮過程（帶顏色字節(jié)將被處理）
1、首先經(jīng)過壓縮學(xué)習(xí)后，對IPv6報文中的以下字段進(jìn)行壓縮處理： IPv6報文版本（Version）、流量類型（Traffic Class）、流標(biāo)記(Flow Label），下一報頭(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)送到對端。
3、經(jīng)過壓縮生效過程后，按照363M空口容量計算，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個字節(jié)。
IP：支持IPv4/IPv6/UDP多種組合。可選擇加速模式，整個頭全部壓縮。最大支持48個字節(jié)。
壓縮流數(shù)目：
ETH：支持256條流。
IP：支持128條流。
自動進(jìn)行壓縮學(xué)習(xí)：通過對業(yè)務(wù)流自動解析，動態(tài)學(xué)習(xí)新的條目。
自動釋放不活的壓縮條目：老化功能釋放不活的壓縮條目，動態(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)到底對網(wǎng)絡(luò)帶寬的提升有多大？根據(jù)從移動基站熱點(diǎn)地區(qū)捕獲的IP數(shù)據(jù)包長整理出以下模型，如圖4-1所示：
圖4-2 移動基站報文流量模型
依據(jù)以上模型，華為IP微波對各種包長下的吞吐量提升比和各種包長的占比綜合考慮幀頭壓縮技術(shù)對整個移動網(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，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格式報文會逐漸占據(jù)網(wǎng)絡(luò)主導(dǎo)，對于IPv6封裝的報文，幀頭壓縮技術(shù)能夠提供更高的平均流量提升比，預(yù)計比例如表4-2所示：
預(yù)設(shè)條件：
報文長度在IPv4基礎(chǔ)上增加20（IPv6報文頭40字節(jié)，IPv4報文頭20字節(jié)）
仍參考當(dāng)前移動基站部署下的數(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，綜合IP吞吐量能力可以提升至677.79Mb/s.
在實(shí)際的移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，還存在通訊網(wǎng)絡(luò)在某一段時間內(nèi)的熱點(diǎn)情況，例如：重大節(jié)日或者大型聚會等，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)存在大量的語音視頻業(yè)務(wù)突發(fā)的傳送需要得到保證。此時，幀頭壓縮技術(shù)對視頻和語音突發(fā)短包的優(yōu)化能力對降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載將會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)對數(shù)據(jù)報文的深度壓縮，利用有限的帶寬傳輸更多價值數(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，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。
帶寬的動態(tài)擴(kuò)展能力強(qiáng)，在熱點(diǎn)地區(qū)突發(fā)語音和視頻短包流時，業(yè)務(wù)保障效果明顯。
縮略語表/Acronyms and Abbreviations
參考文獻(xiàn)/Reference
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