πρόλογος

Η εξέλιξη της παγκόσμιας υποδομής επικοινωνιών σε 5G βρίσκεται σε εξέλιξη και αν δεν προσπαθήσετε να την αγνοήσετε ενεργά, είναι βέβαιο ότι θα ακούσετε πολλά γι 'αυτό. Αλλά αν είστε σαν το 99 τοις εκατό των ανθρώπων που είναι εκπαιδευμένοι στην επιστήμη των υπολογιστών, προσανατολισμένοι στα συστήματα, με γνώσεις cloud, τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας εξακολουθούν να είναι σε μεγάλο βαθμό ένα μυστήριο για εσάς. Ξέρετε ότι είναι μια σημαντική τεχνολογία για τη σύνδεση ανθρώπων στο διαδίκτυο, αλλά είναι πραγματικά πέρα ​​από το ραντάρ σας. Ίσως έχετε επίσης ακούσει μια ή δύο θεωρίες συνωμοσίας σχετικά με το πώς το 5G θα προκαλέσει κάποιες τρομερές παρενέργειες - υποδηλώνοντας ότι η διαφημιστική εκστρατεία γύρω από το 5G μπορεί να μην έχει το επιθυμητό αποτέλεσμα.

Το σημαντικό πράγμα που πρέπει να κατανοήσουμε για το 5G είναι ότι δεν σημαίνει απλώς μεγαλύτερο εύρος ζώνης (αν και αυτό είναι επίσης σημαντικό). Το πιο σημαντικό, σχετίζεται με τον μετασχηματισμό του δικτύου πρόσβασης, που το κάνει να μοιάζει περισσότερο με το σύγχρονο cloud. Επιπλέον, ορισμένες σημαντικές τάσεις της τεχνολογίας, όπως το Software-Defined Networking (SDN, Software-Defined Networking) και το λογισμικό ανοιχτού κώδικα, θα οδηγήσουν σε πιο ευέλικτα και καινοτόμα δίκτυα πρόσβασης. Το 5G θα δημιουργήσει νέες εφαρμογές, ειδικά έναν μεγάλο αριθμό εφαρμογών Internet of Things (IoT, Internet of Things). Στην πραγματικότητα, μπορούμε να δούμε ακόμη και μια αλλαγή στην άποψη της «πρόσβασης ως το μπροστινό μέρος του Διαδικτύου», καθώς το ίδιο το δίκτυο πρόσβασης γίνεται μια συλλογή από σύννεφα που μπορούν να προσφέρουν νέες υπηρεσίες απευθείας από το «σύννεφο άκρων».

Το κοινό-στόχος αυτού του βιβλίου είναι εκείνοι που έχουν πρακτική κατανόηση του Διαδικτύου και του υπολογιστικού νέφους, αλλά λίγη γνώση των μυριάδων ουσιαστικών για δίκτυα κινητής τηλεφωνίας. Ειλικρινά, το Διαδίκτυο έχει το δικό του όνομα, αλλά παρέχει επίσης αρκετά σύνολα αφαίρεσης για να βοηθήσει στη διαχείριση της πολυπλοκότητας. Για τα κυψελωτά δίκτυα, η κατάσταση είναι διαφορετική, δεν υπάρχει τρόπος να ληφθούν όλες οι λεπτομέρειες σε ένα νήμα. Υπάρχει επίσης ένας λόγος που τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας είναι σε μεγάλο βαθμό κρυμμένα σε ιδιόκτητες συσκευές, με αποτέλεσμα να είναι λιγότερο πιθανό να το καταλάβετε μόνοι σας.

Αυτό το βιβλίο είναι το αποτέλεσμα της εκπαίδευσης ενός μηχανικού συστημάτων με έναν ειδικό σε δίκτυα κινητής τηλεφωνίας που εργάζεται μαζί μας στο έργο ανοιχτού κώδικα 5G. Το υλικό έχει επίσης χρησιμοποιηθεί για την εκπαίδευση άλλων προγραμματιστών λογισμικού και ελπίζουμε να βοηθήσει όποιον θέλει μια βαθύτερη κατανόηση του 5G και των καινοτόμων ευκαιριών που προσφέρει. Οι αναγνώστες που θέλουν να κάνουν μόνοι τους κάποια πειράματα μπορούν επίσης να επισκεφτούν το λογισμικό ανοιχτού κώδικα που παρουσιάζεται στο βιβλίο.

Στο άμεσο μέλλον, αυτό το βιβλίο είναι πιθανό να συνεχίσει να συμπληρώνεται και να αναθεωρείται. Δεν προορίζεται να λάβει μια εγκυκλοπαιδική άποψη και να παρέχει ολοκληρωμένη πληρότητα για κάθε λεπτομέρεια, αλλά σχεδιάζουμε να εμπλουτίσουμε το περιεχόμενο με την πάροδο του χρόνου. Οι προτάσεις (και οι συνεισφορές σας) σε αυτό είναι ευπρόσδεκτες.

------------------

1. Εισαγωγή

Παρόμοια με το Διαδίκτυο, το 40χρονο δίκτυο κινητής επικοινωνίας υφίσταται σημαντικές αλλαγές. Οι δύο πρώτες γενιές (1G και 2G) υποστήριξαν φωνή και κείμενο και το 3G πέρασε σε ευρυζωνική πρόσβαση, υποστηρίζοντας ταχύτητες δεδομένων σε εκατοντάδες kilobits ανά δευτερόλεπτο. Σήμερα, ο κλάδος βρίσκεται στο 4G (οι υποστηριζόμενοι ρυθμοί δεδομένων συνήθως μετρώνται σε megabyte ανά δευτερόλεπτο) και μεταβαίνει στο 5G, το οποίο αναμένεται να αυξήσει περαιτέρω τους ρυθμούς δεδομένων κατά αρκετές δεκάδες φορές.

Αλλά το 5G δεν σημαίνει μόνο μεγαλύτερο εύρος ζώνης. Το 5G ενσωματώνει πολλές βασικές τάσεις της τεχνολογίας που το βάζουν σε μια πορεία για να επιτρέψει περισσότερη καινοτομία και αντιπροσωπεύει μια θεμελιώδη αναδιαμόρφωση του δικτύου ραδιοπρόσβασης. Ακριβώς όπως το 3G καθόρισε τη μετάβαση από τη φωνή στην ευρυζωνική σύνδεση, η υπόσχεση του 5G είναι κατά κύριο λόγο μια μετάβαση από μια υπηρεσία απλής πρόσβασης (ευρυζωνική σύνδεση) σε ένα πλουσιότερο σύνολο υπηρεσιών και συσκευών αιχμής. Το 5G αναμένεται να επιτρέψει καθηλωτικές εμπειρίες χρήστη (όπως AR/VR), εφαρμογές κρίσιμες για την αποστολή (όπως η δημόσια ασφάλεια, η αυτόνομη οδήγηση) και το Διαδίκτυο των Πραγμάτων (IoT). Αυτές οι περιπτώσεις χρήσης θα περιλαμβάνουν τα πάντα, από οικιακές συσκευές μέχρι βιομηχανικά ρομπότ έως αυτοοδηγούμενα αυτοκίνητα, οπότε το 5G όχι μόνο θα επιτρέψει στους ανθρώπους να έχουν πρόσβαση στο διαδίκτυο μέσω smartphone, αλλά θα υποστηρίζουν επίσης μια πληθώρα αυτόνομων συσκευών και θα τους βοηθούν να συνεργάζονται. Η υποστήριξη αυτών των υπηρεσιών δεν αφορά μόνο την αύξηση του εύρους ζώνης ή τη μείωση του λανθάνοντος χρόνου για μεμονωμένους χρήστες. Όπως θα δούμε, χρειαζόμαστε μια εντελώς διαφορετική αρχιτεκτονική δικτύου.

Αυτή η αρχιτεκτονική είναι φιλόδοξη και μπορεί να απεικονιστεί με τρεις κατηγορίες δυνατοτήτων:

• Υποστήριξη μαζικού Internet-of-Things , συμπεριλαμβανομένου εξοπλισμού εξαιρετικά χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας (10+ χρόνια διάρκεια ζωής μπαταρίας), εξαιρετικά χαμηλής πολυπλοκότητας (10 bit ανά δευτερόλεπτο) και εξαιρετικά υψηλής πυκνότητας (1 εκατομμύριο κόμβοι ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο).
• Υποστηρίζεται το Mission-Critical Control , συμπεριλαμβανομένης της εξαιρετικά υψηλής διαθεσιμότητας (μεγαλύτερη από 99,999% ή "5 9s"), εξαιρετικά χαμηλής καθυστέρησης (έως 1 χιλιοστό του δευτερολέπτου) και ακραίας κινητικότητας (έως 100 km/h).
• Υποστηρίζει Enhanced Mobile Broadband , ο μέγιστος ρυθμός δεδομένων είναι πάνω από 1 Gbps, ο μέσος ρυθμός είναι πάνω από 100Mbps και η συνολική απόδοση ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο είναι 10 Tbps.

Κάθε γενιά δικτύων κινητής επικοινωνίας απαιτεί προσπάθεια δεκαετιών, επομένως αυτοί οι στόχοι δεν μπορούν να επιτευχθούν εν μία νυκτί.

Εκτός από αυτές τις ποσοτικές βελτιώσεις στις δυνατότητες του δικτύου πρόσβασης, το 5G θεωρείται ως μια ευκαιρία για τη δημιουργία μιας πλατφόρμας για την υποστήριξη της καινοτομίας. Ενώ τα προηγούμενα δίκτυα πρόσβασης ήταν συνήθως βελτιστοποιημένα για γνωστές υπηρεσίες όπως η φωνητική κλήση και η αποστολή γραπτών μηνυμάτων, η μεγάλη επιτυχία του Διαδικτύου οφειλόταν σε μεγάλο βαθμό στο ευρύ φάσμα εφαρμογών που υποστήριζε Δεν είχε καν σκεφτεί πότε σχεδιάστηκε αρχικά. Τα δίκτυα 5G έχουν επίσης σχεδιαστεί σε μεγάλο βαθμό για να επιτρέπουν μια ποικιλία μελλοντικών εφαρμογών πέρα ​​από αυτό που αντιλαμβανόμαστε σήμερα.

Περαιτέρω ανάγνωση

Για να κατανοήσετε το μεγάλο όραμα του 5G από τους ηγέτες του κλάδου, ανατρέξτε στη λευκή βίβλο της Qualcomm τον Δεκέμβριο του 2016 "Making 5G NR a Reality" ^[1] .

Το 5G βρίσκεται στη διαδικασία ανάπτυξης και αυτή δεν είναι μια ουσιαστική λύση, αλλά περιλαμβάνει τυπικές προδιαγραφές, μια σειρά επιλογών υλοποίησης και έναν μακρύ κατάλογο φιλόδοξων στόχων, αφήνοντας πολλά περιθώρια ερμηνείας. Σε αυτό το βιβλίο, θα εισαγάγουμε το 5G με βάση δύο αλληλοϋποστηριζόμενες αρχές. Το πρώτο είναι μια προοπτική εφαρμοζόμενων συστημάτων , δηλαδή παρουσιάζουμε ένα σύνολο σχεδιαστικών αποφάσεων για την τρέχουσα λύση, και όχι απλώς ένα σωρό ακρωνύμια ή μια μεμονωμένη τεχνολογία ως τετελεσμένο γεγονός . Το δεύτερο είναι η αποδόμηση του συστήματος. Η οικοδόμηση ενός αποσυνδεδεμένου, εικονικού, καθορισμένου από λογισμικό δικτύου πρόσβασης για το 5G είναι μια κατεύθυνση προς την οποία εργάζεται η βιομηχανία (για καλούς τεχνικούς και επιχειρηματικούς λόγους), αλλά η διάσπαση του δικτύου 5G στα βασικά του στοιχεία είναι επίσης μια εξήγηση για το πώς λειτουργεί καλύτερα το 5G τρόπος. Βοηθά επίσης να απεικονιστεί πώς το 5G μπορεί να εξελιχθεί στο μέλλον για να προσφέρει περισσότερη αξία.

Δεν υπάρχει ενιαίος, ολοκληρωμένος ορισμός του 5G, όπως δεν υπάρχει ενιαίος, ολοκληρωμένος ορισμός του Διαδικτύου. Είναι ένα σύνθετο, εξελισσόμενο σύστημα που ορίζεται από ένα σύνολο προτύπων που παρέχουν διαφορετικούς βαθμούς ελευθερίας σε όλα τα εμπλεκόμενα μέρη. Στα κεφάλαια που ακολουθούν, γίνεται σαφές εάν μιλάμε για πρότυπα (τι πρέπει να κάνει ο καθένας για να διαλειτουργήσει), τάσεις (όπου είναι πιθανό να πάει ο κλάδος) ή επιλογές υλοποίησης (συγκεκριμένα παραδείγματα). Σκοπός μας είναι να εισαγάγουμε το 5G και να βοηθήσουμε τους αναγνώστες να πλοηγηθούν σε αυτό το πλούσιο και ταχέως εξελισσόμενο σύστημα υιοθετώντας πλήρως μια προοπτική συστήματος.

Διαδρομή εξέλιξης

Το 5G βρίσκεται σε διαδικασία ανάπτυξης, το οποίο είναι το κεντρικό θέμα αυτού του βιβλίου. Εφιστούμε την προσοχή στη σημασία του εδώ και επανερχόμαστε σε αυτό το θέμα σε αυτό το βιβλίο.

Γράψαμε αυτό το βιβλίο για όσους γνωρίζουν πολλές πτυχές του συστήματος για να βοηθήσουμε την κοινότητα να κατανοήσει γρήγορα το σύστημα (γνωρίζουν πολύ λίγα για τα κυψελωτά δίκτυα) ώστε να μπορούν να παίξουν ρόλο στην εξέλιξη του 5G. Αυτή είναι μια κοινότητα που κατανοεί πώς να επαναλαμβάνει γρήγορα και βέλτιστες πρακτικές για την κατασκευή ισχυρών και επεκτάσιμων συστημάτων, ώστε να μπορεί να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην αξιοποίηση του πλήρους δυναμικού του 5G.

1.1 Τοπίο Τυποποίησης

Ξεκινώντας από το 3G, το *3GPP (3rd Generation Partnership Project, 3rd Generation Partnership Project) είναι υπεύθυνο για τη διαμόρφωση προτύπων για κάθε γενιά κινητών επικοινωνιών . Παρά το "3G" στο όνομα, το 3GPP συνεχίζει να ορίζει πρότυπα για 4G και 5G, με κάθε γενιά να αντιστοιχεί σε μια σειρά εκδόσεων του προτύπου. Η κυκλοφορία 15 θεωρείται το διαχωριστικό σημείο μεταξύ 4G και 5G και η κυκλοφορία 17 έχει προγραμματιστεί να κυκλοφορήσει το 2021. Το 4G βρίσκεται σε μια διαδρομή εξέλιξης πολλαπλών εκδόσεων που ονομάζεται LTE (Long Term Evolution)*, γεγονός που περιπλέκει την ορολογία. Το 5G βρίσκεται σε παρόμοια πορεία, με αρκετές εκδόσεις να αναμένονται κατά τη διάρκεια της ζωής του.

Η κατανόηση του 4G είναι το πρώτο βήμα για την κατανόηση του 5G, το οποίο από πολλές απόψεις το έχει οδηγήσει σε νέα ύψη και αποτελεί μια φιλόδοξη τεχνολογική πρόοδο πέρα ​​από το 4G. Στα επόμενα κεφάλαια, θα εισαγάγουμε ορισμένα αρχιτεκτονικά χαρακτηριστικά του 4G προκειμένου να τεθούν τα θεμέλια για την εισαγωγή των αντίστοιχων στοιχείων του 5G.

Όπως το Wi-Fi, τα κυψελωτά δίκτυα μεταδίδουν δεδομένα σε συγκεκριμένο εύρος ζώνης στο ασύρματο φάσμα. Σε αντίθεση με το Wi-Fi, το οποίο επιτρέπει σε οποιονδήποτε να χρησιμοποιεί το φάσμα 2,4 GHz ή 5 GHz (αυτές είναι ζώνες χωρίς άδεια), το φάσμα για τις κινητές επικοινωνίες είναι διαφορετικό. Η κυβέρνηση πουλά τα αποκλειστικά δικαιώματα χρήσης κάθε ζώνης μέσω δημοπρασιών σε παρόχους κινητής τηλεφωνίας, οι οποίοι με τη σειρά του πουλά υπηρεσίες πρόσβασης κινητής τηλεφωνίας στους χρήστες.

Επιπλέον, υπάρχει μια κοινόχρηστη ζώνη 3,5 GHz με άδεια χρήσης που ονομάζεται CBRS (Citizens Broadband Radio Service) , η οποία χρησιμοποιείται αποκλειστικά για δίκτυα κινητής τηλεφωνίας στη Βόρεια Αμερική. Άλλες χώρες θα δεσμεύσουν επίσης φάσμα για παρόμοιες λειτουργίες. Το CBRS επιτρέπει σε τρεις κατηγορίες χρηστών να μοιράζονται πόρους φάσματος: πρώτον, το δικαίωμα χρήσης του φάσματος ανήκει στον αρχικό κάτοχο του φάσματος (ναυτικά ραντάρ και δορυφορικοί επίγειοι σταθμοί)· δεύτερον, χρήστες προτεραιότητας, οι οποίοι λαμβάνουν τριετές δικαίωμα χρήσης του ζώνη συχνοτήτων άνω των 10 MHz μέσω περιφερειακών δημοπρασιών· τέλος, άλλοι εξουσιοδοτημένοι χρήστες χρειάζεται μόνο να μεταβούν στην κεντρική βάση δεδομένων για να ελέγξουν τις πληροφορίες των εγγεγραμμένων χρηστών για να έχουν πρόσβαση και να χρησιμοποιήσουν ορισμένες από τις διαθέσιμες ζώνες συχνοτήτων. Το CBRS και οι προσπάθειες τυποποίησης του επεκτείνουν τα κυψελωτά δίκτυα σε ζώνες συχνοτήτων χωρίς άδεια, ανοίγοντας την πόρτα σε ιδιωτικά κυψελωτά δίκτυα τύπου Wi-Fi.

Οι συγκεκριμένες ζώνες συχνοτήτων για δίκτυα κινητής τηλεφωνίας ποικίλλουν ανά τον κόσμο και τα πράγματα περιπλέκονται ακόμη περισσότερο από το γεγονός ότι οι πάροχοι συχνά υποστηρίζουν τόσο παλιές τεχνολογίες όσο και νέες τεχνολογίες επόμενης γενιάς, καθεμία από τις οποίες καταλαμβάνει διαφορετική ζώνη συχνοτήτων. Με απλά λόγια, το παραδοσιακό φάσμα κυψελοειδούς δικτύου κυμαίνεται από 700-2400 MHz, με νέες εκχωρήσεις φάσματος μεσαίου εύρους στα 6 GHz και κυματοειδές κύμα χιλιοστών (mmWave) στα 24 GHz.

Ενώ η συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων δεν σχετίζεται άμεσα με την κατανόηση του 5G από αρχιτεκτονική άποψη, επηρεάζει τα συστατικά του φυσικού στρώματος, τα οποία με τη σειρά τους έχουν έμμεσες επιπτώσεις στο συνολικό σύστημα 5G. Θα τα εντοπίσουμε και θα τα εξηγήσουμε σε επόμενα κεφάλαια. Η διασφάλιση ότι το εκχωρημένο φάσμα χρησιμοποιείται αποτελεσματικά είναι επίσης μια βασική μέτρηση σχεδιασμού.

1.2 Πρόσβαση σε δίκτυα

Τα κυψελωτά δίκτυα αποτελούν μέρος του δικτύου πρόσβασης που επιτρέπει το λεγόμενο τελευταίο μίλι του Διαδικτύου. Άλλες τεχνολογίες πρόσβασης περιλαμβάνουν το PON (Passive Optical Networks) , κοινώς γνωστό ως fiber-to-the-home. Αυτά τα δίκτυα πρόσβασης παρέχονται από μεγάλους και μικρούς φορείς εκμετάλλευσης δικτύων. Οι πάροχοι παγκόσμιων δικτύων όπως η AT&T (American Telephone and Telegraph Company) εκτελούν δίκτυα πρόσβασης σε χιλιάδες σημεία συγκέντρωσης σε χώρες όπως οι Ηνωμένες Πολιτείες και συνδέουν αυτές τις τοποθεσίες μέσω ενός εθνικού δικτύου κορμού. Οι μικρότεροι φορείς εκμετάλλευσης περιφερειακών και αστικών δικτύων μπορούν να εκτελούν ένα δίκτυο πρόσβασης με ένα ή δύο σημεία συγκέντρωσης και στη συνέχεια να έχουν πρόσβαση στο Διαδίκτυο μέσω της ραχοκοκαλιάς κάποιου μεγάλου φορέα εκμετάλλευσης.

Και στις δύο περιπτώσεις, το δίκτυο πρόσβασης αναπτύσσεται φυσικά σε χιλιάδες σημεία συγκέντρωσης κοντά στους τελικούς χρήστες, το καθένα εξυπηρετώντας 1000 - 100.000 χρήστες ανάλογα με την πυκνότητα του πληθυσμού. Στην πράξη, η φυσική ανάπτυξη αυτών των τοποθεσιών "ακρών" διαφέρει ανάλογα με το χειριστή, αλλά ένα πιθανό σενάριο είναι να αναπτυχθούν τόσο το κυψελοειδές όσο και το ενσύρματο δίκτυο πρόσβασης στο TCO (Telco Central Offices).

Ιστορικά, το επίσημο όνομα της αίθουσας υπολογιστών πυρήνα είναι *PSTN (Public Switched Telephone Network) core computer room, που αναπτύσσει ενσύρματη πρόσβαση (συμπεριλαμβανομένου τηλεφώνου και ευρυζωνικής σύνδεσης), ενώ το κυψελοειδές δίκτυο αναπτύσσει ένα σύνολο παράλληλων MTSO ( Mobile Telephone Switching Offices ( Γραφεία μεταγωγής κινητής τηλεφωνίας)* και αναπτύχθηκε ανεξάρτητα. Κάθε MTSO λειτουργεί ως κινητό σημείο συγκέντρωσης για μια ομάδα κυψελωτών σταθμών βάσης σε μια δεδομένη γεωγραφική περιοχή. Είναι σημαντικό για εμάς να γνωρίζουμε ότι υπάρχουν τέτοια σημεία συγκέντρωσης και ότι μπορούν εύλογα να θεωρηθούν ότι ορίζουν την άκρη του δικτύου πρόσβασης που διαχειρίζεται ο φορέας εκμετάλλευσης. Για λόγους απλότητας, μερικές φορές χρησιμοποιούμε τον όρο "Κεντρικό Γραφείο" ως συνώνυμο για αυτές τις δύο τοποθεσίες άκρων.

1.3 Edge Cloud

Επειδή η αίθουσα βασικού εξοπλισμού είναι ευρέως διαδεδομένη και είναι κοντά στους τελικούς χρήστες, είναι επίσης ένα ιδανικό μέρος για να φιλοξενήσει τα σύννεφα άκρων. Αλλά αυτό εγείρει ένα άλλο ερώτημα: τι ακριβώς είναι ένα σύννεφο ακμών;

Εν ολίγοις, το cloud ξεκίνησε ως μια συλλογή κέντρων δεδομένων μεγέθους αποθήκης, το καθένα από τα οποία παρέχει έναν οικονομικά αποδοτικό τρόπο για την τροφοδοσία, την ψύξη και τη λειτουργία ενός κλιμακούμενου αριθμού διακομιστών. Με την πάροδο του χρόνου, αυτή η κοινή υποδομή μειώνει τα εμπόδια στην ανάπτυξη κλιμακούμενων υπηρεσιών Διαδικτύου. Ωστόσο, όλο και περισσότερες εφαρμογές απαιτούν πλέον υπηρεσίες cloud χαμηλής καθυστέρησης και υψηλού εύρους ζώνης, αλλά τα κεντρικά κέντρα δεδομένων δεν μπορούν να επιτύχουν αποτελεσματικά αυτή τη ζήτηση. AR (Augmented Reality, Augmented Reality), VR (Virtual Reality, Virtual Reality), IoT (Internet-of-Things, Internet of Things) και αυτόνομα οχήματα είναι όλα παραδείγματα τέτοιων εφαρμογών. Αυτό οδήγησε σε μια τάση όπου ορισμένες λειτουργίες θα μετακινούνται από το κέντρο δεδομένων στην άκρη του δικτύου πιο κοντά στον τελικό χρήστη. Το πού βρίσκεται αυτό το πλεονέκτημα εξαρτάται από το ποιος ρωτάτε. Εάν ρωτήσετε έναν φορέα εκμετάλλευσης δικτύου που ήδη κατέχει και διαχειρίζεται χιλιάδες δωμάτια πυρήνα, το βασικό του δωμάτιο είναι μια προφανής απάντηση. Ενώ κάποιοι θα μπορούσαν να πουν Starbucks, με το πλεονέκτημα να έχουν 14.000 καφετέριες Starbucks σε όλες τις ΗΠΑ, άλλοι μπορεί να δείχνουν τους δεκάδες χιλιάδες πύργους κινητής τηλεφωνίας που είναι διάσπαρτοι σε όλο τον κόσμο.

Η ίδια η λύση μας είναι αγνωστική ως προς τη θέση, αλλά αξίζει να σημειωθεί ότι ενώ το νέφος μεταναστεύει στην άκρη, υπάρχει μια άλλη τάση στην οποία οι φορείς εκμετάλλευσης δικτύων χρησιμοποιούν το ίδιο υλικό γενικής χρήσης με τους παρόχους cloud και δημιουργούν λογισμικό κλιμάκωσης. Best Practices Refactoring Access Δίκτυα. Αυτό το σχέδιο, που μερικές φορές αναφέρεται ως CORD (Central Office Re-architected as a Datacenter) , υποστηρίζει τόσο το δίκτυο πρόσβασης όσο και τις υπηρεσίες άκρων σε μια κοινόχρηστη πλατφόρμα cloud. Η πλατφόρμα μπορεί στη συνέχεια να αναπαραχθεί σε εκατοντάδες ή χιλιάδες ιστότοπους (συμπεριλαμβανομένων, ενδεικτικά, των βασικών αιθουσών υπολογιστών). Έτσι, ενώ δεν πρέπει να περιοριζόμαστε στο κεντρικό δωμάτιο ως τη μόνη επιλογή για το σύννεφο ακμών, γίνεται βιώσιμη επιλογή.

Περαιτέρω ανάγνωση

Το CORD χρησιμοποιήθηκε αρχικά σε δίκτυα πρόσβασης που βασίζονται σε ίνες (PON). Για να κατανοήσετε τις τεχνικές προελεύσεις του, ανατρέξτε στο "Central Office Re-architected as a Datacenter", έκδοση Οκτωβρίου 2016 του IEEE Communications " ^[2] .

Για να κατανοήσετε την επιχειρηματική περίπτωση για το CORD (και άλλες τεχνολογίες εμπνευσμένες από το CORD), ανατρέξτε στην αναφορά του AD Little του Σεπτεμβρίου 2019 Who Dares Wins! Πώς η Access Transformation οδηγεί γρήγορα τις πλατφόρμες παραγωγής χειριστή (Who Dares Wins! Πλατφόρμες Παραγωγής)» ^[3] .

Θα χρησιμοποιήσουμε το CORD ως παράδειγμα για να εξετάσουμε τις λεπτομέρειες του τρόπου με τον οποίο εφαρμόζεται το 5G στην πράξη. Προς το παρόν, το σημαντικό πράγμα που πρέπει να καταλάβουμε είναι ότι το 5G εφαρμόζεται ως λογισμικό που τρέχει σε υλικό γενικής χρήσης, όχι σε ιδιόκτητο υλικό που χρησιμοποιείται από τις προηγούμενες γενιές. Αυτό έχει σημαντικές συνέπειες για το πώς σκεφτόμαστε το 5G (και πώς το περιγράφουμε), το οποίο θα γίνεται όλο και περισσότερο ένα άλλο στοιχείο που βασίζεται σε λογισμικό στο cloud, αντί για μια ξεχωριστή και εξειδικευμένη τεχνολογία που περιβάλλει την περίμετρο του cloud.

Να θυμάστε ότι η χρήση του CORD ως παράδειγμα δεν σημαίνει ότι το σύννεφο άκρων περιορίζεται στον κεντρικό χώρο. Επειδή το CORD έχει σχεδιαστεί για να φιλοξενεί υπηρεσίες αιχμής και να έχει πρόσβαση σε τεχνολογίες όπως το 5G σε μια κοινή πλατφόρμα, και τα βασικά δωμάτια τηλεπικοινωνιών είναι μια πιθανή τοποθεσία για την ανάπτυξη τέτοιων πλατφορμών, αυτό είναι ένα καλό παράδειγμα.

Ένα σημαντικό στοιχείο από αυτήν τη συζήτηση είναι ότι η κατανόηση του τρόπου κατασκευής του cloud είναι χρήσιμη για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο θα εφαρμοστεί το 5G. Αυτό περιλαμβάνει τη χρήση υλικού γενικής χρήσης (συμπεριλαμβανομένων διακομιστών και διακοπτών λευκού κουτιού), μικροϋπηρεσιών οριζόντιας κλιμάκωσης ( γνωστές και ως εγγενείς στο cloud ) και SDN (Δίκτυα καθορισμένα από λογισμικό) . Είναι επίσης χρήσιμο να κατανοήσετε πώς αναπτύσσεται, δοκιμάζεται, αναπτύσσεται και λειτουργεί το λογισμικό cloud, συμπεριλαμβανομένων πρακτικών όπως DevOps και *CI/CD (Συνεχής Ενοποίηση / Συνεχής Ανάπτυξη).

Περαιτέρω ανάγνωση

Εάν δεν είστε εξοικειωμένοι με το SDN, προτείνουμε ένα συνοδευτικό βιβλίο: Δίκτυα καθορισμένα από λογισμικό: προσέγγιση συστήματος ^[4] .

Εάν δεν είστε εξοικειωμένοι με τα devop ή δεν είστε εξοικειωμένοι με τα λειτουργικά ζητήματα που αντιμετωπίζουν οι πάροχοι υπηρεσιών cloud, προτείνουμε το Site Reliability Engineering: How Google Runs Production Systems ^[5] .

Μια τελευταία σημείωση για την ορολογία. Όποιος παρακολουθεί τη συζήτηση για το 5G πρέπει να έχει ακούσει για το NFV (Network Function Virtualization) , το οποίο εστιάζει στη μεταφορά λειτουργιών που κάποτε εκτελούνταν σε ιδιόκτητες συσκευές υλικού σε εικονικές μηχανές (ή κοντέινερ) σε διακομιστές γενικής χρήσης . Από την εμπειρία μας, το NFV είναι το θεμέλιο των πλήρως αποσυνδεδεμένων και εγγενών λύσεων στο cloud που περιγράφουμε σε αυτό το βιβλίο, επομένως δεν σκοπεύουμε να το συζητήσουμε λεπτομερώς. Μπορείτε να θεωρήσετε ότι η πρωτοβουλία NFV είναι σε μεγάλο βαθμό συνεπής με την προσέγγιση που ακολουθείται σε αυτό το βιβλίο, αλλά ορισμένες συγκεκριμένες επιλογές μηχανικής μπορεί να διαφέρουν από τις λεπτομέρειες που περιγράφονται εδώ.

Ενώ η επιλογή υλοποίησης για την εξίσωση του NFV με το 5G είναι τέλεια, υπάρχει μια άλλη οπτική γωνία για να δούμε το NFV που αντικατοπτρίζει καλύτερα τη φύση της αρχιτεκτονικής μετανάστευσης που βρίσκεται σε εξέλιξη. Όταν οι τηλεπικοινωνίες ξεκίνησαν τις πρωτοβουλίες τους NFV, οραματίστηκαν την ενσωμάτωση της τεχνολογίας cloud στα δίκτυά τους, δημιουργώντας το λεγόμενο Telco Cloud . Ωστόσο, η πραγματικότητα είναι ότι η τεχνολογία πρόσβασης της τηλεπικοινωνίας είναι ενσωματωμένη στο cloud computing για να λειτουργεί ως άλλος φόρτος εργασίας που φιλοξενείται στο cloud, πιο συγκεκριμένα Telco που βασίζεται στο Cloud . Η ανάγνωση αυτού του βιβλίου θα σας βοηθήσει να τα δείτε όλα αυτά.

Αναφορά:

[1] https://www.qualcomm.com/media/documents/files/whitepaper-making-5g-nr-a-reality.pdf

[2] https://wiki.opencord.org/download/attachments/1278027/PETERSON_CORD.pdf

[3] https://www.adlittle.com/en/who-dares-wins

[4] https://sdn.systemsapproach.org/

[5] https://landing.google.com/sre/books/

----------------------------------

2. Ραδιοφωνική μετάδοση

Για όποιον είναι εξοικειωμένος με τεχνολογίες ασύρματης πρόσβασης όπως το Wi-Fi, η πιο μοναδική πτυχή των κυψελοειδών δικτύων είναι η ικανότητά τους να μοιράζονται το διαθέσιμο ραδιοφάσμα μεταξύ πολλών χρηστών, επιτρέποντας ταυτόχρονα σε αυτούς τους χρήστες να παραμένουν συνδεδεμένοι ενώ βρίσκονται εν κινήσει. Αυτό οδηγεί σε μια εξαιρετικά δυναμική και προσαρμοστική προσέγγιση στην οποία η κωδικοποίηση, η διαμόρφωση και ο προγραμματισμός παίζουν κεντρικό ρόλο.

Όπως θα δούμε σε αυτό το κεφάλαιο, τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας χρησιμοποιούν μια στρατηγική που βασίζεται σε κρατήσεις, ενώ το Wi-Fi βασίζεται σε διαμάχες. Αυτή η διαφορά πηγάζει από τις βασικές παραδοχές κάθε συστήματος σχετικά με τη χρήση: το Wi-Fi αναλαμβάνει ένα ελαφρύ φορτίο δικτύου (οπότε προσπαθήστε να εκπέμπετε όταν η ραδιοζεύξη είναι σε αδράνεια και να βγείτε όταν ανιχνευθεί διαμάχη), ενώ το 4G/5G κινητής τηλεφωνίας αναλαμβάνει ένα ελαφρύ φορτίο δικτύου ( και επιδιώκουν) υψηλή χρήση (άρα ρητά εκχωρώντας διαφορετικά «μερίδια» του διαθέσιμου ραδιοφάσματος σε διαφορετικούς χρήστες για κοινή χρήση).

Αρχικά, εισάγουμε εν συντομία την ασύρματη μετάδοση για να θέσουμε τα θεμέλια για την κατανόηση της υπόλοιπης αρχιτεκτονικής 5G. Το παρακάτω δεν είναι μια θεωρητική εισαγωγή στο θέμα, αλλά μάλλον θέτει τα θεμέλια για την επόμενη εισαγωγή στην εφαρμογή συστημάτων ασύρματης επικοινωνίας 5G.

2.1 Κωδικοποίηση και διαμόρφωση

Για να επιτευχθεί αξιόπιστη μετάδοση ψηφιακών δεδομένων σε κανάλια κινητής επικοινωνίας, πρέπει να ξεπεραστούν πολλοί κίνδυνοι, όπως θόρυβος, εξασθένηση, παραμόρφωση, εξασθένιση και παρεμβολές. Αυτή η πρόκληση αντιμετωπίζεται με έναν συνδυασμό κωδικοποίησης και διαμόρφωσης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.

Ο πυρήνας της κωδικοποίησης είναι η εισαγωγή επιπλέον bits στα δεδομένα που θα βοηθήσουν στην ανάκτησή τους από όλους τους περιβαλλοντικούς παράγοντες που παρεμβαίνουν στη διάδοση του σήματος. Αυτό συνήθως σημαίνει κάποια μορφή FEC (Forward Error Correction) (π.χ. κωδικοί turbo, πολικοί κωδικοί). Η διαμόρφωση παράγει ένα σήμα που αντιπροσωπεύει την κωδικοποιημένη ροή δεδομένων και προσαρμόζει τις αντίστοιχες παραμέτρους του καναλιού: πρώτον, χρησιμοποιείται μια ψηφιακά διαμορφωμένη μορφή σήματος για τη μεγιστοποίηση του αριθμού των bit ανά δευτερόλεπτο που μεταδίδονται αξιόπιστα, με βάση τις παρατηρήσιμες παρεμβολές καναλιού· δεύτερον, η διαμόρφωση παλμού χρησιμοποιείται για ταιριάζουν με το εύρος ζώνης μετάδοσης και το εύρος ζώνης του καναλιού· τέλος, η διαμόρφωση RF χρησιμοποιείται για τη μετατροπή του σήματος σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα για μετάδοση σε μια καθορισμένη *συχνότητα φορέα*.

Για να κατανοήσετε βαθύτερα τις προκλήσεις της μετάδοσης ενός ραδιοφωνικού σήματος μέσω του αέρα για αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων, εξετάστε το σενάριο που απεικονίζεται στο σχήμα 2, όπου το σήμα ανακλάται από διάφορες σταθερές και κινούμενες επιφάνειες, πιθανώς από τον πομπό στον δέκτη. είναι πολλαπλές διαδρομές μετάδοσης και και τα δύο άκρα μπορεί να κινούνται.

Ως αποτέλεσμα της μετάδοσης πολλαπλών διαδρομών, το αρχικό σήμα εξαπλώνεται με την πάροδο του χρόνου αφού φτάσει στον δέκτη, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. Εμπειρικά στοιχεία δείχνουν ότι η διασπορά πολλαπλών διαδρομών (ο χρόνος που χρειάζεται για να φτάσει το πρώτο και το τελευταίο σήμα μιας μετάδοσης στον δέκτη) είναι 1-10 μs σε αστικά περιβάλλοντα και 10-30 μs σε προαστιακά περιβάλλοντα. Αυτά τα σήματα πολλαπλών διαδρομών μπορεί να παρεμβάλλονται μεταξύ τους, καθιστώντας το σήμα ισχυρότερο ή ασθενέστερο, και αυτή η παρεμβολή μπορεί να ποικίλλει με την πάροδο του χρόνου. Σε μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο, το κανάλι μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι αμετάβλητο. Αυτό το θεωρητικό όριο ονομάζεται χρόνος συνοχής, που συμβολίζεται ως $T_c$, ο οποίος υπολογίζεται με τον ακόλουθο τύπο: $T_c=c/v\times1/f$ . όπου $c$ είναι η ταχύτητα του σήματος, $v$ είναι η ταχύτητα κίνησης του δέκτη (για παράδειγμα, κινούμενο αυτοκίνητο ή τρένο) και $f$ είναι η συχνότητα του διαμορφωμένου σήματος φορέα. Αυτό δείχνει ότι ο χρόνος συνοχής είναι αντιστρόφως ανάλογος με τη συχνότητα και την ταχύτητα του σήματος, κάτι που είναι διαισθητικό: όσο υψηλότερη είναι η συχνότητα (όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος), τόσο μικρότερος είναι ο χρόνος συνοχής και, ομοίως, όσο πιο γρήγορα κινείται ο δέκτης, τόσο μικρότερος ο χρόνος συνοχής. Από τις παραμέτρους στόχου του μοντέλου (που επιλέγονται με βάση το φυσικό περιβάλλον στόχου), μπορεί να υπολογιστεί το T_c, περιορίζοντας έτσι τον ρυθμό με τον οποίο μπορεί να μεταδοθεί το σήμα χωρίς τον κίνδυνο υπερβολικής παρεμβολής. Η δυναμική φύση των ασύρματων καναλιών είναι ένα από τα κύρια προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν στα κυψελωτά δίκτυα.

Για να περιπλέξουν περαιτέρω τα πράγματα, τα Σχήματα 2 και 3 υποδηλώνουν ότι οι εκπομπές προέρχονται από μια ενιαία κεραία, αλλά ο κυψελοειδές σταθμός βάσης είναι εξοπλισμένος με μια σειρά κεραιών, καθεμία από τις οποίες εκπέμπει σε διαφορετική (αλλά επικαλυπτόμενη) κατεύθυνση. Αυτή η τεχνολογία ονομάζεται MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output) , η οποία προσθέτει περισσότερα μονοπάτια με βάση τη μετάδοση πολλαπλών διαδρομών που προκαλείται από το περιβάλλον και περνά συνειδητά πολλαπλές μεταδόσεις μεταξύ των άκρων λήψης, διαδρομή για τη μετάδοση δεδομένων.

Ως αποτέλεσμα, ο αποστολέας πρέπει να λάβει ανατροφοδότηση από κάθε δέκτη για να καθορίσει τον καλύτερο τρόπο χρήσης των πόρων ραδιοφώνου για την εξυπηρέτησή τους. Το 3GPP ορίζει το CQI (Δείκτης ποιότητας καναλιού, δείκτης ποιότητας καναλιού) για αυτόν τον σκοπό . Στην πράξη, ο δέκτης στέλνει μια αναφορά κατάστασης CQI στον σταθμό βάσης περιοδικά (π.χ. κάθε 1 ms στο LTE). Αυτά τα μηνύματα CQI αναφέρουν την παρατηρούμενη αναλογία σήματος προς θόρυβο, η οποία επηρεάζει την ικανότητα του δέκτη να ανακτά δεδομένα. Στη συνέχεια, ο σταθμός βάσης χρησιμοποιεί αυτές τις πληροφορίες για να προσαρμόσει τον τρόπο κατανομής του διαθέσιμου ραδιοφάσματος στους χρήστες που εξυπηρετεί και ποιο σχήμα κωδικοποίησης και διαμόρφωσης θα χρησιμοποιήσει. Όλες αυτές οι αποφάσεις λαμβάνονται από τον προγραμματιστή.

2.2 Προγραμματιστής

Ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά κάθε γενιάς κυψελοειδών δικτύων είναι ο τρόπος με τον οποίο ο προγραμματιστής κάνει τη δουλειά του, ο οποίος με τη σειρά του εξαρτάται από τον μηχανισμό πολυπλεξίας. Για παράδειγμα, το 2G χρησιμοποιεί TDMA (Time Division Multiple Access, Time Division Multiple Access) και το 3G χρησιμοποιεί CDMA (Code Division Multiple Access, Code Division Multiple Access) . Ο τρόπος πολυπλεξίας των δεδομένων είναι επίσης μια βασική διαφορά μεταξύ 4G και 5G, η οποία ολοκληρώνει τη μετάβαση από τα βασικά κυψελωτά δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος σε βασικά δίκτυα μεταγωγής πακέτων.

Τόσο το 4G όσο και το 5G βασίζονται στο OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) , δηλαδή πολυπλεξία δεδομένων σε πολλαπλές ορθογώνιες υπο-φορείς συχνότητες, καθεμία από τις οποίες διαμορφώνεται ανεξάρτητα. Η αξία και η αποτελεσματικότητα του OFDM έγκειται στο πώς επιλέγονται οι υποφορείς συχνότητες για την αποφυγή παρεμβολών, δηλαδή πώς επιτυγχάνεται η ορθογωνικότητα. Αυτό το θέμα ξεφεύγει από το πεδίο αυτού του βιβλίου. Αντίθετα, έχουμε μια πολύ αφηρημένη άποψη της πολυπλεξίας, εστιάζοντας στις «διακριτές προγραμματιζόμενες μονάδες του ασύρματου φάσματος» και όχι στους μηχανισμούς σηματοδότησης και διαμόρφωσης που παράγουν αυτές τις προγραμματιζόμενες μονάδες.

Αρχικά, εμβαθύνουμε σε αυτές τις προγραμματισμένες μονάδες. Στην τελευταία ενότητα, επιστρέφουμε στο ευρύτερο ζήτημα της αποτελεσματικής χρήσης των διεπαφών αέρα φάσματος .

Πολυπλεξία σε 4G

Η τεχνολογία πολυπλεξίας μετάδοσης κατερχόμενης ζεύξης 4G ονομάζεται OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access, Orthogonal Frequency Division Multiple Access) , η οποία είναι μια ειδική εφαρμογή του OFDM, η οποία συνδυάζει δεδομένα σε ένα σύνολο 12 ορθογώνιων συχνοτήτων υποφορέα. Σε πολυπλεξία, κάθε υποφορέας διαμορφώνεται ανεξάρτητα ^{Σημείωση 1} . "Πολλαπλή πρόσβαση" στο OFDMA σημαίνει ότι τα δεδομένα μπορούν να αποσταλούν ταυτόχρονα για λογαριασμό πολλών χρηστών, ο καθένας χρησιμοποιώντας διαφορετική συχνότητα δευτερεύοντος φορέα και διαφορετική χρονική περίοδο. Οι υποζώνες είναι στενές (π.χ. 15 kHz), αλλά η κωδικοποίηση των δεδομένων χρήστη σε σύμβολα OFDMA έχει σχεδιαστεί για να ελαχιστοποιεί τον κίνδυνο απώλειας δεδομένων λόγω παρεμβολών μεταξύ γειτονικών ζωνών συχνοτήτων.

Σημείωση 1: Για τη μετάδοση ανερχόμενης ζεύξης (από τον εξοπλισμό χρήστη στο σταθμό βάσης), το 4G χρησιμοποιεί διαφορετική στρατηγική πολυπλεξίας, αλλά το 5G χρησιμοποιεί διαφορετική μέθοδο, επομένως δεν σκοπεύουμε να την περιγράψουμε εδώ.

Η χρήση του OFDMA έχει φυσικά οδηγήσει στον μετασχηματισμό της έννοιας του ραδιοφάσματος σε δισδιάστατους πόρους, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4. Η μικρότερη προγραμματιζόμενη μονάδα, που ονομάζεται RE (Στοιχείο πόρου, μονάδα πόρων) , αντιστοιχεί στη ζώνη συχνοτήτων των 15 kHz γύρω από μία συχνότητα υποφορέα και στον χρόνο που απαιτείται για τη μετάδοση ενός συμβόλου OFDMA. Ο αριθμός των δυαδικών ψηφίων που μπορούν να κωδικοποιηθούν ανά σύμβολο εξαρτάται από τον ρυθμό διαμόρφωσης. Για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας τη Διαμόρφωση Τετραγωνικού Πλάτους (QAM) , το 16-QAM δημιουργεί 4 bit ανά σύμβολο και το 64-QAM δημιουργεί 6 bit ανά σύμβολο.

Ο χρονοπρογραμματιστής εκχωρεί ορισμένες RE σε κάθε χρήστη που έχει δεδομένα για μετάδοση κατά την περίοδο *TTI (Transmission Time Interval) κάθε 1 ms. Στο σχήμα 4, τα μπλοκ με διαφορετικά χρώματα αντιπροσωπεύουν διαφορετικούς χρήστες. Ο προγραμματιστής πρέπει να λάβει αποφάσεις κατανομής σε μπλοκ 7x12=84 RES (PRB, Physical Resource Block, Physical Resource Block)*, που είναι ο μόνος περιορισμός του. Το σχήμα 4 δείχνει δύο PRB συνδεδεμένα μεταξύ τους. Φυσικά, ο χρόνος συνεχίζει να κυλά προς τα εμπρός κατά μήκος του άξονα Χ, και ανάλογα με το μέγεθος της διαθέσιμης ζώνης συχνοτήτων (ίσως πλάτος 100 MHz, για παράδειγμα), ενδέχεται να εμφανιστούν περισσότερες υποδοχές υποφορέα (και PRB) στον άξονα Υ. ο προγραμματιστής Ουσιαστικά ετοιμάζεται και αποστέλλεται μια σειρά από PRB.

Σημειώστε ότι το OFDMA δεν είναι αλγόριθμος κωδικοποίησης/διαμόρφωσης, αλλά παρέχει ένα πλαίσιο για την επιλογή μιας συγκεκριμένης κωδικοποίησης και διαμορφωτή για κάθε συχνότητα υποφορέα. Το QAM είναι ένας κοινός διαμορφωτής. Είναι ευθύνη του προγραμματιστή να επιλέξει τη μέθοδο διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται από κάθε PRB με βάση την ανατροφοδότηση CQI που λαμβάνει. Ο προγραμματιστής επιλέγει επίσης την κωδικοποίηση ανά PRB, π.χ. πώς να ρυθμίσει τις παραμέτρους του αλγόριθμου κωδικοποίησης turbo.

Το 1 ms TTI είναι η χρονική περίοδος κατά την οποία ο προγραμματιστής λαμβάνει σχόλια από τους χρήστες σχετικά με την ποιότητα του σήματος που αντιμετωπίζουν. Αυτό είναι το προαναφερθέν CQI, όπου κάθε χρήστης στέλνει ένα σύνολο μετρήσεων κάθε 1 ms, τις οποίες χρησιμοποιεί ο προγραμματιστής για να αποφασίσει πώς θα εκχωρήσει τα PRB κατά τη διάρκεια των επόμενων TTI.

Μια άλλη εισαγωγή στην απόφαση προγραμματισμού είναι το QCI (QoS Class Identifier) ​​, το οποίο υποδεικνύει την ποιότητα της υπηρεσίας που θα αποκτήσει κάθε κατηγορία επισκεψιμότητας. Στο 4G, η τιμή QCI για κάθε κατηγορία (υπάρχουν 9 κλάσεις συνολικά) υποδεικνύει εάν η κίνηση έχει GBR (Εγγυημένο ρυθμό μετάδοσης bit)* ή μη GBR και τη σχετική προτεραιότητα αυτής της κατηγορίας QoS στις δύο κατηγορίες.

Τέλος, λάβετε υπόψη ότι το Σχήμα 4 εστιάζει στον προγραμματισμό εκπομπών από μία μόνο κεραία, αλλά η τεχνική MIMO που περιγράφεται παραπάνω σημαίνει ότι ο προγραμματιστής πρέπει επίσης να καθορίσει ποια κεραία (ή, γενικότερα, ποιο υποσύνολο κεραιών) θα φτάσει πιο αποτελεσματικά σε κάθε άκρο λήψης . Ωστόσο, εξακολουθεί να είναι απαραίτητο να αφαιρέσουμε τον προγραμματιστή, ο οποίος είναι υπεύθυνος για την κατανομή μιας σειράς RE.

Όλα αυτά εγείρουν το ερώτημα: πώς αποφασίζει ο προγραμματιστής ποιο σύνολο χρηστών θα εξυπηρετήσει σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα; Πόσα στοιχεία πόρων έχουν εκχωρηθεί σε κάθε χρήστη; Πώς να επιλέξετε το επίπεδο κωδικοποίησης και διαμόρφωσης; Και σε ποια κεραία μεταδίδονται τα δεδομένα; Αυτό είναι ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης, αλλά δεν πρόκειται να λύσουμε αυτά τα προβλήματα εδώ. Στόχος μας είναι να περιγράψουμε μια αρχιτεκτονική που επιτρέπει σε άλλους να σχεδιάσουν και να συνδέσουν αποτελεσματικούς προγραμματιστές. Η διατήρηση της κυψελοειδούς αρχιτεκτονικής ανοιχτή σε αυτό το είδος καινοτομίας είναι ένας από τους στόχους μας και, όπως θα δούμε στην επόμενη ενότητα, η παροχή περισσότερων επιλογών για λειτουργίες προγραμματιστή θα γίνει ακόμη πιο σημαντική στο 5G.

Πολυπλεξία σε 5G

Η μετάβαση από το 4G στο 5G προσφέρει πρόσθετη ευελιξία στον προγραμματισμό του ραδιοφάσματος, επιτρέποντας στα κυψελωτά δίκτυα να προσαρμοστούν σε ένα πιο ποικίλο σύνολο συσκευών και εφαρμογών.

Ουσιαστικά, το 5G ορίζει μια σειρά κυματομορφών, ενώ το LTE καθορίζει μόνο μία, καθεμία βελτιστοποιημένη για διαφορετική ζώνη συχνοτήτων στο ραδιοφάσμα ^{Σημείωση 2} . Οι ζώνες με συχνότητες φορέα κάτω του 1 GHz έχουν σχεδιαστεί για να παρέχουν ευρυζωνικές υπηρεσίες κινητής τηλεφωνίας και μαζικές υπηρεσίες IoT που ενδιαφέρονται για τους περισσότερους ανθρώπους. Οι συχνότητες φορέα μεταξύ 1-6 GHz έχουν σχεδιαστεί για να παρέχουν υψηλότερα εύρη ζώνης, εστιάζοντας σε κινητές ευρυζωνικές εφαρμογές και εφαρμογές κρίσιμες για την αποστολή. Οι συχνότητες φορέα άνω των 24 GHz (mmWaves) έχουν σχεδιαστεί για να παρέχουν υπηρεσίες υπερευρείας ζώνης εντός οπτικού πεδίου.

Σημείωση 2: Μια κυματομορφή είναι ένα χαρακτηριστικό (σχήμα) ανεξάρτητο από τη συχνότητα, το πλάτος και τη μετατόπιση φάσης ενός σήματος, ένα ημιτονοειδές κύμα είναι ένα παράδειγμα.

Αυτές οι διαφορετικές κυματομορφές επηρεάζουν τον προγραμματισμό και την απόσταση των υποφορέων (δηλαδή το "μέγεθος" των RE που περιγράφονται στην προηγούμενη ενότητα).

• Για τη ζώνη κάτω του 1 GHz, το 5G επιτρέπει μέγιστο εύρος ζώνης 50 MHz. Σε αυτήν την περίπτωση, υπάρχουν δύο κυματομορφές: μία με απόσταση υποφορέα 15 kHz και μία με 30 kHz. (Στο παράδειγμα που φαίνεται στην Εικόνα 4, χρησιμοποιήσαμε 15 kHz.) Τα αντίστοιχα διαστήματα προγραμματισμού είναι 0,5 ms και 0,25 ms, αντίστοιχα. (Στο παράδειγμα που φαίνεται στην Εικόνα 4, χρησιμοποιήσαμε 0,5 ms.)
• Για τη ζώνη 1-6 GHz, το μέγιστο εύρος ζώνης είναι έως 100 MHz. Τα αντίστοιχα διαστήματα υποφορέων είναι τρεις κυματομορφές των 15, 30 και 60 kHz και τα αντίστοιχα διαστήματα προγραμματισμού είναι 0,5, 0,25 και 0,125 ms, αντίστοιχα.
• Για τη ζώνη κυμάτων χιλιοστών, το εύρος ζώνης μπορεί να είναι έως και 400 MHz. Υπάρχουν δύο κυματομορφές με απόσταση υποφορέα 60 kHz και 120 kHz. Το διάστημα προγραμματισμού και για τα δύο είναι 0,125 ms.

Αυτές οι διαφορετικές διαμορφώσεις των διαστημάτων υποφορέα και των διαστημάτων προγραμματισμού αναφέρονται μερικές φορές ως παράμετροι διαμόρφωσης διεπαφής ραδιοφώνου αέρα (αριθμολογία) .

Το εύρος αυτής της παραμέτρου διαμόρφωσης είναι σημαντικό επειδή προσθέτει μια άλλη επιλογή στον προγραμματιστή. Εκτός από την κατανομή πόρων ραδιοφώνου στους χρήστες, μπορεί να προσαρμόσει δυναμικά το μέγεθος των πόρων αλλάζοντας τη χρησιμοποιούμενη κυματομορφή. Με αυτήν την πρόσθετη επιλογή, οι ΑΠΕ σταθερού μεγέθους δεν είναι πλέον η κύρια μονάδα κατανομής πόρων. Αντίθετα, χρησιμοποιούμε πιο αφηρημένους όρους και συζητάμε την κατανομή μπλοκ πόρων (Resource Blocks) στους χρήστες , το μέγεθος και τον αριθμό των οποίων ο προγραμματιστής 5G αποφασίζει να εκχωρήσει σε κάθε χρονικό διάστημα.

Το Σχήμα 5 απεικονίζει τον ρόλο του χρονοπρογραμματιστή από μια πιο αφηρημένη προοπτική.Όπως και με το 4G, η ανάδραση CQI από τον δέκτη και η κλάση ποιότητας υπηρεσίας QCI που επιλέγεται από τον χρήστη είναι δύο βασικές παράμετροι που εισάγει ο προγραμματιστής. Σημειώστε ότι το εύρος τιμών QCI δεν είναι το ίδιο για 4G και 5G, αντανακλώντας την αυξανόμενη διαφοροποίηση της υποστήριξης. Για το 5G, κάθε κατηγορία περιλαμβάνει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:

• Τύπος πόρου: GBR (Εγγυημένος ρυθμός bit), Καθυστέρηση-κρίσιμος GBR, Μη GBR
• Επίπεδο Προτεραιότητας
• Προϋπολογισμός καθυστέρησης πακέτων
• Ποσοστό σφάλματος πακέτου
• Παράθυρο μέσου όρου
• Μέγιστη ριπή δεδομένων

Σημειώστε ότι ενώ η προηγούμενη συζήτηση μπορεί να ερμηνευθεί ως μια σχέση ένας προς έναν μεταξύ των χρηστών και των QCI, είναι πιο ακριβές να πούμε ότι κάθε QCI σχετίζεται με μια κατηγορία κίνησης (συνήθως αντιστοιχεί σε έναν συγκεκριμένο τύπο εφαρμογής), Α. Ο χρήστης μπορεί να στέλνει και να λαμβάνει κίνηση που ανήκει σε περισσότερες από μία κλάσεις ανά πάσα στιγμή. Θα διερευνήσουμε αυτή την έννοια σε μεγαλύτερο βάθος σε επόμενα κεφάλαια.

2.3. Νέο Ραδιόφωνο (NR)

Τέλος, σημειώνουμε ότι ενώ η προηγούμενη ενότητα περιέγραψε το 5G ως εισάγοντας πρόσθετες επιλογές στον προγραμματισμό των μεταδόσεων δεδομένων, το τελικό αποτέλεσμα είναι ένα ποιοτικά πιο ισχυρό ραδιόφωνο. Αυτή η νέα προδιαγραφή διεπαφής αέρα 5G αναφέρεται συνήθως ως New Radio (NR) . Επιτρέπει τρεις νέες περιπτώσεις χρήσης που υπερβαίνουν κατά πολύ την απλή αύξηση του εύρους ζώνης:

• eMBB (Extreme Mobile Broadband, υπηρεσία εξαιρετικά εύρους ζώνης)
• uRLLC (Υπεραξιόπιστες επικοινωνίες χαμηλής καθυστέρησης, εξαιρετικά αξιόπιστες υπηρεσίες χαμηλής καθυστέρησης)
• mMTC (Μαζικές επικοινωνίες τύπου μηχανής, μαζική υπηρεσία IoT)

Και οι τρεις περιπτώσεις χρήσης πληρούν τις απαιτήσεις που παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 1 και μπορούν όλες να αποδοθούν στις τέσσερις θεμελιώδεις βελτιώσεις που προσφέρει το 5G μέσω του αέρα για την πολυπλεξία δεδομένων.

Η πρώτη βελτίωση αναφέρθηκε στην προηγούμενη ενότητα: η δυνατότητα αλλαγής της κυματομορφής. Αυτό εισάγει αποτελεσματικά τη δυνατότητα δυναμικής αλλαγής του μεγέθους και του αριθμού των προγραμματιζόμενων μονάδων πόρων, γεγονός που ανοίγει την πόρτα στη λήψη λεπτομερών αποφάσεων προγραμματισμού που είναι κρίσιμες για προβλέψιμη επικοινωνία με χαμηλή καθυστέρηση.

Η δεύτερη βελτίωση έχει να κάνει με την "πολλαπλή πρόσβαση", τον τρόπο με τον οποίο οι διαφορετικές πηγές επισκεψιμότητας πολυπλέκονται σε όλο το διαθέσιμο φάσμα. Στο 4G, η μεταγενέστερη κυκλοφορία πολυπλέκεται τόσο στον τομέα συχνότητας όσο και στον τομέα χρόνου (όπως περιγράφεται στην Ενότητα 2.2), ενώ η κυκλοφορία ανάντη πολυπλέκεται μόνο στον τομέα συχνότητας. Το 5G NR επιτρέπει την πολυπλεξία κίνησης ανερχόμενης και κατερχόμενης ζεύξης τόσο στον τομέα του χρόνου όσο και στη συχνότητα, κάτι που μπορεί να παρέχει πιο λεπτομερή έλεγχο προγραμματισμού που απαιτείται από εφαρμογές ευαίσθητες σε καθυστερήσεις.

Η τρίτη βελτίωση έχει να κάνει με το νέο φάσμα που είναι διαθέσιμο για 5G NR, ειδικά κύμα χιλιοστών άνω των 24 GHz. Αυτό δεν συμβαίνει μόνο λόγω της μεγαλύτερης χωρητικότητας - η οποία καθιστά δυνατή την αφαίρεση της ειδικής χωρητικότητας για εφαρμογές κρίσιμες για την αποστολή που απαιτούν επικοινωνίες χαμηλής καθυστέρησης - αλλά επειδή οι υψηλότερες συχνότητες επιτρέπουν πιο λεπτομερή μπλοκ πόρων (π.χ. μικρότερα διαστήματα προγραμματισμού) 0,125 ms) καθίσταται δυνατή. Ταυτόχρονα, το χαμηλότερο διάστημα προγραμματισμού ωφελεί εφαρμογές που δεν μπορούν να ανεχθούν απρόβλεπτη καθυστέρηση.

Τέταρτον, παρέχετε συνδεσιμότητα κινητής τηλεφωνίας για μεγάλο αριθμό συσκευών IoT, από συσκευές χαμηλής ταχύτητας που απαιτούν κινητή υποστήριξη (π.χ. wearables, συσκευές παρακολούθησης στοιχείων) έως συσκευές που υποστηρίζουν διακοπτόμενη μετάδοση λίγων byte δεδομένων (π.χ. αισθητήρες, μετρητές). Αυτές οι συσκευές δεν είναι όλες ευαίσθητες στον λανθάνοντα χρόνο και καταναλώνουν λιγότερο εύρος ζώνης, αλλά η πρόκληση είναι ότι απαιτούν μεγάλη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, επομένως έχουν σχεδιαστεί για να μειώνουν την πολυπλοκότητα του υλικού και συνεπώς να καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια.

Η υποστήριξη για συσκευές IoT περιστρέφεται γύρω από την κατανομή μέρους του διαθέσιμου ραδιοφάσματος σε μια ελαφριά (απλοποιημένη) διεπαφή αέρα. Αυτό το σχήμα ξεκινά με την έκδοση 13 του LTE και υλοποιείται από δύο συμπληρωματικές τεχνολογίες: mMTC και NB-IoT (NarrowBand-IoT, Narrowband Internet of Things). Και οι δύο τεχνολογίες βασίζονται σε πολύ απλοποιημένες εκδόσεις του LTE, περιορίζοντας τις παραμέτρους διαμόρφωσης και την ευελιξία που απαιτούνται για υψηλότερη χρήση φάσματος, επιτρέποντας απλούστερους σχεδιασμούς υλικού IoT. Το mMTC παρέχει εύρος ζώνης 1,4 MHz έως και 1 Mbps και το NB-IoT παρέχει περισσότερο από 200 kHz εύρος ζώνης δεκάδων kbps, εξ ου και ο όρος *NarrowBand*. Και οι δύο τεχνολογίες έχουν σχεδιαστεί για να υποστηρίζουν περισσότερες από 1 εκατομμύριο συσκευές ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο. Στην Έκδοση 16, και οι δύο τεχνολογίες μπορούν να λειτουργήσουν στη ζώνη 5G, αλλά εξακολουθούν να βασίζονται σε παραμέτρους διαμόρφωσης LTE. Ξεκινώντας από την έκδοση 17, ως εξέλιξη του mMTC, θα κυκλοφορήσει μια απλούστερη έκδοση του 5G NR, που ονομάζεται NR-Light, και το NR-Light αναμένεται να αυξήσει περαιτέρω την πυκνότητα πρόσβασης στη συσκευή.

Ως αποτέλεσμα αυτών των τεσσάρων βελτιώσεων, το 5G NR έχει σχεδιαστεί για να υποστηρίζει τον διαχωρισμό του διαθέσιμου εύρους ζώνης, εκχωρώντας δυναμικά διαφορετικά διαμερίσματα σε διαφορετικές κατηγορίες επισκεψιμότητας (π.χ. υψηλό εύρος ζώνης, χαμηλό λανθάνον χρόνο και χαμηλή πολυπλοκότητα). Αυτή είναι η ουσία του τεμαχισμού, και θα συζητήσουμε αυτήν την ιδέα επανειλημμένα σε όλο αυτό το βιβλίο. Επιπλέον, από τη στιγμή που η κυκλοφορία με διαφορετικές ανάγκες μπορεί να εξυπηρετηθεί από διαφορετικά τμήματα, η μέθοδος πολυπλεξίας του 5G NR είναι αρκετή για να υποστηρίξει διαφορετικές αποφάσεις προγραμματισμού για αυτά τα τμήματα, καθένα από τα οποία είναι προσαρμοσμένο στην επισκεψιμότητα-στόχο.

-------------------------------

3. Βασική Αρχιτεκτονική

Αυτό το κεφάλαιο εισάγει τα κύρια αρχιτεκτονικά στοιχεία του δικτύου πρόσβασης κινητής τηλεφωνίας, εστιάζοντας στα κοινά στοιχεία του 4G και του 5G και θέτει τα θεμέλια για την κατανόηση των προηγμένων χαρακτηριστικών του 5G που εισάγονται στα επόμενα κεφάλαια.

Αυτό το βιβλίο είναι κυρίως μια γενική εισαγωγή σε όρους στο 3GPP που μπορεί να φαίνονται αυθαίρετοι σε όσους γνωρίζουν το Διαδίκτυο (για παράδειγμα, το "eNB" είναι ένας "σταθμός βάσης"), αλλά είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι αυτός ο όρος προέρχεται από τη διαδικασία της τυποποίησης στο 3GPP, το οποίο ανέκαθεν επικεντρωνόταν στον τομέα των τηλεπικοινωνιών και δεν έχει σχεδόν καθόλου δεσμούς με το IETF και άλλους οργανισμούς που σχετίζονται με το Διαδίκτυο. Για να επιδεινωθεί η σύγχυση, η ορολογία 3GPP αλλάζει συχνά με κάθε γενιά (π.χ. ένας σταθμός βάσης ονομάζεται eNB σε 4G και gNB σε 5G). Αντιμετωπίζουμε αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιώντας γενικούς όρους (π.χ. σταθμός βάσης) και αναφέροντας συγκεκριμένα αντίστοιχα 3GPP μόνο όταν απαιτείται διάκριση.

Περαιτέρω ανάγνωση Αυτό το παράδειγμα είναι μόνο η κορυφή του παγόβουνου ορολογίας. Για την πολυπλοκότητα της ορολογίας 5G, δείτε το άρθρο του Marcin Dryjanski τον Ιούλιο του 2018: "Διαφορές LTE και 5G: Πολυπλοκότητα συστήματος" ^[1] .

3.1 Κύρια εξαρτήματα

Τα κυψελωτά δίκτυα παρέχουν ασύρματη συνδεσιμότητα για συσκευές εν κινήσει, γνωστές ως *UE (User Equipment), που παραδοσιακά αντιστοιχούν σε smartphone και tablet, αλλά όλο και περισσότερο θα περιλαμβάνουν αυτοκίνητα, drones, βιομηχανικά και γεωργικά μηχανήματα, ρομπότ, οικιακές συσκευές, ιατρικό εξοπλισμό κ.λπ. .

Όπως φαίνεται στο Σχήμα 6, το κυψελοειδές δίκτυο αποτελείται από δύο κύρια υποσυστήματα: RAN (Δίκτυα πρόσβασης ραδιοφώνου, δίκτυο πρόσβασης ραδιοφώνου) και δίκτυο πυρήνα κινητής τηλεφωνίας (Mobile Core) . Το RAN διαχειρίζεται το ραδιοφάσμα, διασφαλίζοντας ότι χρησιμοποιείται αποτελεσματικά και ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας κάθε χρήστη, και ενσωματώνεται ως μια κατανεμημένη συλλογή σταθμών βάσης. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, στο 4G, αυτοί οι κόμβοι ονομάζονται eNodeB (ή eNB) , το οποίο είναι συντομογραφία του εξελιγμένου κόμβου Β. Στο 5G, ονομάζονται gNB (g σημαίνει "επόμενη γενιά").

Το κεντρικό δίκτυο κινητής τηλεφωνίας δεν είναι μια ενιαία συσκευή, αλλά μια συλλογή λειτουργιών που εξυπηρετούν πολλαπλούς σκοπούς:

• Παρέχει συνδεσιμότητα Internet (IP) για υπηρεσίες δεδομένων και φωνής.
• Βεβαιωθείτε ότι η συνδεσιμότητα πληροί τις δεσμευμένες απαιτήσεις QoS.
• Παρακολουθήστε την κινητικότητα των χρηστών για να εξασφαλίσετε αδιάλειπτη εξυπηρέτηση.
• Παρακολουθήστε τη χρήση των χρηστών για λόγους χρέωσης και χρέωσης.

Σημειώστε ότι το δίκτυο πυρήνων κινητής τηλεφωνίας είναι ένας άλλος γενικός όρος. Ονομάζεται EPC (Evolved Packet Core, εξελιγμένο δίκτυο πυρήνων πακέτων) στο 4G και ονομάζεται *NG-Core (Next Generation Core, δίκτυο πυρήνων επόμενης γενιάς, ένας άλλος πιο συχνά χρησιμοποιούμενος όρος είναι 5GC) στο 5G.

Παρά τη λέξη "πυρήνας" στο όνομά του, από την άποψη του Διαδικτύου, το δίκτυο πυρήνα κινητής τηλεφωνίας εξακολουθεί να είναι μέρος του δικτύου πρόσβασης, χρησιμεύοντας ως αποτελεσματική γέφυρα μεταξύ του RAN σε μια περιοχή και του μεγαλύτερου συνδεδεμένου Διαδικτύου που βασίζεται σε IP. Το 3GPP προσφέρει μεγάλη ευελιξία όπου αναπτύσσεται το κεντρικό δίκτυο κινητής τηλεφωνίας, αλλά για τους σκοπούς μας μπορούμε να υποθέσουμε ότι κάθε δίκτυο πυρήνα κινητής τηλεφωνίας εξυπηρετεί μια μεγάλη αστική περιοχή και το αντίστοιχο RAN θα αποτελείται από δεκάδες (ακόμη και εκατοντάδες) πύργους κινητής τηλεφωνίας.

Ρίχνοντας μια πιο προσεκτική ματιά στο Σχήμα 6, μπορούμε να δούμε ένα *Backhaul Network* που συνδέει τους σταθμούς βάσης με το κεντρικό δίκτυο κινητής τηλεφωνίας. Αυτό το δίκτυο είναι συνήθως ενσύρματο, μπορεί να έχει ή να μην έχει την τοπολογία δακτυλίου που φαίνεται στο διάγραμμα και συνήθως κατασκευάζεται από άλλα στοιχεία που διατίθενται στο εμπόριο. Για παράδειγμα, ένα PON (Passive Optical Network, παθητικό οπτικό δίκτυο) που υλοποιεί fiber-to-the-home είναι η πρώτη επιλογή για την υλοποίηση RAN backhaul. Το δίκτυο backhaul είναι προφανώς απαραίτητο μέρος του RAN, αλλά είναι μόνο μία από τις επιλογές υλοποίησης και δεν απαιτείται από το πρότυπο 3GPP.

Ενώ το 3GPP καθορίζει σε ένα ανοιχτό πρότυπο όλα τα στοιχεία για την υλοποίηση του RAN και του δικτύου κινητής τηλεφωνίας (συμπεριλαμβανομένων των υποστρωμάτων που δεν έχουμε ακόμη εισαγάγει), οι φορείς εκμετάλλευσης δικτύων ήταν ιστορικά συνηθισμένοι να αγοράζουν τις ιδιόκτητες ιδιότητες κάθε υποσυστήματος από έναν μόνο προμηθευτή. Η έλλειψη εφαρμογών ανοιχτού κώδικα έχει οδηγήσει σε μια γενική «αδιαφάνεια» των κυψελοειδών δικτύων, ειδικά του RAN. Ενώ οι υλοποιήσεις eNodeB περιέχουν πολύπλοκους αλγόριθμους για τον προγραμματισμό μεταδόσεων στο ραδιοφάσμα (αυτοί οι αλγόριθμοι θεωρούνται πολύτιμη πνευματική ιδιοκτησία για τους προμηθευτές εξοπλισμού), η ευκαιρία να ανοίξει και να αποσυνδεθεί το RAN και ο πυρήνας του κινητού ταυτόχρονα είναι σημαντική. Τα επόμενα δύο κεφάλαια θα παρουσιάσουν αυτά τα δύο μέρη με τη σειρά τους.

Πριν προχωρήσουμε σε αυτές τις λεπτομέρειες, το Σχήμα 7 επανασχεδιάζει τα στοιχεία στο Σχήμα 6 για να επισημάνει δύο σημαντικές διαφορές. Πρώτον, ένας σταθμός βάσης έχει ένα αναλογικό στοιχείο (που αντιπροσωπεύεται από μια κεραία) και ένα ψηφιακό στοιχείο (που αντιπροσωπεύεται από ένα ζεύγος επεξεργαστών). Δεύτερον, το δίκτυο πυρήνα κινητής τηλεφωνίας χωρίζεται σε ένα επίπεδο ελέγχου (επίπεδο ελέγχου) και ένα επίπεδο χρήστη (επίπεδο χρήστη) , το οποίο είναι παρόμοιο με το επίπεδο ελέγχου/δεδομένων που κατανοούν όσοι είναι εξοικειωμένοι με το Διαδίκτυο. (Η 3GPP εισήγαγε πρόσφατα ένα αντίστοιχο αρκτικόλεξο - CUPS, Control and User Plane Separation - για να αντιπροσωπεύσει αυτήν την ιδέα.) Στη συζήτηση που ακολουθεί, εξηγούμε τη σημασία αυτών των δύο διακρίσεων.

3.2 Δίκτυο ραδιοπρόσβασης

Στη συνέχεια, περιγράφουμε το RAN παρουσιάζοντας τον ρόλο που παίζει κάθε σταθμός βάσης. Θυμηθείτε, αυτό μοιάζει λίγο με την περιγραφή του Διαδικτύου εξηγώντας πώς λειτουργούν οι δρομολογητές - είναι ένα κατάλληλο σημείο εκκίνησης, αλλά δεν καλύπτει πλήρως όλα τα σενάρια από άκρο σε άκρο.

Πρώτον, κάθε σταθμός βάσης δημιουργεί ένα ασύρματο κανάλι για το UE μετά την ενεργοποίηση του UE του χρήστη ή όταν το UE είναι σε ενεργή κατάσταση. Αυτό το κανάλι θα κυκλοφορήσει εάν το UE παραμείνει σε αδράνεια για κάποιο χρονικό διάστημα. Με την ορολογία 3GPP, αυτό το ραδιοφωνικό κανάλι παρέχει υπηρεσίες κομιστή . Ο όρος "κομιστής" έχει χρησιμοποιηθεί ιστορικά από τη βιομηχανία των τηλεπικοινωνιών (συμπεριλαμβανομένων των πρώιμων τεχνολογιών ενσύρματης γραμμής όπως το ISDN) για να υποδηλώσει ένα κανάλι δεδομένων, αντί για ένα κανάλι που μεταφέρει πληροφορίες σηματοδότησης.

Δεύτερον, κάθε σταθμός βάσης δημιουργεί μια σύνδεση "ελέγχου επιπέδου 3GPP" μεταξύ του UE και του αντίστοιχου στοιχείου επιπέδου ελέγχου δικτύου πυρήνα κινητής τηλεφωνίας και προωθεί την κυκλοφορία σηματοδότησης μεταξύ των δύο. Αυτή η κίνηση σηματοδότησης υποστηρίζει έλεγχο ταυτότητας UE, εγγραφή και παρακολούθηση κινητικότητας.

Τρίτον, για κάθε ενεργό UE, ο σταθμός βάσης δημιουργεί μία ή περισσότερες σήραγγες μεταξύ των αντίστοιχων στοιχείων του επιπέδου χρήστη του δικτύου κινητής τηλεφωνίας πυρήνα.

Τέταρτον, ο σταθμός βάσης προωθεί πακέτα δεδομένων ελέγχου και επιπέδου χρήστη μεταξύ του δικτύου πυρήνα κινητής τηλεφωνίας και του UE. Αυτά τα πακέτα διοχετεύονται μέσω SCTP/IP και GTP/UDP/IP αντίστοιχα. Το SCTP (Stream Control Transport Protocol, Stream Control Transport Protocol) είναι ένα αξιόπιστο πρωτόκολλο μεταφοράς που αντικαθιστά το TCP και χρησιμοποιείται ειδικά για τη μετάδοση πληροφοριών σήματος (έλεγχος) για υπηρεσίες τηλεφωνίας. Το GTP (General Packet Radio Service Tunneling Protocol, General Packet Radio Service Tunneling Protocol) είναι ένα πρωτόκολλο σήραγγας που βασίζεται σε UDP και ορίζεται από το 3GPP.

Επίσης, αξίζει να σημειωθεί ότι η σύνδεση μεταξύ του RAN και του δικτύου πυρήνα κινητής τηλεφωνίας βασίζεται σε IP. Αυτή είναι μια από τις σημαντικότερες αλλαγές από 3G σε 4G. Πριν από το 4G, τα εσωτερικά των κυψελοειδών δικτύων βασίζονταν στη μετάδοση κυκλώματος. Αυτό είναι επίσης κατανοητό, αφού αρχικά ήταν τηλεφωνικό δίκτυο.

Πέμπτον, κάθε σταθμός βάσης συντονίζει την παράδοση UE με γειτονικούς σταθμούς βάσης χρησιμοποιώντας απευθείας συνδεδεμένες συνδέσεις σταθμού σε σταθμό. Όπως οι σύνδεσμοι σταθμού βάσης προς πυρήνα που φαίνονται παραπάνω, αυτές οι ζεύξεις χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά πακέτων επιπέδου ελέγχου (SCTP μέσω IP) και επιπέδου χρήστη (GTP μέσω UDP/IP).

Έκτον, ο σταθμός βάσης συντονίζει την ασύρματη μετάδοση πολλαπλών σημείων από πολλαπλούς σταθμούς βάσης σε έναν UE, ο οποίος μπορεί να είναι ή όχι μέρος της παράδοσης UE.

Μέσα από την παραπάνω εισαγωγή, μπορούμε να δούμε ότι ο σταθμός βάσης μπορεί βασικά να θεωρηθεί ως ένας εξειδικευμένος επαναλήπτης. Στην κατεύθυνση από το δίκτυο προς το UE, ο σταθμός βάσης ενθυλακώνει τα πακέτα IP που πρόκειται να σταλούν σε θραύσματα φυσικού επιπέδου και τα προγραμματίζει στο διαθέσιμο φάσμα ραδιοσυχνοτήτων για μετάδοση. Στην κατεύθυνση από το UE προς το δίκτυο, ο σταθμός βάσης συγκεντρώνει τα θραύσματα του φυσικού στρώματος σε πακέτα IP, τα οποία αποστέλλονται στο επίπεδο χρήστη του δικτύου πυρήνα κινητής τηλεφωνίας ανάντη μέσω της σήραγγας GTP/UDP/IP. Επιπλέον, ο σταθμός βάσης αποφασίζει (α) να προωθήσει το πακέτο δεδομένων απευθείας στον UE, (β) έμμεσα στον UE μέσω ενός γειτονικού σταθμού βάσης ή (γ) να χρησιμοποιήσει μετάδοση πολλαπλών διαδρομών για να φτάσει στο UE, με βάση τα παρατηρούμενα ποιότητα ραδιοφωνικού καναλιού και πολιτική χρήστη. Η τρίτη περίπτωση μπορεί να επιλέξει να κατανείμει το φυσικό φορτίο σε πολλούς σταθμούς βάσης ή σε πολλαπλές συχνότητες φορέα (συμπεριλαμβανομένου του Wi-Fi) ενός μεμονωμένου σταθμού βάσης.

Σημειώστε ότι, όπως συζητήθηκε στο Κεφάλαιο 2 Ασύρματη μετάδοση, ο προγραμματισμός είναι περίπλοκος και πολλές καταστάσεις πρέπει να λαμβάνονται υπόψη, ακόμη και όταν λαμβάνετε αποφάσεις που επηρεάζουν μόνο έναν μεμονωμένο σταθμό βάσης. Βλέπουμε τώρα ότι υπάρχουν επίσης παγκόσμιες σκέψεις που πρέπει να γίνουν και πρέπει να ληφθούν αποφάσεις σχετικά με το εάν θα προωθηθεί η κυκλοφορία σε διαφορετικούς (πολλαπλούς) σταθμούς βάσης για αποτελεσματική χρήση πόρων φάσματος σε μια μεγαλύτερη γεωγραφική περιοχή.

Με άλλα λόγια, το RAN στο σύνολό του (δηλαδή όχι μόνο ένας μεμονωμένος σταθμός βάσης) υποστηρίζει όχι μόνο την παράδοση (μια σημαντική απαίτηση για κινητικότητα), αλλά και τη συγκέντρωση συνδέσεων και την εξισορρόπηση φορτίου , που είναι μηχανισμοί για οποιοδήποτε Είναι οικείο σε όποιον καταλαβαίνει το διαδίκτυο. Θα επανεξετάσουμε πώς μπορεί να αξιοποιηθεί η τεχνολογία SDN για τη λήψη τέτοιων αποφάσεων σε επίπεδο RAN (παγκόσμιο) σε επόμενα κεφάλαια.

3.3 Mobile Core

Η κύρια λειτουργία του βασικού δικτύου κινητής τηλεφωνίας είναι να παρέχει στους χρήστες κινητής τηλεφωνίας μια σύνδεση δικτύου δεδομένων (π.χ. Διαδίκτυο), διασφαλίζοντας παράλληλα ότι οι χρήστες ελέγχονται και ότι η ποιότητα της υπηρεσίας που απολαμβάνουν ανταποκρίνεται στο υποσχεμένο SLA. Το δίκτυο πυρήνα κινητής τηλεφωνίας διαχειρίζεται την κινητικότητα των χρηστών παρακολουθώντας τις τελευταίες θέσεις όλων των χρηστών στην ευαισθησία του σταθμού βάσης, που είναι μια σημαντική λειτουργία του δικτύου πυρήνα κινητής τηλεφωνίας. Στην πραγματικότητα, για την παρακολούθηση της κίνησης μεμονωμένων χρηστών (πράγμα που δεν μπορεί να κάνει το Διαδίκτυο), η αρχιτεκτονική του πυρήνα του δικτύου κινητής τηλεφωνίας είναι πολύ περίπλοκη.

Καθώς περνάμε από το 4G στο 5G, η συνολική λειτουργικότητα παραμένει σε μεγάλο βαθμό η ίδια, αυτό που αλλάζει είναι ο τρόπος με τον οποίο εικονικοποιούνται και αποσυνδέονται οι σχετικές λειτουργίες. Το δίκτυο πυρήνων κινητής τηλεφωνίας 5G επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από την εξέλιξη του υπολογιστικού νέφους σε αρχιτεκτονική μικροϋπηρεσιών (εγγενής στο cloud). Αυτή η αλλαγή είναι πολύ βαθύτερη από ό,τι φαίνεται αρχικά, καθώς η εξέλιξη στο cloud native ανοίγει την πόρτα στην προσαρμογή. Το κεντρικό δίκτυο κινητής τηλεφωνίας 5G όχι μόνο υποστηρίζει φωνητικές και ευρυζωνικές συνδέσεις, αλλά μπορεί επίσης να αναπτυχθεί για να υποστηρίζει τεράστιο IoT. Το μαζικό IoT έχει εντελώς διαφορετικές ανάγκες καθυστέρησης και μοτίβα χρήσης (δηλαδή διακοπτόμενες συνδέσεις περισσότερων συσκευών), κάτι που απαιτεί ένα σχήμα διαχείρισης συνεδρίας για να ταιριάζει σε πολλαπλά επιχειρηματικά μοντέλα.

Δίκτυο πυρήνα κινητής τηλεφωνίας 4G

Το επίσημο όνομα του δικτύου πυρήνων κινητής τηλεφωνίας 4G στο 3GPP είναι EPC (Evolved Packet Core), το οποίο αποτελείται από πέντε κύρια στοιχεία, τα τρία πρώτα λειτουργούν στο επίπεδο ελέγχου (CP) και τα δύο τελευταία λειτουργούν στο επίπεδο χρήστη (UP).

• MME (Mobility Management Entity, Mobility Management Entity): Παρακολουθεί και διαχειρίζεται την κίνηση του τερματικού στο RAN, συμπεριλαμβανομένης της εγγραφής όταν το τερματικό σταματά να κινείται.
• HSS (Home Subscriber Server, Home Subscriber Server): μια βάση δεδομένων που περιέχει πληροφορίες για όλους τους εγγεγραμμένους χρήστες.
• PCRF (Λειτουργία Πολιτικής & Κανόνων χρέωσης): Παρακολουθεί και διαχειρίζεται τους κανόνες πολιτικής και καταγράφει δεδομένα χρέωσης της κίνησης χρηστών.
• SGW (Serving Gateway, Serving Gateway): υπεύθυνος για την προώθηση πακέτων IP με το RAN. Η αγκύρωση του βασικού δικτύου κινητής τηλεφωνίας που μεταφέρει την υπηρεσία στο (πιθανώς κινητό) UE περιλαμβάνει παράδοση από έναν σταθμό βάσης σε έναν άλλο.
• PGW (PDN (Packet Data Network) Gateway, PDN Gateway): Ουσιαστικά ένας δρομολογητής IP που συνδέει το κεντρικό δίκτυο κινητής τηλεφωνίας με το εξωτερικό Διαδίκτυο. Υποστηρίζονται πρόσθετες λειτουργίες που σχετίζονται με την πρόσβαση, συμπεριλαμβανομένης της επιβολής πολιτικής, της διαμόρφωσης κίνησης και της λογιστικής.

Αν και το SGW που βλέπει στο RAN και το PGW που βλέπει στο Διαδίκτυο ορίζονται ως διαφορετικά στοιχεία, στην πράξη συνήθως συνδυάζονται σε μία συσκευή, που ονομάζεται S/PGW. Το τελικό αποτέλεσμα φαίνεται στο Σχήμα 14.

Σημειώστε ότι το 3GPP είναι ευέλικτο και ανοιχτόμυαλο στον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσονται τα στοιχεία του πυρήνα του δικτύου κινητής τηλεφωνίας για την εξυπηρέτηση μιας γεωγραφικής περιοχής. Για παράδειγμα, ένα σύνολο MME/PGW μπορεί να εξυπηρετεί μια πόλη, με SGW να αναπτύσσονται σε περίπου 10 ακραίες τοποθεσίες κατανεμημένες σε όλη την πόλη, το καθένα εξυπηρετώντας περίπου 100 σταθμούς βάσης. Ωστόσο, η προδιαγραφή δεν περιορίζει τη διαμόρφωση ανάπτυξης, μπορείτε να επιλέξετε μόνοι σας.

5G Mobile Core Network

Το δίκτυο πυρήνων κινητής τηλεφωνίας 5G (που ονομάζεται NG-Core από το 3GPP) υιοθετεί μια αρχιτεκτονική παρόμοια με τις μικροϋπηρεσίες. Ο λόγος για τον οποίο ονομάζεται "μικροϋπηρεσία" είναι ότι παρόλο που η προδιαγραφή 3GPP αποσυνθέτει τις λειτουργίες αυτού του επιπέδου, στην πραγματικότητα ορίζει μόνο ένα σύνολο λειτουργικών μονάδων δεν εμπλέκεται στην υλοποίηση. Ένα σύνολο λειτουργικών μονάδων είναι αρκετά διαφορετικό από την απόφαση της μηχανικής να σχεδιάσει ένα σύστημα που βασίζεται σε μικροϋπηρεσίες. Με άλλα λόγια, το σύνολο των εξαρτημάτων που φαίνεται στο Σχήμα 15 μπορεί να θεωρηθεί ως ένα σύνολο μικροϋπηρεσιών, το οποίο είναι ένα καλό μοντέλο λειτουργίας.

Οι λειτουργικές ενότητες οργανώνονται σε τρεις ομάδες παρακάτω. Η πρώτη ομάδα είναι οι συναρτήσεις επιπέδου ελέγχου (CP), οι οποίες έχουν αντίστοιχες μονάδες στο EPC.

• AMF (Core Access and Mobility Management Function, access and mobility management function): υπεύθυνος για τη διαχείριση σύνδεσης και προσβασιμότητας, διαχείριση κινητικότητας, έλεγχο ταυτότητας και εξουσιοδότηση πρόσβασης, υπηρεσίες τοποθεσίας και παρέχει τη λειτουργία διαχείρισης κινητικότητας του MME στο EPC.
• SMF (Session Management Function, session management function): διαχειρίζεται τις περιόδους σύνδεσης UE, συμπεριλαμβανομένης της εκχώρησης διευθύνσεων IP, της επιλογής του σχετικού UPF, του ελέγχου QoS και του ελέγχου δρομολόγησης UP, που αντιστοιχεί περίπου σε ορισμένες λειτουργίες του MME στο EPC και στις λειτουργίες που σχετίζονται με τον έλεγχο του PGW.
• PCF (Λειτουργία Ελέγχου Πολιτικής): Κανόνες πολιτικής για τη διαχείριση άλλων λειτουργιών του επιπέδου ελέγχου, περίπου ισοδύναμοι με το PCRF του EPC.
• UDM (Unified Data Management): Διαχείριση πληροφοριών ταυτότητας χρήστη, δημιουργία πιστοποιητικών ελέγχου ταυτότητας και εφαρμογή ορισμένων λειτουργιών του HSS στο EPC.
• AUSF (Authentication Server Function, Authentication Service Function): Είναι ουσιαστικά ένας διακομιστής ελέγχου ταυτότητας που υλοποιεί ορισμένες λειτουργίες του HSS στο EPC.

Η δεύτερη ομάδα είναι επίσης συναρτήσεις επιπέδου ελέγχου (CP), αλλά δεν έχει άμεσο αντίστοιχο στο EPC:

• SDSF (Structured Data Storage Network Function): Μια βοηθητική υπηρεσία για την αποθήκευση δομημένων δεδομένων, η οποία μπορεί να υλοποιηθεί με την ανάπτυξη μιας βάσης δεδομένων SQL σε ένα σύστημα microservice.
• UDSF (Unstructured Data Storage Network Function): Μια βοηθητική υπηρεσία για την αποθήκευση μη δομημένων δεδομένων, η οποία μπορεί να υλοποιηθεί με την ανάπτυξη ενός «αποθηκευτικού κλειδιού/τιμής» σε ένα σύστημα μικροϋπηρεσιών.
• NEF (Network Exposure Function): Άνοιγμα καθορισμένων λειτουργιών σε υπηρεσίες τρίτων, συμπεριλαμβανομένης της μετατροπής εσωτερικών και εξωτερικών δεδομένων, τα οποία μπορούν να υλοποιηθούν σε ένα σύστημα microservice μέσω ενός "διακομιστή API".
• NRF (NF Repository Function, λειτουργία αποθήκευσης δικτύου): χρησιμοποιείται για την ανακάλυψη διαθέσιμων υπηρεσιών, οι οποίες μπορούν να υλοποιηθούν με την ανάπτυξη «υπηρεσιών ανακάλυψης» στο σύστημα μικροϋπηρεσιών.
• NSSF (Λειτουργία επιλογέα τεμαχισμού δικτύου, λειτουργία επιλογής τεμαχισμού δικτύου): επιλέγει ένα τμήμα δικτύου που εξυπηρετεί μια συγκεκριμένη UE. Ο τεμαχισμός είναι ένα βασικό χαρακτηριστικό του 5G και είναι ουσιαστικά μια μέθοδος διαίρεσης πόρων δικτύου για την παροχή διαφορετικών υπηρεσιών σε διαφορετικούς χρήστες, την οποία θα συζητήσουμε σε βάθος σε επόμενα κεφάλαια.

Η τρίτη ομάδα είναι τα λειτουργικά στοιχεία επιπέδου χρήστη (UP):

• UPF (Συνάρτηση επιπέδου χρήστη, συνάρτηση επιπέδου χρήστη): προωθεί την κίνηση μεταξύ του RAN και του Διαδικτύου, που αντιστοιχεί στον συνδυασμό S/PGW στο EPC. Εκτός από την προώθηση πακέτων, το UPF είναι επίσης υπεύθυνο για την επιβολή της πολιτικής, τη νόμιμη παρακολούθηση, την αναφορά χρήσης κίνησης και τις πολιτικές QoS.

Μεταξύ αυτών, η πρώτη ομάδα και η τρίτη ομάδα μπορούν να θεωρηθούν ως η άμεση ανακατασκευή του 4G EPC, ενώ η δεύτερη ομάδα είναι η διαδρομή που ακολουθεί το 3GPP τις εγγενείς λύσεις στο cloud ως λύσεις πυρήνα δικτύου κινητής τηλεφωνίας. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η εισαγωγή διαφορετικών υπηρεσιών αποθήκευσης σημαίνει ότι όλες οι άλλες υπηρεσίες μπορεί να είναι ανιθαγενείς και μπορούν να υποστηρίξουν την κλιμάκωση πιο εύκολα. Σημειώστε επίσης ότι το Σχήμα 15 υιοθετεί την ιδέα που είναι κοινή σε συστήματα που βασίζονται σε μικροϋπηρεσίες για να εμφανιστεί ο δίαυλος μηνυμάτων που συνδέει όλα τα στοιχεία , αντί για ένα σύνολο συνδέσεων που αποτελούν ζεύγη, κάτι που ισοδυναμεί με την παροχή μιας ευνόητης στρατηγικής. Συνιστώνται στρατηγικές υλοποίησης.

Εκτός από αυτές τις λεπτομέρειες, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι μπορούμε να ορίσουμε ένα κεντρικό δίκτυο κινητής τηλεφωνίας ως ένα σύνολο υπηρεσιών, γνωστών ως Γράφημα Υπηρεσιών ή Αλυσίδα Υπηρεσιών , το τελευταίο περιγράφεται περισσότερο στην τεκμηρίωση προσανατολισμένη στο NFV. γενικά. Υπάρχει ένας άλλος παρόμοιος όρος με ειδική σημασία στην εγγενή αρχιτεκτονική του cloud, το Service Mesh , και θα αποφύγουμε την επαναχρησιμοποίηση αυτού του όρου. Το 3GPP δεν έχει προτίμηση για συγκεκριμένο όρο, καθώς αυτός θεωρείται επιλογή υλοποίησης και όχι μέρος της προδιαγραφής. Θα καλύψουμε τις επιλογές εφαρμογής μας σε επόμενα κεφάλαια.

3.4 Ασφάλεια και Κινητικότητα

Στη συνέχεια θα ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε δύο μοναδικά χαρακτηριστικά των δικτύων κινητής τηλεφωνίας—υποστήριξη για ασφάλεια και κινητικότητα—που διαφοροποιούν το κινητό από το WiFi. Μερικές λεπτομέρειες σχετικά με τον τρόπο σύνδεσης κάθε τερματικού στο δίκτυο παρέχονται παρακάτω.

Ξεκινάμε με μια αρχιτεκτονική ασφάλειας, η οποία βασίζεται σε δύο υποθέσεις εμπιστοσύνης. Πρώτον, κάθε σταθμός βάσης πιστεύει ότι συνδέεται με το δίκτυο πυρήνα κινητής τηλεφωνίας μέσω ενός ασφαλούς ιδιωτικού δικτύου όπου δημιουργεί μια σήραγγα όπως φαίνεται στο Σχήμα 11: ένα GTP/UDP στο επίπεδο χρήστη πυρήνα (Core-UP) / σήραγγα IP και Σήραγγα SCTP/IP στο επίπεδο ελέγχου του πυρήνα του δικτύου (Core-CP). Δεύτερον, κάθε UE έχει μια κάρτα SIM που παρέχεται από τον χειριστή, η οποία προσδιορίζει μοναδικά τον χρήστη (δηλ. τον αριθμό τηλεφώνου) και καθορίζει τις ραδιοπαραμέτρους (όπως η ζώνη συχνοτήτων) που απαιτούνται για την επικοινωνία με το σταθμό βάσης αυτού του χειριστή. Η κάρτα SIM περιλαμβάνει επίσης ένα κλειδί που χρησιμοποιεί το τερματικό για τον έλεγχο ταυτότητας.

Με αυτό ως σημείο εκκίνησης, το Σχήμα 16 δείχνει τα βήματα σύνδεσης για κάθε UE. Όταν το UE είναι μόλις ενεργοποιημένο, επικοινωνεί με έναν κοντινό σταθμό βάσης μέσω μιας προσωρινής (χωρίς έλεγχο ταυτότητας) ραδιοζεύξης (βήμα 1). Ο σταθμός βάσης προωθεί το αίτημα στο Core-CP μέσω της υπάρχουσας σήραγγας και το Core-CP (συγκεκριμένα, το MME στο 4G και το AMF στο 5G) ξεκινά μια διαδικασία ελέγχου ταυτότητας για το UE σύμφωνα με το πρωτόκολλο (βήμα 2). Το 3GPP ορίζει ένα σύνολο επιλογών για έλεγχο ταυτότητας και κρυπτογράφηση, και το πραγματικό πρωτόκολλο που θα χρησιμοποιηθεί είναι μια επιλογή υλοποίησης. Για παράδειγμα, το AES* (Advanced Encryption Standard)* είναι μία από τις επιλογές κρυπτογράφησης. Λάβετε υπόψη ότι αυτή η ανταλλαγή ελέγχου ταυτότητας είναι αρχικά σε καθαρό κείμενο, καθώς η σύνδεση σταθμού βάσης προς UE δεν είναι ακόμη ασφαλής.

Μόλις το UE και το Core-CP αναγνωρίσουν ο ένας τις ταυτότητες του άλλου, το Core-CP θα στείλει τις παραμέτρους που απαιτούνται για την εξυπηρέτηση του UE σε άλλα στοιχεία (βήμα 3). Συμπεριλαμβανομένου: (α) εντολή στο Core-UP να προετοιμάσει το επίπεδο χρήστη (π.χ. εκχώρηση διεύθυνσης IP στο UE και ρύθμιση των κατάλληλων παραμέτρων QCI), (β) εντολή στον σταθμό βάσης να δημιουργήσει ένα κρυπτογραφημένο κανάλι στο UE, ( γ) παροχή του UE με συμμετρικό κλειδί κρυπτογράφησης, το οποίο πρέπει να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία κρυπτογραφημένου καναλιού με το σταθμό βάσης. Τα συμμετρικά κλειδιά κρυπτογραφούνται χρησιμοποιώντας το δημόσιο κλειδί του τερματικού (έτσι μόνο το τερματικό μπορεί να αποκρυπτογραφήσει χρησιμοποιώντας το μυστικό του κλειδί). Μόλις ολοκληρωθεί, το τερματικό μπορεί να μεταδίδει δεδομένα χρησιμοποιώντας το κανάλι επιπέδου χρήστη από άκρο σε άκρο μέσω Core-UP (βήμα 4).

Υπάρχουν τρεις επιπλέον λεπτομέρειες που πρέπει να σημειωθούν σχετικά με αυτή τη διαδικασία. Πρώτον, το ασφαλές κανάλι ελέγχου μεταξύ του UE και του Core-CP που δημιουργήθηκε στο βήμα 2 είναι ακόμα διαθέσιμο και χρησιμοποιείται από το Core-CP για την αποστολή πρόσθετου σήματος ελέγχου στον UE κατά τη διάρκεια της συνεδρίας.

Δεύτερον, το κανάλι επιπέδου χρήστη που δημιουργήθηκε στο βήμα 4 ονομάζεται προεπιλεγμένη υπηρεσία κομιστή (Default Bearer Service) Μπορούν επίσης να δημιουργηθούν πρόσθετα κανάλια μεταξύ του UE και του Core-UP και κάθε κανάλι μπορεί να έχει διαφορετική τιμή QCI. Διαφορετικές εφαρμογές μπορεί να έχουν διαφορετικές τιμές. Για παράδειγμα, υπό τον έλεγχο του δικτύου πυρήνων κινητής τηλεφωνίας, εκτελείται DPI (Deep Packet Inspection, deep packet inspection) στην κίνηση για να βρεθεί η ροή που χρειάζεται ειδική επεξεργασία.

Τρίτον, αν και το επίπεδο κανάλι τελικού χρήστη είναι λογικά από άκρο σε άκρο, κάθε κανάλι υλοποιείται στην πραγματικότητα ως μια σειρά από σήραγγες hop-by-hop, όπως φαίνεται στο σχήμα 17 (το σχήμα δείχνει το SGW και το δίκτυο κινητής τηλεφωνίας πυρήνα 4G στο το σχήμα).PGW). Αυτό σημαίνει ότι για μια δεδομένη UE, κάθε στοιχείο στη διαδρομή από άκρο σε άκρο τερματίζει τη σήραγγα κατάντη με ένα τοπικό αναγνωριστικό και ξεκινά τη σήραγγα ανάντη με ένα δεύτερο τοπικό αναγνωριστικό. Στην πράξη, τα κανάλια κάθε ροής συνδέονται συνήθως σε ένα ενιαίο κανάλι μεταξύ των συστατικών, γεγονός που καθιστά αδύνατη τη διάκριση του επιπέδου εξυπηρέτησης οποιουδήποτε συγκεκριμένου καναλιού UE από άκρο σε άκρο. Αυτός είναι ένας περιορισμός του 4G και το 5G είναι φιλόδοξο να διορθώσει αυτόν τον περιορισμό.

Η υποστήριξη κινητικότητας μπορεί να γίνει κατανοητή ως μια διαδικασία επανεκτέλεσης ενός ή περισσότερων από τα βήματα που φαίνονται στο Σχήμα 16 όταν το UE μετακινείται στο RAN. Ένας μη επαληθευμένος σύνδεσμος, που αντιπροσωπεύεται από το (1), επιτρέπει στον UE να ανακαλυφθεί από όλους τους σταθμούς βάσης εντός της κάλυψης. (Στα επόμενα κεφάλαια, αναφερόμαστε σε αυτές τις συνδέσεις ως πιθανές ζεύξεις .) Οι σταθμοί βάσης επικοινωνούν απευθείας μεταξύ τους και λαμβάνουν αποφάσεις παράδοσης βάσει του μετρούμενου σήματος CQI. Μόλις ληφθεί μια απόφαση, η απόφαση θα σταλεί στο κεντρικό δίκτυο κινητής τηλεφωνίας για να ενεργοποιήσει ξανά τη λειτουργία εγκατάστασης που φαίνεται στο (3), η οποία με τη σειρά της αποκαθιστά την επικοινωνία μεταξύ του σταθμού βάσης και του SGW (ή μεταξύ του σταθμού βάσης και το UPF σε 5G) όπως φαίνεται στο Σχήμα 17 Σήραγγα επιπέδου χρήστη. Ένα από τα πιο μοναδικά χαρακτηριστικά των κυψελοειδών δικτύων είναι ότι το επίπεδο χρήστη του κεντρικού δικτύου κινητής τηλεφωνίας (όπως το UPF στο 5G) θα αποθηκεύει δεδομένα στην προσωρινή μνήμη κατά τις μεταβάσεις μεταβίβασης για να αποφευχθεί η απώλεια πακέτων και οι επακόλουθες αναμεταδόσεις από άκρο σε άκρο.

Με άλλα λόγια, το κυψελοειδές δίκτυο διατηρεί τη συνεδρία UE (που αντιστοιχεί στα βήματα 2 και 4 του Σχήματος 16) ενώ το UE κινείται, αλλά μόνο εάν το δίκτυο πυρήνα κινητής τηλεφωνίας δεν έχει αλλάξει (δηλαδή παράδοση σταθμών βάσης μόνο). Αυτό ισχύει συνήθως για τους UE που κινούνται εντός μιας πόλης και η μετακίνηση μεταξύ πόλεων (όπου ο πυρήνας του κινητού απαιτεί παράδοση) δεν διαφέρει από την επανεκκίνηση του UE. Στο UE θα εκχωρηθεί μια νέα διεύθυνση IP και δεν θα επιχειρήσει να αποθηκεύσει προσωρινά και στη συνέχεια να στείλει ξανά τα δεδομένα κατά τη μεταφορά. Επίσης, άσχετο με την κινητικότητα, αλλά σχετικό με αυτήν τη συζήτηση, η περίοδος σύνδεσης οποιουδήποτε τερματικού που είναι ανενεργό για ένα χρονικό διάστημα χάνεται επίσης και μόνο όταν το τερματικό είναι ξανά ενεργό θα δημιουργηθεί μια νέα συνεδρία και μια νέα διεύθυνση IP.

Σημειώστε ότι αυτή η προσέγγιση που βασίζεται σε συνεδρίες ανάγεται στις απαρχές της δικτύωσης κινητής τηλεφωνίας, της δικτύωσης προσανατολισμένης στη σύνδεση. Ένα ενδιαφέρον πείραμα σκέψης είναι εάν το κεντρικό δίκτυο κινητής τηλεφωνίας θα συνεχίσει να εξελίσσεται ώστε να ταιριάζει καλύτερα με τα πρωτόκολλα Διαδικτύου που εκτελούνται σε αυτό, τα οποία συχνά υποτίθεται ότι είναι χωρίς σύνδεση.

3.5 Επιλογές ανάπτυξης

Καθώς τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας έχουν αναπτύξει 4G RAN/EPC, δεν μπορούμε να αγνοήσουμε τη μετάβαση από το 4G στο 5G (για την οποία ο κόσμος IP εργάζεται εδώ και 20 χρόνια) στη διαδικασία ανάπτυξης του νέου 5G RAN/NG-Core. Το 3GPP κυκλοφόρησε επίσημα πολλές επιλογές ανάπτυξης, οι οποίες μπορούν να συνοψιστούν ως εξής:

• Αυτόνομο 4G / Αυτόνομο 5G
• Μη αυτόνομη ανάπτυξη (4G+5G RAN) που βασίζεται σε 4G EPC
• Μη αυτόνομη ανάπτυξη (4G+5G RAN) με βάση το 5G NG-Core

Η δεύτερη από τις τρεις επιλογές, που συνήθως αναφέρεται ως "NSA", περιλαμβάνει την ανάπτυξη σταθμών βάσης 5G πάνω από υπάρχοντες σταθμούς βάσης 4G σε μια δεδομένη γεωγραφική περιοχή για την ενίσχυση της ταχύτητας και της χωρητικότητας. Στην NSA, η κυκλοφορία επιπέδου ελέγχου μεταξύ εξοπλισμού χρήστη και δικτύου κινητής τηλεφωνίας πυρήνα 4G προωθείται χρησιμοποιώντας (δηλαδή, μέσω) σταθμών βάσης 4G, ενώ οι σταθμοί βάσης 5G χρησιμοποιούνται μόνο για τη μεταφορά κίνησης χρηστών. Τελικά, οι φορείς εκμετάλλευσης θα αναπτύξουν το NG Core και θα συνδέσουν σταθμούς βάσης 5G στον NG Core για αυτόνομες λειτουργίες (SA), ολοκληρώνοντας τη μετάβαση στο 5G. Το Σχήμα 18 δείχνει τις λειτουργίες NSA και SA.

Ένας λόγος που πρέπει να δώσουμε προσοχή σε αυτό το πρόβλημα σταδιακής εξέλιξης είναι ότι θα αντιμετωπίσουμε παρόμοιες προκλήσεις στα επόμενα κεφάλαια. Για να πλησιάσουμε τις λεπτομέρειες της υλοποίησης στην παρακάτω συζήτηση, πρέπει να είμαστε πιο συγκεκριμένοι σχετικά με το εάν χρησιμοποιούμε στοιχεία 4G ή 5G. Κατά γενικό κανόνα, θα χρησιμοποιούμε στοιχεία δικτύου κινητής τηλεφωνίας πυρήνα 4G, καθώς έχουμε διαθέσιμο ανοιχτό κώδικα. Ωστόσο, πιστεύουμε ότι οι αναγνώστες μπορούν να κάνουν τις κατάλληλες αντικαταστάσεις χωρίς να χάσουν τη γενικότητά του. Όπως και άλλοι κλάδοι, η κοινότητα ανοιχτού κώδικα εργάζεται σταδιακά για να εξελίξει τη βάση κωδικών 4G σε μια συμβατή με 5G έκδοση της βάσης κωδικών.

Περαιτέρω ανάγνωση Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τις στρατηγικές για την εξέλιξη από το 4G σε 5G, ανατρέξτε στην έκθεση της GSMA τον Απρίλιο του 2018: "Ο δρόμος προς το 5G: Εισαγωγή και εξέλιξη" ^[2] .

Αναφορά:

[1] https://www.grandmetric.com/blog/2018/07/14/lte-and-5g-differences-system-complexity/

[2] https://www.gsma.com/futurenetworks/wp-content/uploads/2018/04/Road-to-5G-Introduction-and-Migration_FINAL.pdf

--------------------------------------

4. RAN Εσωτερικά

Στο προηγούμενο κεφάλαιο (Κεφάλαιο 3 Υποδομή), η εισαγωγή μας στο RAN επικεντρώθηκε κυρίως στις λειτουργίες και βασικά δεν αφορούσε την εσωτερική αρχιτεκτονική του RAN. Τώρα θα επικεντρωθούμε σε περισσότερες εσωτερικές λεπτομέρειες σχετικά με το πώς το 5G μεταμορφώνει το RAN. Αρχικά εισάγουμε πολλά βήματα του αγωγού επεξεργασίας του datagram και στη συνέχεια δείχνουμε πώς αυτά τα βήματα αποσυντίθενται, κατανέμονται και υλοποιούνται.

Σε αυτό το κεφάλαιο, κατασκευάζουμε το RAN σταδιακά από κάτω προς τα πάνω στις τρεις πρώτες ενότητες και στη συνέχεια συνοψίζουμε ολόκληρο το σχέδιο στην τέταρτη ενότητα, εστιάζοντας στον τρόπο κατασκευής ενός συστήματος από άκρο σε άκρο.

4.1 Αγωγός Επεξεργασίας Πακέτων

Το σχήμα 19 δείχνει τα βήματα επεξεργασίας πακέτων του σταθμού βάσης που ορίζονται από το πρότυπο 3GPP. Σημειώστε ότι το σχήμα απεικονίζει τον σταθμό βάσης ως αγωγό (τα πακέτα που αποστέλλονται στο UE επεξεργάζονται σε βήματα από αριστερά προς τα δεξιά), αλλά μπορεί επίσης να προβληθεί ως στοίβα πρωτοκόλλου (όπως γίνεται στην επίσημη τεκμηρίωση 3GPP). Είναι επίσης σημαντικό να σημειωθεί ότι (προς το παρόν) δεν γνωρίζουμε πώς υλοποιούνται αυτά τα βήματα, αλλά επειδή τελικά κινούμαστε προς μια υλοποίηση που βασίζεται σε σύννεφο, μπορούμε να αντιμετωπίζουμε κάθε βήμα ως μια αντίστοιχη μικρουπηρεσία (ίσως αυτό μπορεί να έχει βοηθά στην κατανόηση).

Τα βασικά βήματα είναι τα εξής:

• Το RRC (Radio Resource Control, Radio Resource Control) → είναι υπεύθυνο για τη διαμόρφωση των σωλήνων και των αντίστοιχων πολιτικών. Το RRC εκτελείται στο επίπεδο ελέγχου του RAN και δεν επεξεργάζεται πακέτα στο επίπεδο χρήστη.
• PDCP (Packet Data Convergence Protocol) → Υπεύθυνος για τη συμπίεση και την αποσυμπίεση κεφαλίδων IP, την παροχή κρυπτογράφησης και προστασίας ακεραιότητας και τη λήψη «πρώιμων» αποφάσεων προώθησης (π.
• Το RLC (Radio Link Control, Radio Link Layer Control Protocol) → είναι υπεύθυνο για τον κατακερματισμό και τη συναρμολόγηση και πραγματοποιεί αξιόπιστη μετάδοση/λήψη θραυσμάτων με βάση το ARP (αυτόματο αίτημα επανάληψης, αίτημα αυτόματης επανάληψης).
• MAC (Έλεγχος πρόσβασης μέσων) → Υπεύθυνος για την αποθήκευση, την πολυπλεξία και την αποπολυπλεξία τμημάτων, συμπεριλαμβανομένης της λήψης όλων των αποφάσεων προγραμματισμού σε πραγματικό χρόνο για το ποιο τμήμα θα μεταδοθεί πότε, καθώς και των αποφάσεων προώθησης "καθυστερημένης" (π.χ. μετάβαση σε εναλλακτικές συχνότητες φορέα, συμπεριλαμβανομένου του Wi -Φι).
• PHY (Physical Layer) → Υπεύθυνος για την κωδικοποίηση και τη διαμόρφωση (συζητήθηκε σε προηγούμενα κεφάλαια), συμπεριλαμβανομένου του FEC.

Τα δύο τελευταία βήματα στο Σχήμα 19 (μετατροπή D/A και μπροστινή πλευρά ραδιοσυχνοτήτων) είναι πέρα ​​από το πεδίο εφαρμογής αυτού του βιβλίου.

Αν και τα βήματα στο Σχήμα 19 μπορούν να θεωρηθούν ως ένας καθαρός αγωγός από αριστερά προς τα δεξιά, είναι στην πραγματικότητα ο χρονοπρογραμματιστής στο στάδιο MAC που κάνει τη δουλειά του "κύριου βρόχου" για την επεξεργασία εξερχόμενης κυκλοφορίας, ο οποίος είναι υπεύθυνος για το The upstream RLC διαβάζει τα δεδομένα και προγραμματίζει τη μετάδοση στο κατάντη PHY. Ο προγραμματιστής πρέπει να αποφασίσει πόσα byte θα μεταδώσει σε μια δεδομένη UE σε κάθε χρονική περίοδο (με βάση όλους τους παράγοντες που αναφέρονται στο προηγούμενο κεφάλαιο), επομένως πρέπει να ζητήσει (να λάβει) ένα τμήμα αυτού του μήκους από την ουρά ανάντη. Στην πράξη, το μέγεθος του θραύσματος που μεταδίδεται σε ένα UE σε ένα μεμονωμένο διάστημα προγραμματισμού μπορεί να κυμαίνεται από μερικά byte έως ολόκληρο το μέγεθος του πακέτου IP.

4.2. Κατανεμημένο RAN (Split RAN)

Το επόμενο βήμα είναι να κατανοήσουμε τον τρόπο με τον οποίο η λειτουργικότητα που περιγράφεται παραπάνω κατανέμεται μεταξύ των φυσικών λειτουργικών μονάδων, επομένως "διαχωρίζεται" μεταξύ κεντρικών και κατανεμημένων τοποθεσιών ανάπτυξης. Ιστορικά, η κύρια επιλογή υλοποίησης ήταν "χωρίς διαχωρισμό", με ολόκληρο τον αγωγό που φαίνεται στο Σχήμα 19 να λειτουργεί σε έναν μόνο σταθμό βάσης. Τώρα που το πρότυπο 3GPP έχει επεκταθεί για να επιτρέπει την επιλογή λειτουργικού διαχωρισμού σε πολλές διαφορετικές τοποθεσίες, η κοινοπραξία O-RAN (Open RAN) υπό την ηγεσία του χειριστή διερευνά ενεργά τη διάσπαση όπως φαίνεται στο Σχήμα 20, το οποίο συζητάμε στο υπόλοιπο αυτού του άρθρου. βιβλίο Αυτή η λειτουργία διαχωρισμού θα χρησιμοποιηθεί.

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια διαμόρφωση RAN παρόμοια με αυτή που φαίνεται στο Σχήμα 21, όπου υπάρχει μια CU (Κεντρική μονάδα) που έχει αναπτυχθεί στο σύννεφο που εξυπηρετεί πολλαπλές μονάδες DU (κατανεμημένες μονάδες) , καθεμία από τις οποίες με τη σειρά της εξυπηρετεί πολλαπλές RU (Μονάδες ραδιοφώνου, ασύρματες μονάδες) . Το θέμα είναι ότι το RRC (συγκεντρωμένο στο CU) είναι υπεύθυνο μόνο για αποφάσεις διαμόρφωσης και ελέγχου σχεδόν σε πραγματικό χρόνο, ενώ ο προγραμματιστής είναι μέρος του MAC και είναι υπεύθυνος για όλες τις αποφάσεις προγραμματισμού σε πραγματικό χρόνο.

Επειδή οι αποφάσεις προγραμματισμού της ασύρματης μετάδοσης λαμβάνονται σε πραγματικό χρόνο από το επίπεδο MAC, το DU πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο «κοντά» (εντός 1 ms) στη RU που διαχειρίζεται (οι αποφάσεις προγραμματισμού δεν μπορούν να ληφθούν με βάση παρωχημένες πληροφορίες καναλιού ). Μια γνωστή διαμόρφωση είναι η ανάπτυξη του DU και του RU μαζί σε έναν πύργο. Ωστόσο, εάν η ΣΕ αντιστοιχεί σε μια μικρή κυψέλη, πολλές ΕΣ μπορεί να αναπτυχθούν σε μια μεσαίου μεγέθους γεωγραφική περιοχή (όπως ένα εμπορικό κέντρο, πανεπιστημιούπολη ή εργοστάσιο), τότε ένας μεταχειριστής πρέπει να εξυπηρετεί πολλές ΣΕ. Η χρήση του mmWave στο 5G μπορεί να κάνει αυτή την τελευταία διαμόρφωση πιο κοινή.

Σημειώστε επίσης ότι το κατανεμημένο RAN αλλάζει τη φύση του δικτύου backhaul, το οποίο στο 4G συνδέει τους σταθμούς βάσης (eNB) πίσω στο κεντρικό δίκτυο κινητής τηλεφωνίας. Και το κατανεμημένο RAN θα έχει πολλές διαφορετικές συνδέσεις, τα επίσημα ονόματά τους είναι:

• Η σύνδεση μεταξύ RU-DU ονομάζεται Fronthaul
• Η σύνδεση μεταξύ DU-CU ονομάζεται Midhaul
• Η σύνδεση μεταξύ CU και δικτύου πυρήνα κινητής τηλεφωνίας ονομάζεται backhaul

Σημειώστε επίσης σχετικά με το CU (σχετικό με το επόμενο κεφάλαιο), μπορεί κανείς να αναπτύξει τον πυρήνα CU και φορητού υπολογιστή στο ίδιο σύμπλεγμα, πράγμα που σημαίνει ότι το backhaul γίνεται μέσω του δικτύου εικονικού πλαισίου. Σε μια τέτοια διαμόρφωση, το midhaul λειτουργεί όπως το προηγούμενο backhaul, ενώ το fronthaul περιορίζεται από τις προβλέψιμες/χαμηλές απαιτήσεις καθυστέρησης του προγραμματιστή MAC σε πραγματικό χρόνο.

Υπάρχει ένα ακόμη πράγμα που πρέπει να σημειωθεί σχετικά με το CU που απεικονίζεται στο Σχήμα 20, περιέχει δύο λειτουργικά μπλοκ: RRC και PDCP, τα οποία βρίσκονται στο επίπεδο ελέγχου και στο επίπεδο χρήστη του RAN, αντίστοιχα. Αυτός ο διαχωρισμός είναι συνεπής με την ιδέα του CUPS που εισήχθη στο Κεφάλαιο 3 και θα διαδραματίσει όλο και πιο σημαντικό ρόλο καθώς αποκτούμε μια βαθύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο εφαρμόζεται το RAN. Τώρα, παρατηρούμε ότι αυτά τα δύο μέρη αναφέρονται συχνά ως CU-C και CU-U, αντίστοιχα.

Περαιτέρω ανάγνωση: Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τα ζητήματα σχεδιασμού εξαρτημάτων για κατανεμημένη RAN, ανατρέξτε στην αναφορά NGMN Alliance Μαρτίου 2015: "RAN Evolution Project: Backhaul and Fronthaul Evolution" ^[1] .

4.3 RAN Καθορισμένο από λογισμικό

Εισάγουμε τώρα τον τρόπο υλοποίησης του RAN σύμφωνα με τις αρχές του SDN, γεννώντας έτσι την έννοια του SD-RAN. Οι βασικές αρχιτεκτονικές ιδέες φαίνονται στο Σχήμα 22 και το RRC στο Σχήμα 19 χωρίζεται σε δύο επιμέρους συνιστώσες: το αριστερό υλοποιεί τη διεπαφή συμβατή με 3GPP για επικοινωνία με το επίπεδο ελέγχου του πυρήνα του κινητού δικτύου, ενώ η δεξιά έχει την ευκαιρία να ορίσει ένα νέο προγραμματιζόμενο API για έλεγχο βάσει λογισμικού του αγωγού επιπέδου χρήστη RAN.

Πιο συγκεκριμένα, το υποσυστατικό στα αριστερά απλώς προωθεί πακέτα επιπέδου ελέγχου μεταξύ του δικτύου πυρήνα κινητής τηλεφωνίας και του PDCP και μέσω αυτής της διαδρομής, το δίκτυο πυρήνα κινητής τηλεφωνίας μπορεί να επικοινωνήσει με το UE και να εκτελέσει έλεγχο. Το δευτερεύον στοιχείο στα δεξιά υλοποιεί τη λειτουργία ελέγχου πυρήνα του RRC. Στα έγγραφα αρχιτεκτονικής O-RAN, αυτό το στοιχείο αναφέρεται συχνά ως RIC (RAN Intelligent Controller) και χρησιμοποιούμε επίσης αυτόν τον όρο εδώ. Ο προσδιορισμός "Σχεδόν σε πραγματικό χρόνο" υποδεικνύει ότι το RIC είναι μέρος του βρόχου ελέγχου 10-100 ms που εφαρμόζεται στη CU, σε αντίθεση με τον βρόχο ελέγχου 1 ms που εκτελείται από τον προγραμματιστή MAC που εκτελείται στο DU.

Αν και δεν φαίνεται ρητά στο Σχήμα 22, όλα τα στοιχεία του RRC, συν το PDCP, αποτελούν ένα CU.

Το σχήμα 23 δείχνει τις εσωτερικές λεπτομέρειες ενός RIC σχεδόν σε πραγματικό χρόνο, που υλοποιείται ως ελεγκτής SDN φορτωμένο με ένα σύνολο εφαρμογών ελέγχου SDN. Το RIC διατηρεί το R-NIB (RAN Network Information Base) , ένα σύνολο γενικών πληροφοριών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από πολλές εφαρμογές ελέγχου. Το R-NIB περιλαμβάνει τη μέση τιμή CQI και την κατάσταση κάθε περιόδου σύνδεσης (π.χ. αναγνωριστικό σήραγγας GTP, τιμή QCI κυκλοφορίας), ενώ το MAC (ως μέρος του DU) διατηρεί τη στιγμιαία τιμή CQI που απαιτείται από τον πραγματικό χρόνο προγραμματιστής. Συγκεκριμένα, το R-NIB περιλαμβάνει τις ακόλουθες καταστάσεις:

• Κόμβος (NODES): Αναφέρεται σε σταθμούς βάσης και κινητές συσκευές
  • Χαρακτηριστικά σταθμού βάσης:
    • Αναγνωριστικά
    • Εκδοχή
    • Αναφορά διαμόρφωσης
    • Διαμόρφωση RRM (Διαμόρφωση RRM)
    • Χρήση πόρων PHY
  • Χαρακτηριστικά κινητής συσκευής:
    • Αναγνωριστικά
    • Ικανότητα
    • Διαμόρφωση μέτρησης
    • Κατάσταση (ενεργό/ανενεργό)
• Σύνδεσμοι (ΣΥΝΔΕΣΜΟΙ): Ο πραγματικός σύνδεσμος μεταξύ των δύο κόμβων και ο δυνητικός (Δυνητικός) σύνδεσμος μεταξύ του UE και όλων των παρακείμενων κελιών (κελιά)
  • Χαρακτηριστικά συνδέσμου:
    • Αναγνωριστικά
    • Τύπος συνδέσμου
    • Παράμετροι Config/Bearer
    • Τιμή QCI
• ΦΕΤΕΣ: Virtualized RAN Architecture
  • Χαρακτηριστικά Slice:
    • Συνδέσεις
    • Φορείς/Ροές
    • Την περίοδο ισχύος
    • Επιθυμητοί KPI
    • Διαμόρφωση MAC RRM
    • Διαμόρφωση ελέγχου RRM

Το παράδειγμα εφαρμογής ελέγχου που φαίνεται στο Σχήμα 23 περιέχει μια σειρά από δυνατότητες, αλλά αυτή δεν είναι μια εξαντλητική λίστα. Ένα από τα πιο πολυαναμενόμενα είναι το RAN Slicing στο άκρο δεξιά, το οποίο εισάγει ένα νέο χαρακτηριστικό: Virtualizing the RAN. Αυτή η ιδέα έχει ήδη υλοποιηθεί, και θα την περιγράψουμε αναλυτικά στο επόμενο κεφάλαιο.

Οι επόμενες τρεις εφαρμογές (Ρύθμιση παραμέτρων RF, Ημιμόνιμος Προγραμματισμός, Εκχώρηση Κλειδιού κρυπτογράφησης) είναι παραδείγματα εφαρμογών που προσανατολίζονται στη διαμόρφωση. Παρέχουν έναν προγραμματικό τρόπο διαχείρισης της κατάστασης διαμόρφωσης που δεν αλλάζει συχνά, επιτρέποντας λειτουργίες μηδενικής αφής. Η ανάπτυξη ουσιαστικών στρατηγικών (ίσως με γνώμονα την ανάλυση) είναι πιθανό να είναι ο δρόμος για τη μελλοντική καινοτομία.

Τα τέσσερα παραδείγματα εφαρμογών ελέγχου στην άκρα αριστερά είναι οι βέλτιστες πρακτικές για τη σκέψη SDN, οι οποίες δίνουν έμφαση στον κεντρικό έλεγχο της κατανεμημένης προώθησης. Αυτές οι λειτουργίες (Έλεγχος συνάθροισης συνδέσμων, Διαχείριση παρεμβολών, Εξισορρόπηση φορτίου, Έλεγχος παράδοσης) υλοποιούνται επί του παρόντος από έναν μόνο σταθμό βάσης με μόνο τοπική ορατότητα, αλλά έχουν παγκόσμιο αντίκτυπο. Η μέθοδος SDN είναι να συλλέγει τα διαθέσιμα δεδομένα εισόδου κεντρικά, να λαμβάνει μια συνολική βέλτιστη απόφαση και στη συνέχεια να στέλνει τις αντίστοιχες παραμέτρους ελέγχου στον σταθμό βάσης για εκτέλεση. Αυτό το μέρος της εργασίας βρίσκεται σε εξέλιξη, αλλά προϊόντα με αυτήν την ιδέα προσέγγισης ήδη εμφανίζονται. Στον τομέα του WAN, έχουν γίνει πολλές προσπάθειες βελτιστοποίησης δικτύων χρησιμοποιώντας παρόμοιες μεθόδους όλα αυτά τα χρόνια, με εντυπωσιακά αποτελέσματα.

Ενώ οι πιθανές εφαρμογές ελέγχου ταξινομούνται παραπάνω ως προσανατολισμένες στη διαμόρφωση και στον έλεγχο, μια άλλη πιθανή ταξινόμηση βασίζεται στην τρέχουσα πρακτική ελέγχου των συνδέσεων κινητής τηλεφωνίας σε δύο διαφορετικά επίπεδα. Σε λεπτόκοκκο επίπεδο, ο έλεγχος κάθε κόμβου και κάθε σύνδεσης εκτελείται χρησιμοποιώντας τη λειτουργία RRM (Radio Resource Management, Radio Resource Management) που κατανέμεται σε κάθε ανεξάρτητο σταθμό βάσης. Οι λειτουργίες RRM περιλαμβάνουν προγραμματισμό, έλεγχο παράδοσης, έλεγχο συνάθροισης συνδέσεων και φορέα, έλεγχο κομιστή και έλεγχο πρόσβασης. Σε χονδρόκοκκο επίπεδο, η λειτουργία SON (Self-Organizing Network, self-organizing network) χρησιμοποιείται για τη βελτιστοποίηση και τη διαμόρφωση του τοπικού δικτύου κινητής τηλεφωνίας. Αυτές οι λειτουργίες παρακολουθούν τις λίστες γειτονικών κόμβων, διαχειρίζονται την εξισορρόπηση φορτίου, βελτιστοποιούν την κάλυψη και τη χωρητικότητα, στοχεύουν στη μείωση των παρεμβολών σε όλο το δίκτυο, στη συγκέντρωση των παραμέτρων διαμόρφωσης και πολλά άλλα. Λόγω της ύπαρξης αυτών των δύο επιπέδων ελέγχου, στο έγγραφο O-RAN του SD-RAN μπορούμε να δούμε ότι υπάρχουν τόσο Εφαρμογές RRM όσο και Εφαρμογές SON .

Περαιτέρω ανάγνωση: Για να κατανοήσετε πώς οι αρχές SDN μπορούν να εφαρμοστούν με επιτυχία σε δίκτυα παραγωγής, συνιστούμε να διαβάσετε το έγγραφο ACM SIGCOMM του Αυγούστου 2013: B4: Εμπειρία με ένα καθοριζόμενο σε παγκόσμιο επίπεδο λογισμικό WAN)" ^[2] .

4.4 Αρχιτέκτονας να εξελιχθεί

Όπως και στις προηγούμενες τρεις ενότητες, ολοκληρώνουμε τη συζήτησή μας για τα εσωτερικά RAN αναλύοντας εκ νέου τα βήματα που εμπλέκονται στην αποσύνδεση RAN. Η αποσύνδεση περιλαμβάνει πολλά διαφορετικά επίπεδα και στη διαδικασία, πρέπει να αντιμετωπίσουμε πολλά ζητήματα, συμπεριλαμβανομένου του καθορισμού νέων ανοιχτών διεπαφών που καθορίζουν τα βασικά στοιχεία που περιβάλλουν την εξέλιξη της αρχιτεκτονικής 5G RAN.

Στο πρώτο επίπεδο αποσύνδεσης, το πρότυπο 3GPP ορίζει διάφορες επιλογές για τον τρόπο διαχωρισμού του ορίζοντα του RAN. Το Split horizon αποσυνθέτει τον αγωγό επεξεργασίας RAN που φαίνεται στο Σχήμα 19 σε στοιχεία που λειτουργούν ανεξάρτητα. Το Σχήμα 24(α) απεικονίζει την οριζόντια αποσύνθεση ενός μεμονωμένου RAN σε τρία διακριτά στοιχεία: CU, DU και RU. Η O-RAN Alliance έχει επιλέξει συγκεκριμένες επιλογές αποσύνδεσης από το 3GPP και αναπτύσσει ανοιχτές διεπαφές μεταξύ αυτών των στοιχείων. Το 3GPP ορίζει τις διεπαφές N2 και N3 μεταξύ του RAN και του δικτύου πυρήνα κινητής τηλεφωνίας.

Το δεύτερο στρώμα είναι η κατακόρυφη κατάτμηση, η οποία εστιάζει στον διαχωρισμό επιπέδου ελέγχου/χρήστη (CUPS) της CU, σχηματίζοντας CU-C και CU-U, όπως φαίνεται στην Εικ. 24(b). Το επίπεδο ελέγχου είναι το επίπεδο ελέγχου 3GPP, το CU-U είναι υπεύθυνο για τη διατήρηση του αγωγού που εξυπηρετεί την κυκλοφορία των χρηστών και το CU-C εστιάζει στην επεξεργασία της σηματοδότησης μηνυμάτων ελέγχου μεταξύ του δικτύου πυρήνα κινητής τηλεφωνίας και των στοιχείων RAN (και του UE). Το Σχήμα 24(β) δείχνει επίσης τις διεπαφές μεταξύ των στοιχείων που ορίζονται από το O-RAN.

Το τρίτο επίπεδο ακολουθεί το παράδειγμα SDN και προωθεί περαιτέρω την κατακόρυφη τμηματοποίηση. Διαχωρίζοντας τις περισσότερες από τις λειτουργίες ελέγχου του RAN (συναρτήσεις RRM) από τα στοιχεία RAN και αναπτύσσοντάς τες λογικά κεντρικά ως εφαρμογές που εκτελούνται στον ελεγκτή SDN, που αντιστοιχεί στο RIC σχεδόν σε πραγματικό χρόνο που φαίνεται στα Σχήματα 22 και 23 . Το Σχήμα 24(c) απεικονίζει ξανά αυτήν την κατακόρυφη αποσύνθεση που βασίζεται σε SDN και δείχνει την αντίστοιχη διεπαφή O-RAN.

Τα ονόματα διεπαφής μπορεί να φαίνονται κρυπτικά, αλλά η γνώση των λεπτομερειών τους δεν μας βοηθά να κατανοήσουμε την έννοια του RAN, απλώς μας κάνει να καταλαβαίνουμε όλο και περισσότερο ότι η εισαγωγή μιας τεχνολογικής αλλαγής όπως το SDN σε ένα τέτοιο περιβάλλον απαιτεί προσπάθειες για την επίτευξη πλήρους συμβατότητας προς τα πίσω και προκλήσεις σε ένα περιβάλλον με καθολική διαλειτουργικότητα. Τούτου λεχθέντος, ας πάρουμε δύο αξιοσημείωτα παραδείγματα.

Το ένα είναι η διεπαφή A1, η οποία χρησιμοποιείται από το επίπεδο διαχείρισης του φορέα εκμετάλλευσης κινητής τηλεφωνίας (συνήθως ονομάζεται OSS/BSS (Σύστημα Υποστήριξης Επιχειρήσεων, Σύστημα Υποστήριξης Επιχειρήσεων, Σύστημα Υποστήριξης Επιχειρήσεων) στο πεδίο των τηλεπικοινωνιών ) για τη διαμόρφωση του RAN. Δεν έχουμε συζητήσει μέχρι στιγμής το τηλεπικοινωνιακό OSS/BSS, αλλά είναι ασφαλές να πούμε ότι ένα τέτοιο στοιχείο θα πρέπει να βρίσκεται πάνω από οποιαδήποτε στοίβα πρωτοκόλλου λογισμικού τηλεπικοινωνιών και να είναι η πηγή όλων των ρυθμίσεων διαμόρφωσης και της επιχειρηματικής λογικής που απαιτούνται για τη λειτουργία του δικτύου. Σημειώστε ότι το επίπεδο διαχείρισης όπως φαίνεται στην Εικόνα 24(γ) περιλαμβάνει μια λειτουργική μονάδα *RIC μη πραγματικού χρόνου* που βοηθά το RIC σχεδόν σε πραγματικό χρόνο που βρίσκεται κάτω από τη διεπαφή A1. Θα παρουσιάσουμε τη σχέση μεταξύ αυτών των δύο RIC αργότερα.

Η δεύτερη είναι η διεπαφή E2, μέσω της οποίας το RIC σχεδόν σε πραγματικό χρόνο ελέγχει τα υποκείμενα στοιχεία RAN. Μια απαίτηση για τη διεπαφή E2 είναι να μπορεί να διασυνδέεται σχεδόν σε πραγματικό χρόνο RIC με διαφορετικούς τύπους στοιχείων RAN. Οι τύποι αφαιρούνται με βάση το μοντέλο υπηρεσίας, το οποίο αντικατοπτρίζεται στο API. Η ιδέα είναι ότι κάθε στοιχείο RAN δημοσιεύει ένα μοντέλο υπηρεσίας που καθορίζει αποτελεσματικά το σύνολο των συναρτήσεων RAN που μπορεί να υποστηρίξει το στοιχείο. Στη συνέχεια, το RIC εκδίδει έναν συνδυασμό των ακόλουθων τεσσάρων λειτουργιών σε αυτό το μοντέλο υπηρεσίας:

• Αναφορά (Αναφορά) : Το RIC ζητά από το στοιχείο να αναφέρει τη ρύθμιση τιμής μιας συγκεκριμένης συνάρτησης.
• Insert (Insert) : Το RIC δίνει εντολή στο στοιχείο να ενεργοποιήσει τη λειτουργία επιπέδου χρήστη.
• Έλεγχος : Το RIC δίνει εντολή στο εξάρτημα να ενεργοποιήσει τη λειτουργία της επιφάνειας ελέγχου.
• Πολιτική : Το RIC ορίζει παραμέτρους πολιτικής στην ενεργοποιημένη λειτουργία.

Φυσικά, μέσω του δημοσιευμένου μοντέλου υπηρεσίας του, το στοιχείο RAN ορίζει το σύνολο των σχετικών συναρτήσεων που μπορούν να ενεργοποιηθούν, τις μεταβλητές που μπορούν να αναφερθούν και τις πολιτικές που μπορούν να οριστούν.

Συνοπτικά, οι διεπαφές A1 και E2 ολοκληρώνουν δύο από τους τρεις κύριους βρόχους ελέγχου του RAN: τον εξωτερικό βρόχο (μη πραγματικού χρόνου) με το RIC μη πραγματικού χρόνου ως σημείο ελέγχου και τον μεσαίο (σχεδόν πραγματικό) -time) βρόχος με το RIC σχεδόν σε πραγματικό χρόνο ως σημείο ελέγχου. Ένας τρίτος (εσωτερικός) βρόχος ελέγχου (δεν φαίνεται στο Σχήμα 24) εκτελείται μέσα στο DU: συμπεριλαμβανομένου του χρονοπρογραμματιστή πραγματικού χρόνου που είναι ενσωματωμένος στο επίπεδο MAC του αγωγού επεξεργασίας RAN. Τα χρονικά όρια για τους δύο εξωτερικούς βρόχους ελέγχου είναι >>1sec και >10ms, αντίστοιχα, και όπως είδαμε στο Κεφάλαιο 2, το χρονικό όριο του βρόχου ελέγχου σε πραγματικό χρόνο είναι <1ms.

Αυτό εγείρει το ερώτημα: πώς κατανέμονται συγκεκριμένες συναρτήσεις μεταξύ RIC μη πραγματικού χρόνου, RIC σχεδόν πραγματικού χρόνου και DU; Ας δούμε πρώτα τα δύο τελευταία (δηλαδή τους δύο εσωτερικούς βρόχους). Πρέπει να συνειδητοποιήσουμε ότι δεν είναι δυνατή η κεντρική επεξεργασία όλων των συναρτήσεων RRM, αφού ολοκληρωθεί η οριζόντια/κάθετη αποσύνδεση CUPS, οι συναρτήσεις RRM χωρίζονται σε CU-C και DU. Επομένως, η κατακόρυφη τμηματοποίηση που βασίζεται στο SDN ενσωματώνει κυρίως τη συνάρτηση RRM της μέτρησης CU-C στο RIC σχεδόν σε πραγματικό χρόνο. Εκτός από το RRM, το SON θα ενσωματωθεί επίσης σε RIC σχεδόν σε πραγματικό χρόνο.

Στη συνέχεια εξετάζουμε τον εξωτερικό βρόχο ελέγχου. Το RIC σχεδόν σε πραγματικό χρόνο ανοίγει τη δυνατότητα εισαγωγής ελέγχου RAN βάσει πολιτικής. Με αυτόν τον τρόπο, εάν παρουσιαστεί μια κατάσταση που δεν μπορεί να αντιμετωπιστεί από τις πολιτικές που ορίζονται από τον μηχανικό λειτουργιών, υποδεικνύει ότι πρέπει να εισαχθεί ένας εξωτερικός βρόχος ελέγχου. Για παράδειγμα, μπορούμε να αναπτύξουμε στοιχεία ελέγχου που βασίζονται στη μάθηση των οποίων η μηχανή συμπερασμάτων θα εκτελείται ως εφαρμογή σε ένα RIC σχεδόν σε πραγματικό χρόνο, ενώ η μηχανή εκμάθησης μη σε πραγματικό χρόνο λειτουργεί αλλού. Στη συνέχεια, το RIC μη πραγματικού χρόνου αλληλεπιδρά με το RIC σχεδόν σε πραγματικό χρόνο και προωθεί σχετικές πολιτικές λειτουργίας από το επίπεδο διαχείρισης στο RIC σχεδόν σε πραγματικό χρόνο μέσω της διεπαφής A1.

Τέλος, ίσως αναρωτιέστε γιατί υπάρχει μια O-RAN Alliance όταν το 3GPP είναι ήδη ο φορέας τυποποίησης που είναι υπεύθυνος για τη διαλειτουργικότητα των κυψελοειδών δικτύων παγκοσμίως. Η απάντηση είναι ότι, με την πάροδο του χρόνου, το 3GPP έχει γίνει ένας οργανισμός που καθοδηγείται από προμηθευτές και το O-RAN δημιουργήθηκε πρόσφατα από φορείς εκμετάλλευσης δικτύου (η AT&T και η China Mobile είναι ιδρυτικά μέλη). Ο στόχος του O-RAN είναι να ενεργοποιήσει μια εφαρμογή που βασίζεται σε λογισμικό που σπάει το κλείδωμα του προμηθευτή που κυριαρχεί επί του παρόντος στην αγορά. Η διεπαφή E2 ειδικότερα, η οποία βασίζεται στην ιδέα της υποστήριξης διαφορετικών μοντέλων υπηρεσιών, βρίσκεται στο επίκεντρο αυτής της στρατηγικής. Μένει να δούμε αν ο χειριστής μπορεί να επιτύχει με επιτυχία τον τελικό στόχο.

Αναφορά:

[1] https://www.ngmn.org/wp-content/uploads/NGMN_RANEV_D4_BH_FH_Evolution_V1.01.pdf

[2] https://cseweb.ucsd.edu/~vahdat/papers/b4-sigcomm13.pdf

--------------

5. Προηγμένες δυνατότητες

Αυτό το κεφάλαιο θα διερευνήσει τρία παραδείγματα που προσπαθούν να εξηγήσουν γιατί απαιτείται η αποσύνδεση κυψελοειδών δικτύων και ποια είναι τα οφέλη. Στο Κεφάλαιο 3 (Αρχιτεκτονική), εισάγουμε το "τι είναι" (βασικά βασισμένα στο 3GPP) και στο Κεφάλαιο 4 (Επεξήγηση εντός του RAN), εισάγουμε "τι θα είναι" (η κατεύθυνση που εξελίσσεται η βιομηχανία ) και σε αυτό κεφάλαιο που θα καλύψουμε «τι μπορεί να είναι».

5.1 Βελτιστοποιημένο επίπεδο δεδομένων

Υπάρχουν πολλοί λόγοι για τον διαχωρισμό της λειτουργικότητας, ένας από τους πιο συναρπαστικούς είναι η αποσύνδεση των διαδρομών ελέγχου και κώδικα δεδομένων, επιτρέποντάς τους να βελτιστοποιηθούν ξεχωριστά. Για παράδειγμα, η διαδρομή δεδομένων μπορεί να βελτιστοποιηθεί με τον προγραμματισμό της σε εξειδικευμένο υλικό. Οι σύγχρονοι διακόπτες λευκού κουτιού με προγραμματιζόμενους σωλήνες προώθησης πακέτων είναι ένα τέλειο παράδειγμα εξειδικευμένου υλικού που μπορούμε να αναπτύξουμε σε δίκτυα κινητής τηλεφωνίας. Το σχήμα 25 δείχνει το πρώτο βήμα του διαχωρισμού, που περιέχει όλα τα στοιχεία που έχουμε καλύψει μέχρι τώρα.

Υπάρχουν μερικά πράγματα που πρέπει να σημειώσετε σχετικά με αυτό το διάγραμμα. Πρώτον, το διάγραμμα συνδυάζει στοιχεία δικτύου πυρήνα κινητής τηλεφωνίας και στοιχεία RAN και οργανώνεται σύμφωνα με τα κύρια υποσυστήματα: δίκτυο πυρήνα κινητής τηλεφωνίας, κεντρική μονάδα (CU), κατανεμημένη μονάδα (DU) και μονάδα ραδιοφώνου (RU). Το σχήμα δείχνει επίσης μια πιθανή αντιστοίχιση αυτών των υποσυστημάτων σε φυσικές τοποθεσίες, με τα δύο πρώτα υποσυστήματα να συγκεντρώνονται σε μια αίθουσα υπολογιστών και τα δύο τελευταία σε έναν πύργο, αν και μπορούν φυσικά να αναπτυχθούν και άλλοι τρόποι λειτουργίας.

Δεύτερον, το σχήμα δείχνει τα δύο στοιχεία επιπέδου χρήστη (PGW, SGW) του δικτύου πυρήνα κινητής τηλεφωνίας και το στοιχείο επιπέδου χρήστη (PDCP) της CU αποσυντίθεται περαιτέρω σε ένα ζεύγος επιπέδων ελέγχου/χρήστη, που συμβολίζεται ως PGW-C/ PGW- U, SGW-C/SGW-U και PDCP-C/PDCP-U. Ο τρόπος με τον οποίο ακριβώς επιτυγχάνεται η αποσύνδεση είναι θέμα επιλογής υλοποίησης (δεν καθορίζεται από το 3GPP), αλλά η ιδέα είναι να μειωθούν τα στοιχεία του επιπέδου χρήστη στον μικρότερο πυρήνα που μπορεί να λάβει/επεξεργαστεί/στείλει πακέτα και να διατηρήσει οτιδήποτε σχετίζεται με τον έλεγχο Η λειτουργικότητα προωθείται στο εξάρτημα επιφάνειας ελέγχου.

Τρίτον, το στοιχείο PHY (φυσικό στρώμα) στον αγωγό επεξεργασίας RAN χωρίζεται μεταξύ DU και RU, οι λεπτομέρειες του PHY είναι πέρα ​​από το πεδίο αυτού του βιβλίου. Η προδιαγραφή 3GPP ορίζει τα στοιχεία του επιπέδου PHY ως μια συλλογή λειτουργιών, μερικές από τις οποίες μπορούν να εκτελεστούν αποτελεσματικά σε επεξεργαστές γενικής χρήσης σε λογισμικό, ενώ άλλες υλοποιούνται καλύτερα σε αποκλειστικό υλικό (π.χ., με βάση το DSP). Αυτές οι δύο συναρτήσεις μπλοκ αντιστοιχίζονται ως PHY Upper (μέρος του DU) και PHY Lower (τμήμα RU).

Τέταρτον, και προκαλεί σύγχυση, στο Σχήμα 25, το PCDP-C και το επίπεδο ελέγχου (Προώθηση) σχηματίζουν ένα ενιαίο λειτουργικό μπλοκ, το οποίο συνδέεται με RLC και MME. Ο τρόπος με τον οποίο υλοποιείται το ζεύγος συναρτήσεων είναι μια επιλογή υλοποίησης (π.χ. μπορεί να αντιστοιχιστεί σε δύο ή περισσότερες μικροϋπηρεσίες), αλλά το τελικό αποτέλεσμα είναι ότι αποτελούν μέρος μιας διαδρομής από άκρο σε άκρο μέσω της οποίας το MME μπορεί να στείλει μηνύματα ελέγχου στο UE τέχνες. Σημειώστε ότι αυτό σημαίνει ότι η ευθύνη για την αποκωδικοποίηση των πακέτων μεταξύ του επιπέδου ελέγχου και του χρήστη ανήκει στο RLC.

Το σχήμα 26 δείχνει γιατί αποσυνδέσαμε αυτά τα στοιχεία: έτσι ώστε να μπορούμε να εφαρμόσουμε τα στοιχεία επιπέδου χρήστη (PGW-U, SGW-U, PDCP-U) στο υλικό μεταγωγής. Μπορεί να υλοποιηθεί χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό γλωσσών προσαρμοσμένων για προγραμματιζόμενες αγωγούς προώθησης μηνυμάτων δικτύου (όπως το P4) και υφάσματα μεταγωγής ανεξάρτητα από πρωτόκολλο (όπως το Tofino της Intel). Ένα σημαντικό συμπέρασμα επί του παρόντος είναι ότι τα επίπεδα χρήστη RAN και κινητού πυρήνα του δικτύου μπορούν να αντιστοιχιστούν απευθείας στα επίπεδα δεδομένων που υποστηρίζονται από το SDN.

Περαιτέρω ανάγνωση: Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το P4 και τα προγραμματιζόμενα τσιπ μεταγωγής, συνιστούμε να διαβάσετε το κεφάλαιο του διακόπτη λευκού κουτιού στο Δίκτυο που καθορίζεται από λογισμικό: Μια προσέγγιση συστημάτων ^[1] .

Η εφαρμογή των λειτουργιών προώθησης του δικτύου RAN και του πυρήνα κινητής τηλεφωνίας στο υλικό μεταγωγής μπορεί να προκαλέσει σύγχυση λόγω ορισμένων διενέξεων ορολογίας. Το 5G διαιρεί τις λειτουργίες σε επίπεδο ελέγχου και επίπεδο χρήστη, ενώ το SDN διαιρεί τις λειτουργίες σε επίπεδο ελέγχου και επίπεδο δεδομένων. Η επικάλυψη προέρχεται από τον διαχωρισμό της εφαρμογής του επιπέδου χρήστη 5G σε επίπεδα ελέγχου και δεδομένων που βασίζονται σε SDN. Για απλοποίηση, συνδυάζουμε το Control Plane (Προώθηση) και το PDCP-C και το ονομάζουμε CU-C (Κεντρική Μονάδα - Έλεγχος).

Τέλος, ο καθορισμένος από το SDN διαχωρισμός επιπέδου ελέγχου/δεδομένων συνοδεύεται από μια σιωπηρή στρατηγική υλοποίησης χρήσης ενός επεκτάσιμου και εξαιρετικά διαθέσιμου NOS (Λειτουργικό Σύστημα Δικτύου). ) και των υποκείμενων συσκευών υλικού (διακόπτες λευκού κουτιού) για την παροχή σε αυτές τις εφαρμογές υψηλότερο επίπεδο αφαίρεσης (π.χ. τοπολογία δικτύου) ενώ αποκρύπτονται οι λεπτομέρειες υλοποίησης του υποκείμενου υλικού. Για να κάνουμε τη συζήτηση πιο συγκεκριμένη, ξεκινάμε με το ONOS (Open Network Operating System, open network λειτουργικό σύστημα) ως παράδειγμα, στο οποίο το PGW-C , SGW-C και PDCP-C όλα υλοποιούνται ως εφαρμογές ελέγχου που εκτελούνται σε ONOS.

Το Σχήμα 27 δείχνει μια πιθανή διαμόρφωση στην οποία οι υποκείμενοι διακόπτες είναι διασυνδεδεμένοι σε μια αρχιτεκτονική δικτύου φύλλου-ράχης. Λάβετε υπόψη ότι η γραμμική τοπολογία διακόπτη που φαίνεται στο Σχήμα 26 είναι μόνο λογική και δεν διαμορφώνει το πραγματικό υλικό στην ίδια τοπολογία. Ο λόγος που χρησιμοποιούμε δίκτυα φύλλου-σπονδυλικής στήλης σχετίζεται με τον απώτερο στόχο της δημιουργίας σύννεφων άκρων, το φύλλο-ράχη είναι η πρωτότυπη αρχιτεκτονική για τέτοια συμπλέγματα που βασίζονται σε σύννεφο. Οι τρεις εφαρμογές ελέγχου πρέπει να συνεργαστούν για να επιτύχουν μια διαδρομή από άκρο σε άκρο βασισμένη στο δίκτυο, η οποία επιτυγχάνεται στην πραγματικότητα με τη βοήθεια άλλων εφαρμογών ελέγχου με επίγνωση του δικτύου (υποδεικνύεται με "..." στο διάγραμμα). Θα καλύψουμε περισσότερες λεπτομέρειες στο επόμενο κεφάλαιο, αλλά το πιο σημαντικό πράγμα προς το παρόν είναι ότι τα στοιχεία επιπέδου ελέγχου ανώτερου επιπέδου 5G μπορούν να εφαρμοστούν ως εφαρμογές ελέγχου που βασίζονται σε SDN.

5.2 Ανάπτυξη πολλαπλού νέφους

Μια άλλη συνέπεια της λειτουργικής αποσύνδεσης είναι ότι διαφορετικές λειτουργίες μπορούν να αναπτυχθούν σε διαφορετικές φυσικές τοποθεσίες. Το είδαμε αυτό όταν διαχωρίσαμε το RAN, όπου ορισμένες συναρτήσεις (όπως το PCDP και το RRC) μπορούν να τοποθετηθούν στο CU και άλλες (όπως το RLC και το MAC) στο DU. Αυτό μας επιτρέπει να χρησιμοποιούμε απλούστερο (φθηνότερο) υλικό σε απομακρυσμένες περιοχές όπου οι συνθήκες δωματίου, η παροχή ρεύματος και οι συνθήκες ψύξης δεν είναι πολύ καλές.

Μπορούμε να επαναλάβουμε τη διαδικασία ανάπτυξης διαφορετικών στοιχείων σε πολλαπλά διαφορετικά σύννεφα, επωφελούμενοι από μεγάλα κέντρα δεδομένων που έχουν ήδη ελαστικότητα και οικονομίες κλίμακας. Το σχήμα 28 δείχνει μια ανάπτυξη πολλαπλού νέφους του δικτύου πυρήνα κινητής τηλεφωνίας. Αναπτύσσουμε το επίπεδο χρήστη στην άκρη του δικτύου (για παράδειγμα, στην αίθουσα δικτύου) και το επίπεδο ελέγχου σε ένα κεντρικό νέφος ή ακόμα και σε ένα δημόσιο σύννεφο όπως το Google ή το Amazon. Δεν μπορούν να αναπτυχθούν μόνο τα MME, PCRF και HSS, αλλά και τα PGW-C και SGW-C που αποσυνδέσαμε στην προηγούμενη ενότητα (σημειώστε ότι η Εικόνα 28 μετονομάζει το PDCP-U στο προηγούμενο διάγραμμα σε CU-U και τον δύο όρο σημαίνει ένα νόημα).

Τι αξία έχει να το κάνεις αυτό; Όπως το DU/RU, το edge cloud (Edge Cloud) έχει περιορισμένους πόρους. Αν θέλουμε να δώσουμε χώρο εκεί για να τρέξουμε νέες υπηρεσίες αιχμής, βοηθάει να μετακινήσουμε τυχόν στοιχεία που δεν χρειάζεται να αναπτυχθούν τοπικά σε μια πιο ευρεία, μεγαλύτερη εγκατάσταση. Είναι δύσκολο να συλλεχθούν αναλυτικά στοιχεία εάν οι πληροφορίες διανέμονται σε πολλές τοποθεσίες, επομένως η κεντρική ανάπτυξη διευκολύνει επίσης τη συλλογή και ανάλυση δεδομένων σε πολλές τοποθεσίες ακμών (η εκτέλεση αναλυτικών στοιχείων σε δεδομένα μπορεί επίσης να επωφεληθεί από την αφθονία των διαθέσιμων υπολογιστικών πόρων).

Ένας άλλος λόγος ανησυχίας είναι ότι μειώνει το εμπόδιο εισόδου για οποιονδήποτε (όχι μόνο τις εταιρείες που κατέχουν και διαχειρίζονται την υποδομή RAN) να προσφέρουν υπηρεσίες κινητής τηλεφωνίας στους πελάτες. Αυτές οι οντότητες ονομάζονται MVNO (Mobile Virtual Network Operators) και ένας εύκολος τρόπος για να εκτελέσετε ένα MVNO είναι να εκτελέσετε το δικό σας κεντρικό δίκτυο κινητής τηλεφωνίας στο cloud της επιλογής σας.

Ωστόσο, το μεγαλύτερο κίνητρο είναι να αναπτυχθούν τα στοιχεία του επιπέδου χρήστη του δικτύου κινητής τηλεφωνίας στην άκρη του δικτύου, έτσι ώστε η τοπική κυκλοφορία να μπορεί να διασπαστεί χωρίς να χρειάζεται να προωθηθεί μέσω του κεντρικού κόμβου, γεγονός που μπορεί να μειώσει σημαντικά τον λανθάνοντα χρόνο δικτύου της φιλοξενίας άκρων υπηρεσίες. Θα επιστρέψουμε σε αυτό το θέμα στο Κεφάλαιο 7.

5.3 Τεμαχισμός δικτύου

Μία από τις πιο συναρπαστικές προτάσεις αξίας του 5G είναι η δυνατότητα παροχής διαφορετικών επιπέδων υπηρεσιών σε διαφορετικές εφαρμογές και πελάτες. Φυσικά, η διαφοροποίηση είναι το κλειδί για την επιβολή υψηλότερων τελών σε ορισμένους χρήστες, αλλά η χρέωση είναι μόνο μέρος της ιστορίας και πρέπει επίσης να υποστηρίζει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών με διαφορετικές ανάγκες. Για παράδειγμα, η ροή βίντεο απαιτεί υψηλό εύρος ζώνης, αλλά μπορεί να ανεχθεί μεγαλύτερο λανθάνοντα χρόνο, ενώ το IoT έχει μικρές απαιτήσεις εύρους ζώνης, αλλά μερικές φορές εξαιρετικά χαμηλό και προβλέψιμο λανθάνοντα χρόνο και απαιτεί συνδέσεις *μαζικά επεκτάσιμη* συσκευή.

Ο μηχανισμός για την υποστήριξη αυτής της διαφοροποίησης ονομάζεται τεμαχισμός δικτύου και στον πυρήνα του συνοψίζεται στον προγραμματισμό, συμπεριλαμβανομένου του προγραμματισμού στο RAN (το οποίο αποφασίζει ποιο θραύσμα θα μεταδοθεί) και στο δίκτυο πυρήνα κινητής τηλεφωνίας (κλιμάκωση παρουσιών μικροϋπηρεσιών και τοποθέτηση αυτών των παρουσιών σε διαθέσιμα διακομιστές) παραπάνω) προγραμματισμός. Η βασική ιδέα εισάγεται από το RAN παρακάτω.

Αλλά προτού βουτήξουμε στις λεπτομέρειες, σημειώνουμε ότι ο τεμαχισμός δικτύου είναι μια υλοποίηση του QCI (QoS Class Index) που συζητήθηκε προηγουμένως. Το 3GPP ορίζει ένα σύνολο τυπικών τμημάτων δικτύου που ονομάζονται SST (Standardized Slice Type, standard slice type) . Για παράδειγμα, το SST 1 αντιστοιχεί σε κινητή ευρυζωνική σύνδεση, το SST 2 αντιστοιχεί σε εξαιρετικά αξιόπιστη και χαμηλής καθυστέρησης επικοινωνία, το SST 3 αντιστοιχεί σε μαζικό IoT κ.ο.κ. Είναι επίσης δυνατό να επεκταθεί αυτό το πρότυπο σύνολο με πρόσθετη συμπεριφορά τμημάτων ή να οριστούν πολλαπλά τμήματα ανά SST (π.χ. για περαιτέρω διαφοροποίηση των πελατών βάσει προτεραιότητας).

Φυσικά, ο καθορισμός του απαιτούμενου σετ φέτας και η εφαρμογή του μηχανισμού κοπής είναι δύο εντελώς διαφορετικά πράγματα. Τα παρακάτω περιγράφουν συνοπτικά τον τρόπο εφαρμογής του τεμαχισμού.

RAN Τεμαχισμός

Ξεκινάμε εξετάζοντας το βασικό πρόβλημα προγραμματισμού που αναφέρεται στο Κεφάλαιο 2. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 29, το ραδιοφάσμα μπορεί να αφαιρεθεί σε ένα δισδιάστατο πλέγμα RB (Resource Blocks, Resource block) και η δουλειά του χρονοπρογραμματιστή είναι να αποφασίσει πώς θα χρησιμοποιήσει τους διαθέσιμους πόρους στην ουρά μετάδοσης κάθε χρήστη με βάση την ανάδραση CQI από το τερματικό Τα θραύσματα συμπληρώνονται στο πλέγμα. Για να επαναλάβουμε, η δύναμη του OFDMA είναι ότι είναι πολύ ευέλικτο στον τρόπο με τον οποίο εκτελείται η χαρτογράφηση.

Αν και θεωρητικά μπορούμε να ορίσουμε έναν χρονοπρογραμματιστή uber (αναφερόμενος σε έναν χρονοπρογραμματιστή που συγκεντρώνει πολλές παραμέτρους και μπορεί να αλλάξει ή να αλλάξει με διαμόρφωση) για να ενσωματώσει δεκάδες διαφορετικούς παράγοντες, το κλειδί για τον τεμαχισμό δικτύου είναι η προσθήκη ενός προγραμματιστή uber όπως φαίνεται στο σχήμα Το μεσαίο στρώμα που φαίνεται στο 30 υλοποιεί την αντιστοίχιση από εικονικά RBs (Virtual RBs) σε φυσικά RBs (Physical RBs). Αυτή η στρατηγική εικονικοποίησης είναι κοινή μεταξύ των κατανεμητών πόρων του υπολογιστικού συστήματος, οι οποίοι διαχωρίζουν την ποσότητα των πόρων που διατίθενται σε κάθε χρήστη από τους πραγματικούς φυσικούς πόρους που έχουν εκχωρηθεί. Αυτή η εικονική σε φυσική αντιστοίχιση εκτελείται από ένα επίπεδο που συνήθως αναφέρεται ως hypervisor, το οποίο αγνοεί εντελώς ποιο θραύσμα χρήστη επηρεάζει κάθε μετάβαση.

Μετά την αποσύνδεση των εικονικών RB από τα φυσικά RB, μπορούν να οριστούν πολλαπλά εικονικά σύνολα RB διαφορετικών μεγεθών, το καθένα με τον δικό του χρονοπρογραμματιστή.Το Σχήμα 31 δείχνει ένα παράδειγμα δύο συνόλων RB του ίδιου μεγέθους. Αφού το φυσικό RB χωριστεί σε δύο ίσα διαμερίσματα, ο προγραμματιστής που σχετίζεται με κάθε διαμέρισμα είναι ελεύθερος να εκχωρήσει εντελώς ανεξάρτητα εικονικά RB. Για παράδειγμα, ένας προγραμματιστής μπορεί να έχει σχεδιαστεί για να χειρίζεται κίνηση βίντεο υψηλού εύρους ζώνης, ενώ ένας άλλος μπορεί να βελτιστοποιηθεί για κίνηση IoT χαμηλής καθυστέρησης. Εναλλακτικά, ένα μέρος της διαθέσιμης χωρητικότητας μπορεί να δεσμευτεί για πελάτες premium ή άλλη κίνηση υψηλής προτεραιότητας (όπως η δημόσια ασφάλεια), ενώ το υπόλοιπο μοιράζεται σε άλλους.

Πηγαίνοντας βαθύτερα στις λεπτομέρειες υλοποίησης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 32, ο προγραμματιστής πραγματικού χρόνου στο DU λαμβάνει οδηγίες υψηλού επιπέδου από τον προγραμματιστή σχεδόν σε πραγματικό χρόνο στη CU και ο DU ακολουθεί αυτές τις οδηγίες *σε ανά φέτα βάση* για τη λήψη αποφάσεων προγραμματισμού. Το πρόγραμμα ελέγχου τμημάτων ενός μεμονωμένου RAN είναι υπεύθυνο για αποφάσεις μακροπρογραμματισμού με την κατανομή πόρων μεταξύ ενός συνόλου τμημάτων. Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε αυτή τη λεπτομέρεια υλοποίησης, καθώς όλες αυτές οι αποφάσεις ελέγχου υλοποιούνται από ενότητες λογισμικού και έτσι μπορούν εύκολα να αλλάξουν ή να προσαρμοστούν. Στο 5G, αυτές οι μονάδες ελέγχου δεν είναι «κλειδωμένες» στο υποκείμενο σύστημα, ενώ στο 4G είναι προ-ενσωματωμένες στο eNodeB και είναι δύσκολο να τροποποιηθούν.

Συνοπτικά, ο στόχος του τεμαχισμού RAN είναι να δημιουργήσει μέσω προγραμματισμού εικονικούς κόμβους RAN (σταθμούς βάσης) που λειτουργούν στο ίδιο υλικό και μοιράζονται πόρους φάσματος σύμφωνα με δεδομένες πολιτικές για διαφορετικές εφαρμογές, υπηρεσίες, χρήστες κ.λπ. Συνδέοντας τον τεμαχισμό RAN με την αποσύνδεση, μπορούμε να φανταστούμε διάφορες πιθανές διαμορφώσεις δεδομένου του επιπέδου απομόνωσης που απαιτείται μεταξύ των τμημάτων. Το σχήμα 33 παρουσιάζει τέσσερα παραδείγματα, όλα υποθέτοντας ότι οι φέτες μοιράζονται κεραία και ραδιοφωνικά στοιχεία (RUs): (α) Οι φέτες RAN μοιράζονται RU, DU, CU-U και CU-C· (β) οι φέτες RAN μοιράζονται RU και DU , αλλά έχει τη δική του CU-U και CU-C· (γ) Το τμήμα RAN μοιράζεται RU, CU-U και CU-C, αλλά έχει το δικό του DU· και (δ) το τμήμα RAN μοιράζεται RU αλλά έχει τα δικά του DU, CU-U και CU- ΝΤΟ.

Κοπή πυρήνα

Εκτός από τον τεμαχισμό του RAN, πρέπει επίσης να τεμαχίσουμε το κεντρικό δίκτυο κινητής τηλεφωνίας. Είναι επίσης εύκολο να γίνει κατανοητό, ο μηχανισμός QoS στον μεταγωγέα δικτύου (για να διασφαλιστεί ότι κάθε κομμάτι μπορεί να λάβει το υποσχόμενο εύρος ζώνης) και τον επεξεργαστή συμπλέγματος (για να διασφαλιστεί ότι κάθε κοντέινερ microservice έχει εκχωρηθεί αρκετή CPU για να εγγυηθεί τον ρυθμό προώθησης πακέτων του αντίστοιχου slice) Πρέπει επίσης να πληρούνται οι απαιτήσεις για τον τεμαχισμό.

Ωστόσο, ο προγραμματισμός πακέτων και ο προγραμματισμός της CPU είναι και οι δύο υποκείμενοι μηχανισμοί.Για να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις του τεμαχισμού, είναι επίσης απαραίτητο να εικονικοποιηθούν και να αναπτυχθούν πολλαπλά αντίγραφα υπηρεσιών κινητού πυρήνα δικτύου. Εάν ένα slice θεωρείται ως αφαίρεση συστήματος, η αφαίρεση πρέπει να παρακολουθεί το σύνολο των διασυνδεδεμένων μικρουπηρεσιών που υλοποιούν κάθε slice, στη συνέχεια να δώσει εντολή στον υποκείμενο προγραμματιστή πακέτων να εκχωρήσει επαρκές εύρος ζώνης δικτύου για τη ροή δεδομένων του τμήματος και να δώσει εντολή στον υποκείμενο προγραμματιστή CPU to Το κοντέινερ του slice εκχωρεί αρκετούς υπολογιστικούς κύκλους.

Για παράδειγμα, εάν υπάρχουν δύο τμήματα δικτύου (παρόμοια με τους δύο χρονοπρογραμματιστές που φαίνονται στο Σχήμα 31 και στο Σχήμα 32), τότε πρέπει να υπάρχουν δύο ομάδες υπηρεσιών δικτύου κινητής τηλεφωνίας πυρήνα, δύο σύνολα μικροϋπηρεσιών που αποτελούνται από AMF, SMF, UPF κ.λπ. , για να επεξεργαστείτε τις δύο φέτες ξεχωριστά. Οι δύο ομάδες υπηρεσιών μπορούν να κλιμακωθούν ανεξάρτητα (δηλαδή να περιέχουν διαφορετικούς αριθμούς παρουσιών κοντέινερ), που καθορίζονται από τον αντίστοιχο φόρτο εργασίας και τις εγγυήσεις QoS. Τα δύο τμήματα μπορούν επίσης να κάνουν διαφορετικές επιλογές υλοποίησης, για παράδειγμα, το ένα είναι βελτιστοποιημένο για εφαρμογές IoT μεγάλης κλίμακας και το άλλο για εφαρμογές AR/VR υψηλού εύρους ζώνης.

Χρειαζόμαστε επίσης μια συνάρτηση αποπολυπλεξίας που μπορεί να αντιστοιχίσει μια δεδομένη ροή δεδομένων (π.χ. μεταξύ UE και κάποιας διαδικτυακής εφαρμογής) σε μια κατάλληλη παρουσία υπηρεσίας. Αυτή είναι η δουλειά του NSSF, που περιγράφεται στο Κεφάλαιο 3: είναι υπεύθυνο για την επιλογή των παρουσιών που εξυπηρετούν την κυκλοφορία για ένα δεδομένο τμήμα.

Οι ομοιότητες μεταξύ του τεμαχισμού και του αμφιλεγόμενου QoS δικτύου μπορεί να οδηγήσουν κάποιον στο συμπέρασμα ότι ο τεμαχισμός δεν θα πετύχει επειδή το QoS δεν φαίνεται ποτέ να παρέχει επαρκή όφελος σε μεγάλα δίκτυα, αλλά απλώς εισάγει πολυπλοκότητα. Αλλά το QoS μπορεί να παρέχει αξία όταν το εύρος ζώνης είναι ανεπαρκές, όπως μπορεί να συμβαίνει σε συνδέσμους τελευταίου μιλίου. Ο τεμαχισμός μπορεί να είναι πολύτιμος επιτρέποντας την αποτελεσματική τμηματοποίηση του σχετικά σπάνιου πόρου του φάσματος του κυψελοειδούς δικτύου.

Τέλος, σημειώστε ότι ο τεμαχισμός μπορεί να θεωρηθεί ως ένας τρόπος ενεργοποίησης εικονικών επικαλύψεων σε δίκτυα κινητής τηλεφωνίας. Το Διαδίκτυο έχει υποστηρίξει από καιρό την καινοτομία μέσω της χρήσης επικαλύψεων, όπως τα δίκτυα πολλαπλής διανομής και παράδοσης περιεχομένου που αναπτύχθηκαν με αυτόν τον τρόπο. Έτσι, παρόλο που μπορεί να μην γνωρίζουμε πώς θα χρησιμοποιηθεί ο τεμαχισμός, είναι ένας σημαντικός παράγοντας για την προώθηση της καινοτομίας.

Αναφορά:

[1] https://sdn.systemsapproach.org/switch.html

----------------

6. Υποδειγματική Υλοποίηση

Η εισαγωγή μας στην εικονικοποίηση, την αποσύνδεση, τη βελτιστοποίηση, τη διανομή και τον τεμαχισμό των δικτύων κινητής τηλεφωνίας σε προηγούμενα κεφάλαια όχι μόνο μας βοηθά να κατανοήσουμε την εσωτερική λειτουργία του 5G, αλλά είναι επίσης χρήσιμη για την απλοποίηση της εφαρμογής των δικτύων κινητής τηλεφωνίας 5G στην πράξη. Στόχος μας είναι να κάνουμε συγκεκριμένες επιλογές μηχανικής που καταλήγουν σε υλοποίηση αναφοράς. Αυτό είναι απλώς ένα παράδειγμα, όχι η μόνη δυνατότητα.

Το σύστημα που περιγράφουμε ονομάζεται CORD , το οποίο, αν θυμάστε, παρουσιάσαμε στην εισαγωγή, το οποίο είναι ακρωνύμιο του Central Office R e - architected as a Datacenter . Συγκεκριμένα, το CORD είναι ένα προσχέδιο για την κατασκευή συστημάτων 5G που βασίζονται σε υλικό εμπορευμάτων και στοιχεία λογισμικού ανοιχτού κώδικα. Ονομάζουμε αυτόν τον συνδυασμό υλικού/λογισμικού CORD POD και η ιδέα είναι να αναπτυχθεί ένα POD σε κάθε ακραία τοποθεσία του κυψελοειδούς δικτύου. Το CORD περιγράφεται παρακάτω από την προοπτική ενός συνόλου μηχανικών αποφάσεων. Δεν υποκαθιστά τη λεπτομερή τεκμηρίωση σχετικά με την εγκατάσταση, την ανάπτυξη και τη λειτουργία του CORD. Λάβετε επίσης υπόψη ότι παρόλο που το CORD περιλαμβάνει το "Central Office" στο όνομά του, το CORD POD είναι ένα γενικό σχέδιο και δεν περιορίζεται αυστηρά στην ανάπτυξη στο παραδοσιακό Κεντρικό Γραφείο.

Περαιτέρω ανάγνωση: Για να μάθετε πώς να εγκαθιστάτε, να χειρίζεστε και να συνεισφέρετε στην πλατφόρμα λογισμικού ανοιχτού κώδικα CORD, ανατρέξτε στον Οδηγό CORD ^[1] .

Πριν προχωρήσουμε στις λεπτομέρειες, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε ότι το CORD είναι ένα έργο σε εξέλιξη με μια μεγάλη κοινότητα ανοιχτού κώδικα που συνεισφέρει στη βάση κωδίκων του. Πολλά από αυτά τα εξαρτήματα είναι αρκετά ώριμα και επί του παρόντος υποβάλλονται σε δοκιμές και εκτελούνται σε δίκτυα παραγωγής. Τα άλλα (που αντιστοιχούν κυρίως στα προηγμένα χαρακτηριστικά που περιγράφηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο) είναι πρωτότυπα που τρέχουν σε "demo mode" και δεν είναι αρκετά πλήρη ώστε να συμπεριληφθούν στην επίσημη κυκλοφορία. Επιπλέον, όπως υπογραμμίστηκε στην προηγούμενη συζήτηση των επιλογών ανάπτυξης, το CORD ξεκίνησε με ένα EPC ποιότητας παραγωγής και σταδιακά εξελίσσεται σε 5G (αυτό το κεφάλαιο χρησιμοποιεί εξαρτήματα ειδικά για το EPC για απεικόνιση).

6.1 Πλαίσιο

Το Σχήμα 34 παρουσιάζει ένα σχηματικό διάγραμμα ενός CORD POD. Συνδέεται κατάντη σε ένα σύνολο DU (και σχετικών RU) και συνδέεται upstream με το υπόλοιπο Διαδίκτυο. Εσωτερικά, περιλαμβάνει ένα σύνολο διακομιστών εμπορευμάτων (εμφανίζονται τέσσερα rack, με τρεις διακομιστές το καθένα, αλλά έχουν σχεδιαστεί για να υποστηρίζουν οποιαδήποτε ανάπτυξη από μερικούς σε 16 rack) και ένα σύνολο διακοπτών λευκών κουτιών, οι οποίοι είναι διατεταγμένοι σε ένα φύλλο-ράχη τοπολογία δικτύου (εμφανίζονται δύο διακόπτες φύλλου-ράχης, αλλά έχουν σχεδιαστεί για να υποστηρίζουν είτε έναν μόνο διακόπτη είτε δύο διακόπτες φύλλων ανά rack ή πολλαπλούς διακόπτες ράχης, εφόσον μπορούν να παρέχουν επαρκές εύρος ζώνης ανατολής-δύσης).

Από την πλευρά του λογισμικού, η Εικόνα 34 δείχνει το RAN (κόκκινο) και το κεντρικό δίκτυο κινητής τηλεφωνίας (μπλε), καθώς και τις μονάδες (πορτοκαλί) που ορίζουν την πλατφόρμα CORD. Θα καλύψουμε τα στοιχεία της πλατφόρμας αργότερα σε αυτό το κεφάλαιο, αλλά μπορείτε να τα σκεφτείτε ως μια μονολιθική υλοποίηση ενός cloud πολλαπλών ενοικιαστών στο οποίο μπορούν να εκτελεστούν πολλές διαφορετικές κλιμακούμενες υπηρεσίες. Το RAN και το κεντρικό δίκτυο κινητής τηλεφωνίας είναι δύο τέτοιοι μισθωτές. Η πλατφόρμα CORD μπορεί επίσης να φιλοξενήσει άλλες υπηρεσίες αιχμής (αυτός είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους το CORD κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας τεχνολογία cloud από την αρχή), αλλά ποιες υπηρεσίες αιχμής μπορούν να εκτελεστούν σε ένα CORD POD δεν εμπίπτουν στο πεδίο εφαρμογής αυτού του βιβλίου.

Τα στοιχεία που σχετίζονται με το RAN και το κεντρικό δίκτυο έχουν εισαχθεί στα προηγούμενα κεφάλαια, συμπεριλαμβανομένου του CU και του επιπέδου ελέγχου και του επιπέδου χρήστη του δικτύου πυρήνα κινητής τηλεφωνίας, αντίστοιχα. Για απλότητα, συνδυάζουμε τα SGW και PGW σε ένα ενιαίο S/PGW. Μια άλλη λεπτομέρεια που αξίζει να προσέξετε είναι το στοιχείο ελέγχου RAN που περιέχεται στο επίπεδο ελέγχου CU, συμπεριλαμβανομένου του RIC σχεδόν σε πραγματικό χρόνο που περιγράφεται στην Ενότητα 4.3, που σημαίνει ότι ένα CORD POD περιέχει δύο ελεγκτές SDN: το RIC που ελέγχει το RAN και το ONOS που ελέγχει το δίκτυο (Το RIC που εκτελείται στο CORD είναι στην πραγματικότητα μια δεύτερη προσαρμοσμένη έκδοση του ONOS, αλλά αυτό είναι μια λεπτομέρεια υλοποίησης).

Στη συνέχεια εξετάζουμε τον τρόπο υλοποίησης των ακόλουθων στοιχείων δικτύου RAN και κινητής τηλεφωνίας. Συγκεκριμένα, τα λειτουργικά στοιχεία που φαίνονται στο σχήμα έχουν τρεις διαφορετικές αναπαραστάσεις: (1) τα επίπεδα δεδομένων των CU-U και S/PGW-U φορτώνονται στον προγραμματιζόμενο διακόπτη με το πρόγραμμα P4 και υλοποιούνται· (2) CU-U Και το επίπεδο ελέγχου του S/PGW-U (και η μονάδα πλατφόρμας Trellis) υλοποιείται ως εφαρμογή ελέγχου φορτωμένη στο ONOS· (3) Τα υπόλοιπα στοιχεία υλοποιούνται ως μικροϋπηρεσίες που διαχειρίζεται η Kubernetes (το Kubernetes είναι σιωπηρό και δεν φαίνεται στο σχήμα ) ).

Για να επεκταθεί αυτή η ιδέα, το Σχήμα 35 παρουσιάζει μια άλλη άποψη ενός CORD POD, παραλείποντας τις λεπτομέρειες των υπηρεσιών που παρέχονται και εστιάζοντας στον τρόπο με τον οποίο αυτές οι υπηρεσίες παρουσιάζονται στο POD. Σε αυτό το διάγραμμα, όλες οι λειτουργίες που παρουσιάζονται σε POD υλοποιούνται ως συνδυασμός μικροϋπηρεσιών που βασίζονται στο Kubernetes και εφαρμογών ελέγχου που βασίζονται σε ONOS.

Όταν αφαιρεθούν με αυτόν τον τρόπο, μπορούμε να σκεφτούμε τα POD ως τρία υποσυστήματα:

• Πλατφόρμα : Ένα κοινό βασικό επίπεδο, που περιλαμβάνει το Kubernetes ως σύστημα διαχείρισης κοντέινερ, το ONOS ως ελεγκτή SDN και το Strata (Λειτουργικό Σύστημα διακόπτη ανοιχτού κώδικα) που είναι φορτωμένο σε κάθε διακόπτη. Τόσο το ONOS όσο και η εφαρμογή ελέγχου που φιλοξενεί είναι μικροϋπηρεσίες που διαχειρίζονται η Kubernetes.
• Προφίλ : Μια συλλογή από αναπτυγμένες μικροϋπηρεσίες και εφαρμογές ελέγχου SDN που έχουν προγραμματιστεί να εκτελούνται σε συγκεκριμένα POD. Αυτό είναι ένα μεταβλητό σύνολο που μπορεί επίσης να περιλαμβάνει υπηρεσίες επιπέδου ελέγχου και ακμών που περιγράφονται αλλού.
• CI/CD toolchain : χρησιμοποιείται για την ενθυλάκωση, την ανάπτυξη, τη λειτουργία και την αναβάθμιση μιας συγκεκριμένης πλατφόρμας/διαμόρφωσης, περνάει από μια σειρά ροών επεξεργασίας, μετατρέποντας ένα σύνολο απομονωμένων, εικονικών στοιχείων σε ένα σύνολο στοιχείων που μπορούν να ανταποκριθούν στις οδηγίες του ο μηχανικός λειτουργίας και συντήρησης και μεταφέρει το λειτουργικό σύστημα κυκλοφορίας σε πραγματικό χρόνο.

Η αλυσίδα εργαλείων CI/CD χρησιμοποιεί τυπικά εργαλεία DevOps για την ανάπτυξη λογισμικού σε συμπλέγματα διακομιστών και μεταγωγέων, με δυνατότητα απομόνωσης/επαναστροφής μεμονωμένων μικροϋπηρεσιών και ελέγχου εφαρμογών όταν χρειάζεται. Μπορεί επίσης να δημιουργήσει αυτόματα μια NBI (Northbound Interface) για τη διαχείριση των POD με βάση τη διαμόρφωση POD και οι μηχανικοί λειτουργίας και συντήρησης μπορούν να χειρίζονται CORD POD μέσω της διεπαφής NBI στο περιβάλλον παραγωγής.

6.2 Εξαρτήματα πλατφόρμας

Ας δούμε τώρα τα τρία εξαρτήματα που εξαρτώνται από την πλατφόρμα που φαίνονται στα Σχήματα 34 και 35. Από μόνο του, κάθε στοιχείο είναι ένα έργο ανοιχτού κώδικα, αλλά για τους σκοπούς μας αρκεί να κατανοήσουμε τον ρόλο που διαδραματίζουν σε μια διαμόρφωση 5G με δυνατότητα CORD.

• Stratum : Ένα ελαφρύ λειτουργικό σύστημα διακόπτη λευκού κουτιού που παρέχει μια διεπαφή ανεξάρτητη από το υλικό για τη διαχείριση και τον προγραμματισμό διακοπτών στο CORD και υποστηρίζει τον καθορισμό της συμπεριφοράς των σωλήνων προώθησης διακόπτη μέσω του P4 (το οποίο μπορεί να θεωρηθεί ως σύμβαση μεταξύ του επιπέδου ελέγχου και του επίπεδο δεδομένων ) και χρησιμοποιήστε το P4Runtime για να ελέγξετε την προώθηση κατά το χρόνο εκτέλεσης.
• ONOS : Ένα λειτουργικό σύστημα δικτύου για τη διαμόρφωση και τον έλεγχο ενός δικτύου προγραμματιζόμενων διακοπτών λευκού κουτιού. Λογικά λειτουργεί ως κεντρικός ελεγκτής SDN και φιλοξενεί ένα σύνολο εφαρμογών ελέγχου SDN, καθεμία από τις οποίες ελέγχει ορισμένες λειτουργίες του υποκείμενου δικτύου. Δεδομένου ότι το ONOS είναι λογικά συγκεντρωμένο, έχει σχεδιαστεί για να είναι εξαιρετικά διαθέσιμο και επεκτάσιμο.
• Trellis : Εφαρμογή ελέγχου SDN που φιλοξενείται από το ONOS για την υλοποίηση δικτύων φύλλου-ράχης σε δίκτυα μεταγωγής λευκού κουτιού. Υποστηρίζει τον έλεγχο πολλαπλών εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της γεφύρωσης VLAN και L2, δρομολόγησης unicast και multicast IPv4 και IPv6, ρελέ DHCP L3, διακομιστές διπλής υποδοχής, δρομολογητές upstream, προώθηση/τερματισμό QinQ, ψευδοϊδρύματα MPLS και άλλα. Επιπλέον, το Trellis δίνει τη δυνατότητα σε ολόκληρο το δίκτυο να εμφανίζεται ως ένας ενιαίος (εικονικός) δρομολογητής συνδεδεμένος σε έναν upstream router, ο οποίος επικοινωνεί με το Trellis χρησιμοποιώντας το τυπικό BGP.

Το Stratum (που τρέχει στον διακόπτη) και το ONOS (που εκτελείται εκτός του μεταγωγέα και διαχειρίζεται ολόκληρο το δίκτυο μεταγωγής) επικοινωνούν μέσω των ακόλουθων διεπαφών:

• P4 : Καθορίστε τη συμπεριφορά προώθησης των προγραμματιζόμενων τσιπ μεταγωγέων και μοντελοποιήστε αγωγούς ASIC σταθερής λειτουργίας. Ένα πρόγραμμα P4 ορίζει μια σύμβαση που ορίζεται προγραμματικά από το επίπεδο ελέγχου και υλοποιείται από το επίπεδο δεδομένων.
• P4Runtime : Μια διεπαφή προετοιμασμένη για SDN, που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της συμπεριφοράς προώθησης κατά τη διάρκεια εκτέλεσης. Είναι μια βασική μονάδα για τη διαμόρφωση του πίνακα προώθησης και τον έλεγχο της κατάστασης προώθησης και ο τρόπος λειτουργίας του είναι ανεξάρτητος από το υλικό.
• OpenConfig Model : Καθορίζει ένα ελάχιστο σύνολο διαμόρφωσης και διαχείρισης συσκευής. Αυτά τα μοντέλα επεκτείνουν τη λειτουργικότητα της συγκεκριμένης πλατφόρμας με προγραμματικό τρόπο, με στόχο την ελαχιστοποίηση των διαφορών μεταξύ των μοντέλων, επιτρέποντας ένα επίπεδο διαχείρισης ουδέτερο από τον προμηθευτή.
• gNMI (gRPC Network Management Interface) : Μια διεπαφή που έχει προετοιμαστεί για SDN που βελτιώνει την υπάρχουσα διεπαφή διαμόρφωσης χρησιμοποιώντας μια δυαδική διεπαφή και μια αμφίδρομη ροή για εργασία με το μοντέλο OpenConfig.
• gNOI (gRPC Network Operations Interfaces) : Ένα σύνολο μικροϋπηρεσιών που χρησιμοποιούνται για την υποστήριξη συγκεκριμένων λειτουργιών μεταγωγής, όπως διαχείριση πιστοποιητικών, δοκιμή συσκευών, αναβαθμίσεις λογισμικού και αντιμετώπιση προβλημάτων δικτύου. Το gNOI παρέχει ένα σημασιολογικά πλούσιο API που αντικαθιστά την υπάρχουσα προσέγγιση που βασίζεται σε CLI.

Το Trellis, ως εφαρμογή ελέγχου SDN που εκτελείται σε ONOS, μπορεί να ελέγχει την προώθηση πακέτων (μέσα σε μία τοποθεσία) από το εσωτερικό δίκτυο μεταγωγής σε CORD POD. Αλλά το Trellis μπορεί επίσης να επεκταθεί σε πολλαπλές τοποθεσίες μέσω πολλαπλών επιπέδων δικτύων σπονδυλικής στήλης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 36. Αυτό σημαίνει ότι το Trellis έχει τη δυνατότητα να διαδραματίσει ρόλο στα δίκτυα midhaul και backhaul του RAN, καθώς και να βοηθήσει στην επέκταση του RAN σε τοποθεσίες πελατών (το πεδίο "On Site" στο διάγραμμα).

Η στοίβα λογισμικού που μόλις παρουσιάσαμε είναι τεράστια και έχει τη δυνατότητα να διαταράξει τον τρόπο κατασκευής και λειτουργίας των δικτύων κινητής τηλεφωνίας σήμερα. Συγκεκριμένα, ο ευφυής ελεγκτής RAN που φαίνεται στο Σχήμα 34 υλοποιείται ως ένα σύνολο επεκτάσεων στο ONOS, μια αρχιτεκτονική που τοποθετεί το RIC που βασίζεται σε ONOS στο κέντρο του σχεδιασμού, στη διεπαφή μεταξύ των κόσμων SDN και 5G.

Αυτή η συζήτηση, ενώ επικεντρώνεται μόνο σε μία επιλογή για την ανάπτυξη δικτύων 5G, δείχνει γιατί το 5G θεωρείται ένας από τους λόγους για τον μετασχηματισμό της βιομηχανίας τηλεπικοινωνιών. Η αρχιτεκτονική 5G εκμεταλλεύεται πολλές σημαντικές, ευρείες τάσεις της βιομηχανίας πολύ πέρα ​​από οποιοδήποτε προηγούμενο τηλεπικοινωνιακό δίκτυο. Συνδυάζει την άνοδο του SDN, τη δύναμη του λογισμικού ανοιχτού κώδικα και την αυξανόμενη χρήση του στη δικτύωση, και φυσικά την τεχνολογία cloud ως βάση για την παροχή καινοτόμων υπηρεσιών.

Περαιτέρω ανάγνωση: Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τη στοίβα λογισμικού SDN, συνιστάται η ανάγνωση: "Δίκτυα καθορισμένα από λογισμικό: Μια προσέγγιση συστημάτων" ^[2] .

Αναφορά:

[1] https://guide.opencord.org/

[2] https://sdn.systemsapproach.org/

------------------------

7. Νέφωση Πρόσβασης

Τα πρώτα κεφάλαια εισήγαγαν περιεχόμενο που σχετίζεται με το 5G με τρόπο βήμα προς βήμα. Ξεκινά με τη διάσπαση του 5G στα βασικά του στοιχεία και, στη συνέχεια, δείχνει πώς αυτά τα στοιχεία μπορούν να συναρμολογηθούν χρησιμοποιώντας βέλτιστες πρακτικές σχεδιασμού που βασίζονται στο cloud για τη δημιουργία ενός πλήρως λειτουργικού, συμβατό με 3GPP κυψελοειδές δίκτυο 5G. Κατά τη διαδικασία, είναι εύκολο να παραβλέπουμε τη μεγάλη εικόνα ότι τα κυψελωτά δίκτυα υφίστανται μια δραματική μεταμόρφωση, και αυτό είναι το νόημα του 5G. Τέλος, θα προσφέρουμε μερικές παρατηρήσεις σχετικά με αυτή τη μεγα-τάση.

7.1 Ανάπτυξη πολλαπλών νέφους

Για να κατανοήσουμε τον αντίκτυπο της εφαρμογής τεχνολογιών cloud στην πρόσβαση σε δίκτυα, είναι πρώτα απαραίτητο να κατανοήσουμε το cloud. Το cloud computing έχει αλλάξει ριζικά τον τρόπο υπολογισμού και, το πιο σημαντικό, τον ρυθμό της καινοτομίας. Αυτό το κάνει με συνδυασμό:

• Αποσύνθεση : Αποσύνθεση κάθετα ολοκληρωμένων συστημάτων σε ανεξάρτητα στοιχεία που βασίζονται σε ανοιχτές διεπαφές.
• Virtualization : Η δυνατότητα εκτέλεσης πολλαπλών ανεξάρτητων αντιγράφων αυτών των στοιχείων σε μια κοινή πλατφόρμα υλικού.
• Εμπορευματοποίηση : Η δυνατότητα ελαστικής κλιμάκωσης αυτών των εικονικών στοιχείων σε υλικό γενικής χρήσης σύμφωνα με τις απαιτήσεις φόρτου εργασίας.

Το ίδιο συμβαίνει και με το δίκτυο πρόσβασης, ή από άλλη οπτική γωνία, το νέφος επεκτείνεται ουσιαστικά στο δίκτυο πρόσβασης.

Το Σχήμα 37 δείχνει, από υψηλό επίπεδο, σε ποια αρχιτεκτονική θα μπορούσε τελικά να εξελιχθεί, ολόκληρο το σύννεφο που εκτείνεται στο σύννεφο, ιδιωτικές τηλεπικοινωνίες και δημόσια σύννεφα. Ονομάζουμε αυτή τη συλλογή σύννεφων "πολλαπλό σύννεφο". Κάθε μεμονωμένος ιστότοπος cloud μπορεί να ανήκει σε διαφορετικό οργανισμό (συμπεριλαμβανομένων τοποθεσιών κυψέλης), επομένως κάθε ιστότοπος μπορεί να είναι πολλαπλών ενοικιαστών, ικανός να φιλοξενεί (και να απομονώνει) εφαρμογές για άλλα άτομα και οργανισμούς. Αυτές οι εφαρμογές θα περιλαμβάνουν έναν συνδυασμό υπηρεσιών RAN και βασικού δικτύου (όπως περιγράφηκε προηγουμένως στο βιβλίο), εφαρμογές OTT (Over-the-Top) που βρίσκονται συνήθως σε δημόσια σύννεφα (τώρα διανέμονται επίσης σε σύννεφα άκρης) και νέες εφαρμογές διαχείρισης τηλεπικοινωνιών ( διανέμεται επίσης σε κεντρικές και ακραίες τοποθεσίες).

Τελικά, μπορούμε να περιμένουμε ότι τα κοινά API θα διευκολύνουν οποιονδήποτε (όχι μόνο για τους σημερινούς χειριστές δικτύου ή τους παρόχους υπηρεσιών cloud) να αποκτήσει τους πόρους αποθήκευσης, υπολογισμού, δικτύου και συνδεσιμότητας που χρειάζονται για την ανάπτυξη εφαρμογών σε πολλά εμπόδια τοποθεσιών.

7.2 Edge Cloud-as-a-Service

Από όλα όσα συζητήθηκαν στην προηγούμενη ενότητα, η ανάπτυξη των σύννεφων άκρων με δυνατότητα 5G ως υπηρεσία κεντρικής διαχείρισης κερδίζει έλξη. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 38, η ιδέα είναι να αναπτυχθεί ένα σύννεφο άκρων στην επιχείρηση, να διαμορφωθούν οι παραμέτρους των στοιχείων επιπέδου χρήστη του RAN και του δικτύου πυρήνα κινητής τηλεφωνίας (και οποιεσδήποτε υπηρεσίες αιχμής που η επιχείρηση επιθυμεί να εκτελούνται τοπικά) και στη συνέχεια να διαχειριστεί αυτή την ανάπτυξη αιχμής από το κεντρικό σύννεφο. Το κεντρικό σύννεφο είναι υπεύθυνο για τη λειτουργία της πύλης διαχείρισης του νέφους άκρων και του επιπέδου ελέγχου του δικτύου πυρήνων κινητής τηλεφωνίας. Αυτό είναι παρόμοιο με τη διαμόρφωση πολλαπλών νέφους που συζητήθηκε στην Ενότητα 5.2, αλλά με το πρόσθετο χαρακτηριστικό της δυνατότητας διαχείρισης πολλαπλών αναπτύξεων άκρων από μία μόνο κεντρική τοποθεσία.

Η αξία αυτής της ανάπτυξης είναι να προσφέρει τα οφέλη των ασύρματων δικτύων 5G στην επιχείρηση, συμπεριλαμβανομένης της ενεργοποίησης των προβλέψιμων επικοινωνιών χαμηλής καθυστέρησης που απαιτούνται για τον έλεγχο μεγάλου αριθμού κινητών συσκευών σε πραγματικό χρόνο. Ο εργοστασιακός αυτοματισμός είναι μια σημαντική περίπτωση χρήσης για αυτό το σύννεφο αιχμής και η υποστήριξη για το IoT αποτελεί σημαντικό μοχλό ανάπτυξης ECaaS.

Είναι ευνόητο ότι πολλές πρόσφατες εμπορικές δραστηριότητες σχετίζονται με αυτή την κατεύθυνση. Υπάρχουν όμως και έργα ανοιχτού κώδικα σε αυτόν τον τομέα, το Aether είναι ένα τυπικό παράδειγμα και είναι πλέον διαθέσιμο για αξιολόγηση και πειραματισμό με τους πρώτους χρήστες. Το Aether είναι ένα ECaaS που λειτουργεί από το ONF, υποστηρίζει 4G και 5G και είναι κατασκευασμένο από στοιχεία ανοιχτού κώδικα που περιγράφονται σε αυτό το βιβλίο. Ο Aether μπορεί να χρησιμοποιεί ζώνες συχνοτήτων με άδεια ή χωρίς άδεια (όπως το CBRS), αλλά φυσικά οι ζώνες συχνοτήτων χωρίς άδεια μπορούν να διευκολύνουν αυτήν την ανάπτυξη. Το Σχήμα 39 απεικονίζει την πρώιμη αρχιτεκτονική της κεντρικά διαχειριζόμενης ανάπτυξης πολλαπλών τοποθεσιών του Aether.

Σημειώστε ότι κάθε τοποθεσία ακμής στο Σχήμα 39 αντιστοιχεί στο CORD POD που περιγράφεται στο Κεφάλαιο 6, το οποίο έχει διαμορφωθεί εκ νέου για να εκφορτώνει τη διεπαφή O&M και τα στοιχεία ελέγχου του δικτύου πυρήνα κινητής τηλεφωνίας στο κεντρικό νέφος.

Περαιτέρω ανάγνωση: Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τον Aether, επισκεφτείτε τον επίσημο ιστότοπο του Aether ^[1] .

7.3 Ευκαιρίες έρευνας

Υπάρχουν ακόμη ορισμένα ζητήματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν για να γίνουν πραγματικότητα τα σενάρια που περιγράφονται σε αυτό το κεφάλαιο, πολλά από τα οποία είναι αποτέλεσμα της θολότητας της γραμμής μεταξύ του δικτύου πρόσβασης και του νέφους άκρων, το οποίο αναφερόμαστε ως πρόσβαση- edge, παρακάτω Συνοψίζουμε αυτές τις ερωτήσεις αναφέροντας ορισμένα παραδείγματα προκλήσεων και ευκαιριών:

• Πολλαπλή πρόσβαση : Το άκρο πρόσβασης θα πρέπει να υποστηρίζει τεχνολογίες πολλαπλής πρόσβασης (όπως WiFi, 5G, οπτικές ίνες κ.λπ.) και να επιτρέπει στους χρήστες να μετακινούνται απρόσκοπτα μεταξύ τους. Απαιτείται έρευνα για να αρθούν τα υπάρχοντα τεχνικά εμπόδια και να σχεδιαστούν συγκλίνουσες λύσεις για κοινά προβλήματα όπως η ασφάλεια, η κινητικότητα, η QoS κ.λπ.
• Ετερογένεια : Δεδομένου ότι το άκρο πρόσβασης θα απαιτείται για την υποστήριξη συνδέσεων χαμηλής καθυστέρησης και υψηλού εύρους ζώνης, πολλές λειτουργίες ακμών θα υλοποιηθούν μέσω προγραμματιζόμενων διακοπτών λευκού κουτιού και της χρήσης επεξεργαστών συγκεκριμένου τομέα (όπως GPU, TPU κ.λπ. ) θα είναι επίσης πιο αποτελεσματική.για γενικά. Απαιτείται έρευνα για το πώς οι υπηρεσίες αιχμής μπορούν να προσαρμοστούν για να εκμεταλλευτούν ετερογενείς πόρους και πώς να δημιουργηθούν εφαρμογές από άκρο σε άκρο χρησιμοποιώντας μια συλλογή από αυτά τα δομικά στοιχεία.
• Virtualization : Το άκρο πρόσβασης θα εικονικοποιήσει τους υποκείμενους πόρους υλικού χρησιμοποιώντας μια σειρά τεχνολογιών, από εικονικές μηχανές έως κοντέινερ έως αρχιτεκτονικές χωρίς διακομιστή, διασυνδεδεμένες με μια σειρά εικονικών δικτύων L2, L3 και L4/7, μερικά από τα οποία θα διαχειρίζονται από τον έλεγχο SDN εφαρμογή. Ο τρόπος εικονικοποίησης υπολογιστών, αποθήκευσης και πόρων δικτύου απαιτεί μια συντονισμένη μελέτη των παραδοχών των εγγενών υπηρεσιών cloud και των VNF προσανατολισμένων στην πρόσβαση (Virtualized Network Functions).
• Multi-Tenancy : Το άκρο πρόσβασης θα υποστηρίξει την πολλαπλή μίσθωση, όπου ενδέχεται να υπάρχουν διαφορετικά μέρη (Χειριστές, Πάροχοι Υπηρεσιών, Προγραμματιστές Εφαρμογών, Επιχειρήσεις, κ.λπ.) που είναι υπεύθυνα για τη διαχείριση διαφορετικών στοιχείων. Δεδομένου ότι διαφορετικά στοιχεία πρέπει να λειτουργούν σε διαφορετικά επίπεδα αυτονομίας, είναι απίθανο να αναπτυχθεί ολόκληρη η άκρη πρόσβασης σε έναν ενιαίο τομέα εμπιστοσύνης. Πρέπει επίσης να μελετηθεί πώς να ελαχιστοποιήσετε τα επιπλέον έξοδα που προκαλούνται από την απομόνωση των ενοικιαστών.
• Προσαρμογή : Είναι απαραίτητο να παρέχονται διαφοροποιημένες και προσαρμοσμένες υπηρεσίες για διαφορετικούς τύπους χρηστών και εφαρμογών, προκειμένου να μεγιστοποιηθεί η αξία δημιουργίας εσόδων από το πλεονέκτημα πρόσβασης. Αυτό ονομάζεται τεμαχισμός δικτύου (βλ. Ενότητα 5.3) και περιλαμβάνει την ενεργοποίηση της απομόνωσης απόδοσης στην ευαισθησία των αλυσίδων υπηρεσιών (που αντιπροσωπεύουν τα λειτουργικά στοιχεία που στηρίζουν ορισμένες υπηρεσίες χρηστών). Απαιτείται έρευνα για να ενισχυθεί η απομόνωση απόδοσης για να διασφαλιστεί η ποιότητα των υπηρεσιών.
• Σχεδόν σε πραγματικό χρόνο : Το πλεονέκτημα πρόσβασης θα είναι ένα εξαιρετικά δυναμικό περιβάλλον με δυνατότητα συνεχούς προσαρμογής στην κινητικότητα, τον φόρτο εργασίας και τις απαιτήσεις εφαρμογών. Η υποστήριξη ενός τέτοιου περιβάλλοντος απαιτεί στενούς βρόχους ελέγχου και το λογισμικό ελέγχου θα λειτουργεί στην άκρη. Οι βρόχοι ελέγχου πρέπει να μελετηθούν και να αναλυθούν, να οριστούν ελεγκτές που βασίζονται στην ανάλυση και να σχεδιαστούν μηχανισμοί δυναμικής προσαρμογής.
• Μείωση δεδομένων : Το άκρο πρόσβασης θα συνδέει όλο και περισσότερες συσκευές (όχι μόνο κινητά τηλέφωνα), οι οποίες είναι όλες ικανές να παράγουν δεδομένα. Η υποστήριξη της επιμέλειας δεδομένων θα είναι κρίσιμη, πράγμα που σημαίνει μεγάλη υπολογιστική ισχύ (ενδεχομένως συμπεριλαμβανομένων των επεξεργαστών για συγκεκριμένο τομέα) στην άκρη πρόσβασης. Πρέπει να διερευνηθούν τρόποι για την αναδιαμόρφωση εφαρμογών σε δύο υποσυστατικά, τη μείωση ακμών και την ανάλυση υποβάθρου.
• Κατανεμημένες υπηρεσίες : Όλες οι υπηρεσίες θα διανέμονται στη φύση, με ορισμένες λειτουργίες να εκτελούνται στην άκρη πρόσβασης, ορισμένες λειτουργίες να εκτελούνται στο κέντρο δεδομένων και ορισμένες λειτουργίες να εκτελούνται τοπικά ή σε τελικές συσκευές (όπως συσκευές εντός οχήματος). Η υποστήριξη ενός τέτοιου περιβάλλοντος απαιτεί μια λύση multi-cloud που είναι αποσυνδεδεμένη από οποιαδήποτε μεμονωμένη υποδομή. Πρέπει να μελετήσετε πώς να χρησιμοποιείτε ευρετικά για λειτουργική διάταξη.
• Επεκτασιμότητα : Το άκρο πρόσβασης μπορεί να εκτείνεται σε χιλιάδες ή και δεκάδες χιλιάδες τοποθεσίες άκρων και η δυνατότητα απομακρυσμένου συντονισμού πολλών ακραίων τοποθεσιών (ακόμα και μόνο σε επίπεδο υποδομής) είναι εγγενώς μια διαφορά σε σύγκριση με τη διαχείριση μιας μοναδικής πρόκλησης κέντρου δεδομένων. Πρέπει να γίνει έρευνα σχετικά με τον τρόπο κλιμάκωσης πλατφορμών αιχμής και υπηρεσιών αιχμής που υποστηρίζουν αναπτύξεις μεγάλης κλίμακας.

Περαιτέρω ανάγνωση: Για καλύτερη κατανόηση των ευκαιριών έρευνας στο άκρο πρόσβασης, μπορείτε να ανατρέξετε στο "Δημοκρατισμός της άκρης του δικτύου" ^[2] που δημοσιεύτηκε στο ACM SIGCOMM CCR τον Απρίλιο του 2019 .

Αναφορά:

[1] https://www.opennetworking.org/aether/

[2] https://ccronline.sigcomm.org/wp-content/uploads/2019/05/acmdl19-289.pdf

---------------

Σχετικά με αυτό το βιβλίο

Το αποθετήριο Github για αυτό το βιβλίο ^[1] παρέχει τον πηγαίο κώδικα για 5G Mobile Networks: A Systems Approach , σύμφωνα με τους όρους της άδειας Creative Commons (CC BY-NC-ND 4.0) ^[2] . Καλούμε την κοινότητα να διορθώσει, να βελτιώσει, να ενημερώσει και να συνεισφέρει νέο υλικό σε αυτό το βιβλίο υπό τις ίδιες συνθήκες.

Εάν σκοπεύετε να χρησιμοποιήσετε τα περιεχόμενα αυτού του βιβλίου, κρατήστε τις ακόλουθες πληροφορίες:

Τίτλος: 5G Mobile Networks: A Systems Approach

Συγγραφείς: Larry Peterson και Oguz Sunay

Πηγή:  https://github.com/SystemsApproach/5G

Άδεια:  CC BY-NC-ND 4.0 ^[2]

διαβάστε αυτό το βιβλίο

Αυτό το βιβλίο είναι μέρος της σειράς Systems Approach ^[3] και η ηλεκτρονική έκδοση δημοσιεύεται στη διεύθυνση https://5G.systemsapproach.org .

Για να παρακολουθείτε την πρόοδο του έργου και να λαμβάνετε ειδοποιήσεις για νέες εκδόσεις, μπορείτε να παρακολουθήσετε το έργο στο Facebook ^[4] και στο Twitter ^[5] . Για να παρακολουθήσετε συζητήσεις σχετικά με την εξέλιξη του Διαδικτύου, εγγραφείτε στο System Approach on Substack ^[6] .

χτίστε το βιβλίο

Μπορείτε να κατεβάσετε τον πηγαίο κώδικα για να δημιουργήσετε μια έκδοση Ιστού:

$ mkdir ~/5G
$ cd ~/5G
$ git clone https://github.com/SystemsApproach/5G.git

Η κατασκευή εξαρτάται από την Python και η διαδικασία κατασκευής ορίζεται στο Makefile. Το Makefile θα δημιουργήσει ένα εικονικό περιβάλλον (doc_venv) για την εγκατάσταση του συνόλου εργαλείων δημιουργίας τεκμηρίωσης.

Για να δημιουργήσετε HTML, _build/htmlκάντε παρακάτω make html.

Ελέγξτε τη μορφή του βιβλίου, εκτελέστε make lint.

Εκτελέστε makeγια να δείτε ποιες μορφές εξόδου υποστηρίζονται επίσης.

Συνεισφέρετε σε αυτό το βιβλίο

Εάν χρησιμοποιείτε το περιεχόμενο που παρέχεται σε αυτό το βιβλίο, ελπίζουμε ότι θα είστε επίσης πρόθυμοι να συνεισφέρετε σε αυτό το βιβλίο. Εάν είστε νέος στα έργα ανοιχτού κώδικα, μπορείτε να ανατρέξετε στον οδηγό "Πώς να συνεισφέρετε σε έργα ανοιχτού κώδικα" ^[7] . Μεταξύ άλλων, θα μάθετε πώς να δημοσιεύετε Ζητήματα που θέλετε να επιλυθούν και πώς να εκδίδετε αιτήματα έλξης για τη συγχώνευση των αλλαγών σας στο GitHub.

Αν θέλετε να συνεισφέρετε και ψάχνετε κάτι για να παρακολουθείτε, ρίξτε μια ματιά στην τρέχουσα λίστα υποχρεώσεων στο wiki ^{[8] .}

Αναφορά:

[1] https://github.com/SystemsApproach/5G

[2] https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0

[3] https://www.systemsapproach.org/

[4] https://www.facebook.com/Computer-Networks-A-Systems-Approach-110933578952503/

[5] https://twitter.com/SystemsAppr

[6] https://systemsapproach.substack.com/

[7] https://opensource.guide/how-to-contribute/

[8] https://github.com/SystemsApproach/5G/----------wiki

https://github.com/yuff100/5GSystemApproachCHN