Привет, Хабр и уважаемые хабравчане! Мы решили подготовить цикл публикаций про 5G. Вокруг сотовых сетей пятого поколения, которые планируется запустить в 2020 году, разворачивается невероятное количество споров. Несмотря на то, что они представляют большой интерес с точки зрения новых возможностей для бизнеса, у людей сторонних все равно возникает много вопросов. Например, зачем нужен 5G, если у нас еще не настолько развиты 4G и даже 3G сети? Мы попытаемся дать ответы на эти вопросы и углубиться в технологии, сценарии использования и методы построения мобильных сетей нового поколения.

Во-первых, давайте рассмотрим 5G с точки зрения уже упомянутых возможностей для бизнеса. На базе технологий 5G будет работать множество приложений: удаленное управление техникой, телемедицина, умные счетчики и трансляция контента широкому кругу пользователей мобильного интернета. Функционал сетей нового поколения позволит компаниям из самых разных отраслей разрабатывать продукты и услуги, и быстро адаптировать их к изменениям спроса.

Гибкость – это главное требование, которому должны соответствовать сети 5G. В настоящее время уже используются технологии, обеспечивающие высокую степень гибкости сетевой архитектуры, такие как программно-конфигурируемые сети (SDN) и виртуализация сетевых функций (NFV). С помощью этих технологий сеть разделяется на логические сегменты, каждый из которых настраивается в соответствии с параметрами, необходимыми для работы определенных услуг.

Подключение к интернету все большего числа устройств, а также запуск новых приложений и услуг будет накладывать целый ряд дополнительных требований к сетям сотовой связи. В их числе – более высокая скорость передачи данных, минимальное время ответа сети, QoS, обеспечение защиты передаваемых данных, постоянная доступность сети, а также специфические параметры, различающиеся от услуги к услуге. Логично, что и доход от каждой из услуг будет различным, и перед операторами стоит задача обеспечить экономическую эффективность инвестиций в каждую из них.

В этих условиях большое значение имеет время развертывания сервисов и гибкость настроек услуг. Разумеется, сроки должны быть минимальными, а значит, необходимо, прежде всего, обеспечить динамическую работу опорной сети 5G. С этой целью потребуется протестировать множество возможных сценариев ее работы.

Концепция опорной сети 5G

Опорная сеть 5G должна стать основой для работы множества новых бизнес-приложений и при этом по-прежнему обеспечивать функционирование уже существующих услуг, таких как, например, мобильный интернет. Кроме того, ядро сети пятого поколения должно поддерживать совместную работу множества технологий доступа и передачу входящего и исходящего трафика, генерируемого массой устройств различных типов. Это означает, что при проектировании опорной сети нужно предусмотреть совместное использование ресурсов самыми разными приложениями и учесть различия в потребностях разных отраслей.

Гибкой должна быть не только опорная сеть, но и вся система связи. Ядро сети пятого поколения должно иметь модульную высокоэластичную архитектуру и поддерживать виртуализацию сетевых функций (NFV), принципы и протоколы программно-конфигурируемых сетей (SDN), технологии динамической оркестрации сетевых ресурсов, а также обеспечивать взаимодействие со всеми возможными типами доступа: LTE, Wi-Fi и другими. При этом все новые услуги и опции должны выводиться на рынок в кратчайшие сроки, а с момента подачи запроса до активации услуги должно проходить минимальное время.

Высокоуровневая архитектура

Гибкость сети обеспечивается за счет слайсинга сети, разбивающего одну физическую сеть на несколько слоёв, каждый из которых имеет собственные настройки, адаптированные под определенную услугу. Таким образом, снижаются расходы, обеспечивается эффективность и гибкость будущих сервисов.

Сегментирование осуществляется за счет использования технологий NFV и SDN. Чтобы конкретный отдельный сегмент сети обеспечивал эффективную работу определенного набора услуг, он должен быть привязан к различным элементам инфраструктуры, в том числе VPN, облачным сервисам и технологиям доступа, а также через VNF — к ресурсам опорной сети.

На рисунке ниже представлен вариант, в котором применяются логически разделенные сегменты и изолированные системы, имеющие разную архитектуру и при этом способные использовать общие функциональные компоненты. Один сегмент спроектирован в расчете на предоставление услуг мобильного широкополосного доступа (МШПД) и обеспечивает доступ к сети устройствам с поддержкой технологии LTE, Evolved LTE и NX (новый тип радиодоступа, который будет разработан для использования в мобильных сетях пятого поколения. В настоящее время идет разработка требований к стандарту нового типа радиодоступа). Другой сегмент рассчитан на работу с отраслевыми приложениями и включает оптимизированный уровень управления опорной сети и упрощенный уровень данных пользователя, а также поддерживает различные схемы аутентификации. При одновременной работе эти два сегмента обеспечивают поддержку целого ряда услуг и дают оператору возможность выводить на рынок новые продукты с сохранением уровня экономической эффективности.



Сетевое сегментирование снижает бизнес-риски, связанные с запуском новых услуг, поскольку проблемы в одном сегменте не влияют на функционирование услуг, за которые отвечает другой сегмент. Кроме того, использование сегментирования обеспечивает беспроблемную миграцию.

Сетевая архитектура должна меняться при появлении новых стандартов связи, и отказ от подхода при котором все услуги оказываются на базе единой сети в пользу сетевого сегментирования упрощает эту задачу. Использование таких механизмов как Dedicated Core Network (DCN) – это один из шагов в правильном направлении.

Разделение уровня управления и уровня данных пользователя

Для обеспечения гибкости сети 5G необходимо внедрять различное аппаратное обеспечение, на базе которого в разных физических сегментах сети разворачивается различный функционал. Особое внимание должно уделяться проектированию уровня данных пользователя, который должен обеспечивать высокую пропускную способность. Например, возможен сценарий, при котором большая часть трафика требует только простой обработки, и для этого достаточно упрощенного аппаратного обеспечения. При этом оставшаяся часть трафика может требовать более сложной обработки. Экономически эффективное масштабирование уровня данных пользователя в расчете под одну полосу или нескольких агрегированных полос частот является ключевым компонентом опорной сети 5G.

Возможность разделения функций уровня контроля и уровня данных пользователя играет одну из ключевых ролей в архитектуре опорной сети пятого поколения. Это разделение позволяет масштабировать ресурсы уровней контроля и данных пользователя независимо друг от друга. Также это разделение позволяет размещать ресурсы уровней данных пользователя и контроля на разных участках сети. Например, уровень контроля можно разместить на центральном сайте, и таким образом упростить процессы управления и эксплуатации. Уровень данных пользователя может быть распределен по нескольким локальным сайтам, в расчете на то, чтобы он находился как можно ближе к пользователям. Таким образом, сокращается время прохождения сигнала, и для передачи данных в единицу времени требуется меньшая ширина полосы. Данный подход хорошо подходит, в частности, для кэширования контента, поскольку в этом случае требуется меньшая ширина полосы для передачи определенного объема данных между базовыми станциями.

Поскольку разделение уровня контроля и уровня данных пользователя является основой концепции SDN, при использовании программно-конфигурируемых сетей значительно повышается гибкость опорной сети 5G. На нижепредставленном рисунке показано, что уровень данных пользователя может не зависеть от месторасположения физических ресурсов и транспортных особенностей L2 и L3. В типичный функционал уровня контроля входит управление данными местоположения, согласование политик и аутентификация сессий. Таким образом, разделение на данном уровне является естественным.



Функционал уровня данных пользователя может быть развернут в соответствии с конкретными сценариями использования. Поскольку потребности в подключении различаются от сценария к сценарию, создание уникальных настроек для каждого из них будет наиболее экономически эффективным. Например, у М2М-подключений маленький объем полезной нагрузки и мобильность, а у МВВ-сервисов они большие. МВВ-сервисы можно разбивать на несколько более простых услуг, таких как потоковое видео и веб-серфинг, что позволит их развертывать как отдельные сегменты в рамках одного слоя. Такой подход в итоге помогает повысить гибкость опорной сети.

Управление сетью

Очевидно, что для развития бизнеса требуется строить сеть с большой гибкостью, и сетевое сегментирование позволяет ее добиться. Однако увеличение гибкости может привести к усложнению всех уровней системы, и как следствие, к удорожанию операций и их растягиванию во времени. Эту проблему решает автоматизация.

Управление сетью должно учитывать три основных этапа жизненного цикла услуги: создание, активация и время выполнения:
• Создание новых услуг или кастомизация существующих с минимальным сроком вывода на рынок — позволяет при необходимости разбить решение на компоненты и быстро создавать, выполнять и проверять услуги и сегменты.
• Активация услуги с минимальным показателем ТТС — позволяет автоматически активировать сервис в минимальный срок.
• Время выполнения – предоставление пользователю запрошенных им возможностей, мониторинг работы услуги и SLA, адаптация к меняющимся условиям, обеспечение масштабирования новых услуг, каждая из которых должна быть полностью автоматизирована.

Преимущества сетевого сегментирования, при котором каждый сегмент имеет свои возможности поддерживаются двумя уровнями функционала управления. Один уровень отвечает за услуги и продукты, в числе которых В2В. Другой уровень отвечает за сетевое сегментирование как таковое. Это наглядно показано на следующем рисунке. Инновационные предложения можно создавать путем объединения функционала разных слоев, где один сегмент будет иметь низкую производительность и большую задержку, а другой — высокую производительность и маленькую задержку. Каждое инновационное предложение будет включать такой набор характеристик, как SLA, бизнес-политики и функции контроля внутри сегмента.



Управление сроком службы услуги включает разработку и создание разных типов сетевых сегментов и сервисов, а также их активацию с учетом конкретных потребностей пользователей, мониторинг работы и апгрейд (при необходимости). Для этого необходим план. В нем указывается, какие компоненты нужно установить, какие функции активировать, какие конфигурации создать, какими ресурсами управлять.

Для запуска новой услуги создается новый сегмент сети или, в некоторых случаях, меняется конфигурация существующего. Сегмент может управляться независимо или охватывать другие ресурсы, включая как традиционные (например, ЕРС), так и новые типы архитектуры (например, разделение уровней контроля и данных пользователя). Сетевые сегменты могут иметь функции управления, часть из которых может контролироваться оператором, а часть – пользователем. Слой управления использует несколько систем и интерфейсов, позволяющих создавать и конфигурировать ресурсы. При этом гибкость играет ключевую роль в автоматизации и оркестрации системы, и достигается, например, за счет использования плагинов.

Заключение

Виртуализация, программируемость сетей и сценарии использования 5G полностью изменят подход к проектированию и развертыванию сетей. Сетевые ресурсы больше никогда не будут группироваться вертикально, вместо этого они будут размещаться в разных участках сети, в непосредственной близости к месторасположению пользователей.

Опорная сеть 5G будет обладать высокой степенью гибкости, которая позволит обслуживать широкий перечень потребностей новых моделей бизнеса, обеспечить поддержку множества технологий доступа, а также работу самых разных услуг и устройств.

Минимизация затрат операторов и отраслей, зависящих от подключения к сети, является важнейшей задачей, которую необходимо решать при проектировании гибкого и динамичного ядра сети. Основную роль будут играть технологии SDN и NFV, облачные технологии и аналитические системы. Гибкая опорная сеть и комплексное сетевое сегментирование повысят ценность сетей, построенных на базе общей инфраструктуры.

На этом закончим первую главу рассказа про 5G. В следующий раз мы расскажем про транспортные сети 5G и о том, как обеспечить их гибкость за счет использования SDN-технологий.