К новым горизонтам вместе с 5G

Благодаря 5G в ближайшие несколько лет в мобильных сетях произойдут фундаментальные перемены. Подготовка идет полным ходом, и технологиям с открытым кодом отводится решающая роль в вопросах построения опорных инфраструктур и радиосетей, а также в сценариях использования интернета вещей.

Каждое новое поколение технологий мобильной связи на протяжении последних 20 лет становилось важной вехой на пути технического прогресса и порождало новые области применения. Первая мобильная революция открыла возможность звонить по телефону практически откуда угодно. С приходом 3G фокус сместился на передачу данных и мобильный интернет. Одним из главных бенефициаров эпохи 5G, согласно текущим прогнозам, станет интернет вещей (IoT).

Чтобы оценить потенциал этого направления, достаточно бросить короткий взгляд на цифры. В 2016 году количество подключенных мобильных телефонов в мире впервые превысило население Земли. Согласно прогнозам, к 2021 году общее число подключенных к сети автомобилей, оборудования, датчиков и прочих устройств IoT превысит 46 миллиардов штук, что на 200% больше, чем в 2016 году. И всем им будет нужна новая мобильная сеть, стандартом которой и станет 5G.

Три важнейших сценария использования 5G

Параллельно с испытаниями и пилотными запусками сетей 5G силами мобильных операторов и разработчиков технологий участники рабочих групп Сектора радиосвязи Международного союза электросвязи (ITU-R) вырабатывают требования и критерии оценки будущих мобильных технологий 5G в рамках создания перспективного стандарта "IMT на период с 2020 года и позже" (где IMT расшифровывается как International Mobile Telecommunication). Документы МСЭ-R определяют три сценария использования 5G:

• Усовершенствованная мобильная широкополосная связь (Enhanced Mobile Broadband, EMBB) - резкое увеличение производительности сетей и парка подключенных устройств. 5G обеспечит значительный прогресс благодаря двум ключевым преимуществам EMBB. Во-первых, за счет улучшения сетевого покрытия в помещениях, наподобие офисных зданий, промышленных объектов и торговых центров, охват которых в настоящее время возможен только с использованием WLAN и репитеров, что требует значительного времени и затрат. Во-вторых, EMBB ориентирован на одновременную работу большого количества устройств с большим трафиком данных. 
• Массовые машинные коммуникации (Massive Machine Type Communication, mMTC) для интернета вещей. В отличие от предыдущих поколений мобильной связи, каждое из которых полностью вытесняло предшественника, 5G устроен иначе. Этот стандарт предусматривает сохранение уже существующих межмашинных способов коммуникаций с их дальнейшим развитием и дополнением новыми качествами. В качестве примера можно привести недавно выпущенную спецификацию NarrowBand IoT. Кроме того, 5G должен обеспечить более плотное и гибкое покрытие, тем самым снизив затраты на организацию IoT-систем.
• Ультра-надежные коммуникации с малым временем задержки (Ultra-Reliable and Low-Latency Communication, URLLC) для интернета вещей. Благодаря высочайшим уровням качества связи, доступности и обслуживания, URLLC откроет принципиально новые возможности применения IoT в таких областях, как умное производство, мониторинг здоровья, доставка товаров беспилотниками и автономные транспортные средства.

К настоящему времени мобильные операторы наработали немалый опыт создания и опытной эксплуатации сетей 5G. Например, в сентябре 2017 года Deutsche Telekom развернул тестовую сеть 5G на базе технологии Huawei на территории берлинской ярмарки IFA. Летом 2017 года на конгрессе MWC в Шанхае ZTE, ведущий мировой поставщик решений для телекоммуникационной отрасли, а также корпоративного сектора и мобильных устройств для частных заказчиков, презентовала тестовый запуск 5G в сети China Mobile в китайской провинции Гуандун. Korea Telecom (KT) запустила сеть 5G в ходе Олимпийских игр 2018 года.

Архитектурная сложность мобильных сетей

Архитектуры мобильных сетей отличаются повышенной сложностью и большим количеством элементов. В частности, это объясняется тем, что операторам приходится параллельно эксплуатировать сети разных поколений и в равной мере учитывать различные аспекты как опорной инфраструктуры (ядра), так и сетей радиодоступа (Radio Access Network, RAN). Поэтому одним из ключевых направлений при разработке и испытаниях сетей 5G является отработка модели Multi-access Edge Computing (MEC), высокораспределенной виртуализованной архитектуры, подразумевающей использование множества небольших сетей RAN для обеспечения доступа в помещениях и на открытых пространствах на периферии мобильной сети, а также выполняющих сбор, агрегирование, обработку и пересылку данных. Red Hat является участником рабочей группы Multi-access Edge Computing (MEC) Европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSI), которая, среди прочего, занимается разработкой сценариев применения и архитектуры MEC в русле уже функционирующих отраслевых инициатив по виртуализации сетевых функций (NFV).

Центральным элементом архитектуры MEC является интегрированный с сетью RAN сервер приложений, предоставляющий последним среду выполнения. Предварительная версия архитектур MEC реализует сценарий, в котором сервер MEC используется на одном контроллере радиосети LTE, одном контроллере радиосети 3G или на одной базовой станции 3G/LTE. Также запланирована поддержка WLAN. Конечная цель - создание общей архитектуры для сетей LTE-U (LTE в нелицензируемом спектре частот), облачных сетей RAN (C-RAN), виртуальных сетей доставки контента (vCDN), мобильной доставки видео и технологий 5G и NFV, которая позволит выполнить плавный переход от LTE к 5G.

Серверная платформа MEC состоит из инфраструктуры хостинга (подобной инфраструктуре NFV) и платформы приложений. Платформа приложений функционально похожа на шлюз IoT или классическую ИТ-платформу приложений - например, JavaEE. Здесь также имеются Virtualization Manager (в виде Infrastructure-as-a-Service, IaaS, абстракции) и ряд дополнительных сервисов, таких как Traffic Offload Function (TOF), Radio Network Information Services (RNIS), Communication Services и Service Registry. Поскольку этот уровень абстрагируется от деталей организации радиосети, становится возможным реализовать переносимость приложений MEC на основе стандартизованных открытых API-интерфейсов. Таким образом, MEC формулирует определенный тип виртуализованной/микросервисной PaaS-среды по аналогии с подходом NFV/IaaS с функциями телеметрии для контроля сервисов, средствами диспетчеризации, управления жизненным циклом, обеспечения безопасности и CI/CD-инструментами из состава Red Hat OpenShift для полноценной эксплуатации приложений MEC. Все перечисленные компоненты и функциональные элементы построены на основе технологий с открытым кодом. Это особенно важно при построении мультивендорных сред по мере того, как отрасль стремится к выработке единых стандартов для NFV и других облачных технологий следующего поколения. Открытые технологии повышают совместимость и ускоряют инновации, позволяя мобильным операторам и другим игрокам быстрее и проще задействовать преимущества новейших разработок, а также открывают дорогу новым способам мышления и решения проблем, культивируемым в рамках сообществ разработки open source. Кроме того, открытые технологии снижают риски зависимости от поставщика решений и повышают гибкость.

В архитектуре ETSI/MEC есть три уровня управления - для инфраструктуры хостинга, для платформы приложений и для самих приложений и сервисов. Здесь используются построенные на основе открытых стандартов и хорошо масштабируемые решения с открытым исходным кодом, такие как OpenStack для создания слоя инфраструктуры и Red Hat JBoss в качестве связующего ПО (middleware) для платформы приложений. Red Hat OpenStack Platform предоставляет надежную облачную платформу, построенную на базе ОС Red Hat Enterprise Linux и высоконадежной корпоративной версии OpenStack от Red Hat. Платформа обеспечивает гибкое масштабирование при сохранении высокого уровня доступности, производительности и ИТ-безопасности. В настоящее время рабочая группа ETSI разрабатывает открытые API-приложения для этой платформы.

Комбинация ETSI NFV и систем управления (Element Management Systems, EMS) с API-интерфейсами, такими как Traffic Offload function (TOF) и RNIS, а также использование средств разработки приложений NFV, таких как Data Plane Development Kit (DPDK), Open Compute Project ( OCP), Fast Data – Input/Output (FD.IO) и IO Visor Project, создают хорошую отправную точку для построения экосистем 5G и IoT на основе технологий с открытым кодом. Разработка следующего поколения сетей мобильной связи и сценариев использования 5G совместными усилиями лидеров отрасли и сообществ open source - это наилучший путь для создания и воплощения инноваций.

Ключевые открытые стандарты, касающиеся NFV

Телекоммуникационные компании десятилетиями строили свои сети на основе дорогих проприетарных решений. Однако виртуализация сетевых функций с помощью технологий с открытым кодом и облачных решений, таких как OpenStack, позволяет сэкономить значительные средства и резко повысить гибкость. К настоящему моменту создан целый ряд стандартов на основе технологий с открытым кодом, которые способствуют ускорению инноваций и более эффективному сотрудничеству между операторами:

•  OpenStack-проект Tacker, реализующий Generic VNF Manager (VNFM) и NFV Orchestrator (NFVO), - предназначен для организации и эксплуатации сетевых сервисов и VNF-функций на платформе OpenStack.
•  Open Source MANO - проект, поддерживаемый ETSI, по созданию программного стека Open Source NFV Management and Orchestration (MANO), координированного с ETSI NFV.
•  Проект Open-O - объединяет телекоммуникационные компании, а также кабельных операторов и поставщиков облачных услуг с целью разработки платформы оркестрации с открытым кодом для сетей NFV и SDN. 
•  Проект Open Network Automation Platform (ONAP) организации Linux Foundation - объединяет исходный код Enhanced Control Orchestration Management and Policy (ECOMP) и проекта Open-O. В конце 2017 года ONAP планирует представить архитектуру, поддерживающую 5G, IoT, облачные технологии и сервисы приложений.

Таблица: скорость загрузки данных в мобильных сетях различных поколений

Источник: http://www.5g-anbieter.info/

Согласно планам ведущих мобильных операторов Европы, Азии и США, стандарт 5G должен появиться в районе 2020 года. Пилотные проекты могут появиться гораздо раньше.