Туманные вычисления (Fog Computing) как составная часть 5G

Мобильные сети 5G (IMT2020) появятся в коммерческом использовании не ранее 2022 года, когда завершится процесс их стандартизации и будут полностью разработаны необходимые технологии и протоколы, частью которых является Fog Computing. И кроме того, это может произойти только после выделения соответствующих частотных диапазонов. Коммуникации в сетях 5G будут осуществляться на высокой частоте [1], в частности, в миллиметровом диапазоне, который способен предоставить более широкие полосы пропускания. Это необходимо преджде всего для доставки видеоуслуг и мультимедийного контента в высоком качестве. Сети 5G могут обеспечивать низкую задержку сигнала – до 1 мс и менее, при скорости более 1 Гбит/с на терминал[2].

Для успеха, сети 5G должны поддерживать Fog Computing, то есть вычисления на самой границе сети. В противном случае, от столь низкой задержки на радиоинтерфейсе не будет ощутимой пользы. Типичная сеть 5G обеспечивает соединение пользователей через базовую станцию, которая в свою очередь, подключена к опорной сети (core) оператора связи через проводные каналы. В такой архитектуре запросы на облачные приложения должны проходить через базовую станцию и опорную сеть оператора, чтобы достигнуть облачных серверов. При этом, даже если радиоинтерфейс обеспечивает миллисекундную задержку между мобильным устройством и базовой станцией, пересылка запроса в центральное облако через опорную сеть оператора увеличит задержку на порядок[3].

Истинная ценность 5G не может быть достигнута, если данные будут обрабатываться только в облаке Cloud. Поэтому, требуется задействовать развёртывание и исполнение кода приложений на устройствах в непосредственной близости к пользователям[4].

От сетей 5G требуется, чтобы они были не только коммуникационной инфраструктурой. Сервисы вычислений и хранения данных, если они предоставляются ближе к устройствам, позволяют приложениям использовать преимущества радиоинтерфейса с низкой задержкой, чтобы обеспечивать практически немедленный отклик. При этом получают выгоды как пользователь (практически мгновенная ответная реакция), так и оператор (у которого разгружается опорная сеть). Спуск обработки данных из облака на границу сети – это основное свойство Fog Computing, и не будет ошибкой сказать, что сети 5G не смогут реализовать свой потенциал без Fog-систем. Таким образом, поддержка Fog computing – это не просто одна из особенностей сетей 5G, как принято считать, а необходимое требование для того, чтобы сети 5G успешно развивались.

Основной элемент сетей 5G, который создаёт среду для Fog Computing – это решение «маленьких базовых станций» (small cell), в которые входят пикосотовые (pico) и фемтосотовые (femto) базовые станции. Иногда их также называют микросотами (micro-cell). Решение Small cell значительно снижает нагрузку на обычные макро-сотовые базовые станции (macro-cells), перенимая на себя связь с тысячами терминалов IoT и пользователей в зоне действия макро-соты. Каждое устройство может подключиться либо к макро-соте, либо к микро-соте.

Хотя в традиционных сотовых сетях также растет число базовых станций и размер соты уменьшается, в сетях 5G достижение хорошей пропускной способности сетей при помощи традиционной структуры макро-сот приводит к огромным затратам. Однако, антенны в маленьких сотах 5G могут быть гораздо меньше обычных антенн, поскольку они работают в диапазоне миллиметровых волн. Уменьшение размера антенн приводит к тому, что их можно размещать на обычных фонарных столбах, стенах домов и пр., таким образом, значительно упрощая и удешевляя инфраструктуру радиосети. Более того, такая инфраструктура позволяет гораздо лучше использовать радиочастотный спектр. На рисунке ниже показан пример маленьких сот Small Cell (слева) по сравнению с обычной базовой станцией.[5]

Рисунок 1. Сравнение Small Cell (слева) с обычной базовой станцией
(источник: http://www.digitalfuturealliance.com).

Решение Small Cells также помогает решить проблему покрытия сети внутри помещений, которая была очень актуальна в традиционных сетях 3G/4G (см. рисунок ниже).

Рисунок 2. Решение проблемы покрытия внутри помещений при помощи решения Small Cell (источник: http://www.ibwave.com).

Следует также учесть, что, хотя использование маленьких сот в городской среде очень эффективно, в сельской и пригородной области эффективность такого решения падает[6].

Это вносит иерархичность в архитектуру сетей 5G, на верху которой находится облако Cloud, и макро- и микро-сотами на границе сети и устройствами пользователей и IoT внизу. С точки зрения Fog Computing, макро- и микросоты образуют Fog-узлы, в которых производится обработка данных, выполнение кода приложений, а также хранение данных. Пакеты, посылаемые устройствами в сеть устройствами, анализируются в микро-соте или в макро-сотовой базовой станции (точнее сказать, в её виртуализированном базовом блоке BBU), перед тем как быть отправленными (или неотправленными) в опорную сеть и далее в Cloud.

Рисунок 3. Архитектура сети доступа 5G c уровнем Fog (источник: The Institution of Engineering and Technology London, 2017).

Другое большое усовершенствование в 5G – эффективные коммуникации между устройствами D2D (device-to-device). Данные работающего приложения могут передаваться непосредственно с одного устройства на другое, при этом базовая станция выполняет обрабатывает только протокол управления этой передачей. Это не только разгружает базовые станции всех видов, но также и даёт возможность масштабирования для Fog-систем, где множество устройств способны коммуницировать друг с другом, без создания дополнительной нагрузки на сеть. Это, например, очень полезно в таких приложениях, как Smart Home[7].

Пример D2D показан на рисунке ниже.

Рисунок 4. Пример D2D в сети 5G (источник: MWNL, Seoul National University).

Таким образом, Fog обеспечивает недостающее звено для сетей 5G для передачи тех данных, которые необходимо передать в облако для анализа и долговременного хранения, и тех данных, которые нужно обрабатывать на месте и котоыре не требуют длительного хранения.


[1] https://5g-ppp.eu/newsflash-july-2017

[2] https://5g.co.uk/guides/how-fast-is-5g/

[3] Cloud and Fog Computing in 5G Mobile Networks. Emerging advances and applications. The Institution of Engineering and Technology, London, United Kingdom, 2017.

[4] http://www.telecomtv.com/articles/mec/why-edge-computing-mustbe-a-companion-to-nfv-and-5g-13043

[5] https://www.digitalfuturealliance.com/article/the-200-ft-5g-hurdle

[6] http://www.ibwave.com/media-and-events/blog/post/the-technological-future-of-small-cells

[7] http://www.mwnl.snu.ac.kr/

Об авторе Алексей Шалагинов

Независимый эксперт
Запись опубликована в рубрике 5G, IoT с метками . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.