1.       Виртуализация сетевых функций и программно-конфигурируемые сети

Виртуализация сетевых функций NFV (Network Function Virtualization) и программно-конфигурируемые сети SDN (Software Defined Network) – основа цифровой трансформации бизнеса операторов связи в направлении сетей пятого поколения 5G и далее.

Основные отличия сетей 5G от сетей предыдущих поколений (2G – 4G)[1]:

1). Высокая скорость доступа и низкая задержка передачи через сеть.

Сеть доступа 5G RAN может обеспечить скорость доступа в 20 Гигабит в секунду и задержку не выше 1 миллисекунды. Таким образом, операторы связи могут предложить своим абонентам такие услуги, как видео в высоком качестве (HD Video Streaming), интерактивные игры (Gaming), видеовызов и видеоконференция с эффектом присутствия (Telepresence), технологии с «погружением» (Immersive Technologies), в т.ч. дополненную и виртуальную реальность (Augmented Reality and Virtual Reality), управление беспилотными автомобилями, а также автоматизированное производство.

2). Интернет Вещей с большим количество подключённых устройств (Massive Internet of Things), а также множество взаимоподключений устройств и связей между ними (Massive Machine Type Communications).

Одна из целей архитектуры 5G – поддержка большого числа подключенных устройств в определённой географической области. Поддержка одновременного доступа устройств на одной базовой станции порядка десятков тысяч устройств позволяет внедрить такие решения, как «Умный Город», «Умное здание», «Подключенный дом», и многие другие, а также внедрять сбор больших данных (Big Data), необходимых для искусственного интеллекта.

3). Нарезка сети (Network Slicing)

Благодаря SDN/NFV, сценарии предоставления услуг в сети 5G будет достаточно многочисленны и разнообразны. Если в сетях предыдущих поколений возможно влияние трафика одних услуг и сервисов на качество других (например, при перегрузке сети сервисами мессенджеров могло снижаться качество потокового видео), то в 5G возможна «логическая нарезка» сетевых ресурсов на отдельные слои так, что максимальная нагрузка одного слоя не будет влиять на остальные. Возможно гибкое перераспределение ресурсов между слоями, так, чтобы не снижать качество сервисов в каждом из них. А некоторые специфические приложения 5G, например, подключённые автомобили, может потребовать особых параметров услуг, например, сверхнизкой задержки распространения сигнала, и более широкой полосы пропускания, которые можно обеспечить в одном слое в отличие от других. Некоторые приложения, такие как удалённый медицинский мониторинг, могут потребовать высокой надёжности и сверхнизкой задержки, и для таких услуг можно выделить отдельный сетевой слайс в общей инфраструктуре опорной сети. В сетях предыдущих поколений для таких услуг потребовалось бы строить отдельную сеть.

4). Различные варианты развёртывания 5G

Сеть 5G состоит из сети радиодоступа нового поколения NG-RAN (Next-Generation Radio Access Network) и новой опорной сети 5GC (5G Core).  Гибкость архитектуры 5G позволяет осуществлять различные варианты режимов развёртывания. Например, операторы могут развивать сеть при помощи интеграции базовых станций нового поколения gNB (Next Generation Node Base Station) в существующую сеть доступа RAN предыдущих поколений и архитектуру опорной сети, или они могут выбрать автономный вариант 5G SA (Standalone) и опорную сеть для 5G (5GC). Возможен вариант развёртывания сети доступа 5G RAN с усовершенствованной опорной сетью 4G EPC (Evolved Packet Core), которую можно модифицировать позже до 5GC.

5). Преимущества виртуализации

Вкупе с 5G, технологии виртуализации, такие как NFV (Network Functions Virtualization) и SDN (Software-Defined Networking), дают возможность операторам облегчить расширение сети, повысить возможности введения новых услуг и снизить как капитальные, так и операционные расходы на сеть. Одни и те же технологии виртуализации могут быть использованы как в сети доступа 5G RAN, так и в опорной сети 5G Core. Многие функции сети могут быть виртуализованы при помощи NFV и предоставлены в разных участках сети 5G RAN при помощи SDN. Виртуализация сетевых функций в 5G позволит реализовать такие сетевые возможности, как сетевая нарезка Network Slicing и вычисления в граничной сети для разных технологий доступа MEC (Multi-access Edge Computing).

1.1. Эволюция от 4G к 5G при помощи технологий SDN/NFV

Процесс миграции от сети 4G (LTE) к 5G показан на рисунке ниже. Показанное внутри пунктирных прямоугольников реализуется при помощи технологий SDN/NFV в дата-центрах.

Рисунок 1. Миграция от сети 4G (LTE) к 5G при помощи технологий SDN/NFV.

Расшифровка надписей на рисунке

BBU	Baseband Unit	Блок обработки базовой частоты
vBBU	Virtual BBU	Виртуальный BBU
EPC	Enhanced Packet Core	Усовершенствованная пакетная сеть
5GC	5G Core	Опорная сеть для 5G
RRU	Remote Radio Unit	Радиочасть базовой станции
MEC	Muti-Service Edge Computing	Граничная сеть для мультисервисных услуг
MIMO	Multiple In Multiple Out	Передача данных по нескольким каналам
UP	User Plane	Плоскость данных
CP	Control Plane	Плоскость управления
SDN	Software Defined Network	Программно-конфигурируемая сеть
NFV	Network Function Virtualization	Виртуализация сетевых функций
VM	Virtual Machine	Виртуальная машина
RAN	Radio Access Network	Сеть радиодоступа
RAT	Radio Access Technology	Технология радиодоступа
SD-WAN:	Software Defined Wide Area Network	Программно-конфигурируемая глобальная сеть
5GC	5G Core	Опорная сеть 5G
IOT	Internet of Things	Интернет Вещей
IMS	IP Multimedia Subsystem	Подсистема мультимедийных IP-услуг

Сеть 4G (LTE) строится на базе традиционной сети радиодоступа RAN (Radio Access Network) в варианте распределённой сети D-RAN (Distributed RAN)[2]. В D-RAN базовые станции RAN состоят из двух основных компонентов: блока обработки базовой частоты BBU (Baseband Unit), и радиочасти RRU (Remote Radio Unit), которая устанавливалась вначале в корпусе блока BBU, а затем на мачтах сотовых вышек ближе к трёхсекторным антеннам, удалённо (рисунок ниже).

Рисунок 2. Базовая станция UTRAN (источник: http://telecom4eng.blogspot.com/2016/06/bbu-rru.html).

Через сеть агрегации базовые станции подключаются к опорной сети (Core).

Усовершенствованная сеть LTE-A (LTE-Advanced) имеет значительно более высокую скорость доступа (до 300 Мбит/с на пользователя), за счёт применения амплитудно-квадратурной модуляции 256 QAM (вместо 64 QAM в обычном LTE), а также большего числа несущих частот и каналов MIMO (Multiple In Multiple Out).

В LTE-A используется облачная RAN (C-RAN, Cloud RAN). В такой сети BBU вынесены от базовой станции в т.н. BBU Hotel (Baseband Hotel) – головной общий узел для BBU, который может обслуживать много базовых станций[3].

Рисунок 3. Решение BBU Hotel (источник: https://www.calnexsol.com/en/article-display/114-archived-blog/875-getting-into-the-hotel-business).

На этом этапе начинается виртуализация сетевых функций, которая позволяет заменить оборудование опорной сети на программные модули, работающие на стандартном серверном оборудовании дата-центров.  

Различия EPC (Enhanced Packet Core), EPC+ и 5GC (5G Core) показаны ниже[4].

Таблица  1. Различия EPC (Enhanced Packet Core), EPC+ и 5GC (5G Core)

	EPC	EPC+	5GC
Версия стандарта 3GPP	Release 8 — 13	Release 14 — 16	Release 15 и далее
Требование виртуализации	Опционально	Обязательно	Обязательно
Разделение плоскостей данных и управления (CUPS, Control and User Plane Separation)	Нет	CUPS вводится согласно Release 14 3GPP[5]	Заложено непосредственно в технологию виртуализации

1.2. Неавтономная сеть 5G NSA (5G Non-standalone)

На начальном этапе сеть 5G разворачивается на базе опорной сети 4G, хотя и в её усовершенствованном варианте ЕРС+. Такой режим развёртывания 5G носит название «неавтономного» (5G NSA – Non-Standalone), поскольку при этом используются ресурсы опорной сети ЕРС 4G.

Приложения и функции управления СР (Control Plane, см. рис. 1) опорной сети начинают виртуализироваться в дата-центрах центрального облака. Однако, функция управления плоскостью передачи данных пользователя UP начинает перемещаться в «нижележащее облако» МЕС (Multi-Service Edge Computing, см здесь )

В МЕС также происходит виртуализация базовых блоков BBU базовых станций. Это позволяет значительно сэкономить средства на развёртывание сети доступа 5G, поскольку число базовых станций в 5G будет значительно больше, чем в предыдущих поколениях. Виртуализированные BBU (vBBU) работают в виде программных сущностей (entity), то есть в виде виртуальных сетевых функций VNF[6] на стандартном коммерческом оборудовании в дата-центрах граничной сети (Edge). Такие граничные дата-центры значительно меньше в объеме, чем центральные облачные дата-центры, могут быть модульными и устанавливаться как в помещениях (indoor), так и снаружи (outdoor).

Рисунок 4. Примеры граничных дата-центры внешнего (outdoor) исполнения (Источники: Baselayer и Canovate)

В облаке Edge производится управление передачей данных пользователя UP (User Plane, см. рис. 1), обеспечивается запуск и остановка сетевых сущностей BBU по мере загрузки сети, а также работают клиенты приложений. За счёт применения матричных антенн в базовых станциях возможно осуществление режима Massive MIMO с большим числом частотных каналов. За счёт этого становится возможным достичь полосы пропускания на пользователя до 20 Гбит/с.

(Продолжение — здесь).

---

[1] https://www.linkedin.com/pulse/five-things-know-5g-paul-shepherd/

[2] https://moniem-tech.com/questions/what-is-the-difference-between-d-ran-and-c-ran/

[3] https://www.anritsu.com/ru-ru/test-measurement/technologies/c-ran

[4] https://moniem-tech.com/2021/07/24/what-is-the-difference-between-epcepc-and-5gc/

[5] https://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/cups

[6] https://www.techtarget.com/searchnetworking/definition/virtual-network-functions-VNF