5G особые требования: общие аспекты. Часть 2.
В данном контексте большое количество вариантов использования с соответствующими бизнес возможностями и требуемыми возможностями сети были приведены компанией NGMN в работах [3] и [4]. Данная работа стала ценным вкладом в 3GPP (Партнерский Проект 3G), так как она провела свои собственные исследования новых услуг для следующего поколения мобильной связи, кратко изложенные в [5]. 3GPP организовал все различные варианты использования и их требования на уровне услуги в трех основных категориях: массив Интернет вещей [6], Системы связи для передачи важной информации [7], и улучшенная мобильная широкополосная связь [8]. Затем данные исследования сформировали основу для единой спецификации [5]. В дополнение к этим оценкам потребностей сервиса, ITU определила требования для 5G радио [9] [10], охватывая те же категории. Сейчас ведется работа по стандартизации в различных рабочих группах в 3GPP [11] [12] с целью соответствия перечню требований (как на уровне сервиса, так и на уровне радио связи). В настоящее время в 3GPP ведется доработка вариантов использования и требований для вертикальных отраслей [13] [14].
Интернет вещей требует сеть для поддержки очень большого количества соединений для траффика машинного типа; системы связи для передачи важной информации зачастую требуют очень низкой задержки и надежного беспроводного доступа для предоставления продвинутой функциональности для контроля целей; улучшенная мобильная широкополосная связь дает возможность использовать насыщенные данными иммерсивные приложения, использующие функции дополненной виртуальной реальности. Многие реальные варианты использования выходят за рамки одной категории и поэтому требуют улучшения в различных направлениях, таких как покрытие, качество услуг и емкость. В определенной степени мы можем считать, что они используют различные режимы сети; расширенный режим большой дальности (массовая связь типа mMTC), высоконадежный режим с низкой задержкой (сверхнадежная связь с низкой задержкой, URLLC) и режим высокой скорости передачи данных (расширенная мобильная широкополосная связь, eMBB).
3. Объем и содержание работы
NGMN обнаружила необходимость получить более глубокое представление о том, какое влияние окажут эти услуги на будущую архитектуру сетей, как на радио доступ, так и для всей сквозной сети. Для этого в мае 2017 была создана рабочая группа по экстремальным требованиям 5G. Новые требования получили название «экстремальные», так как они выходят далеко за границы традиционных целей, который до сегодняшнего дня были основным драйвером разработки сетей, и основным фокусом этой работы стала та ситуация, когда требуется одновременно очень высокая надежность и ультра низкая задержка.
Эта рабочая группа должна была ответить на следующие вопросы:
1. В какой степени услуги 5G могут быть предоставлены на существующих сетях?
2. Какие модификации, если они нужны, необходимы в сетях радио доступа и/или в базовой сети для предоставления услуг 5G?
3. Насколько чувствительны к этим требованиям сегодняшние модели развертывания? Значительно ли меняется развертывание при снижении целей?
Чтобы ответить на эти вопросы работа Группы по экстремальным требованиям 5G была разделена на две основные фазы, которые приведены на Рис.1:
- Фаза 1: Взгляд операторов на фундаментальные преимущества и недостатки:
- Это исследование высокого уровня, которое дает предварительное представление по Вопросу 1. Анализировались фундаментальные факторы в вопросах задержки, надежности, размере сообщений, скорости передачи данных и зоне покрытия. Более детальный и касающийся технологии анализ – это сфера деятельности для Фазы 2.
- Фаза 2: Сетевые решения для экстремальных услуг:
Цель – определить, каким образом и в какой степени могут поддерживаться требования к уровню обслуживания и требования к радиолинии, и сравнить различные сквозные сетевые решения, которые отвечают этим критическим наборам требований. Данная фаза должна ответить в деталях на вопросы 1,2 и 3. Она разделена на две под фазы, адресованные к радио доступу и сквозным аспектам соответственно.
o Фаза 2.1: Решения для сетей радиодоступа:
Рассматривается данный набор услуг, связанных с требованиями по задержке, надёжности, производительности и возможности покрытия. Затем применяются различные решения для сетей радиодоступа, и оценивается их возможность поддерживать выбранные услуги. Как LTE-Advanced (согласно 3GPP Rel. 15), так и New Radio (NR, определенное в 3GPP Rel. 15) рассматриваются как подходящие технологии радиодоступа с различными конфигурациями полосы пропускания.
o Фаза 2.2: Сквозные решения:
Данная фаза расширяет работу в Фазе 2,1, определяя, что оказывает влияние на задержку и надежность в сквозном развертывании и какие изменения и новые характеристики требуются с точки зрения сквозной цепи для достижения целей, связанных с услугами, определенные в Фазе 2,1.
Данный доклад предлагает выводы, полученные после Фазы 2.2, которые можно кратко изложить следующим образом:
- Определена структура для определения преимуществ и недостатков в задержке и надежности, что подчеркивает тот факт, что проектирование сквозной сети означает необходимость понимания сложного взаимодействия системы 3GPP с решениями не-3GPP, которые обеспечивают функциональные возможности более высокого уровня, такие как транспорт и применение.
- Проведен численный анализ, который использует результаты Фазы 2.1 в качестве входных данных и направлен на определение остальной части сквозной системы на основе целевых показателей требований к уровню обслуживания. Численные примеры максимальной частоты отказов узлов и линий, максимального расстояния обслуживания, требуемой избыточности в ядре и сети радиодоступа, плотности узлов пограничного сервера представлены в качестве результатов численного исследования.
4. Определения и гипотезы
В контексте данного анализа используется термин сквозная сеть (Е2Е - end-to-end). Две конечные точки - это приложение, работающее в конечной системе, и приложение, работающее на сервере приложений (AS). Пользовательское оборудование (UE) – это коммуникационный модуль, которой позволяет конечной системе коммуницировать с AS. В этом смысле мы предполагаем, что конечная система и UE расположены рядом, поэтому для простоты мы называем их просто UE. На практике дистрибутивы конечной системы, такие как камеры, датчики и др. могут все взаимодействовать с тем же UE. E2E обозначает все уровни протоколов, функции сети и узлы инфраструктуры, которые существуют между уровнем приложений в конечной системе и уровнем приложений в AS в контексте мобильной сети. Диаграмма сети Е2Е показана на Рис.2, где используется модель Открытой системы соединения (OSI) для представления стека протоколов на каждом элементе коммуникационной цепи. Е2Е показывает путь сигнала от интерфейса слоя 6/7 конечной системы на интерфейс слоя 6/7 AS. Этот анализ фокусируется на панели пользователя, где UE соединяется с AS через eNB/gNB, то есть сеть радио доступа (RAN), которая в свою очередь соединяется с Функцией панели пользователя (UPF), в линию с архитектурой 3GPP базовой сети нового поколения (NGCN) [15]. Мы предполагаем, что AS располагается рядом с UPF и оба объекта размещены на граничном узле.
Термин точка доступа (AP) используется в тексте для обозначения eNB или gNB.
Любой тип инфраструктурных узлов, размещенных между АР и AS в тексте называется узел пересылки (forwarding node): это может быть, например, роутер, переключатель, точка концентрации, промежуточный усилитель и др.
Е2Е задержка – это время, которое требуется для передачи данных уровня приложений заданного размера от источника до точки назначения, с момента их передачи источником до момента их успешного приема в пункте назначения (односторонняя задержка). Другими словами, Е2Е задержка – это измерение от интерфейса слоя 7/6 на стороне конечной системы до интерфейса слоя 7/6 на стороне AS или наоборот.
E2E надежность – это процентное значение количества отправленных пакетов уровня приложения успешно доставленных в заданный узел в течение времени, требуемого для целевой услуги, разделенное на общее количество отправленных пакетов уровня приложения. Измеряется от интерфейса слоя 7/6 на стороне конечной системы до интерфейса слоя 7/6 на стороне AS или наоборот.
Важно отметить, что Е2Е система – это комбинация систем 3GPP и не-3GPP, следовательно, на ее производительность влияют оба эти элемента. Домен 3GPP фактически включает сигнальный путь от интерфейса слоя 2/3 на UE до интерфейса слоя 2/3 на UPF, тогда как, как определено выше, рассматриваемая сеть E2E включает в себя более высокие уровни на стороне конечной системы, а также все уровни на стороне AS, как показано на Рис. 2 и Рис. 3. Как показано на Рис.2 и представлено в Главе 3, целью Фазы 2.1 данной работы было сфокусироваться на эффективности 3GPP сети радиодоступа, то есть, на соединении между интерфейсом слоя 2/3 на UE и интерфейсом слоя 2/3 на eNB [2].
Задача Фазы 2.2 – на основе результатов, полученных в Фазе 2.1 разработать рекомендации по размерам Е2Е сети, основываясь на требованиях к услуге. Рис.3 подчеркивает тот факт, что на Е2Е задержку и надежность оказывают влияние и 3GPP и не-3GPP системы.
Принцип рекомендаций по размерам сети был максимизация физического расстояния между UE и AS, в то же время обеспечивая требуемые Е2Е задержку и надежность для заданной услуги. Расстояние между UE и AS здесь обозначается как служебная дистанция (service distance) и показано на Рис.4.
Есть несколько основных причин для выбора максимальной служебной дистанции в соответствии с требованиями к Е2Е задержке и надежности:
- Это позволяет минимизировать затраты на развертывание AS, так как количество необходимых граничных узлов будет снижено до минимума для заданного набора требований по задержке и надежности.
- Это обеспечит географические границы вокруг UE, внутри которых AS должен быть развернут, чтобы удовлетворить требования. Оператор может принимать гибкие решения, где разворачивать граничный узел внутри этих границ.
- На основе выбранной служебной дистанции каждый граничный узел будет обслуживать конкретное число АР. Обратное число AP, обслуживаемых одним граничным узлом, здесь определяется как служебная плотность, что показано на Рис. 5. Максимизация служебной дистанции эквивалентна минимизации служебной плотности.
Как отмечено выше, на практике, когда это касается ультра надежных сервисов с низкой задержкой, распространение нескольких устройств, таких как камеры, сенсорные датчики и др., может быть подключено к одному UE. Проведенный анализ в данной работе предполагает, что все работающие слои размещены в пределах одного работающего объекта, который мы называем UE для простоты. Тем не менее, предлагаемая методология может также учитывать распределенную версию конечной системы, если для численных оценок выбраны адекватные параметры, представляющие задержки обработки и надежность на разных уровнях. В этом случае служебная дистанция должна быть рассчитана исходя из того, где находится конечное устройство, на котором размещено приложение.
