Туманные вычисления как составная часть 5G

Сети 5G (IMT2020) появятся не ранее 2020-21 года, когда завершится их стандартизация. Однако, ясно, что коммуникации в сетях 5G будут осуществляться на более высоких частотах, чем 3G/4G для достижения более широкой полосы пропускания. Сети 5G смогут обеспечивать низкую задержку – до 1 мс и менее, при скорости более 1 Гбит/с на терминал.

Однако, если сети 5G не будут поддерживать технологии «туманных вычислений» (Fog Computing), от такой низкой задержки вряд ли будет ощутимая польза. Радиоинтерфейс базовой станции 5G легко обеспечит миллисекундную задержку, однако, пересылка данных в центральное облако через опорную сеть сведёт на нет все преимущества такого быстрого интерфейса.

Если данные будут обрабатываться только в централизованном облаке (Cloud), это сведёт на нет все преимущества 5G. Поэтому, лучше обрабатывать данные приложений  на границе сети, в непосредственной близости к терминальным устройствам.Это и есть архитектура Fog Computing, которая позволяет достичь практически немедленного отклика приложений.

Это выгодно как пользователю, который получает быструю реакцию приложений, так и оператору, у которого разгружается опорная сеть. Таким образом, поддержка Fog computing – необходимый атрибут 5G.

Хотя в сетях 3G/4G число базовых станций значительно больше, чем в 2G, при этом размер соты уменьшается. Однако, в сетях 5G даже такое число базовых станций, не позволит достичь достаточной полосы пропускания. Однако, к счастью, антенны в диапазоне миллиметровых волн в 5G могут быть гораздо меньше антенн 3G/4G. Уменьшение размера антенн приводит к тому, что их можно размещать на обычных фонарных столбах, стенах домов и тому подобных местах, не строя при этом специальные башни.

Такая инфраструктура повышает эффективность использования спектра. На рисунке ниже показан пример маленьких сот 5G Small Cell (слева) по сравнению с обычной станцией 3G/4G.

Рисунок 1. Сравнение маленькой соты 5G (слева) с базовой станцией 3G/4G (источник: http://www.digitalfuturealliance.com).

Использование маленьких сот в городской среде очень эффективно, но в сельской и пригородной местности эффективность этого решения не столь высока.

Сети 5G обладают нексколько иной иерархией, чем традиционные 3G/4G (см. рис. 2).

Рисунок 2. Архитектура 5G c уровнем Fog (источник: The Institution of Engineering and Technology London, 2017).

Макро- и микросоты 5G образуют Fog-узлы, в которых производится предварительная обработка данных приложений, вместе с временным храненим данных. В реальности, такие Fog-узлы обычно располагаются в микро-дата-центрах на границе сети (Edge). Пакеты, посылаемые устройствами в сеть устройствами 5G, анализируются в них (точнее, в виртуализированном базовом блоке BBU), перед тем как быть отправленными (или не отправленными — как решит анализ на уровне Edge) в опорную сеть и выше в Cloud.

Кроме того, в 5G возможны коммуникации между конечными устройствами D2D (device-to-device), в т.ч устройствами Интернета Вещей (IoT). Данные работающего приложения могут передаваться непосредственно с одного устройства на другое, при этом базовая станция обрабатывает только протокол управления этой передачей. Это не только разгружает базовые станции всех видов, но также и даёт возможность масштабирования, где множество устройств IoT способны коммуницировать друг с другом, без создания дополнительной нагрузки на сеть. Это, например, очень полезно в таких приложениях, как Smart Home.

Иногда технологию D2D также называют Dew Computing («вычисления росы»), по аналогии с Cloud (облако) и Fog (туман).  Пример D2D показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Пример D2D в сети 5G (источник: MWNL, Seoul National University).

Источник: