В российских сетях 5G вместо телеком-оборудования поставят сервера

Виртуальность в сетях 5G

При строительстве в России сетей следующего пятого поколения сотовой связи (5G) целесообразно активно использовать технологии виртуализации. Это следует из проекта Концепции строительства сетей 5G, подготовленного госпредприятием «Научно-исследовательский институт Радио» (НИИР) и имеющегося в распоряжении CNews.

Речь идет о таких технологиях, как NFV (виртуализация сетевых функций), SDN (Software Defined Network, программно-определяемые сети), Cloud RAN (облачная инфраструктура) и Virtualized Backhaul (виртуализация транспортной сети).

Применение этих технологий обеспечит следующие преимущества: высокую масштабируемость сети, гибкое централизованное управление сетью и сетевыми ресурсами; снижение капитальных расходов благодаря использованию виртуальных функций; улучшение энергетической эффективности за счет использования высокопроизводительных серверов центров обработки данных (ЦОД); уменьшение времени запуска новых сетевых сервисов; возможность использования оборудования различных вендоров; повышение уровня безопасности и использование облачных платформ в ЦОД на периферии оператора для повышение качества сервиса.

Виртуализация сетевых функций

Технология NFV позволяет отделить программное обеспечение (ПО) от физического оборудования и реализовать функции телекоммуникационного оборудования на универсальном оборудовании – ИТ-серверах. На одном физическом сервере большой производительности при помощи ПО виртуализации (гипервизора) может быть организована работа нескольких виртуальных серверов со своими операционными системами и ПО, взаимодействующих между собой посредством виртуального коммутатора. При этом виртуальные сервера совместно используют ресурсы физических серверов.

Виртуализация сетевых элементов инфраструктуры 5G/IMT-2020

Виртуальная инфраструктура NFV позволяет построить гибкую, масштабируемую сеть связи, адаптированную к требованиям услуг связи, снизить стоимость владения сети (TCO, Total Cost of Ownership) за счет применения типовой высокопроизводительной и надежной инфраструктуры ЦОД.

Недостатком виртуальной инфраструктуры является то, что обработка трафика пользователей (пакета данных плоскости user plane) выполняется на серверном уровне, что требует больших ресурсов. Исключение данного недостатка возможно за счет применения концепции программно-определяемой сети SDN.

Программно-определяемые сети

SDN – это технология, позволяющую отделять функции уровня передачи данных от функций уровня управления коммутатором и передаваемым им трафиком. Такой подход предполагает перенос из сетевого устройства интеллектуальной составляющей на выделенный сервер, и, как следствие, максимальное упрощение и удешевление сетевых элементов – коммутаторов и маршрутизаторов.

Технология SDN нацелена на решение следующих проблем: повышение эффективности механизмов управления пропускной способности сети; упрощение управления сетью и повышению его уровня автоматизации; повышение масштабируемости сети; усиление безопасности сетей; повышение эффективности маршрутизации; снижение капитальных затрат и затрат на эксплуатации.

Облачная инфраструктура Cloud RAN сети радиодоступа NG-RAN

Основная идея SDN-подхода состоит в том, чтобы отделить управление сетевым оборудованием от управления передачей данных за счет создания специального ПО, которое может работать на обычном отдельном компьютере и которое находится под контролем администратора сети. Также предполагается перейти от управления отдельными экземплярами сетевого оборудования к управлению сетью в целом и создать интеллектуальный программно-управляемый интерфейс между сетевыми приложениями и транспортной средой сети.

Сетевая инфраструктура SDN должна строиться в соответствии с открытыми протоколами OpenFlow, быть унифицированной и обеспечивать возможность реализации мультивендорных технических решений. Основными компонентами SDN-сетей на базе протокола OpenFlow являются: OpenFlow коммутатор; OpenFlow контроллер или сетевая операционная система; защищенный канал, посредством которого осуществляется взаимодействие контроллера и коммутатора (в большинстве случаев для защиты передаваемых сообщений используется протокол защиты транспортного уровня TLS, но возможна передача и без шифрования).

Облачная инфраструктура

Облачная инфраструктура Cloud RAN является частью сети радиодоступа NG-RAN, которая придет на смену традиционной сети радиодоступа (RAN) в сетях 5G. Данная сеть основана на реализации моделей базовой станции для сетей 5G - gNB - с использованием технологии виртуализации NVF и имеет ряд преимуществ. В частности, обеспечивается реализация программно-определяемых мультистандартных базовых станций NR/E-UTRA, гибкость и масштабируемость виртуальных решений, а также размещение оборудования базовых станций в ЦОД высокой степени надежности и безопасности.

Кроме того, единая облачная инфраструктура Cloud RAN управляет большим количеством радиомодулей и охватывает большую территорию радиопокрытия, обеспечивает более оптимальное использование частотного ресурса, более эффективную работу алгоритмов компенсации помех ICIC (Координация межсотовой интерференции), многоточечной передачи CoMP (Координация приема и передачи для обслуживания абонента несколькими сотами) и Intra-RAT-хендоверов (обеспечивает сохранение связи при перемещении абонента между сотами).

Виртуализация транспортной сети

Относительно виртуализации транспортной сети (Virtualized Backhaul) стоит отметить, что классическая транспортная сеть мобильной сети состоит из двух основных частей: распределительной сети (Backhaul), связывающей базовые станции с функциональными элементами опорной сети, и магистральной сети (Backbone), обеспечивающей высокоскоростные каналы связи между функциональными элементами опорной сети.

Базовые станции в сетях 5G – gNB – состоят из трех модулей: радиомодули gNB-RU, распределенные модули gNB-DU и центральные модули gNB-CU.Переход на архитектуру Cloud RAN привел к выделению в сети Backhaul двух новых сегментов: сети Fronthaul, объединяющей пулы модулей gNB-RU и gNB-DU, и сети Midhaul, объединяющей пулы модулей gNB-DU и gNB-CU.

Совокупность сетей Fronthoul, Midhaul и Backhaul получила обобщенное наименование сети X-haul и может быть построена с применением различных технологий, включая оптоволоконные линии связи, радиорелейные линии, спутниковые линии связи, Carrier Ethernet, IP/MPLS, Segment Routing и др.

Внедрение технологий SDN/NFV в сети 5G также планируется осуществлять для модернизации функциональных узлов транспортной сети. Поэтому для построения транспортной сети возможно как применением концепции NFV, то есть внедрение виртуализированных маршрутизаторов и коммутаторов, работающих на коммерчески-доступных серверах (COTS), так и применением комплексной концепции SDN/NFV, что означает новых подход к организации сетевого взаимодействия (использование контроллера и коммутаторов SDN, как виртуализованных, так и нет).

Программно-определяемая транспортная сеть SDN/NFV позволяет отделить функционал управления (плоскости Control Plane и Management Plane) от функционала приема, обработки и пересылки пакетов данных (плоскости Data Plane), а также реализовать функционал управления с использованием технологии виртуализации. Виртуальная транспортная сеть позволяет повысить эффективность механизмов управления пропускной способности сети, централизовать алгоритмы управления сетью, повысить масштабируемость сети и обеспечить автоматизированную реализацию новых сетевых сервисов и новых сетевых слоев опорной сети 5G.