Мобильная сеть состоит из двух ключевых компонентов. Первый — ядро: «мозг» сети, отвечающий за управление соединениями, маршрутизацию данных, аутентификацию пользователей и предоставление сервисов. Второй — сеть радиодоступа (RAN, Radio Access Network): «руки» сети, которые обеспечивают передачу данных между устройством пользователя и базовой станцией. RAN включает радиочастотное оборудование, станции и антенны. Они обрабатывают сигнал и доставляют его в ядро.
В 4G применяется вертикально-интегрированный подход: централизованное ядро и сервисы. А вот в 5G уже начали использовать распределенную архитектуру SBA (Service-Based Architecture). Это значит, что, в отличие от ядра 4G, которое часто реализуется в «железе» и поставляется как готовое решение, в 5G ядро может быть набором ПО, виртуальных машин или образов контейнеров.
Другое важное отличие — в том, что в 4G большинство решений RAN представляли собой монолитные базовые станции с аппаратными компонентами, а в 5G возможна их дезагрегация. Это процесс разделения систем на более мелкие, независимые части, которые могут работать отдельно друг от друга.
В контексте 5G речь идет о трех функциональных моделях: CU (Centralized Unit), DU (Distributed Unit) и RU (Radio Unit). CU — централизованная часть, которая обрабатывает высокоуровневые функции вроде управления ресурсами и передачи данных. DU — распределенная: она, например, сегментирует данные и корректирует ошибки. Наконец, RU — радиочастотная часть, отвечающая за преобразование сигналов в радиочастотный спектр и обратно.
В новой архитектуре компоненты ядра нужно установить на серверы в дата-центрах. Последние могут быть как централизованными, так и распределенными в зависимости от задач и требований оператора. Компоненты RAN распределяются между центральными узлами, периферийными серверами и базовыми станциями. Все эти элементы также нужно регулярно обновлять и поддерживать: отслеживать производительность, исправлять ошибки, добавлять новые функции, улучшать безопасность и так далее.
При этом необходимо учесть, что использование более высоких частот в 5G хотя и позволяет передавать данные на впечатляющей скорости, уменьшает радиус покрытия таких сигналов по сравнению с 4G. Так что для стабильного подключения требуется установка большего количества базовых станций — и компонентов для них соответственно.
Такой подход — новый для телеком-операторов. Раньше они использовали вертикально-интегрированные решения от одного вендора или интегратора. Компании получали готовые системы «под ключ» со всем необходимым программно-аппаратным обеспечением. Техническую поддержку и обновления гарантировал тот же поставщик.
Теперь же операторы собирают конструктор из множества элементов, начиная от базовых станций и заканчивая ядром сети. Каждый компонент может поставляться своим производителем. Единой системы управления у операторов нет: им нужно общаться с поставщиками, интегрировать компоненты между собой, продумывать процессы развертывания и поддержки. Это — непросто и ресурсозатратно.
Другой сложностью становится нехватка экспертизы внутри команд телеком-операторов. Раньше инженеры концентрировались на классических задачах, связанных с аппаратным обеспечением и сетевыми протоколами — управление базовыми станциями, настройка маршрутизаторов, обеспечение стабильности соединения. Однако распределенные архитектуры 5G требуют от них ИТ-навыков работы с виртуализацией, оркестрацией контейнеров через Kubernetes, настройкой CI/CD-пайплайнов и так далее. У большинства специалистов из телеком-отрасли такой экспертизы просто нет, а получить ее быстро невозможно.
Ситуацию усугубляет тот факт, что индустрия сегодня не особо привлекает специалистов. Эксперты рынка дружно говорят о нехватке инженеров. Конкуренция за таланты — высока, а компании из FAANG (Facebook, Amazon, Apple, Netflix и Google) пользуются большим спросом. Так что телеком-операторам нанимать и удерживать профессионалов сложно.
Стандартизация и автоматизация становятся ключевыми инструментами для решения проблем 5G. Стандартизация включает в себя унификацию интерфейсов для взаимодействия между разными компонентами системы. В пример можно привести стандарты 3GPP (консорциум, который разрабатывает спецификации для мобильной телефонии). Они позволяют операторам использовать оборудование и программное обеспечение от разных производителей без сильных доработок.
C другой стороны, автоматизация позволяет снизить нагрузку на инженеров. Например, инфраструктура как код (IaC) и CI/CD-пайплайны упрощают развертывание и обновление компонентов. А автоматизированные системы мониторинга с технологиями машинного обучения могут выявлять проблемы на ранних этапах и инициировать исправления. В конечном счете все это снижает вероятность ошибок из-за человеческого фактора и повышает надежность и масштабируемость сети.
Перспективность таких подходов в телекоме подтверждают прогнозы аналитиков: по их данным, объем мирового рынка сетевой автоматизации в ближайшие 10 лет будет расти более чем на 23% ежегодно. Однако в архитектуре 5G есть свои вызовы с точки зрения автоматизации.
Во-первых, это географическая распределенность сети, которая усложняет управление. Во-вторых — специфические требования к аппаратной части. Для многих 5G-решений недостаточно использовать стандартные серверы. Они должны быть оснащены специализированными сетевыми картами, FEC-акселераторами (Forward Error Correction — технология, которая помогает исправлять ошибки в данных) или процессорами с определенными наборами инструкций, — а иногда и всеми этими компонентами одновременно. При этом из-за ограниченности ресурсов разработчики ПО часто тестируют не все оборудование. Это означает, что тестируемые конфигурации не всегда совпадают с теми, которые используются в реальных сетях операторов.
Наконец, для сетей 5G критически важна синхронизация компонентов по времени. Она достигается с помощью специального протокола PTP, который может обеспечить точность до долей микросекунды. Однако средства автоматизации и оркестрации из классического ИТ вроде Kubernetes изначально не были разработаны для такой архитектуры. Они не всегда могут управлять специализированным аппаратным обеспечением. К тому же многие компоненты 5G требуют специализированных операционных систем, например, real-time Linux. Это тоже усложняет автоматизацию.
Из-за совокупности этих факторов инфраструктура становится менее унифицированной, и автоматизировать ее сложнее. На это накладывается уже упомянутая нехватка квалифицированного персонала. Однако решение есть.
Ответом может стать референсная архитектура — детально проработанная модель с полным перечнем поддерживаемого оборудования и программного обеспечения, которая четко определит способы их взаимодействия. Это позволяет операторам относительно легко интегрировать, настраивать и обслуживать компоненты от разных производителей.
Референсная архитектура охватывает полный жизненный цикл сети 5G. На этапе развертывания она задаёт требования к конфигурации компонентов, их интеграции и настройке. На этапе эксплуатации — обеспечивает мониторинг производительности, своевременное обновление программного обеспечения, устранение неполадок. Автоматизация здесь играет здесь ключевую роль в ускорении процессов.
Особое внимание в архитектуре уделяется ее собственному жизненному циклу. Она не может быть статичной. Регулярный пересмотр модели позволяет учитывать появление новых технологий, таких, как 6G. В процессе также могут добавляться, например, требования к безопасности, AI/ML для оптимизации управления сетью, аппаратным платформам.
Успешная реализация такого подхода требует скоординированной работы всех игроков рынка. Производители оборудования должны предоставлять совместимые компоненты, соответствующие стандартам референсной архитектуры. Поставщики ПО — адаптировать свои решения для работы в рамках этих стандартов. Системные интеграторы — правильно собирать все элементы в единую сеть. Наконец, операторам важно активно участвовать в разработке архитектуры, чтобы она удовлетворяла их запросам.
Внедрение происходит поэтапно. Сначала тестируются отдельные части сети в изолированных средах, чтобы убедиться в корректности работы всех элементов. Затем архитектура интегрируется в реальные сети, проходит финальное тестирование. На завершающем этапе создаются автоматизированные процессы для управления сетью, включая настройку, мониторинг и обновления.
Первопроходцем в области применения референсной архитектуры в 5G стала японская компания Rakuten. Она построила первую в мире сеть на основе Open RAN (подход, при котором аппаратные и программные компоненты базовых станций отделены друг от друга и могут предоставляться разными производителями).
Более того — компания превратилась в системного интегратора для других операторов. В феврале их подразделение Rakuten Symphony объявило о запуске «Программы лицензирования Real Open RAN». Эта инициатива направлена на демократизацию технологии RAN во всем мире. Rakuten Symphony предоставляет коммерческий доступ к своему ПО Open RAN CU и DU, которое уже развернуто в Японии и внедряется в Германии.
Еще один пример работы Rakuten как системного интегратора — платформа Kubernetes Symworld CNP, которая адаптирована для запуска 5G Core и RAN нагрузок на распределенной сети дата-центров. Symworld CNP добавляет к стандартному Kubernetes поддержку Single Root I/O Virtualization (SR-IOV) и Data Plane Development Kit (DPDK). Кроме того, расширения для стандартного планировщика, входящие в состав платформы, поддерживают NUMA-aware сценарии, правила совместного и раздельного размещения нагрузок (affinity and anti-affinity rules) и поддержку HugePages.
Стоит упомянуть и об американской компании DISH Wireless, которая строит в США 5G-сеть на основе Open RAN. Для этого DISH использует платформу VMware Telco Cloud. Поверх нее внедряются решения от разных поставщиков — например, ПО от Mavenir и Altiostar. В начале 2024 года Dish Wireless получила грант в размере $50 млн от Национальной администрации по телекоммуникациям и информации Министерства торговли США (NTIA) для создания Центра интеграции и развертывания Open RAN. Центр позволит участникам тестировать и проверять свои аппаратные и программные решения в коммерческой открытой сети RAN от Dish.
Телеком-индустрия сейчас входит в новую эру — игрокам предстоит неизбежная трансформация в ИТ-компании. В условиях развития 5G и будущего внедрения 6G операторы не могут оставаться в статусе кво. Еще можно было «пересидеть» на существующих технологиях, опираясь на устоявшиеся методы работы. В будущем такой возможности просто не останется. Так что компании, которые уже сейчас начнут перестраивать процессы, формировать компетенции в областях виртуализации, оркестрации, работы с облачными платформами, смогут получить конкурентное преимущество.
Обложка: downloaded from Freepik.
The post На периферии 5G: проблемы и решения для управления конечными устройствами appeared first on Хайтек.
