Сети передачи данных:
что такое 5G, MIMO и NFV

К 2020 году сети пятого поколения, по прогнозам экспертов, появятся в большинстве стран Европы и Америки. Какие новые возможности они дадут бизнесу – и почему стоит заниматься развитием 5G уже сейчас?
Зачем нужны сети 5G
На базе технологий 5G будут работать самые разные приложения: удалённое управление техникой, телемедицина, умные счётчики и сервисы трансляции контента. Расширенные функции этих сетей позволят компаниям из самых разных отраслей разрабатывать новые продукты и услуги и быстро адаптировать существующие к изменениям спроса. Например, предполагается, что сети 5G будут использоваться не только для сотовой связи, но в качестве инфраструктуры для интернета вещей и связанных друг с другом устройств умного дома.

В перспективе эта технология должна будет заменить собой сети 2g, 3g и 4g,
а также частично wi-fi и bluetooth.

Главное требование, которому должны соответствовать сети 5G, – гибкость.
Уже сейчас распространяются технологии, обеспечивающие высокую степень гибкости сетевой архитектуры: программно-конфигурируемые сети (SDN) и виртуализация сетевых функций (NFV). С помощью этих технологий сеть разделяется на логические сегменты, каждый из которых настраивается в соответствии с параметрами, необходимыми для оказания определённых услуг.
Чем больше устройств подключается к интернету, тем выше требования к сетям сотовой связи. Основные из них:
высокая скорость передачи данных
минимальное время ответа сети
QoS
защита
передаваемых данных
постоянная доступность
сети
Сроки развёртывания новых сервисов должны быть минимальными. Опорная сеть 5G станет основой для работы множества новых бизнес-приложений –
и при этом должна обеспечить надёжное функционирование уже существующих услуг, например мобильного интернета. При её проектировании необходимо предусмотреть совместное использование ресурсов этими приложениями
и учесть различия в потребностях разных отраслей.
Massive MIMO – технология, ставшая одним из фундаментальных элементов сетей 5G, которая позволяет увеличить пропускную способность каждой соты в несколько раз по сравнению с сетями LTE.

Максимальная скорость обмена данными при её использовании составляет 10 гигабит в секунду, что в 5 раз быстрее LTE. Massive MIMO предполагает параллельное использование нескольких приёмопередатчиков как на базовой станции, так и в устройстве пользователя. При этом передача ведётся на одних и тех же частотах, что
и даёт выигрыш в скорости.
Гибкой должна быть не только опорная сеть, но и вся система связи. Ядро сети пятого поколения должно иметь модульную высокоэластичную архитектуру и поддерживать виртуализацию сетевых функций (NFV), принципы и протоколы программно-конфигурируемых сетей (SDN), технологии динамической оркестрации сетевых ресурсов, а также обеспечивать взаимодействие со всеми возможными типами доступа: LTE, Wi-Fi
и другими. Гибкое ядро позволит быстро интегрировать новые платформы и услуги, которые могут появиться в будущем.
Гибкой должна быть не только опорная сеть, но и вся система связи. Ядро сети пятого поколения должно иметь модульную высокоэластичную архитектуру и поддерживать виртуализацию сетевых функций (NFV), принципы и протоколы программно-конфигурируемых сетей (SDN), технологии динамической оркестрации сетевых ресурсов, а также обеспечивать взаимодействие со всеми возможными типами доступа: LTE, Wi-Fi
и другими. Гибкое ядро позволит быстро интегрировать новые платформы и услуги, которые могут появиться в будущем.
Архитектура сетей 5G
1
Вышеупомянутая гибкость обеспечивается за счёт слайсинга, разбивающего одну физическую сеть на несколько виртуальных или логических слоёв, каждый из которых имеет собственные настройки, адаптированные под определённую услугу.
2
Сегментирование осуществляется за счёт использования технологий NFV и SDN. Чтобы конкретный отдельный сегмент сети обеспечивал эффективную работу определённого набора услуг, он должен быть привязан к различной сетевой инфраструктуре, облачным сервисам и технологиям доступа, а также к ресурсам опорной сети.
3
Один сегмент может быть спроектирован в расчёте на предоставление услуг мобильного широкополосного доступа и обеспечивать доступ к сети устройствам с поддержкой технологии LTE и NR (новый тип радиодоступа, который будет разработан для использования в мобильных сетях пятого поколения). Другой – рассчитан на работу с отраслевыми приложениями и поддерживать различные схемы аутентификации. При одновременной работе эти два сегмента обеспечивают функционирование целого ряда услуг и дают оператору возможность выводить на рынок новые продукты без лишних затрат на модернизацию инфраструктуры.

4
Сетевое сегментирование снижает экономические риски, связанные с запуском новых услуг, поскольку проблемы в одном сегменте не влияют на функционирование услуг, за которые отвечает другой сегмент.
Виртуализация сетевых функций (англ. Network Functions Virtualization, NFV) –
это концепция сетевой архитектуры, позволяющая запускать сетевые сервисы, существующие только в аппаратном виде, на виртуальных машинах.

Виртуализируемая сетевая функция включает одну или несколько виртуальных машин. Они могут использовать разное программное обеспечение и процессы, серверы, коммутаторы – или даже инфраструктуру облачных вычислений – вместо отдельных аппаратных решений для каждой сетевой функции.

Основные цели, которые могут быть достигнуты
в результате перехода на концепцию NFV:
Ускорение инновационных процессов в предоставляемых сервисах посредством программного развёртывания и внедрения сетевых функций и сквозных услуг
Улучшение эксплуатационной эффективности в результате общей автоматизации и сокращения операционных процедур, а также снижения энергопотребления
Стандартизация интерфейсов между сетевыми функциями и их управляющими объектами и возможность предоставления сетевых элементов разными игроками
повышение эффективности капиталов и общей гибкости сетевой архитектуры благодаря уходу от аппаратных реализаций
сокращение сроков «выхода на рынок» для развёртывания новых сетевых сервисов, улучшение отдачи от инвестиций в новые услуги
большая гибкость для увеличения, уменьшения или развития услуг
открытость для рынка виртуальных устройств
Уровень данных пользователя в архитектуре
Одну из ключевых ролей в архитектуре опорных сетей пятого поколения играет возможность разделения функций уровня контроля и уровня данных пользователя. Такое разделение позволяет размещать ресурсы уровней данных пользователя и контроля на разных участках сети. Например, уровень контроля можно разместить на центральном сайте, и таким образом упростить процессы управления и эксплуатации. Уровень данных может быть распределён по нескольким локальным сайтам, чтобы он находился как можно ближе к пользователям. Таким образом сокращается время прохождения сигнала, и для передачи данных в единицу времени требуется меньшая ширина полосы. Это хорошо подходит, например, для кэширования контента при стриминге, поскольку в этом случае требуется меньшая ширина полосы для передачи определённого объёма данных между базовыми станциями.

Поскольку разделение уровня контроля и уровня данных пользователя является основой концепции SDN, при использовании программно-конфигурируемых сетей значительно повышается гибкость опорной сети 5G.
Управление сетями 5G
Управление сетью должно учитывать три основных этапа жизненного цикла услуги:
1
Создание новых услуг с минимальным сроком вывода на рынок — позволяет при необходимости разбить решение на компоненты и быстро создавать, выполнять и проверять услуги и сегменты.Вышеупомянутая гибкость обеспечивается за счёт слайсинга, разбивающего одну физическую сеть на несколько виртуальных или логических слоёв, каждый из которых имеет собственные настройки, адаптированные под определённую услугу.
2
Активация услуги в минимальные сроки.
3
Время выполнения – предоставление пользователю запрошенных им возможностей, адаптация к меняющимся условиям, обеспечение масштабирования новых услуг, каждая из которых должна быть полностью автоматизирована.
Управление сроком службы услуги включает разработку и создание разных типов сетевых сегментов и сервисов, а также их активацию с учётом конкретных потребностей пользователей, мониторинг работы и апгрейд. Для этого необходим детальный план: какие компоненты в какой момент времени нужно установить, какие функции активировать, какие конфигурации создать, какими ресурсами управлять.

Для запуска новой услуги нужно создать новый сегмент сети или, в некоторых случаях, изменить конфигурацию существующего. Сегмент может управляться независимо или охватывать другие ресурсы, включая как традиционные (например ЕРС), так и новые типы архитектуры (например разделение уровней контроля и данных пользователя). Сетевые сегменты могут иметь функции управления, часть из которых может контролироваться оператором, а часть – пользователем. Слой управления использует несколько систем и интерфейсов, позволяющих создавать и конфигурировать ресурсы. При этом гибкость играет ключевую роль в автоматизации и оркестрации системы и достигается, например, за счёт использования плагинов.
Чего нам ждать в ближайшем будущем
1
Виртуализация, программируемость сетей и сценарии использования 5G полностью изменят подход к проектированию и развёртыванию сетей. Сетевые ресурсы больше никогда не будут группироваться вертикально, вместо этого они будут размещаться в разных участках сети, в непосредственной близости к месторасположению пользователей.
2
Опорная сеть 5G будет обладать высокой степенью гибкости, которая позволит обслуживать широкий перечень потребностей новых моделей бизнеса, обеспечить поддержку множества технологий доступа, а также работу самых разных услуг и устройств.
3
Минимизация затрат операторов и отраслей, зависящих от подключения к сети, – вот основная тенденция ближайших лет. Основную роль будут играть технологии SDN и NFV, облачные технологии и аналитические системы. Гибкая опорная сеть и комплексное сетевое сегментирование повысят ценность сетей, построенных на базе общей инфраструктуры.