Brevet FR3102028A1 — publié le 20210416

L’invention concerne un procédé de contrôle d'admission de tranches dans un réseau de télécommunication virtualisé et de la congestion générée entre des services ayant des priorités différentes déployés sur lesdites tranches et susceptibles de partager une quantité de ressources donnée comportant les étapes suivantes : - définir une échelle de priorité à affecter aux tranches réseau, - définir un seuil de priorité basse, - déterminer la quantité de ressources réseau disponibles et utilisées et , - déterminer la quantité de ressources allouées aux tranches ayant une priorité inférieure au seuil de priorité basse et susceptibles d’être affectées temporairement à de nouvelles tranches ayant une priorité supérieure audit seuil, - déterminer les tranches susceptibles d’être acceptées dans le réseau en tenant compte des ressources disponibles et de la priorité des tranches. Figure pour l’abrégé: Fig. 8 Procédé de contrôle d’admission de tranches dans un réseau de télécommunication virtualisé et de la congestion susceptible d’être générée entre les services déployés sur lesdites tranches L’invention se situe dans le domaine des réseaux de télécommunication virtualisé et concerne plus spécifiquement un procédé de contrôle d'admission de tranches dans un réseau de télécommunication virtualisé ayant un réseau cœur et un réseau d’accès radio RAN et de la congestion générée par des services ayant des priorités différentes déployés sur lesdites tranches et susceptibles de partager une quantité de ressources donnée. L’invention concerne également un programme d’ordinateur mémorisé sur un support d’enregistrement et comportant des instructions pour mettre en œuvre le procédé lorsqu’il est exécuté sur un ordinateur. Etat de la technique antérieure Au cours de la dernière décennie, la révolution technologique qui caractérise les réseaux de téléphonie mobile a changé notre façon de communiquer et conduit à de nouvelles applications et services, qui caractériseront la cinquième génération de systèmes de communication (5G) et les évolutions suivantes. Ces nouvelles applications et services sont regroupés dans trois classes de cas d'utilisation, caractérisées, chacune, par des exigences spécifiques et des indicateurs de performance clés (KPI): - communications ultra-fiables à faible temps de latence (URLLC), - Communications massives de type machine (mMTC), - Haut débit mobile amélioré (eMBB). La figure 1 illustre la correspondance entre ces cas d'utilisation et les exigences qui leurs sont associées. Pour prendre en charge efficacement les cas d'utilisation et des applications ayant des exigences hétérogènes, les systèmes de communication 5G et suivants déploieront une architecture nouvelle et flexible dans laquelle l'infrastructure réseau est divisée de manière logique en différentes instances, c’est-à-dire, des tranches de réseau (network slice, en anglais), conçues, chacune, pour un service spécifique s'exécutant dans l'environnement en nuage (cloud en anglais). Une tranche de réseau est composée de fonctions de réseau physiques (PNF) et de fonctions de réseau virtuelles (VNF). Une VNF représente la mise en œuvre logicielle, c’est-à-dire fonctionnant dans un environnement cloud, des fonctions traditionnelles, telles que le routage ou la planification de paquets. Le concept de tranche de réseau est illustré schématiquement par la figure 2. Le principal organisme de normalisation en matière de découpage de réseau en tranches est le 3GPP (Third Generation Partnership Project). Ses spécifications détaillent les fonctionnalités du réseau et leur enchaînement afin de fournir ces découpages sur le réseau d'accès radio (RAN, Radio Access Network) et le réseau cœur CN (Core Network) (3GPPTS28.531). Outre la conception des fonctions d'accès et de cœur, l'une des tâches les plus difficiles à accomplir est d’assurer la transition d’un système OSS (pour Operating Support System) et d’un système BSS (pour Business support system) à capacités fixes à une nouvelle hiérarchie d’éléments devant traiter un écosystème très complexe tant du point de vue des utilisateurs du réseaux, des tranches réseaux, que des services qui ont généralement des exigences de débits et de qualité de service différentes. En plus de la gestion, les futurs réseaux 5G et suivants nécessiteront des capacités d’orchestration, qui sont divisées en deux catégories principales, l’orchestration des services et l’orchestration des ressources. Des tâches telles que le partage d’une VNF entre des tranches du réseau, leur emplacement dans une infrastructure cloud hautement hétérogène ou le nombre de processeurs cœurs alloués ne sont que quelques exemples des responsabilités de fonctions de gestion et d'orchestration (M&O, Management and orchestration). Les fonctions liées à la gestion du cycle de vie des fonctions réseau virtuelles VNF et à l’orchestration de leurs ressources vont au-delà de la responsabilité du groupe 3GPP. L'organisme de normalisation chargé de définir ces fonctions est l'Institut européen des normes de télécommunication (ETSI), plus précisément le groupe de normalisation de la fonction de réseau (NFV) (ETSIGR). La figure 3 montre la correspondance entre les tranches de réseau 3GPP et les concepts introduits par ETSI NFV. Une tranche de réseau est vue du point de vue de l’ETSI comme un service réseau. La figure 4 illustre la correspondance entre tranches réseau et fonctions réseau requises. Une fonction réseau peut être dédiée à une tranche spécifique ou partagée entre plusieurs tranches. La figure 5 illustre schématiquement des fonctions réseaux partagées et des fonctions réseau dédiées dans une tranche réseau. Selon le groupe 3GPP, une tranche de réseau est un réseau logique qui s'étend sur le réseau d’accès Radio RAN et sur le réseau cœur CN. Pour gérer chaque domaine, le groupe 3GPP propose de décomposer une tranche en sous-réseaux RAN et CN et définit la fonction de gestion de tranche de réseau (NSMF, pour Network Slice Management Function) et la fonction de gestion de sous-réseau de tranche de réseau (NSSMF, pour Network Slice Subnet Management Function). Le NSMF étant l'entité responsable de la gestion d'une tranche sur plusieurs domaines et le NSSMF est l'entité chargée de la gestion des sous-réseaux de tranche dans un domaine spécifique (3GPPTS28.531). Un sous-réseau de tranches comprend des fonctionnalités radio et des fonctionnalités cœur du réseau configurées pour fournir un comportement particulier et répondre à des exigences spécifiques. Pour créer et gérer une tranche, le NSMF (et les NSSMF) utilisent un ensemble de descripteurs prédéfinis ou un modèle. Chaque descripteur, appelé modèle NST (Network Slice Template), fournit la description des fonctionnalités et leur configuration spécifique (par exemple, les bandes de fréquences de fonctionnement). Il décrit en particulier la liste des composants NFV devant être instanciés pour configurer une instance de tranche de réseau, ainsi que d'autres informations, telles que les configurations, les étapes du cycle de vie, les actions, la surveillance, les règles, les contrats de niveau de service, etc. Cependant, ces cadres de normalisation ne définissent que des directives sur les aspects architecturaux (interfaces et exigences) et des principes de conception sans fournir de solutions spécifiques pour la configuration et la gestion de tranches de réseau, tel que l’allocation des ressources nécessaires par le VNF, la gestion des priorités ou de la qualité du service. Par conséquent, il est nécessaire de créer de nouveaux schémas et cadres capables de gérer les ressources réseau liées à la radio, au transport et aux domaines du cloud. De plus, il est nécessaire de prendre en compte le fait que différentes demandes de tranche peuvent avoir des priorités et des contraintes différentes et que, par conséquent, les ressources du réseau doivent être gérées pour assurer une orchestration et une gestion croisées des ressources. Pour résoudre les problèmes susmentionnés un concept d'élasticité des ressources pour les réseaux de communication a été introduit. Ce concept définit la capacité du réseau à s’adapter à la charge et aux autres modifications du système de manière automatique, de sorte que les ressources disponibles répondent à la demande aussi étroitement et efficacement que possible. En outre, les fluctuations temporelles et spatiales du trafic dans les réseaux exigent une mise à l'échelle efficace des ressources du réseau : ce dernier doit adapter son fonctionnement en redistribuant éventuellement les ressources disponibles en fonction des besoins jusqu'à une réduction en douceur des performances du réseau pour faire face aux demandes de pointe excessives tout en évitant une dégradation brutale de la QoS. Bien que l’élasticité des réseaux soit traditionnellement exploitée dans le contexte des ressources de communication (par exemple, lorsqu’une station de base du réseau rétrograde la QoS pour les utilisateurs si les ressources de communication telles que le spectre sont insuffisantes), les futurs réseaux 5G et suivants doivent intégrer les aspects informatiques de l’élasticité des ressources car la virtualisation et la cloudification des réseaux sont devenues un défi majeur. En effet, contrairement aux réseaux précédents 4G, le découpage en tranches réseau nécessite des réseaux 5G et suivants virtualisés pour pouvoir optimiser conjointement les ressources de communication et de cloud. Dans ce contexte, des fonctions d'élasticité des ressources ont été proposées dans trois dimensions différentes, à savoir : 1) l'élasticité de calcul dans la conception et la mise à l'échelle des VNF (Virtual Network Functions), 2) l'élasticité dictée par l'orchestration obtenue par le placement flexible de VNF, et 3) l’élasticité prenant en compte le découpage du réseau en tranches via des mécanismes d'approvisionnement en ressources croisées. Des expériences de recherche ont montré que les NF (Network Functions) les plus onéreuses en termes de demande informatique sont celles liées au codage. Par conséquent, il a été proposé un algorithme pour la planification MAC en liaison montante qui offre une dégradation progressive en cas de variation soudaine de la charge qui ne pourrait pas être desservie par les ressources de calcul disponibles. En termes d’élasticité dictée par l’orchestration, le déploiement dynamique de VNFs permet d’adapter leur placement sur l’infrastructure cloud en fonction des exigences de calcul et de latence des services 5G et suivants ainsi que des caractéristiques et des capacités des nœuds du cloud. En outre, des travaux sur l'intelligence artificielle pour les réseaux mobiles ont mis en évidence l'importance d'introduire l'intelligence et l'automatisation dans la fonction de contrôle d'admission. Cependant, ces solutions ne permettent pas de résoudre de façon coordonnée les problèmes d’admission et de contrôle de la congestion pour la gestion et l’orchestration des tranches dans un réseau de télécommunication virtualisé car ils ne prennent pas en compte les ressources de calcul et de stockage des nœuds du cloud nécessaires pour le déploiement des tranches réseau ni les différentes priorités qui caractérisent les services associés à ces tranches réseau. Le but de l’invention est de fournir une solution permettant de contrôler de façon coordonnée l’admission de nouvelles tranches réseau et la congestion des services déployés sur lesdites tranches afin d'optimiser l'utilisation des ressources du réseau par lesdits services. Présentation de l’invention L’invention est mise en œuvre au moyen d’un système de gestion et d’orchestration de réseau cellulaire configuré pour recevoir des demandes de déploiement de service et pour décider du nombre et du type de tranches réseau qui peuvent être déployées/acceptées en fonction de priorités, de leurs besoins en ressources, de la présence d’autres demandes simultanées et des capacités réseau disponibles (qui dépendent des tranches réseau déjà déployées). Ce système est intégré dans le NSMF et, en particulier, fait partie des fonctions « Cross-slice M&O » qui permettent l’optimisation des ressources 5G entre tranches réseau avec de contraintes de QoS hétérogènes (voir Fig.7). L’objectif de l’invention est donc d’accroître l’efficacité du réseau, c’est-à-dire d’augmenter l’efficacité du système 5G et en particulier les revenus du système à travers l’optimisation croisée du nombre et du type de tranches réseau qui peuvent être déployées. Cet objectif est atteint au moyen d’un procédé de contrôle d'admission de tranches dans un réseau de télécommunication et de la congestion générée entre des services ayant des priorités différentes. Le procédé selon l’invention comporte les étapes suivantes: - définir une échelle de priorité à affecter aux tranches réseau, - définir un seuil de priorité basse, - déterminer la quantité ressources réseau disponibles et utilisées et , - déterminer la quantité de ressources allouées aux tranches ayant une priorité inférieure au seuil de priorité basse et susceptibles d’être affectées temporairement à de nouvelles tranches ayant une priorité supérieure audit seuil, - déterminer les tranches susceptibles d’être acceptées dans le réseau en tenant compte des ressources disponibles et de la priorité des tranches. Selon l’invention, chaque tranche réseau logique comporte au moins deux ensembles de fonctions réseau, soit un ensemble de fonctions réseau K R qui correspondent au réseau d’accès radio RAN et un ensemble des fonctions réseau K C qui correspondent au réseau cœur. Le procédé selon l’invention comporte en outre une étape pour contrôler une demande S g (t) d’admission d’au moins une tranche avec services garantis GS, Guaranteed Services) et une demande S b (t) admission d’au moins une tranche avec services à meilleur effort (BE, Best Effort), et une étape pour contrôler la congestion des services déployés sur lesdites tranches. Le procédé selon l’invention comporte en plus une étape consistant à observer à chaque instant au moyen d’ un module contrôleur de congestion la file d'attente des demandes de tranches et ainsi que les ressources disponibles et utilisées S p (t) et X p (t) , et à réduire la ressource allouée aux tranches BE ayant des priorités inférieures au seuil prédéfini de manière à accroître l'acceptation par un module contrôleur d’admission des tranches GS avec des priorités supérieures au seuil prédéfini. La quantité de ressources réduite aux tranches BE est calculée de façon à maximiser la fonction suivante: où est la quantité de tranches GS acceptées par le contrôleur d’admission, est le revenu généré par une tranche GS acceptée, décrit la quantité totale de ressources de communication, de calcul et de stockage extraites des tranches BE déjà déployées pour déployer des tranches GS supplémentaires, et est le coût associé pour réduire les ressources nécessaires à le déploiement desdites tranches BE. Le nombre de service accepté est calculé de façon à maximiser la fonction suivante: où est la quantité de tranches GS acceptées par le contrôleur d’admission, a b (t) est la quantité de tranches BE acceptées par le contrôleur d'admission, w g et w b représentent les revenus pour chaque tranche GS et BE acceptée, respectivement, l d est le coût de suppression d'une demande de tranche GS et n d (t) est le nombre de tranches GS abandonnées instantanément. Dans une variante de réalisation du procédé selon l’invention, un seul module opère conjointement les fonctions d’admission de nouvelles tranches réseau et de congestion des services déployés sur le réseau (Figure 8-B) et dans lequel le nombre de service accepté est calculé de façon à maximiser la fonction suivante: où est la quantité de tranches GS acceptées par le contrôleur d’admission, a b (t) est la quantité de tranches BE acceptées par le contrôleur d'admission, w g et w b représentent les revenus pour chaque tranche GS et BE acceptée, respectivement, l d est le coût de suppression d'une demande de tranche GS, n d (t) est le nombre de tranches GS abandonnées instantanément, décrit la quantité totale de ressources de communication, de calcul et de stockage extraites des tranches BE déjà déployées pour déployer des tranches GS supplémentaires, et est le coût associé pour réduire les ressources nécessaires à le déploiement desdites tranches BE. En outre, l'acceptation de nouvelles tranches GS est limitée de manière à ne pas dégrader excessivement la qualité de service des tranches BE déjà déployées, et en ce qu’une quantité minimale de ressources est maintenue sur chaque tranche BE déployée de manière à limiter le montant global des ressources réduites des tranches BE. Préférentiellement, le contrôle d’admission et de congestion des services déployés se fait à travers un mécanisme d’apprentissage par renforcement qu’optimise une fonction à long terme ou moyenne du système qui tient en compte du nombre des services acceptés et du nombre de demandes supprimées des files d'attente. Brève description des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description qui va suivre, prise à titre d’exemple non limitatif, en référence aux figures annexées dans lesquelles : illustre la correspondance entre de nouvelles applications et services et les exigences associées à ces nouvelles applications et services dans les systèmes de communication 5G, illustre schématiquement le concept de tranche de réseau, illustre la correspondance entre tranches de réseau 3GPP et les concepts ETSI NFV (European Telecommunication Standard Institute, Network Functions Virtualisation), représente la correspondance des services aux fonctions réseau requises, représente une illustration de fonctions réseau partagées et de fonctions réseau dédiées dans une tranche réseau déployée (network slice instance, NSI, en anglais) qui permet la mise en œuvre simultanée de plusieurs services, représente un organigramme illustrant le cycle de prise de décision pour l'admission de tranche réseau et le contrôle de congestion selon l’invention, illustre une possible implémentation fonctionnelle du mécanisme proposé comme fonction du NSMF, représente un premier organigramme illustrant les étapes d’un premier procédé selon l’invention, représente un deuxième organigramme illustrant les étapes d’un deuxième procédé selon l’invention. Procédé de contrôle d'admission de tranches dans un réseau de télécommunication virtualisé ayant un réseau cœur et un réseau d’accès radio RAN et de la congestion générée par des services ayant des priorités différentes déployés sur lesdites tranches et susceptibles de partager une quantité de ressources donnée, caractérisé par les étapes suivantes : - définir une échelle de priorité à affecter aux tranches, - définir un seuil de priorité basse, - déterminer la quantité de ressources réseau disponibles et utilisées et , - déterminer la quantité de ressources allouées aux tranches ayant une priorité inférieure au seuil de priorité basse et susceptibles d’être affectées temporairement à de nouvelles tranches ayant une priorité supérieure audit seuil, - déterminer les tranches susceptibles d’être acceptées dans le réseau en tenant compte des ressources disponibles et de la priorité des tranches. Procédé selon la revendication 1 dans lequel chaque tranche comporte au moins deux ensembles de fonctions réseau, soit un ensemble de fonctions réseau qui correspondent au réseau d’accès radio RAN et un ensemble des fonctions réseau qui correspondent au réseau cœur. Procédé selon la revendication 2 comportant en outre une étape pour contrôler une demande d’admission d’au moins une tranche avec services garantis, GS, et une demande d’admission d’au moins une tranche avec services à meilleur effort, BE,, et une étape pour contrôler la congestion des services déployés sur lesdites tranches. Procédé selon la revendication 3 comportant en outre une étape consistant à observer à chaque instant au moyen d’ un module contrôleur de congestion la file d'attente des demandes de tranches et ainsi que les ressources disponibles et utilisées et , et à réduire la ressource allouée aux tranches BE ayant des priorités inférieures au seuil prédéfini de manière à accroître l'acceptation par un module contrôleur d’admission des tranches GS avec des priorités supérieures au seuil prédéfini. Procédé selon la revendication 4 dans lequel la quantité de ressources réduite aux tranches BE est calculée de façon à maximiser la fonction suivante: où est la quantité de tranches GS acceptées par le contrôleur d’admission, est le revenu généré par une tranche GS acceptée, décrit la quantité totale de ressources de communication, de calcul et de stockage extraites des tranches BE déjà déployées pour déployer des tranches GS supplémentaires, et est le coût associé pour réduire les ressources nécessaires à le déploiement desdites tranches BE. Procédé selon la revendication 4 dans lequel le nombre de service accepté est calculé de façon à maximiser la fonction suivante: où est la quantité de tranches GS acceptées par le contrôleur d’admission, a b (t) est la quantité de tranches BE acceptées par le contrôleur d'admission, w g et w b représentent les revenus pour chaque tranche GS et BE acceptée, respectivement, l d est le coût de suppression d'une demande de tranche GS et est le nombre de tranches GS abandonnées instantanément. Procédé selon la revendication 3 dans lequel un seul module opère conjointement les fonctions d’admission de nouvelles tranches réseau et de congestion des services déployés sur le réseau et dans lequel le nombre de service accepté est calculé de façon à maximiser la fonction suivante: où est la quantité de tranches GS acceptées par le contrôleur d’admission, a b (t) est la quantité de tranches BE acceptées par le contrôleur d'admission, w g et w b représentent les revenus pour chaque tranche GS et BE acceptée, respectivement, l d est le coût de suppression d'une demande de tranche GS, n d (t) est le nombre de tranches GS abandonnées instantanément, décrit la quantité totale de ressources de communication, de calcul et de stockage extraites des tranches BE déjà déployées pour déployer des tranches GS supplémentaires, et est le coût associé pour réduire les ressources nécessaires à le déploiement desdites tranches BE. Procédé selon la revendication 2 dans lequel l'acceptation de nouvelles tranches GS est limitée de manière à ne pas dégrader excessivement la qualité de service des tranches BE déjà déployées, et en ce qu’une quantité minimale de ressources est maintenue sur chaque tranche BE déployée de manière à limiter le montant global des ressources réduites des tranches BE. Procédé selon la revendication 2 dans lequel le contrôle d’admission et de congestion des services déployés se fait à travers un mécanisme d’apprentissage par renforcement. Programme d’ordinateur mémorisé sur un support d’enregistrement et comportant des instructions pour mettre en œuvre le procédé selon l’une des revendications 1 à 9 lorsqu’il est exécuté sur un ordinateur.