Design and experimental study of heterogeneous disaggregated 5G mobile wireless networks
Authors: Μακρής Νικόλαος 
Published: September 2021

Η πέμπτη γενιά κινητών τηλεπικοινωνιών (5G) συγκεντρώνει πολλές νέες τεχνολογίες τόσο στο δίκτυο πρόσβασης (access network), όσο και στην άκρη του δικτύου (edge) και στο κεντρικό δίκτυο πίσω από την ασύρματη πρόσβαση (Core Network). Η συνδεσιμότητα 5G υπόσχεται σημαντικά υψηλότερη χωρητικότητα του δικτύου (network capacity) με σημαντικά μειωμένη καθυστέρηση μεταδόσεων, με σκοπό να επιτρέπουν σε μια πληθώρα εφαρμογών και κρίσιμων υπηρεσιών να εξυπηρετηθούν πάνω από το νέο αυτό δίκτυο. Με την υιοθέτηση λογισμικού για την υλοποίηση πολλών λειτουργιών του δικτύου (network softwarization), διευκολύνεται η διαχείριση του και η εγκατάσταση μελλοντικών αναβαθμίσεων. Η χρήση λογισμικού για την υλοποίηση υπηρεσιών του δικτύου επεκτείνεται πλέον και στο δίκτυο πρόσβασης χρηστών (Radio Access Network – RAN), με χρήση τεχνολογιών Νέφους (Cloud) για τη δημιουργία Cloud-RANs. Με αυτή την τεχνολογία, κομμάτι του σταθμού βάσης εκτελείται σαν λογισμικό σε υποδομές Νέφους, και μπορεί να υλοποιεί/χειρίζεται διαφορετικές τεχνολογίες για τη πρόσβαση των χρηστών στο δίκτυο. Η υπάρχουσα βιβλιογραφία προτείνει διαφορετικά σημεία για το διαχωρισμό της στοίβας πρωτοκόλλων του σταθμού βάσης, με κάθε σημείο να προσφέρει διαφορετικά πλεονεκτήματα στον πάροχο του δικτύου. Καθώς κινούμαστε πιο χαμηλά στη στοίβα πρωτοκόλλων, σημεία διαχωρισμού χαμηλά στο φυσικό επίπεδο (PHY) επιβάλλουν αυστηρές απαιτήσεις (χαμηλή καθυστέρηση, πολύ υψηλή χωρητικότητα) για τη μετάδοση δεδομένων από το κομμάτι του σταθμού βάσης που εκτελείται στο νέφος προς την κεραία. Αυτό το δίκτυο διασύνδεσης ονομάζεται fronthaul. Ο διαχωρισμός της στοίβας πρωτοκόλλων σε υψηλότερο επίπεδο μπορεί να αποδειχθεί εξαιρετικά ωφέλιμο για τον πάροχο του δικτύου, αφού το δίκτυο fronthaul μπορεί να υλοποιηθεί με χρήση υπαρχουσών τεχνολογιών (πχ. Ethernet) και να επιτρέψει την ενσωμάτωση ετερογενών τεχνολογιών στις τεχνολογίες πρόσβασης. Η ενσωμάτωση υπαρχουσών τεχνολογιών σε διαφορετικά επίπεδα (επίπεδο πρόσβασης χρηστών και στο δίκτυο μεταφοράς) είναι εξαιρετικά σημαντική για την περεταίρω εξέλιξη του δικτύου και τη συμβατότητα με παλαιότερες τεχνολογίες. Σε αυτή την εργασία, σχεδιάσαμε και μελετήσαμε πρωτοποριακούς τρόπους λειτουργίας διαχωρισμένων σταθμών βάσης, με στόχο την ενσωμάτωση ετερογενών τεχνολογιών στο επίπεδο πρόσβασης χρήστη. Οι ερωτήσεις που προσπαθούμε να απαντήσουμε είναι οι ακόλουθες: 1) Ποιο είναι το καλύτερο σημείο για το διαχωρισμού της στοίβας πρωτοκόλλων ενός σταθμού βάσης; 2) Πως μπορούμε να ενσωματώσουμε ετερογενείς τεχνολογίες στον διαχωρισμένο σταθμό βάσης; 3) Πως μπορούμε να εξυπηρετήσουμε χρήστες με πολύ χαμηλή καθυστέρηση μετάδοσης πακέτων; 4) Αφού αυτές οι αρχιτεκτονικές βασίζονται αρκετά σε λογισμικό, πως μπορούμε να ενορχηστρώσουμε τη λειτουργία τους με αποδοτικό τρόπο; Αρχικά, ξεκινάμε με την υπάρχουσα αρχιτεκτονική για κινητές επικοινωνίες και σχεδιάζουμε και μελετάμε τον διαχωρισμό της στοίβας πρωτοκόλλων σε διαφορετικά σημεία. Με βάση το σημείο διαχωρισμού, διαφορετικές απαιτήσεις υπάρχουν για το δίκτυο μεταφοράς από το κομμάτι που υλοποιεί τα χαμηλότερα επίπεδα μέχρι το νέφος. Μιας και στόχος μας είναι η ενσωμάτωση υπαρχουσών τεχνολογιών για το δίκτυο μεταφοράς (Ethernet/WiFi), σχεδιάζουμε και αποτιμούμε πειραματικά διαχωρισμούς για την στοίβα πρωτοκόλλων που μπορούν να χρησιμοποιήσουν εμπορικό εξοπλισμό. Το δίκτυο μεταφοράς (fronthaul) βασίζεται σε πακέτα (packetized) και δεν εξαρτάται από ακριβό υλικό με νεότερα πρωτόκολλα (πχ. το Common Public Radio Interface – CPRI). Με τη χρήση του ανοιχτού λογισμικού OpenAirInterface (OAI), υλοποιούμε και αποτιμούμε πειραματικά διαφορετικά σημεία διαχωρισμού σε πραγματικό περιβάλλον. Στη συνέχεια, ασχολούμαστε με το υψηλότερο επίπεδο διαχωρισμού της στοίβας (στο υψηλότερο επίπεδο 2) και μελετάμε την ενσωμάτωση διαφορετικών τεχνολογίών για το δίκτυο πρόσβασης χρηστών. Ο διαχωρισμός σε αυτό το επίπεδο αναφέρεται στα πρότυπα για το πρωτόκολλο πρόσβασης δικτύου 5G New Radio (NR), και είναι ανάμεσα στο επίπεδα Packet Data Convergence Protocol (PDCP) και Radio Link Control (RLC). Αυτός ο διαχωρισμός δημιουργεί δυο διαφορετικές μονάδες, την κεντρικοποιημένη (Centralized Unit – CU) που εκτελείται στο νέφος, και την κατανεμημένη (Distributed Unit – DU) που εκτελεί τα πρωτόκολλα στο χαμηλότερο επίπεδο 2 και επίπεδο 1 της στοίβας πρωτοκόλλων. Εντούτοις, το επίπεδο PDCP έχει χρησιμοποιηθεί και στο παρελθόν για την ενσωμάτωση ετερογενών τεχνολογιών σε σταθμούς βάσης, όπως για παράδειγμα με το πρωτόκολλο LTE-WiFi Aggregation Adaptation Protocol (LWAAP) για την ενσωμάτωση WiFi πρόσβασης. Αυτό δημιουργεί τις συνθήκες για την ενσωμάτωση ετερογενών τεχνολογιών στο δίκτυο ως κατανεμημένες μονάδες (DUs). Επεκτείνουμε την αρχική μελέτη διαχωρισμού σταθμών βάσης, ώστε να ενσωματώσουμε τεχνολογίες WiFi. Με την εισαγωγή ενός διαχειριστή φόρτου δικτύου, μπορούμε να επιλέξουμε για κάθε μετάδοση πακέτου ποια κατανεμημένη μονάδα (και επομένως διαφορετικής τεχνολογίας) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για κάθε πελάτη του δικτύου. Επεκτείνουμε την αρχική πρωτότυπη υλοποίηση στην πλατφόρμα ΟΑΙ και πειραματιζόμαστε σε πραγματικές συνθήκες. Στη συνέχεια παρουσιάζουμε αποτελέσματα για την απόδοση του δικτύου για διαφορετικές παραμέτρους (πχ. απόσταση CU/DU, το πρωτόκολλο επιπέδου μεταφοράς που χρησιμοποιείται, κλπ.). Ωστόσο, τέτοιες υποδομές συχνά προσφέρουν υπερ-πυκνή ανάπτυξη του δικτύου, με πολλαπλές ετερογενείς τεχνολογίες να χρησιμοποιούν το ίδιο ασύρματο φάσμα. Επομένως, πρέπει να υπάρξει αποδοτικός συντονισμός για τη διασφάλιση της σωστής λειτουργίας όλων των τεχνολογιών στο επίπεδο πρόσβασης. Γι’ αυτόν το σκοπό, σχεδιάζουμε και μελετάμε νέα σηματοδοσία για τον συντονισμό ετερογενών τεχνολογιών σε τοπολογίες διαχωρισμένων σταθμών βάσης. Επεκτείνουμε την υλοποίηση μας με ένα νέο μηχανισμό επικοινωνίας που μεταφέρει παραμέτρους της διαμόρφωσης του δικτύου και στατιστικά χρήσης, για την διεξαγωγή συμπερασμάτων για τη χρήση του φάσματος σε μια περιοχή. Με βάση τις συλλεχθείσες μετρήσεις, εφαρμόζουμε ένα αλγόριθμο για τον καθορισμό της χρήσης φάσματος από κάθε τεχνολογία στην ίδια μπάντα συχνοτήτων. Αποτιμάμε τη νέα λύση μέσω πειραματισμού σε πραγματικό περιβάλλον και παρουσιάζουμε τα αποτελέσματα μας που αποδεικνύουν καλύτερη λειτουργία του υπό μελέτη δικτύου. Σαν επόμενο βήμα, μελετάμε και σχεδιάζουμε νέα λειτουργικότητα σε αρχιτεκτονικές διαχωρισμένων σταθμών βάσης με ετερογενείς τεχνολογίες, με σκοπό την επίτευξη χαμηλής καθυστέρησης μετάδοσης για την πρόσβαση υπηρεσιών από τους χρήστες του δικτύου. Η τεχνολογία Multi-access Edge Computing (MEC) έχει προταθεί σαν μέθοδος για τη δραστική μείωση της καθυστέρησης πρόσβασης σε υπηρεσίες που παρέχονται πάνω από το δίκτυο, με την τοποθέτηση των υπηρεσιών αυτών κοντά στην άκρη του δικτύου. Η υπάρχουσα βιβλιογραφία προτείνει διαφορετικές τοποθεσίες για την τοποθέτηση των υπηρεσιών αυτών, με αυτές να τοποθετούνται στην καλύτερη περίπτωση μαζί με την κεντρικοποιημένη μονάδα (CU) και να χειρίζονται κίνηση που κατευθύνεται προς το κεντρικό δίκτυο (backhaul δίκτυο). Με βάση τον διαχωρισμένο σταθμό βάσης, μελετάμε και σχεδιάζουμε την τοποθέτηση υπηρεσιών στο δίκτυο fronthaul, είτε μαζί ή κοντά στις κατανεμημένες μονάδες του δικτύου (DUs). Τα πειραματικά μας αποτελέσματα δείχνουν πως αναφορικά με την καθυστέρηση, ακόμα και παλαιότερες τεχνολογίες (όπως η τεχνολογία LTE της 4ης γενιάς δικτύων) μπορεί να εξυπηρετήσουν αρκετές από τις εφαρμογές που έχουν αναπτυχθεί για δίκτυα 5ης γενιάς. Τέλος, αφού το δίκτυο μας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από λογισμικό, μελετάμε και σχεδιάζουμε την ενορχήστρωση του σαν εικονικές συναρτήσεις δικτύου (Virtual Network Functions - VNFs). Η αρχιτεκτονική Network Functions Virtualization Management and Orchestration (NFV-MANO) παρέχει μια προτυποποιημένη μέθοδο για τη διαχείριση και την εύκολη ανάπτυξη (εικονικών) υπηρεσιών. Η αρχιτεκτονική NFV-MANO αρχικά επικεντρώνεται στην ανάπτυξη υπηρεσιών/εφαρμογών πάνω από datacenters. Όμως, η εισαγωγή αρχιτεκτονικών δικτύου που εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από λογισμικό, ακόμα και για το ασύρματο δίκτυο, παρέχουν έδαφος για την αλλαγή του τρόπου με τον οποίο διαχειριζόμαστε το υλικό. Με αυτή την έννοια, σχεδιάζουμε την επέκταση της οντότητας Virtual Infrastructure Manager (VIM) της αρχιτεκτονικής ώστε να χειρίζεται εικονοποιημένα ασύρματα δίκτυα, που δημιουργούμε σε πραγματικό περιβάλλον. Ο σχεδιασμός μας επιτρέπει την εισαγωγή των επεκτάσεων αυτών με διαφάνεια στο σύστημα, ώστε να επιτρέψουν τη μεταφορά υπηρεσιών από άλλες πλατφόρμες που δεν υποστηρίζουν ασύρματες τεχνολογίες. Εφαρμόζουμε τις επεκτάσεις μας αυτές σε πραγματικό περιβάλλον, και αποτιμάμε την πλατφόρμα μας σχετικά με την απόδοση της, χρησιμοποιώντας σαν υπηρεσίες δικτύου τους διαχωρισμένους σταθμούς βάσης με πολλαπλές τεχνολογίες ασύρματης πρόσβασης που προηγουμένως αναπτύξαμε.