MONKS 2019 – Razvoj dugoročno programabilne arhitekture podatkovne ravni mobilne mreže pete generacije (5G)

OSNOVNI DETALJI

O PROJEKTU

Uvod

U svijetu je danas više od milijarde uređaja povezano na mobilne mreže četvrte generacije (4G). Međutim, već danas je izvjesno da u bliskoj budućnosti performanse koje osiguravaju pomenute mreže neće biti dovoljne da zadovolje potrebe povezivanja svih uređaja na Internet, uz argument da se do 2025. godine očekuje povezivanje čak 100 milijardi uređaja, koji, osim pametnih telefona, uključuju i dronove, autonomne automobile, pametne kućne uređaje itd., za čiji rad su potrebne veće brzine prenosa podataka, širi frekvencijski opseg kao i znatno smanjenje latencije, u odnosu na trenutno dostupne tehnologije. Zato se kao nužnost nameće razvoj nove generacije mobilnih mreža – pete generacije (5G), o kojima se danas u svijetu jako mnogo govori, te na čijoj standardizaciji se užurbano radi.

Napredni 5G sistemi, definisani kao trenutne, ultra-brze mreže koje će biti nosici budućeg Internet-a, ne predstavljaju samo evoluciju trenutne generacije mobilnih mreža, nego i potpunu revoluciju na polju ICT (engl. Information and Communication Technologies) tehnologija, koje već neko vrijeme predstavljaju jedan od glavnih pokretača Evropske ekonomije, zbog činjenice da prihodi ICT sektora čine čak 10% od ukupnog evropskog GDP-a, sa godišnjom tržišnom vrijednosti od gotovo 700 milijardi Eura. U tom smislu, od 5G mreža, kao trenutno najatraktivnijih predstavnika ICT-a, se očekuje da će da osiguraju ultra pouzdane i ultra brze usluge svugdje i za sve i na taj način doprinesu ne samo povećanju globalnog GDP-a, nego i poboljšanju kvalitete života ljudi svuda u svijetu. Pomenuto, pri tome, podrazumijeva kompletan redizajn postojećih 4G interfejsa, protokola i servisa, kao i pomno osmišljavanje novih algoritama i arhitektura pristupnih i jezgrenih mreža.

Iako je, do ovog trenutka, 5G mreža instalirana u nekoliko gradova Azije, Amerike i Evrope, na osnovu dostupnih rezultata testiranja pomenutih sistema, može se zaključiti da izgrađene mreže nisu u potpunosti zadovoljile ciljane performanse 5G, kao što su veoma malo kašnjenje (koje bi trebalo biti reda 1 ms, a do sada se kreće u granicama od 8 do 12 ms) i Gbps brzine prenosa. Dodatno, realizovane 5G mreže nisu ispunile zadane ciljeve niti po pitanju energetske efikasnosti kao ni fleksibilnosti arhitekrura, koje bi trebale biti u mogućnosti da se nose sa trenutnim i budućim zahtjevima tržišta i najrazličitijim aplikacijama, poput komunikacijske podrške za rad autonomnih vozila, pametnih domova, virtuelne realnosti isl. Zbog toga je, u procesu standardizacije pomenutih sistema, čije se okončanje očekuje krajem naredne godine, veliku pažnju neophodno posvetiti osmišljavanju novih koncepata i arhitektura koji bi trebali osigurati planirane 5G performanse.

Ovdje još dodatno treba naglasiti poseban izazov koji je stavljen pred mreže 5G, a koji se odnosi na radio segment. Naime, u cilju postizanja ultra-velikih brina prenosa, u sklopu 5G mreža predviđeno je, po prvi put, korištenje milimetarskog opsega, koji do danas nije dovoljno istražen, kako sa aspekta propagacije, tako i sa aspekta negativnih posljedica njegovog korištenja na ljudsko zdravlje. U tom kontekstu, u najranijim fazama testiranja predloženih izmjena mrežne arhitekture, u periodu dok se ne okončaju (medicinska) ispitivanja štetnosti upotrebe milimetarskog opsega na ljudsko zdravlje, bilo bi idealno ispitivanja obavljati u kontrolisanim okruženjima, što, pored neophodnih arhitekturalnih izmjena u pristnom i jezgrenom segmentu 5G mreže, nameće i potrebu za razvojem adekvatnog testnog okruženja, unutar kojeg bi se simulirali stvarni uslovi u radio kanalu.

Tema istraživanja

Sagledavajući naučnu i stručnu literaturu iz oblasti 5G mobilnih mreža, može se uočiti da su trenutni pravci razvoja 5G mreža orijentisani su ka usvajanju koncepata iz softverski definisanih mreža (engl. Software-Defined Networks), prema kojima se bazne stanice pojednostavljuju na način da im se oduzima većina ranijih funkcionalnosti i prebacuje na oblak (engl. Cloud), tj. u jezgreni dio mreže. Ovaj proces se zasniva na dva koraka: (1) softverizacija i (2) virtualizacija. Softverizacija predstavlja korak u kojem se mrežne funkcionalnosti koje su ranije bile implementirane upotrebom specijalističkog hardvera i softvera sada implementiraju kao softverske aplikacije koje se izvršavaju na konvencionalim serverima. Virtualizacija se odnosi na izvršavanje mrežnih funkcionalnosti realiziranih kao softverske aplikacije u virtualnom okruženju koje čine serverski i mrežni resursi dijeljeni između velikog broja korisnika. Na taj način se povećava efikasnost iskorištenja serverskih i mrežnih resursa, te smanjuje cijena bazne stanice. Međutim, iako se na pomenuti način smanjuje cijena same bazne stanice, fleksibilnost njenih funkcionalnosti se značajno umanjuje ograničavajući potencijalne izmjene koje bi trebalo napraviti u cilju unaprjeđenja mobilnih mreža na putu za naredne generacije (n.pr. 6G). Aktuelna istraživanja pokazuju da su opisanim nedostatkom najviše pogođene mrežne funkcionalnosti bazne stanice koje se odnose na obradu i prenos podataka, tj. funkcionalnosti podatkovne ravni. Sa druge strane, funkcionalnosti upravljanja mrežom i njenim elementima, tj. funkcionalnosti kontrolne ravni, su već u prošloj generaciji mobilnih mreža (4G) uspješno provedene kroz navedeni proces softverizacije, te stoga više nisu interesantne za istraživanja sa aspekta fleksibilnosti funkcionalnosti.

Uvažavajući napisano, tema istraživanja u ovom projektu jeste arhitektura podatkovne ravni 5G mobilne mreže sa aspekta njene fleksibilnosti kao ključnog faktora za dostizanje ciljeva 5G mreže u pogledu cijene održavanja, performansi i potrošnje električne energije. Istraživanja podatkovne ravni u softveriziranim mrežama su pokazala da je postizanje visokog stepena fleksibilnosti moguće jedino uz osiguranje dugoročne programabilnosti. Stoga, kao hipoteza ovog istraživanja se postavlja da se primjenom koncepta dugoročne programabilnosti u dizajnu arhitekture podatkovne ravni 5G mobilne mreže moguće približiti ciljevima vezanim za troškove održavanja, performanse i potrošnju električne enegije, te otvoriti put ka evoluciji mreže prema 6G.

Uzimajući u obzir broj naučnoistraživačkih radova iz oblasti softverizacije 5G mobilnih mreža (preko 1000 radova u posljedne dvije godine), može se zaključiti da je odabrana tema istraživanja aktuelna i važna, te da ima veliki potencijal da rezultira naučnim publikacijama. S obzirom da 5G mreže predstavljaju trenutni korak na putu prema 6G, istraživanje također ima potencijal da bude nastavljeno i prošireno.

Opis projekta

U sklopu ovog projekta biće predložena nova ideja raspodjele funkcionalnosti između baznih stanica i jezgrenog dijela 5G mreže, na način da se dio funkcionalnosti koji se odnosi na obradu i prenos podataka prema potrebi zadrži u baznoj stanici, čime bi se u značajnoj mjeri doprinijelo fleksibilnosti predložene arhitekture, te potencijalno dosegli ciljevi vezani za smanjenje cijene održavanja i nadogradnje mreže (za koju se očekuje da bi značajno opala sa predloženom arhitekturom), poboljšanje performansi te efikasnost potrošnje energije. Da bi se to uradilo, prije svega će biti potrebno uraditi višekriterijalnu komparativnu analizu dosadašnjih istraživanja podatkovne ravni 5G mreže kako bi se identificirali faktori koji utiču na troškove održavanja, performanse i potrošnju električne energije. Na bazi identificiranih faktora će biti predložen novi arhitekturalni model podatkovne ravni 5G mobilne mreže koji kroz dugoročnu programabilnost elemenata podatkovne ravni aktivno podržava ciljeve 5G mreže.

Novi arhitekturalni model će biti eksperimentalno verificiran implementacijom prototipa podatkovne ravni 5G mobilne mreže u Laboratoriji za softverski definisane mreže na Elektrotehničkom fakultetu Univerziteta u Sarajevu. Za implementaciju jezgrenog dijela mreže će biti korištena postojeća oprema u Laboratoriji (serveri, računarske radne stanice i mrežni preklopnici), a za implementaciju bazne stanice će biti korištena razvojna platforma USRP X310 čija je nabavka planirana kroz projekat.

Uvažavajući ranije navedene izazove u pogledu ograničavanja nepotrebnog i neželjenog neionizirajućeg zračenja, u sklopu projekta, pored jednog potpuno novog pristupa dizajnu elemenata 5G mreže, planirana je i realizacija simulatora 5G radio kanala, koji ima za cilju da omogući testiranja predloženih arhitektura u približno realnim okruženjima, ali bez potencijalnog štetnog uticaja na okolinu. Simulator će biti zasnovan na novom geometrijski baziranom stohastičkom modelu kanala sa većim stepenom unificiranosti u odnosu na postojeće modele, koji će omogućiti opis i simulaciju realnih propagacijskih okruženja u gusto naseljenim i urbanim zonama.

Uvažavajući ranije napisano, te sve izraženije trendove ka smanjenju potrošnje električne energije te radio zračenja naročito u neistraženom dijelu spektra, rezultati predložene ideje projekta će biti od višestrukog društvenog značaja.

Cilj projekta

Cilj projekta je smanjenje troškova održavanja, poboljšanje performansi i povećanje efikasnosti potrošnje električne energije u mobilnim mrežama pete generacije (5G) realizacijom dugoročno programabilnih komponenti podatkovne ravni.

Očekivani rezultati istraživanja

Očekivani rezultati projekta se dijele na naučne i praktične. Naučni rezultati projekta se mogu rezimirati u sljedećem:

  • R1: Nova autorska metrika koja kroz višekriterijalnu komparativnu analizu istraživanja u oblasti podatkovne ravni 5G mobilne mreže omogućava identifikaciju arhitekturalnih faktora koji utiču na troškove održavanja, performanse i potrošnju električne energije u 5G mobilnoj mreži.
  • R2: Novi arhitekturalni model podatkovne ravni 5G mobilne mreže koji kroz dugoročnu programabilnost aktivno podržava smanjenje troškova održavanja, poboljšanje performansi cjelokupne 5G mobilne mreže i efikasniju potrošnju električne energije.
  • R3: Novi geometrijski bazirani stohastički model kanala sa većim stepenom unificiranosti u odnosu na postojeće modele kanala, u sklopu kojih se ne mora usvajati upitno realna pretpostavka o uniformnoj raspodjeli sketerera u određenim dvodimenzionalnim ili trodimenzionalnim zonama zračenja.
  • R4: Novi simulacijski model komunikacijskog kanala 5G mobilne mreže zasnovan na novom geometrijski baziranom stohastičkom modelu kanala.

Očekivani praktični rezultati projekta su sljedeći:

  • R5: Prototip nove arhitekture podatkovne ravni 5G mobilne mreže baziran na dugoročno programabilnim komunikacijskim komponentama kao što su komutatori i bazne stanice.
  • R6: Novi protokol za konfiguraciju nove arhitekture podatkovne ravni 5G mobilne mreže.
  • R7: Simulator kanala 5G mobilne mreže koji omogućava eksperimentalno ispitivanje karakteristika prototipa nove arhitekture podatkovne ravni 5G mobilne mreže.

Značaj očekivanih rezultata se ogleda u sljedećem:

  • Kreiranjem nove autorske metrike (R1) stvorit će se preduslovi za optimizaciju dizajna podatkovne ravni 5G mobilne mreže kako bi se pozitivno adresirali svi aspekti projektnog cilja (smanjenje troškova održavanja, poboljšanje performansi i povećanje efikasnosti potrošnje električne energije), a što će rezultirati kreiranjem novog arhitekturalnog modela podatkovne ravni 5G mreže (R2). Prototip nove arhitekture podatkovne ravni 5G mobilne mreže (R5) i pripadajući konfiguracijski protokol (R6) će omogućiti eksperimentalnu verifikaciju rezultata projekta, te stvoriti laboratorijski ambijent za buduća istraživanja u oblasti 5G mobilnih mreža.
  • Novi model komunikacijskog kanala (R3) će otvoriti mogućnosti opisa znatno većeg broja realnih okruženja, u odnosu na ona dostupna u postojećoj literaturi. Dodatno, simulacijski model kanala (R4) će omogućiti simulaciju realnih propagacijskih okruženja koja su posebno interesantna u gusto naseljenim i urbanim zonama, sa ciljem smanjenja nepotrebnog i neželjenog neionizirajućeg zračenja optimizacijom parametara baznih stanica u 5G mobilnoj mreži. To će doprinijeti efikasnijoj potrošnji električne energije u 5G mobilnoj mreži. Simulator kanala (R7) će predstavljati praktični laboratorijski alat za izvođenje pomenutih simulacija, kako u ovom istraživanju, tako i u budućim istraživanjima iz oblasti 5G mobilnih mreža.