В рубрику "Центры обработки данных (ЦОД)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Локальные сервисы в сетях сотовой связиA local service in cellular communication networks

Сергей
Варюхин

Ведущий архитектор, ЗАО "Энвижн Груп", к.ф.-м.н.

Sergey
Varyukhin Lead Architect , JSC NVision Group, PhD

Георгий
Серебряков

Директор НИИ Ситроникс, к.ф.-м.н.

Georgij
Serebryakov Research Institute Sitronics Labs, PhD

Введение

В сетях сотовой связи наряду с увеличением пропускной способности (скорости передачи данных), которая необходима для предоставления современных услуг связи и постоянно обсуждается при разработке и внедрении новых технологий, таким же существенным становится фактор уменьшения времени задержки прохождения пакетов, или время между отправкой запроса и получением ответа. На рис. 1 представлена зависимость времени задержки прохождения пакета по радиоканалу для различных технологий сотовой связи [1].

Видно, что с развитием радиотехнологий сетей сотовой связи время задержки прохождения пакета по радиоканалу уменьшается от 100 мсек для EDGE rel. 4 до 15–20 мсек для LTE.

Время задержки прохождения сигналов в сетях связи является одним из основных параметров, определяющих качество обслуживания QoS при предоставлении современных услуг связи, например мультимедийных услуг, игровых приложений. Но особенно это оказывает влияние на службы, в которых запрос от мобильного терминала и быстрый ответ от сетевых узлов определяет дальнейшее поведение самого мобильного терминала. Важность оперативной передачи запроса от мобильного терминала на сетевые узлы, обработка запросов и передача ответа на терминал существенно возрастает при увеличении скорости перемещения мобильного терминала. Согласно спецификации МСЭ ITU-R M.2134 [2], определены следующие классы мобильности для терминалов:

• неподвижный (stationary): 0 км/ч;
• пешеходный (pedestrian): > 0 до 10 км/ч;
• автотранспортный (vehicular): 10 дo 120 км/ч;
• высокоскоростной транспорт (high speed vehicular): 120 дo 350 км/ч.

При увеличении скорости перемещения терминалов и обслуживании быстро движущихся пользователей, включая оборудование, установленное на транспортном средстве, существенно возрастают требования к времени реакции всей телекоммуникационной системы на быстро меняющуюся обстановку. Это нашло отражение в разрабатываемой на данном этапе концепции сетей сотовой связи пятого поколения 5G [3, 4].

Наряду со ставшими традиционными требованиями к увеличению скорости передачи данных, увеличению емкости сети и пр., отдельно выделены требования к скорости реакции в сети [5], а именно:

• время задержки и отклика: менее 1 мсек для обеспечения управления в реальном времени и приложений/ коммуникаций, связанных с транспортными средствами;
• время переключения: до 10 мсек между различными технологиями радиодоступа для обеспечения непрерывного предоставления сервисов.

Полное (сквозное) время отклика состоит из следующих компонентов:

• времени прохождения пакета по сети с учетом получения подтверждения доставки пакета (RTT – round-trip time);
• времени ожидания в очереди доступа к ресурсу;
• времени обработки запроса на сервере приложений, состоящее из таких элементов, как, например, формирование запросов к базам данных, обработка запросов, формирование ответов и т.д.

В сетях сотовой связи одним из основных вкладов в суммарную задержку прохождения пакетов по сети является задержка в сегменте беспроводного доступа RAN (radio access network). Этот параметр, как отмечено выше, существенно уменьшается в процессе развития радиотехнологий сотовой связи (рис. 1). Дальнейшее уменьшение полного времени доступа возможно за счет уменьшения доставки сообщений по каналам опорной сети (CN) до серверов приложений (AS), уменьшения времени ожидания в очереди доступа к ресурсу AS и времени обработки запроса на сервере AS. Это достигается при помощи реализации принципа распределенной архитектуры обработки запросов, при которой обработка осуществляется не на одном центральном сервере, а на нескольких серверах, расположенных на опорной сети сотовой связи. Особенно эффективным это может оказаться в случае предоставления локальных сервисов.

Традиционным способом взаимодействия абонентских устройств между собой в сетях сотовой связи является обмен данными через узлы радиоподсистемы и узлы опорной сети. Взаимодействие такого типа обеспечивает соединение абонентов врамках глобальной сети WAN. Однако тенденция развития услуг такова, что все большее количество абонентского трафика реализуется локально, когда абоненты находятся в непосредственной близости друг от друга. Использование ресурсов глобальной сети сотовой связи для локального трафика в ряде случаев может оказаться не очень эффективным и может быть дополнено альтернативными технологиями, предполагающими возможность взаимодействия абонентских устройств "напрямую", в режиме D2D (device-to-device). Это обстоятельство нашло отражение в спецификациях 3GPP Release 12, имеющих общее название Proximity Services (ProSe) [6, 7].

Техническая реализация сервиса

Архитектура сети, в которой возможна реализация локального сервиса с эффективным использованием перечисленных выше принципов, представлена на рис. 2. Предполагается, что в городской застройке развернута сеть LTE, к которой подключены мобильные абонентские терминалы mobile UE и видеокамеры Camera 1, 2 и 3.

Суть сервиса состоит в том, чтобы абоненту в процессе движения было доступно online video (perspective view) с места, расположенного по ходу движения транспортного средства. Например, находясь в точке "A", на экране UE абонент имеет возможность получать видеоизображение с точки "B" по ходу его движения, которое находится за пределами прямой видимости из точки "A". В представленном примере особенностью является то обстоятельство, что камеры и мобильные терминалы расположены в непосредственной близости друг от друга, например в зоне покрытия одной базовой станции eNB.

Программное обеспечение (ПО) состоит из серверной части, установленной на оборудовании сети сотовой связи, и клиентской части, установленной на мобильном абонентском устройстве UE. При этом целесообразным представляется реализация принципа распределенной архитектуры обработки запросов, при котором вместо единого центрального сервера AS (central AS) устанавливаются множество серверов, возможно даже на каждой базовой станции – on site AS.

Абонентское устройство UE получает параметры о своем местоположении от систем GPS и/или GLONASS. Приложение, установленное на UE, передает свои координаты на сервер приложений AS по радиоканалам сети LTE. Серверная часть на основании данных о местоположении абонента, хранящихся локальных карт местности, координат расположения на месте видеокамер вычисляет вектор движения мобильного терминала, определяет соответствующую заданным параметрам конкретную видеокамеру по ходу движения, переключает видеопоток с этой камеры на мобильный терминал абонента. В данном примере вместо стандартного решения передачи видеопотока по схеме: "видеокамера – базовая станция eNB сети сотовой связи LTE – узлы опорной сети LTE – центральный сервер central AS – узлы опорной сети LTE – базовая станция eNB сети сотовой связи LTE – мобильное абонентское устройство" реализуется "локальная" схема: "видеокамера – базовая станция eNB сети сотовой связи LTE – локальный сервер on site AS – базовая станция eNB сети сотовой связи LTE – мобильное абонентское устройство". Дальнейшее уменьшение времени передачи пакетов возможно при реализации режима D2D по схеме: "видеокамера – мобильное абонентское устройство UE", на экране которого проектируется картинка в режиме real-time-video с места "B" по ходу движения транспортного средства (рис. 2).

Технические требования к оборудованию

Для реализации рассмотренной архитектуры и предоставления сервиса узлы сети сотовой связи и используемое оборудование должны обладать следующей функциональностью.

Функции серверов приложений сети сотовой связи с распределенной обработкой данных "on site AS":

• получать от абонентского устройства UE координаты положения транспортного средства, которые UE получает от систем GPS и/или GLONASS;
• хранить и обновлять локальные карты местности в зоне покрытия базовой станции или нескольких соседних базовых станций;
• хранить и обновлять информацию овидеокамерах, их положении на местности, возможные секторы обзора;
• иметь техническую возможность поворачивать и изменять сектор обзора видеокамер, (для случаев, когда видеокамеры имеют такой функционал);
• вычислять вектор движения мобильного терминала, предсказывать его положение на местности, определять соответствующую заданным параметрам конкретную видеокамеру по ходу движения;
• переключать видеопоток с этой камеры на мобильный терминал абонента как через сеть сотовой связи eNB LTE, так и в режиме D2D;
• последовательно переключать видеопотоки от разных видеокамер по ходу движения мобильного терминала в автоматическом режиме.

Функции абонентского мобильного терминала:

• получать координаты своего местоположения от систем GPS/GLONASS и передавать их на серверы сети сотовой связи в режиме online;
• получать видеопотоки c камер наблюдения по радиоканалам сетей сотовой связи LTE или в режиме D2D;
• проектировать на экран UE картинку в режиме real-time-video.

Заключение

В рассмотренном примере локального сервиса реализуются следующие перспективные технологии сетей сотовой связи:

• реализован режим прямого обмена данными между абонентскими устройствами D2D сети LTE, минуя базовую станцию eNB. Это обеспечивает более высокую скорость передачи данных, уменьшает время задержки, позволяет экономить радиоресурс сети LTE при помощи выгрузки мобильного трафика через сети альтернативных радиотехнологий, например Wi-Fi [8], повышает качество связи;
• реализован принцип распределенной архитектуры обработки запросов, при котором обработка осуществляется не на одном центральном сервере, а на нескольких серверах, расположенных в сети сотовой связи, что особенно эффективно в случае предоставления локальных сервисов. В опорной сети остается только сигнальный трафик, например аутентификация и авторизация абонента. Для непрерывности сервиса при перемещении из зоны одной базовой станции в зону соседней возможно установление дополнительных AS в опорной сети, обслуживающих несколько eNB для реализации хэндовера. Уменьшение времени передачи пакетов осуществляется в рассмотренном примере за счет распределенной архитектуры вычислений и реализации прямой передачи в режиме D2D между устройствами, подключенными к сети. В рамках ETSI сформирована инициативная группа Mobie-Edge Computing Initiative [9] для проведения исследований по использованию принципов распределенной обработки данных в сетях сотовой связи. В качестве примера коммерческих предложений на рынке можно рассмотреть решение Nokia Liquid Application;
• при перемещении абонента происходит автоматическое переключение видеопотоков на абонентское устройство с одной камеры на другую камеру без участия абонента, в режиме M2M (Machine-to-Machine, M2M). Организация машинно-машинного взаимодействия, которое исключает участие человека в реализации сервиса, рассматривается в спецификациях ETSI [10, 11].

Литература

1. Mobile Broadband Explosion, Rysavy Research/4G Americas, – August, – 2013.
2. ITU-R M.2134, Requirements related to technical performance for IMT-Advanced radio interface. – Rep. ITU-R. – 2008.
3. 4G Americas / Summary of Global 5G Initiatives. – June. – 2014.
4. Deliverable D6.2 Initial report on horizontal topics, first results and 5G system concept, ICT-317669-METIS/D. – April. – 2014.
5. Сети 4G LTE и перспективы появления и развития сетей мобильной связи пятого поколения (5G), J`son & Partners. – Май. – 2014.
6. 3GPP TR 23.703 V12.0.0 (2014-02), Study on architecture enhancements to support Proximity-based Services (ProSe). – Technical Specification (Release 12). – 2014.
7. 3GPP TR 23.703 V12.0.0 (2014-02), Study on architecture enhancements to support Proximity-based Services (ProSe). –Technical Specification (Release 12). – 2014.
8. Варюхин С.В., Залесский С.В., Масленников Р.О., Панфилова М.С. Технологии выгрузки мобильного трафика через сети Wi-Fi. – Технологии и средства связи. – № 2. – 2013.
9. Mobile-Edge Computing – Introductory Technical White Paper. http://portal.etsi.org/Portals/0/TBpages/MEC/Docs/MEC%20Executive%20Brief%20v1%2028-09-14.pdf. – September. – 2014.
10. ETSI TS 102 689, V2.1.1. Machine-to-Machine communications (M2M); M2M service requirements. – July. – 2013.
11. ETSI TS 102 690, V2.1.1. Machine-to-Machine communications (M2M); Functional architecture. – October. – 2013.

Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #6, 2014
Посещений: 11910

Автор Георгий Серебряков Директор НИИ Ситроникс, к.ф.-м.н. Всего статей:  1

В рубрику "Центры обработки данных (ЦОД)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций