Cisco và Rakuten xây dựng mạng 5G cải tiến

Sự cần thiết của một mô hình mạng mới

Mô hình xây dựng mạng di động điển hình hiện nay đã lỗi thời. Các nhà khai thác bị hạn chế bởi kiến ​​trúc cũ của nhà cung cấp về cơ bản không thay đổi trong hơn 25 năm qua của mạng di động. Mặc dù các kiến ​​trúc này rất hữu ích trong các thế hệ trước nhưng chúng không phù hợp với môi trường hướng ứng dụng, năng động hơn ngày nay. Các nhà khai thác rất cần một mô hình mới để đảm bảo họ duy trì tính cạnh tranh trong việc cung cấp các dịch vụ mới nhanh hơn, đồng thời giảm cả vốn và chi phí vận hành.

Áp dụng cách tiếp cận lấy phần mềm làm trung tâm mới

Kiến trúc được xác định bằng phần mềm bao gồm ảo hóa và tự động hóa đám mây sẽ giúp các nhà khai thác đáp ứng các nhu cầu vận hành và ứng dụng mới này. Họ sẽ thu được lợi ích từ mạng lưới nhiều nhà cung cấp thực sự được hài hòa với một bộ tính năng chung trên tất cả các thị trường mục tiêu. Với sự ra đời của kiến ​​trúc mới được xác định bằng phần mềm, chuỗi cung ứng để triển khai cơ sở hạ tầng mạng di động sẽ thay đổi ở cấp độ cơ bản. Nó sẽ hỗ trợ mức độ linh hoạt chưa từng có, cho phép người vận hành kết hợp các chức năng tốt nhất từ ​​nhiều nhà cung cấp. Các nhà khai thác cũng có thể phát triển các dịch vụ khi cần thiết để giải quyết nhu cầu của môi trường cạnh tranh.

Bởi vì các kiến ​​trúc mới áp dụng cách tiếp cận lấy phần mềm làm trung tâm nên chúng thúc đẩy tính linh hoạt của dịch vụ và tự động hóa nhiều hơn. Một ví dụ điển hình là các trường hợp sử dụng 5G nhắm vào thị trường ngành dọc và doanh nghiệp. Các dịch vụ này phải được hỗ trợ bằng cách sử dụng các API được thiết kế để quản lý tài nguyên trong mạng hai đầu và sẽ không hoạt động bình thường nếu không tự động hóa mạng. Ngoài ra, nhiều chức năng do phần mềm xác định sẽ xuất hiện trong môi trường ảo hóa tại hoặc gần rìa mạng, điều này cho phép hỗ trợ các loại dịch vụ có độ trễ thấp mới hơn được xác định trong điện toán biên hoặc điện toán biên đa truy cập (MEC). 1

Sách trắng này đề cập đến những hạn chế của các mô hình hiện tại để xây dựng mạng di động sẵn sàng cho 5G. Sau đó nó nêu bật các chiến lược mới và nền tảng kỹ thuật của chúng. Để minh họa trong thế giới thực, chúng tôi trình bày phương pháp tiếp theo của Rakuten Mobile Network Inc. (RMN). RMN đang tạo ra một mô hình kinh doanh hoàn toàn mới được kích hoạt bằng cách áp dụng các kỹ thuật đám mây và tự động hóa theo những cách sáng tạo.

• Cisco C9115AXI-S
• Cisco C9120AXI-S
• Cisco C9130AXI-S
• Cisco C9105AXI-S

Kiến trúc di động đầu cuối mới

Bất kỳ mạng di động đầu cuối mới nào được triển khai ngày nay đều phải áp dụng các nguyên tắc kiến ​​trúc hệ thống 5G cơ bản ngay cả khi mạng đó sử dụng truy cập LTE. Các nhà khai thác nên nắm bắt các nguyên tắc chính làm nền tảng cho kiến ​​trúc hệ thống 5G.

Việc triển khai chức năng nguyên khối như trạm thu phát cơ sở (BTS) là một ví dụ về lý do tại sao chuỗi cung ứng di động hiện tại đã lỗi thời. Với việc triển khai này, các nhà khai thác phải chọn một nhà cung cấp cho mỗi thị trường và hài hòa các thị trường nhà cung cấp vĩ mô thành một bộ tính năng “mẫu số chung thấp nhất”. Kết quả là một bộ ứng dụng hạn chế mà các nhà khai thác có thể cung cấp cho khách hàng của họ. Đôi khi, sự phụ thuộc và tính năng khóa của nhà cung cấp có thể lan truyền sang các miền khác khi các tính năng độc quyền được triển khai. Ví dụ: các thực thể quản lý di động (MME) thường được triển khai với nhà cung cấp RAN và các ô nhỏ thường được ghép nối với RAN macro bằng cách sử dụng các tính năng như HetNet.

Kiến trúc RAN đám mây mới giải quyết những thách thức trong việc xây dựng mạng lưới nhiều nhà cung cấp và hài hòa với một bộ tính năng chung. Một đặc điểm cơ bản là sự phân rã của ngăn xếp xử lý tín hiệu vô tuyến bằng cách sử dụng các phần tách được tiêu chuẩn hóa (xem Hình 1). 2,3

Ngăn xử lý tín hiệu vô tuyến trong cả 5GNR và LTE là một “chuỗi dịch vụ” gồm các chức năng được xử lý tuần tự. Các chức năng này được điều khiển bằng cách sử dụng tín hiệu bắt nguồn từ lõi gói, cụ thể là MME trong lõi gói nâng cao (EPC) và chức năng quản lý truy cập và di động (AMF) trong 5GC. (Nếu bạn không quen với các chức năng và trình tự của chúng trong ngăn xếp này, vui lòng tham khảo “Phân tích ngăn xếp tín hiệu vô tuyến” bên dưới.)

Hình 1. Ngăn xử lý tín hiệu vô tuyến.

Phân rã ngăn xếp xử lý tín hiệu vô tuyến

Chức năng bản đồ phân rã trong ngăn xếp như sau:

1. Giao thức thích ứng phân phối dịch vụ hoặc SDAP (chỉ ở NR), giao thức hội tụ dữ liệu gói (PDCP) và điều khiển tài nguyên vô tuyến (các chức năng điều khiển) đến một thiết bị tập trung (CU). Các chức năng ngăn xếp này là các thao tác ở cấp độ gói (nén tiêu đề, mã hóa qua mạng) không nhạy cảm về thời gian và có thể dễ dàng triển khai trong môi trường ảo hóa. Liên kết đường giữa 8  kết nối CU với DU được xác định bên dưới. Vị trí CU rất lý tưởng để triển khai chức năng mặt phẳng người dùng (UPF) trong các kiến ​​trúc lõi gói được phân tách. Lõi gói được phân tách được gọi là CUPS trong 3GPP R14 và 5GC trong 3GPP R15. 10,11

2. Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC), điều khiển truy cập môi trường (MAC); và các lớp vật lý (PHY) ánh xạ tới một đơn vị phân tán (DU). DU thực hiện việc chuẩn bị quan trọng cho lớp RF bao gồm thích ứng tốc độ, mã hóa kênh, điều chế và lập lịch. Đối với lớp MAC, các chức năng của DU rất nhạy cảm với thời gian vì khối truyền tải có khoảng thời gian truyền (1 ms trong LTE) được tạo ra để lớp PHY tiêu thụ. Liên kết DU tới thực thể hạ lưu được gọi là phía trước và vận chuyển các mẫu RF được số hóa trong miền thời gian hoặc miền tần số.

3. Các chức năng vô tuyến băng cơ sở, chuyển đổi lên xuống và khuếch đại cùng với bất kỳ bản đồ định dạng chùm tia tương tự nào thành một thiết bị từ xa (RU) được triển khai tại trạm di động còn được gọi là đầu vô tuyến từ xa (RRH). Trong một số trường hợp, LO-PHY cũng có thể được tích hợp vào RRH. Giao diện từ DU đến RU thường được triển khai bằng cách sử dụng các tiêu chuẩn giao diện nổi tiếng như CPRI hoặc eCPRI. 9

Việc phân rã và tách biệt các chức năng này, cùng với các giao diện được xác định rõ ràng giữa chúng, cho phép người vận hành tách phần mềm khỏi phần cứng. Người vận hành có thể mua các khả năng phần mềm sẽ thực thi trong phần cứng do nhà cung cấp khác cung cấp. Việc phân chia này là tự nhiên và tương đối đơn giản đối với đơn vị tập trung (CU) vì những chức năng đó có thể dễ dàng được ảo hóa. Việc phân chia Đơn vị phân phối (DU) khó khăn hơn do yêu cầu xử lý thời gian thực của lớp MAC và PHY. Nhiều người trong ngành đặt câu hỏi liệu có thể đạt được những lợi ích của việc ảo hóa cho DU hay không. Cisco và Altiostar đã hoàn thành việc ảo hóa hoàn toàn DU trong các tình huống có sẵn năng lực truyền tải. Khi không thể sử dụng giải pháp ảo hóa, các thiết kế DU kiểu hộp màu trắng sẽ cung cấp chức năng cần thiết.

Việc phân tách và phân tách 5G cho phép chuyển đổi kiến ​​trúc quan trọng sang cơ sở hạ tầng biên kết hợp quản lý thuê bao được phân tách với chức năng truy cập. Sự thay đổi này cũng sẽ áp dụng cho các mạng hữu tuyến với việc ngày càng áp dụng mạng hữu tuyến 5GC (xem Hình 2).

Hình 2. Cơ sở hạ tầng biên.

Khi RAN và lõi bị phân hủy, việc tạo một vị trí trung gian là điều hợp lý. Vị trí này sẽ hợp nhất khối lượng công việc CU và chức năng mặt phẳng người dùng (UPF) từ lõi di động (xem Edge Cloud trong Hình 2). Các UPF được phân phối này hỗ trợ giảm tải, cho phép các dịch vụ ảo hóa cục bộ hoặc kết nối hiệu quả hơn ở cấp đô thị. Cách tiếp cận nền tảng hợp nhất này hỗ trợ khối lượng công việc cơ sở hạ tầng và nhiều khối lượng công việc hướng dịch vụ khác nhau. Những khối lượng công việc này có thể hỗ trợ các dịch vụ giữa doanh nghiệp với doanh nghiệp (B2B), chẳng hạn như hợp đồng thuê nhà được cung cấp cho các doanh nghiệp khác và dịch vụ giữa doanh nghiệp với người tiêu dùng (B2C) để hỗ trợ hoạt động kinh doanh tiêu dùng của nhà điều hành.

Việc phân chia kiến ​​trúc như được mô tả ở trên sẽ tạo ra hai miền truyền tải bổ sung được gọi là đường truyền trước và đường trung gian. Các miền này được triển khai khi phần tách đầu vô tuyến từ xa (RRH)/DU hoặc phần tách CU/DU bị lộ. Trong một số trường hợp, có thể triển khai truyền dẫn trực tiếp qua sợi tối, về cơ bản là vận chuyển các mẫu băng cơ sở trong miền thời gian hoặc miền tần số giữa DU và RU/RRH. Trong các trường hợp khác, phải sử dụng các kỹ thuật truyền tải dựa trên Ethernet, IP hoặc WDM. Midhaul về cơ bản là việc vận chuyển các gói GTP-u và mặt phẳng điều khiển liên quan giữa CU và DU. Loại vận chuyển này có thể dễ dàng thực hiện qua IP.

“Là MNO mới nhất tại Nhật Bản, Rakuten Mobile Network Inc. đã hợp tác với Cisco để thiết kế và cung cấp kiến ​​trúc hệ thống 5G cải tiến ngay từ đầu. Đây rõ ràng là mạng gốc đám mây đầu tiên trên thế giới được ảo hóa hoàn toàn từ RAN đến lõi, với mức độ tự động hóa chưa từng có cho cả mạng và dịch vụ.

Kiến trúc đột phá này sẽ cho phép Rakuten cung cấp một loạt dịch vụ bao gồm thiết bị di động tiêu dùng, NB-IOT, mạng không dây cố định, mọi thứ được kết nối, đa phương tiện, các dịch vụ có độ trễ thấp như AR và VR, v.v. Và tất cả các dịch vụ này sẽ được hưởng lợi từ cơ sở hạ tầng điện toán biên di động độc đáo mang lại trải nghiệm người dùng tốt nhất có thể.”

Tareq Amin, CTO, Rakuten Mobile Network Inc.
Đã đến lúc ngành công nghiệp phải phát triển chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) trước đây và các mô hình dẫn xuất của nó như MPLS hợp nhất. Mặc dù thành công cho đến nay, các kỹ thuật MPLS được đặc trưng bởi sự đa dạng của các mặt phẳng điều khiển tỏ ra quá phức tạp khi mạng phát triển. Việc thu gọn thành một mặt phẳng điều khiển đã được chứng minh là mặt phẳng điều khiển IP và sử dụng các khả năng tăng cường của IPv6 sẽ đơn giản hơn nhiều. Chúng tôi đề xuất cơ sở hạ tầng giao thông trên một mặt phẳng điều khiển duy nhất với kỹ thuật giao thông được hỗ trợ bởi định tuyến phân đoạn. Một điểm mạnh của định tuyến phân đoạn là hợp nhất chuỗi dịch vụ được sử dụng để xây dựng các dịch vụ ảo hóa với kỹ thuật lưu lượng cần thiết trong truyền tải WAN thành một khung truyền tải liền mạch đơn giản.

Phương pháp truyền tải mà chúng tôi đề xuất loại bỏ các giao thức mặt phẳng điều khiển như giao thức phân phối nhãn (LDP) và giao thức dự trữ tài nguyên – kỹ thuật lưu lượng (RSVP-TE), trong đó chúng dư thừa so với những gì IP có thể cung cấp. Nó loại bỏ trạng thái luồng khỏi mạng và vẫn cung cấp một số tùy chọn để triển khai mặt phẳng điều khiển. Các tùy chọn này bao gồm từ triển khai được phân phối đầy đủ đến phương pháp kết hợp trong đó bộ định tuyến và bộ điều khiển mạng được xác định bằng phần mềm (SDN) phân chia chức năng giữa chúng. Cơ sở hạ tầng truyền tải dựa trên định tuyến phân đoạn có thể bao trùm nhiều công nghệ dịch vụ, với các thỏa thuận cấp độ dịch vụ (SLA) dựa trên IP liên quan, bao gồm các công nghệ mạng riêng ảo (VPN) dựa trên BGP, như EVPN và VPNv4/v6, và các công nghệ VPN mạng diện rộng được xác định bằng phần mềm (SD-WAN) mới nổi. 4

Kiến trúc tự động hóa phù hợp với cách tiếp cận mới được mô tả ở đây. Tự động hóa dựa trên mô hình đã nổi lên như một mô hình chính để quản lý cấu hình của các mạng hiện đại. Trong cách tiếp cận dựa trên mô hình, một ngôn ngữ định nghĩa như YANG cung cấp các mô hình cho các thành phần mạng (NE) và cho các dịch vụ có thể triển khai trên các NE đó. 5  Một công cụ cấu hình mạng linh hoạt và có thể lập trình như Cisco Network Services Orchestrator phân tích các mô hình và tạo một khung để định cấu hình mạng bằng NETCONF hoặc các giao diện khác vào NE. Việc cấu hình dịch vụ được thực hiện trực tiếp bằng API RESTful hoặc thậm chí sử dụng các lệnh CLI. 6,7

Quản lý cấu hình dựa trên mô hình sẽ trở nên phổ biến trong môi trường 5G và áp dụng trên tất cả các miền 5G bao gồm RAN, truyền tải, lõi và dịch vụ. Chi phí vận hành (OpEx) được giảm thông qua tự động hóa không chạm. Ngoài lợi ích của OpEx, mạng hoàn toàn tự động là điều kiện tiên quyết để hỗ trợ API, điều này rất quan trọng để dễ dàng sử dụng mạng 5G từ các bên khác.

API là trọng tâm của mọi chiến lược 5G. Một bộ API quen thuộc được mài giũa kỹ lưỡng là một phương tiện hấp dẫn để tạo doanh thu trong nền kinh tế ngày càng bị chi phối bởi các mối quan hệ B2B. Một bộ API cho phép doanh nghiệp sử dụng các dịch vụ 5G như Mạng dưới dạng dịch vụ (NaaS) giúp xây dựng một kênh có giá trị trong các ngành dọc. Cắt mạng là lĩnh vực chính của việc hỗ trợ API và API đóng vai trò then chốt. Trong phân chia mạng, cơ sở hạ tầng của nhà điều hành được chia thành nhiều hợp đồng thuê, mỗi hợp đồng có sự cách ly và dành riêng cho một dịch vụ cụ thể.

Phân rã và phân hủy

Ý tưởng phân tách, ảo hóa và phân rã các thành phần và chức năng khác nhau trong mạng cũng như trong kiến ​​trúc mạng tổng thể đã mở ra nhiều khả năng thú vị mới cho các nhà khai thác. Trong kiến ​​trúc di động đầu cuối mới và đang phát triển, ý tưởng phân tổ và phân rã đang được áp dụng theo nhiều cách với nhiều ưu điểm.

Phân chia phần cứng và phần mềm so với thiết bị nguyên khối
Công nghệ đám mây và ảo hóa đã cho phép các nhà khai thác phân tách phần mềm khỏi phần cứng cơ bản. Mô hình này mang lại những lợi ích như:

Tính linh hoạt và thời gian tiếp thị để bổ sung các chức năng, tính năng hoặc dịch vụ mới.
Hệ sinh thái nhà cung cấp rộng hơn và cởi mở hơn, cho phép đổi mới nhanh hơn và giảm chi phí.
Đổi mới nhanh chóng về phần cứng và phần mềm với khả năng mở rộng quy mô độc lập.
Tiềm năng tận dụng phần cứng phổ biến, cho phép tái sử dụng và mở rộng quy mô để hỗ trợ nhiều ứng dụng.
Khả năng hợp nhất các SKU phần cứng từ hàng trăm hoặc hàng nghìn đến dưới 10.
Phân tách các chức năng với các giao diện và phân chia được xác định rõ ràng
Phân rã chức năng cho phép linh hoạt hơn nữa ngoài việc phân chia phần cứng và phần mềm. Việc phân rã mặt phẳng điều khiển và người dùng cho lõi gói phát triển là một ví dụ và việc phân tách các chức năng vô tuyến thành RRH/RU, DU và CU được nêu trước đó là một ví dụ khác. Sự phân hủy làm cho nó có thể:

Đặt các chức năng bị phân tách ở các loại vị trí tối ưu nhất. Ví dụ: mặt phẳng người dùng của lõi gói phát triển có thể được đặt gần người dùng hơn trong khi mặt phẳng điều khiển vẫn tập trung. Khả năng này là yếu tố hỗ trợ cơ bản cho các kiến ​​trúc mới như MEC.
Chia tỷ lệ từng chức năng một cách độc lập, bao gồm CP hoặc UP cho EPC hoặc DU và CU cho radio.
Đẩy các chức năng mặt phẳng người dùng đến gần hơn trong khi vẫn giữ các chức năng điều khiển tập trung hơn để kích hoạt các khả năng mới với sự phối hợp và đạt được tối ưu hóa chi phí tốt hơn.
Thúc đẩy một hệ sinh thái đa nhà cung cấp và cởi mở hơn để thúc đẩy đổi mới nhanh hơn và giảm chi phí.

Đám mây RAN

Để giúp nhà điều hành được hưởng lợi từ cách tiếp cận của nhiều nhà cung cấp, việc triển khai phần mềm của các chức năng RAN cần được tách ra khỏi phần cứng. Các chức năng CU của việc triển khai RAN trên nền tảng đám mây có thể được khởi tạo trên máy chủ Intel x86 được sản xuất hàng loạt. Các chức năng được ảo hóa trên khung phần mềm ảo hóa chức năng mạng cấp nhà cung cấp dịch vụ (NFV). Các chức năng DU, dựa trên tính khả dụng của loại phương tiện truyền tải, có thể được ảo hóa trên nền tảng NFV tương tự hoặc có thể được triển khai dưới dạng chức năng mạng trên máy chủ Intel x86 gần trạm di động.

Một cụm thiết bị vô tuyến từ xa (RRU) có thể được tổng hợp thành DU. Ngược lại, nhiều DU có thể được tổng hợp thành CU. Kiến trúc giải pháp cho phép nhà điều hành mở rộng quy mô mạng của họ khi số lượng ô, lớp MIMO, tần số và dung lượng người dùng tăng lên. Trong trường hợp cả hai chức năng DU và CU đều được ảo hóa, việc mở rộng quy mô có thể đòi hỏi phải khởi tạo nhiều chức năng CU (vCU) hoặc DU (vDU) ảo hóa hơn dưới dạng các chức năng mạng ảo (VNF) trên nền tảng NFV hoặc có thể đòi hỏi phải tăng quy mô khả năng xử lý của một VNF ​​hiện có.

Hình 3. Khả năng mở rộng mạng Cloud RAN

Việc tách phần cứng băng cơ sở khỏi phần mềm mang lại sự linh hoạt. Các nhà khai thác có thể chọn triển khai các giải pháp tốt nhất về RRU, phần cứng và phần mềm băng cơ sở. Xây dựng kiến ​​trúc RAN trên đám mây có nhiều lợi ích vì nó thay đổi căn bản cách mua sắm, xây dựng và vận hành mạng. Dưới đây là một số lợi ích:

Hiệu quả vận hành và giảm tình trạng xe lăn bánh đến địa điểm di động bằng cách cung cấp, vận hành và quản lý các dịch vụ chỉ bằng phần mềm.
Tính linh hoạt, tốc độ đổi mới và thời gian nhanh chóng để kiếm tiền từ dịch vụ, đồng thời giảm chi phí cho mỗi người dùng và chi phí cho mỗi đơn vị hiệu suất.
Phân vùng hiệu quả các chức năng và tài nguyên mạng để hỗ trợ các trường hợp sử dụng 5G như băng thông rộng di động nâng cao, độ trễ thấp cực kỳ đáng tin cậy (URLLC) và Internet-of-Things (IoT) bằng cách sử dụng các công nghệ như mạng được xác định bằng phần mềm, điện toán biên, dịch vụ chuỗi chức năng và điều phối dịch vụ.
Không cần phải cung cấp trước tài nguyên băng cơ sở trong mạng RAN trên đám mây để đạt được dung lượng tối đa của trang web. Bằng cách tính đến lợi ích tổng hợp, tài nguyên băng cơ sở được cung cấp cho hồ sơ lưu lượng truy cập của toàn bộ mạng. Các cấu hình lưu lượng truy cập này có thể được tăng hoặc giảm trong thời gian sử dụng vào giờ cao điểm hoặc trong trường hợp có lưu lượng truy cập cao.
Khả năng mở rộng để thích ứng nhanh chóng và tiết kiệm chi phí với các cấu trúc liên kết mạng và trường hợp sử dụng khác nhau.
Tính khả dụng và độ tin cậy của mạng nâng cao đã được tích hợp trong các công nghệ NFV như OpenStack, trình quản lý cơ sở hạ tầng ảo và bộ điều phối dịch vụ.
Phân chia phần cứng khỏi phần mềm bằng cách sử dụng phần cứng thương mại có sẵn, mật độ xử lý cao và giao diện mở.
Hỗ trợ các thuật toán nâng cao như tập hợp sóng mang đa điểm và liên vùng.

Đám mây viễn thông phân tán và tự động hóa

Nền tảng đám mây viễn thông phân tán hoàn toàn tự động có thể giúp các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông ngày nay phát triển thành nhà cung cấp dịch vụ kỹ thuật số trong tương lai. Đám mây viễn thông phân tán về cơ bản là cơ sở hạ tầng viễn thông ảo hóa được xây dựng bằng trung tâm dữ liệu, đám mây và công nghệ ảo hóa; trải dài từ các DC viễn thông tập trung cho đến hàng trăm-1000 địa điểm biên gần hơn với người tiêu dùng. Chúng được kết nối với nhau bằng mạng WAN có thể lập trình với chính sách chung và tính năng tự động hóa đầu cuối giúp cung cấp các API phong phú ở hướng bắc. Cách tiếp cận này cho phép cung cấp một bộ dịch vụ ở quy mô đám mây với các hoạt động linh hoạt và dễ sử dụng.

Hình 4 cho thấy khung kiến ​​trúc của nền tảng đám mây viễn thông phân tán có kiến ​​trúc mô-đun, được liên kết lỏng lẻo, trong đó việc tích hợp giữa các lớp được điều khiển bằng cách sử dụng các API mở và mô hình dữ liệu. Tính mô-đun của kiến ​​trúc này cho phép tuân thủ mọi yêu cầu phân chia. Sự ghép nối lỏng lẻo giữa các lớp đảm bảo sự cô lập, khả năng phân tách, tính linh hoạt và tính mở. Mỗi lớp của kiến ​​trúc có khả năng hỗ trợ mô hình triển khai đa nhà cung cấp.

Hình 4. Khung kiến ​​trúc.

Kiến trúc có khả năng mở rộng cao bao gồm các hoạt động triển khai bao gồm các DC viễn thông trung tâm và khu vực, cùng với các vị trí biên mới nổi. Biên thường có tính phân tán cao và được nhắm mục tiêu cho các loại vị trí như văn phòng trung tâm, tập hợp hoặc văn phòng chuyển mạch di động và trung tâm hoặc tập hợp C-RAN.

Mạng truyền tải có thể lập trình cung cấp khả năng kết nối được thiết kế an toàn và tối ưu giữa các địa điểm của nền tảng đám mây phân tán. Khả năng lập trình của mạng truyền tải, được hỗ trợ bởi danh mục định tuyến dựa trên iOS XR- và IOS XE của Cisco, đảm bảo rằng nền tảng ảo hóa và hệ thống điều phối và tự động hóa lớp trên có thể tương tác linh hoạt với nó. Nó tạo ra các cấu trúc mặt phẳng chuyển tiếp và điều khiển tối ưu, thực hiện quản lý tài nguyên và cho phép phân bổ động các tài nguyên mạng như đường dẫn được thiết kế lưu lượng và các lát mạng.

Nền tảng ảo hóa là nền tảng của khung và trong Hình 4 được mô tả dưới dạng NFVI hoặc cloudlets. Đó là sự kết hợp giữa phần cứng, chẳng hạn như điện toán, lưu trữ và mạng, cùng với phần mềm ảo hóa được tích hợp với nhau trong một ngăn xếp đã được xác thực để tạo ra cơ sở hạ tầng ảo hóa chung có thể lưu trữ nhiều khối lượng công việc khác nhau. Khối lượng công việc có thể là chức năng mạng (NF), ứng dụng điện toán biên hoặc cuối cùng là ứng dụng CNTT. Mô hình ảo hóa có thể sử dụng máy ảo hoặc vùng chứa có kiến ​​trúc microservice.

NFVI hoặc các đám mây nhỏ trong nền tảng này có thể được kích hoạt bằng giải pháp Cơ sở hạ tầng ảo hóa chức năng mạng (NFVI) của Cisco được hỗ trợ bởi Trình quản lý cơ sở hạ tầng ảo của Cisco (CVIM). CVIM cung cấp các tính năng quản lý vòng đời và điều phối đám mây phong phú với công cụ vận hành mở rộng để mang lại khả năng hiển thị sâu và OAM cho khung này. Cisco VIM hỗ trợ giải pháp NFVI cấp nhà cung cấp dịch vụ được xây dựng trên kiến ​​trúc dựa trên tiêu chuẩn với nhiều thành phần nguồn mở khác nhau như OpenStack, KVM, Linux, Docker, Kubernetes, OVS, DPDK và fd.io. Cisco NFVI được thiết kế để hỗ trợ nhiều dấu chân tối ưu khác nhau tùy thuộc vào loại vị trí, tính sẵn có của tài nguyên, các ràng buộc vật lý và yêu cầu ứng dụng. Nó có thể hỗ trợ mọi thứ từ các địa điểm lớn như trung tâm dữ liệu trung tâm, cho đến các địa điểm nhỏ hơn như văn phòng trung tâm hoặc trung tâm RAN đám mây/tổng ​​hợp trước. Số lượng máy chủ có thể dao động từ hơn 100 máy chủ ở dạng lớn nhất cho đến ba máy chủ ở dạng tối thiểu. Tất cả các dấu chân đều có cùng tính khả dụng, hiệu suất, khả năng phục hồi, bảo mật và khả năng vận hành.

Những NFVI hoặc đám mây nhỏ có tính phân tán cao này có thể tạo ra thách thức lớn về quản lý và vận hành. Mặc dù mỗi NFVI hoặc cloudlet hoàn toàn tự động điều khiển hoạt động của mình nhưng một số khả năng nhất định như quản lý lỗi và hiệu suất, cùng với quản lý vòng đời cần phải được thống nhất. Kiến trúc cung cấp một lớp trên NFVI hoặc đám mây nhỏ được phân phối với một bộ khả năng quản lý và vận hành chung trên nền tảng và tất cả các loại vị trí. Nó bao gồm bảo mật và chính sách chung, quản lý vòng đời toàn diện, quản lý tài nguyên nhận biết ứng dụng, công cụ DevOps và OAM cũng như đảm bảo cơ sở hạ tầng thông qua một ngăn duy nhất có khả năng quản lý nhiều trang.

Việc điều phối dịch vụ được hiển thị ở đầu Hình 4 cung cấp khả năng kết nối mạng theo mục đích bằng cách thực hiện việc điều phối dịch vụ đa miền và nhiều nhà cung cấp. Người dùng thể hiện ý định và người điều phối sẽ dịch nó sang ngôn ngữ mà các thành phần bên dưới có thể hiểu được. Quản lý tài nguyên phân tán, quản lý năng lực đa miền, phân tích cấp độ dịch vụ, đảm bảo, giao diện với các yếu tố khác như cổng thông tin hoặc hệ thống hỗ trợ hoạt động (OSS) sẽ được phân phối ở lớp này để cung cấp kiến ​​trúc từ đầu đến cuối.

Lớp điều phối dịch vụ được triển khai với Bộ điều khiển dịch vụ đàn hồi của Cisco (ESC) với tư cách là Trình quản lý VNF chung và Bộ điều phối dịch vụ mạng của Cisco (NSO) với tư cách là người điều phối NFV cùng với giải pháp đảm bảo dịch vụ. Cisco ESC, một VNFM có khả năng đa VIM và đa đám mây, cung cấp khả năng quản lý vòng đời VNF phong phú cho cả Cisco và VNF bên thứ ba. Nó có thể được triển khai theo cặp có tính sẵn sàng cao cho một địa điểm lớn hơn hoặc ở dạng phân tách hỗ trợ nhiều địa điểm nhỏ hơn với tính năng giám sát VNF ​​ở từng địa điểm nhỏ hơn để tăng độ tin cậy và quy mô. Cisco NSO dựa trên mô hình, có khả năng đa nhà cung cấp và đa thiết bị. Nó hỗ trợ các chức năng vật lý và ảo, đồng thời cung cấp khả năng điều phối phong phú cho NFV, cũng như các miền khác như truyền tải/WAN có thể lập trình và trung tâm dữ liệu. Trong kiến ​​trúc đám mây viễn thông phân tán, nên triển khai NSO nhiều lớp để đảm bảo tính mô đun và phân định hoạt động. Trong cấu hình này, các lớp thấp hơn thực hiện điều phối miền riêng lẻ (WAN, DC, cloudlets) trong khi NSO lớp trên kiểm soát các bộ điều phối lớp thấp hơn khác nhau để cung cấp khả năng phối hợp tên miền chéo từ đầu đến cuối. Các API hướng bắc phong phú được hiển thị từ lớp trên tới OSS, hệ thống hỗ trợ doanh nghiệp (BSS) và các đối tác bên thứ ba để đảm bảo sử dụng dễ dàng nền tảng đám mây viễn thông phân tán.

Tổng quan về mạng di động Rakuten

Rakuten Inc., một công ty dịch vụ internet có trụ sở tại Nhật Bản, là công ty hàng đầu thế giới về thương mại điện tử và công nghệ tài chính. Nó cũng cung cấp các dịch vụ truyền thông như video vượt trội, truyền hình trực tiếp, âm nhạc, sách điện tử và nhắn tin trên mạng xã hội. Rakuten Mobile Network (RMN), một công ty con thuộc sở hữu hoàn toàn của Rakuten Inc., là nhà khai thác mạng di động mới nhất tại Nhật Bản. Họ có kế hoạch ra mắt các dịch vụ thương mại của mình vào tháng 10 năm 2019 với kiến ​​trúc đổi mới nhằm phá vỡ bối cảnh ngành viễn thông trên toàn cầu.

Áp dụng kiến ​​trúc hệ thống 5G ngay từ đầu, đây sẽ là mạng đám mây đầu tiên trên thế giới được ảo hóa hoàn toàn từ RAN đến lõi với tính năng tự động hóa đầu cuối cho cả mạng và dịch vụ. Truy cập vô tuyến ban đầu sẽ là 4G LTE (vĩ mô và tế bào nhỏ) và Wi-Fi; với kế hoạch bổ sung công nghệ vô tuyến 5G vào đầu năm 2020 trước Thế vận hội Mùa hè. Kiến trúc đột phá này sẽ cho phép RMN cung cấp một loạt dịch vụ bao gồm di động tiêu dùng, IOT băng thông hẹp, đa phương tiện và các dịch vụ có độ trễ thấp bao gồm thực tế ảo và tăng cường. Tất cả các dịch vụ sẽ được hưởng lợi từ kiến ​​trúc MEC đổi mới mang lại trải nghiệm khác biệt cho người dùng.

Hình 5 minh họa kiến ​​trúc cấp cao và đơn giản hóa do RMN thiết lập.

Hình 5. Kiến trúc mạng Rakuten.

Ảo hóa hoàn toàn với đám mây viễn thông phổ biến và phân tán (1)

Hầu hết các sự xuất hiện hiện nay của các đám mây viễn thông đều là sự khởi tạo riêng biệt của các chức năng mạng. Ngược lại, RMN đang triển khai đám mây viễn thông chung, ngang và cấp nhà mạng cho tất cả các ứng dụng ảo hóa từ RAN đến lõi. Nó sử dụng lớp quản lý cơ sở hạ tầng NFV chung sẽ được triển khai theo cách phân tán cao trên hàng nghìn địa điểm từ biên đến trung tâm dữ liệu tập trung. Cách tiếp cận cơ sở hạ tầng hội tụ này mang lại hiệu quả cao, giảm chi phí, vận hành đơn giản, tốc độ cung cấp dịch vụ và khả năng mở rộng quy mô tối ưu.

Trình quản lý cơ sở hạ tầng ảo của Cisco (VIM) chạy trên Máy chủ x86 với công nghệ Intel, kết hợp với cấu trúc chuyển mạch dựa trên Cisco Nexus và ACI, tạo thành nền tảng của đám mây viễn thông phân tán này. RMN có kế hoạch tích hợp nhiều ứng dụng ảo hóa trên nền tảng này bao gồm: Altiostar vRAN, Cisco vEPC, Nokia và Mavenir vIMS, InnoEye OSS, Netcracker BSS và nhiều VNF khác liên quan đến bảo mật và sGi-LAN.

Các chức năng cốt lõi của gói được cung cấp bởi Nền tảng dịch vụ Cisco Ultra hàng đầu trong ngành. Việc tách biệt mặt phẳng điều khiển và người dùng là yếu tố hỗ trợ chính giúp kiến ​​trúc này cung cấp khả năng điện toán biên đa truy cập (MEC) có thể mở rộng. Cisco Ultra kích hoạt CUPS ngay từ ngày đầu trong Mạng di động Rakuten và có khả năng linh hoạt mở rộng quy mô các chức năng một cách độc lập đồng thời đặt nền tảng để dễ dàng di chuyển sang kiến ​​trúc hệ thống 5G đầy đủ.

RAN mở, ảo hóa và phân tách (2)

RAN mở và ảo hóa là tâm điểm trong chiến lược kỹ thuật của RMN. Đây sẽ là mạng đầu tiên ra mắt giải pháp RAN ảo hóa hoàn toàn từ Altiostar Networks. Kiến trúc giải pháp cho phép phân chia hai lớp bằng cách sử dụng truyền dẫn trực tiếp từ vị trí ô tới các vị trí tổng hợp trước, nơi lớp dưới của ngăn xếp vô tuyến được lưu trữ trên DU ảo hóa (vDU). Lớp trên của ngăn xếp vô tuyến được lưu trữ trên CU ảo hóa được kết nối với vDU bằng giao diện trung gian.

Mặc dù các giải pháp CU ảo hóa đã tồn tại trong ngành được một thời gian nhưng đây là lần triển khai thương mại đầu tiên chức năng DU được ảo hóa hoàn toàn cho RAN macro 4G LTE. Với các yêu cầu về quy mô và hiệu suất thời gian thực nghiêm ngặt cần thiết để xử lý tín hiệu RF kỹ thuật số, việc ảo hóa chức năng DU để triển khai ở cấp độ sản xuất không hề đơn giản.

DU ảo hóa hoàn toàn đầu tiên này đã kết hợp với Rakuten nhờ sự đổi mới và cộng tác từ nhiều công ty hàng đầu trong ngành trong hệ sinh thái đối tác Open vRAN, bao gồm Altiostar Networks với giải pháp phần mềm vRAN, Cisco Systems với VIM, ESC, NSO, chuyển mạch Nexus và Định tuyến NCS 5500 giải pháp, Intel với dòng CPU Xeon, NIC, công nghệ FPGA để tăng tốc và khung phần mềm FlexRAN, cũng như Red Hat với các giải pháp RHEL và OSP.

Hình 6 mô tả sơ đồ cấp cao của kiến ​​trúc RAN cho RMN.

Hình 6. Kiến trúc RAN.

Kiến trúc cho phép một trạm di động tinh gọn cho RMN bao gồm ăng-ten và đầu vô tuyến từ xa. Nó hỗ trợ xử lý vô tuyến phối hợp để tăng hiệu quả phổ tần, tạo điều kiện mở rộng quy mô và hiển thị các API mở cho phép nhiều nhà cung cấp tham gia và đóng góp.

Hình 7. Triển khai đơn giản hóa.

Kiến trúc cho phép RMN giảm đáng kể chi phí vốn. Nó cũng giảm thời gian và chi phí xây dựng địa điểm, tăng khả năng thành công trong việc mua lại địa điểm và cho phép điều phối và phủ sóng tốt hơn, đặc biệt là ở khu vực nông thôn.

Điện toán biên đa truy cập (3)

Kiến trúc biên cải tiến của RMN sử dụng vRAN, lõi gói điều khiển và mặt phẳng người dùng (CUPS) và đám mây viễn thông phân tán. Nó cho phép MEC thực hiện cả chức năng cơ sở hạ tầng và nhiều dịch vụ có độ trễ thấp và tập trung vào nội dung. Ví dụ về các dịch vụ như vậy bao gồm phân phối nội dung được tối ưu hóa, truyền hình trực tiếp, ô tô được kết nối, thực tế ảo và tăng cường, chơi trò chơi trực tuyến, sân vận động được kết nối, v.v. Trong khi những người khác đang xem xét các khả năng tương tự mà 5G mang lại, RMN sẽ khai thác những cơ hội này với cả 4G và 5G để mang lại trải nghiệm tốt nhất có thể cho người dùng.

Kiến trúc hệ thống 5G từ ngày đầu tiên (4)

RMN hiện đang triển khai kiến ​​trúc hệ thống 5G với ảo hóa/NFV, vRAN, SDN, tự động hóa, lõi gói CUPS, điện toán biên, phân chia, chia tỷ lệ và dung lượng vốn có của kiến ​​trúc RMN. Kiến trúc này tạo ra nền tảng giúp dễ dàng bổ sung khả năng 5G thông qua nâng cấp phần mềm, từ đó có thể giảm thời gian đưa sản phẩm ra thị trường.

Kiến trúc truyền tải/truyền tải di động IPv6 hỗ trợ 5G (5)

Được hỗ trợ bởi bộ định tuyến Cisco NCS 5500 với giải pháp dựa trên iOS XR, mạng truyền tải đường trục di động của RMN được xây dựng với dung lượng và quy mô 5G. Lõi của mạng sẽ có dung lượng đa terabit. Nhiều băng thông 100G sẽ được cung cấp cho mạng tổng hợp trạm di động, trái ngược với phần còn lại của thế giới đã triển khai mạng dựa trên 1G hoặc 10G. Mạng dựa trên IPv6 với đường dẫn di chuyển sang định tuyến phân đoạn IPv6, điều này sẽ cho phép khả năng mở rộng và tránh các chức năng dịch địa chỉ tốn kém và phức tạp khi vận hành.

Cấu trúc trung tâm dữ liệu khu vực và tập trung hỗ trợ SDN cho 5G (6)

Cấu trúc trung tâm dữ liệu được xác định bằng phần mềm trung tâm và khu vực của RMN được cung cấp bởi Cisco ACI và sẽ lưu trữ một loạt các dịch vụ cốt lõi và biên. Chúng được thiết kế với mục tiêu 5G và được xây dựng như những trung tâm cung cấp dịch vụ linh hoạt. Chúng có dung lượng hàng chục terabit, quy mô ngang, tự động hóa và phân tích.

SKU phần cứng phổ biến (7)

Một vấn đề phổ biến trong toàn ngành là các nhà khai thác thường duy trì hàng trăm SKU cho thiết bị trong mạng của họ. RMN đã tiêu chuẩn hóa ít hơn 10 SKU. Việc giới hạn SKU cho phép tiêu chuẩn hóa cơ sở hạ tầng, dễ dàng mở rộng quy mô, đơn giản hóa hoạt động và quản lý phụ tùng dễ dàng hơn trong khi vẫn duy trì sự cân bằng hợp lý giữa chi phí và hiệu suất.

Cơ sở hạ tầng đầu cuối và tự động hóa dịch vụ (8)

Tự động hóa là mục tiêu cơ bản của chiến lược RMN. Cisco NSO cùng với hệ thống quản lý phần tử (EMS) và các công cụ OSS đang hỗ trợ tự động hóa. Tất cả các thành phần cơ sở hạ tầng mạng, cùng với các dịch vụ, đều được tự động hóa trong RMN để thực hiện triển khai ban đầu và quản lý vòng đời liên tục. Điều này làm giảm OpEx và giảm thiểu sự kiểm soát của con người trong việc triển khai và vận hành mạng so với nhà điều hành truyền thống. Nó cũng giúp tránh các vấn đề do lỗi của con người gây ra và tạo điều kiện phản ứng nhanh hơn với các vấn đề, cuối cùng mở đường cho quá trình tự động khắc phục.

OSS/BSS hợp nhất (9)

Các silo OSS là một vấn đề quan trọng khác đối với nhiều nhà khai thác truyền thống. RMN đã áp dụng chiến lược OSS thống nhất trong đó một lớp OSS/BSS duy nhất, được cung cấp bởi InnoEye OSS và Netcracker BSS, sẽ được sử dụng để cho phép quản lý chức năng và dịch vụ đa miền thực sự.

Mô hình kinh doanh mới (10)

Kiến trúc mở, tự động và được xác định bằng phần mềm RMN cho phép tạo ra một hệ sinh thái nhà cung cấp mới có thể mang lại sự đổi mới cao hơn và các dịch vụ mới với chi phí thấp hơn so với các hệ thống truyền thống.

Thúc đẩy trải nghiệm khách hàng gốc trên nền tảng đám mây (CX)

Nhóm Cisco CX đóng vai trò quan trọng trong việc ươm tạo kiến ​​trúc dành cho đám mây Rakuten. Nhóm CX đã thành lập văn phòng quản lý kiến ​​trúc và chương trình (PAMO) chịu trách nhiệm thiết kế toàn diện, xác thực giải pháp, tự động hóa thử nghiệm cũng như triển khai và quản lý khối lượng công việc. Trọng tâm chính là sự thành công của chương trình dựa trên kết quả. Chúng tôi đang triển khai các công cụ và phương pháp mới bằng cách sử dụng tính năng tích hợp và triển khai liên tục.

Tự động hóa tích hợp là yêu cầu chính để quản lý mạng thế hệ tiếp theo này. Nhóm CX đã phát triển tính năng tự động hóa vòng kín hoàn chỉnh với khả năng quản lý vòng đời hoàn chỉnh bằng cách sử dụng Bộ điều phối dịch vụ mạng và Bộ điều khiển dịch vụ đàn hồi cho hơn 100 loại VNF (hơn 50.000 phiên bản) trong mạng của Rakuten. Nhóm cũng đã triển khai triển khai RAN ảo hóa hoàn toàn tự động đầu tiên trên thế giới, giúp giảm thời gian triển khai một trang web radio xuống chỉ còn vài phút trong vài tuần. Nó cho phép quản lý hơn 150.000 trang web vô tuyến vĩ mô và tế bào nhỏ mà không cần can thiệp thủ công.

CX đang xác định lại phương pháp phân phối phần mềm của các giải pháp mạng di động ảo hóa cho Rakuten bằng khung kiểm tra được xác định bằng phần mềm. Nó tích hợp việc phân phối thống nhất tất cả VNF từ Cisco và các đối tác của chúng tôi tới phòng thí nghiệm giải pháp của Rakuten một cách linh hoạt. Các KPI được ghi lại trong cổng thông tin bao gồm tình trạng, giấy phép, dự trữ tài nguyên và thẻ điểm nhà cung cấp. Chúng tôi đang triển khai các nền tảng phần mềm tại chỗ để tăng tốc phát triển và tiến hóa (SPADE) với các công cụ CICD được sử dụng trong CX với hơn 300 khách hàng như một phần mở rộng cho Rakuten. Nó cho phép Rakuten tiếp cận với các nhóm Kỹ thuật của Cisco để tinh chỉnh và nhận các tính năng cải tiến bằng cách sử dụng mô hình phân phối linh hoạt.

Bảo mật được thiết kế dựa trên nguyên tắc “không tin cậy, không chạm”, ngụ ý bảo mật vô hình với sự tự động hóa hoàn toàn. Đội ngũ CX đã triển khai các công cụ bảo mật được tích hợp vào VNF nên được tích hợp vào giải pháp tổng thể. Bảo mật di chuyển cùng với tính di động của khối lượng công việc để mọi giao dịch giữa tất cả các thực thể của mạng đều được bảo mật, đồng thời giảm thiểu gánh nặng vận hành bằng cách làm cho các cấu trúc bảo mật này trở nên minh bạch đối với tất cả người dùng cuối.

Cuối cùng cũng có nỗ lực xác định tổ chức và mô hình cho hoạt động đám mây. Mục tiêu là quản lý vòng đời của mạng trong khi vẫn duy trì đội ngũ nhân viên hoạt động ổn định với quy mô nhỏ. Chúng tôi đang sử dụng hệ thống DevOps với các biện pháp kỹ thuật đảm bảo độ tin cậy của trang web và hoạt động đám mây phân tán để tự quản lý toàn bộ cơ sở hạ tầng.

Chuyển đổi dựa trên phần mềm

Ngành công nghiệp di động và chuỗi cung ứng của nó đang trên đà chuyển đổi lớn. Sự chuyển đổi này được điều khiển bằng phần mềm và sẽ mang lại kiến ​​trúc mạng di động linh hoạt và hiệu quả hơn. Kiến trúc di động mới được xây dựng trên hai ý tưởng. Đầu tiên, nguyên tắc phân chia, đó là quan điểm cho rằng phần mềm có thể được mua riêng biệt với phần cứng. Và thứ hai, nguyên tắc phân rã, tách các hệ thống nguyên khối trước đây thành nhiều chức năng có thể được triển khai theo cách tốt nhất để đáp ứng các yêu cầu kinh doanh của nhà điều hành trong khi sử dụng các giao diện tiêu chuẩn.

Kiến trúc di động được giải mã có thể được triển khai trên mạng và có thể được xây dựng bằng nhiều nhà cung cấp. Hiệu ứng thực sự là một mạng lưới có tính năng hài hòa, về cơ bản và vốn có nhiều nhà cung cấp. Trong mạng di động mới này, tính năng tự động hóa được tích hợp sẵn bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận dựa trên mô hình cũng hỗ trợ hỗ trợ API cho các khả năng B2B và NaaS. Các trang web biên đóng một vai trò nổi bật khi các đám mây được triển khai để hỗ trợ dịch vụ vô tuyến tốt hơn. Những trang web biên này trở thành vị trí cơ sở cho các dịch vụ điện toán biên.

Tương lai bắt đầu ngay bây giờ. Kiến trúc mạng di động mới này ngày nay có thể được hiện thực hóa cho 5GNR hoặc LTE và các nhà khai thác có thể chọn nhiều con đường khác nhau để đạt được điều đó. Các bước đi thận trọng sẽ cho phép cung cấp dịch vụ linh hoạt hơn với chi phí giảm, dẫn đến tăng khả năng cạnh tranh và lợi nhuận đồng thời mang lại trải nghiệm chất lượng vượt trội.