Introduzione
Edge computing in 3GPP sta diventando sempre più importante con l'evoluzione delle reti 5G. Con la crescita esponenziale del traffico dati mobile dovuta alle applicazioni IoT, AR/VR e video ad alta definizione, gli operatori di rete devono affrontare la duplice sfida di ridurre la latenza e aumentare la flessibilità della rete. Per affrontare queste sfide, 3GPP introdotto CUPS (Separazione dei piani di controllo e utente) nella release 14 dell'EPC (Evolved Packet Core).
CUPS consente funzioni del piano di controllo (CP) e del piano utente (UP) di scalare in modo indipendente e di essere distribuiti più vicino alle stazioni base o ai nodi edge. Separando questi piani, gli operatori possono ottimizzare l'instradamento dei dati, ridurre la latenza end-to-end e fornire servizi più affidabili, soprattutto per le applicazioni che richiedono una risposta in tempo reale. Questa architettura getta anche le basi per le future edge computing in 3GPP, consentendo agli operatori di implementare servizi distribuiti senza impattare sulla rete principale esistente.
Panoramica dell'Edge Computing in 3GPP
L'obiettivo primario di edge computing in 3GPP è quello di migliorare le prestazioni della rete spostando le funzioni del piano utente più vicino all'utente finale. Questo approccio riduce il carico sugli elementi di rete centralizzati e consente di fornire servizi a bassa latenza.
Separando CP e UP, gli operatori possono distribuire i nodi del piano utente in modo flessibile:
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Sul bordo della rete vicino alle stazioni base 4G/5G per ridurre la latenza.
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In luoghi distribuiti per il bilanciamento del carico e l'ottimizzazione regionale.
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Centralmente per gli scenari in cui è preferibile un controllo centralizzato.
Questa flessibilità è particolarmente importante per le applicazioni sensibili alla latenza, come i veicoli autonomi, l'automazione industriale, la realtà aumentata e l'analisi in tempo reale. La separazione consente inoltre di scalare in modo indipendente le funzioni CP e UP, il che significa che gli operatori possono gestire l'aumento del traffico di dati senza sovraprovisionare l'intera rete.
Separazione CP/UP in EPC
Nel Architettura CUPS, i principali nodi EPC, tra cui Gateway di servizio (S-GW), Gateway a pacchetti (P-GW), e Funzione di rilevamento del traffico (TDF)-vengono suddivisi in entità separate del piano di controllo e del piano utente. Questa separazione introduce diversi cambiamenti nella rete:
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Moduli indipendenti: Ogni S-GW, P-GW e TDF ha moduli CP e UP separati.
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Nuove interfacce: L'interfaccia Sx collega i nodi CP e UP, garantendo un coordinamento adeguato.
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Modifiche all'interfaccia: Le interfacce esistenti vengono divise (ad esempio, S2a → S2a-C per il controllo e S2a-U per il piano utente) o mantenute se la differenziazione funzionale non è necessaria (ad esempio, S12, Gx, Gy).
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Distribuzioni parziali o unite: Gli operatori possono separare alcuni nodi e mantenerne altri combinati, oppure unire CP e UP in un'unica entità quando si desidera efficienza operativa.
Questa flessibilità nell'implementazione dell'architettura è un fattore chiave per edge computing in 3GPP, in quanto consente agli operatori di collocare le funzioni del piano utente dove sono più efficaci, in base alla latenza, alla domanda di traffico e ai requisiti di servizio.
Cambiamenti funzionali in S-GW, P-GW e TDF
Dopo la separazione CP/UP, i ruoli e le responsabilità di ciascun modulo vengono ridistribuiti:
S-GW
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S-GW-U sono completamente controllate da S-GW-C.
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Funzioni come la gestione del carico, il controllo del sovraccarico e l'amministrazione delle operazioni (OAM) vengono eliminate o spostate su altri nodi, in particolare sul P-GW.
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Gli endpoint di mobilità dell'UE non sono più gestiti dall'S-GW-U; il P-GW eredita questa funzionalità.
P-GW
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P-GW-U sono controllate dal P-GW-C.
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Il supporto alla mobilità e l'inoltro dei pacchetti sono in gran parte ereditati dall'S-GW.
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Il controllo delle politiche e della tariffazione (PCC) rimane sul P-GW, mentre le altre funzioni di gestione vengono scaricate.
TDF
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TDF segue un modello di separazione simile, consentendo un'implementazione flessibile del rilevamento del traffico e del controllo a livello di servizio ai margini.
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La separazione garantisce che la gestione del traffico possa essere distribuita ai nodi del piano utente vicini al servizio o all'UE, riducendo ulteriormente la latenza e migliorando il throughput.
Questa ridistribuzione funzionale consente agli operatori di ottimizzare le risorse e garantire che i nodi edge gestiscano le funzioni ad alta intensità di traffico o sensibili alla latenza, lasciando ai nodi centralizzati l'applicazione dei criteri e la gestione più ampia della rete.
Selezione dei nodi del piano utente
Per edge computing in 3GPP, I nodi CP devono selezionare attentamente i nodi UP in base a diversi fattori:
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Principio di corrispondenza:
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S-GW-C seleziona S-GW-U
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P-GW-C seleziona P-GW-U
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TDF-C seleziona TDF-U
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Scenari CP fusi: Il CP può scegliere un UP unito o più UP indipendenti a seconda dei requisiti di traffico.
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Criteri di selezione:
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Posizione dell'UEI nodi più vicini riducono la latenza e migliorano la qualità del servizio.
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Capacità UPL'UP selezionato deve supportare tutte le funzioni e il volume di traffico richiesti.
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Tipo di distribuzionecentralizzato, distribuito o edge.
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Requisiti di servizio UEAd esempio, le applicazioni a bassissima latenza richiedono nodi UP vicini.
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Queste regole di selezione garantiscono che edge computing in 3GPP non solo è flessibile, ma anche ottimizzato per le esigenze di prestazioni reali.
Scenari di implementazione
Gli operatori hanno a disposizione diverse opzioni di implementazione per Edge computing basato su CUPS:
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Separazione completa: Tutti i nodi CP e UP sono separati, massimizzando la flessibilità e la scalabilità.
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Separazione parziale: Alcuni nodi vengono separati, mentre altri rimangono uniti, bilanciando complessità ed efficienza operativa.
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Architettura fusa: CP e UP di S-GW e P-GW sono uniti per semplificare la gestione.
Le implementazioni distribuite o edge offrono ulteriori vantaggi, come la riduzione del traffico di backhaul e il miglioramento della latenza per i servizi regionali. Questo aspetto è particolarmente critico per applicazioni in tempo reale, automazione industriale e casi d'uso dell'IoT.
Vantaggi dell'Edge Computing nel 3GPP
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Latenza ridotta: La distribuzione dei nodi UP in prossimità degli utenti riduce al minimo il tempo di percorrenza dei dati.
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Scalabilità: CP e UP possono scalare in modo indipendente per gestire i picchi di traffico.
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Flessibilità operativa: Gli operatori possono distribuire i nodi UP dove necessario e aggiornare i nodi in modo indipendente.
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Prontezza al 5G: Supporta servizi ad alta velocità e bassa latenza essenziali per veicoli autonomi, AR/VR e IoT industriale.
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Allocazione efficiente delle risorse: Le risorse di rete possono essere concentrate sui nodi di bordo che gestiscono funzioni sensibili alla latenza.
Conclusione
Edge computing in 3GPP attraverso CUPS fornisce un'architettura flessibile, scalabile e a bassa latenza per le reti 5G. Separando i piani di controllo e utente, gli operatori possono distribuire in modo efficiente le funzioni del piano utente ai bordi della rete, ridurre la latenza e ottimizzare le risorse per le applicazioni più esigenti. Questa architettura assicura che le reti siano preparate per il futuro dei servizi 5G e IoT, ponendo una solida base per le implementazioni avanzate di edge computing.
