Введение
Пограничные вычисления в стандарте 3GPP приобретает всё большее значение по мере развития сетей 5G. В связи с экспоненциальным ростом мобильного трафика данных, обусловленным развитием Интернета вещей (IoT), технологий AR/VR и приложений для передачи видео высокой чёткости, операторы сетей сталкиваются с двойной задачей: сокращением задержки и повышением гибкости сетей. Для решения этих задач, 3GPP введённый CUPS (Разделение уровня управления и пользовательского уровня) в версии 14 EPC (Evolved Packet Core).
CUPS позволяет функции управляющей плоскости (CP) и пользовательской плоскости (UP) независимо масштабироваться и развертываться ближе к базовым станциям или пограничным узлам. Благодаря разделению этих уровней операторы могут оптимизировать маршрутизацию данных, сократить сквозную задержку и обеспечивать более надёжные услуги, особенно для приложений, требующих оперативного реагирования в режиме реального времени. Эта архитектура также закладывает основу для будущего пограничные вычисления в стандарте 3GPP, что позволяет операторам развертывать распределенные сервисы без ущерба для существующей базовой сети.
Обзор технологий пограничных вычислений в стандарте 3GPP
Основная цель пограничные вычисления в стандарте 3GPP заключается в повышении производительности сети за счет переноса функций пользовательского уровня ближе к конечному пользователю. Такой подход снижает нагрузку на централизованные элементы сети и обеспечивает предоставление услуг с низкой задержкой.
Благодаря разделению CP и UP операторы могут гибко развертывать узлы пользовательского уровня:
-
На периферии сети вблизи базовых станций 4G/5G для сокращения задержки.
-
В удаленных офисах для распределения нагрузки и региональной оптимизации.
-
В центре для ситуаций, когда предпочтительнее централизованное управление.
Такая гибкость особенно важна для приложений, чувствительных к задержкам, таких как автономные транспортные средства, промышленная автоматизация, дополненная реальность и аналитика в реальном времени. Такое разделение также позволяет независимо масштабировать функции CP и UP, что означает, что операторы могут справляться с растущим объемом трафика данных без необходимости избыточного резервирования ресурсов всей сети.
Разделение CP/UP в EPC
В Архитектура CUPS, ключевые узлы EPC, в том числе Сервисный шлюз (S-GW), Шлюз пакетов (P-GW), и Функция обнаружения движения (TDF)—разделяются на отдельные компоненты управляющей и пользовательской плоскостей. Такое разделение влечет за собой ряд изменений в сети:
-
Независимые модули: Каждый S-GW, P-GW и TDF имеет отдельные модули CP и UP.
-
Новые интерфейсы: Интерфейс Sx соединяет узлы CP и UP, обеспечивая надлежащую координацию.
-
Изменения интерфейса: Существующие интерфейсы либо разделяются (например, S2a → S2a-C для управляющей плоскости и S2a-U для пользовательской плоскости), либо сохраняются, если функциональное разделение не требуется (например, S12, Gx, Gy).
-
Частичное или объединенное развертывание: Операторы могут разделить некоторые узлы, оставив другие объединенными, либо объединить CP и UP в единое целое, если требуется повысить эффективность работы.
Такая гибкость при развертывании архитектуры является ключевым фактором, способствующим пограничные вычисления в стандарте 3GPP, поскольку это позволяет операторам размещать функции пользовательского уровня там, где они наиболее эффективны, с учетом задержки, нагрузки на сеть и требований к услугам.
Функциональные изменения при применении S-GW, P-GW и TDF
После разделения CP и UP роли и обязанности каждого модуля перераспределяются:
S-GW
-
S-GW-U Функции полностью управляются S-GW-C.
-
Такие функции, как управление нагрузкой, контроль перегрузок и управление эксплуатацией (OAM), либо удаляются, либо переносятся на другие узлы, в частности на P-GW.
-
Конечные точки мобильности UE больше не управляются S-GW-U; эту функцию теперь выполняет P-GW.
P-GW
-
P-GW-U Функции управляются P-GW-C.
-
Функции поддержки мобильности и пересылки пакетов в значительной степени унаследованы S-GW.
-
Функция управления политиками и тарификацией (PCC) по-прежнему реализуется на P-GW, в то время как другие функции управления выносятся за его пределы.
TDF
-
TDF использует аналогичную модель разделения, что обеспечивает гибкое развертывание средств обнаружения трафика и управления уровнем обслуживания на периферии.
-
Такое разделение позволяет распределять управление трафиком между узлами пользовательского уровня, расположенными вблизи точки обслуживания или конечного устройства (UE), что позволяет ещё больше сократить задержку и повысить пропускную способность.
Такое перераспределение функций позволяет операторам оптимизировать ресурсы и обеспечить, чтобы пограничные узлы обрабатывали функции с высокой нагрузкой или чувствительные к задержкам, а централизованные узлы занимались обеспечением соблюдения политик и более широким управлением сетью.
Выбор узлов пользовательского уровня
Для пограничные вычисления в стандарте 3GPP, узлы CP должны тщательно выбирать узлы UP с учетом целого ряда факторов:
-
Принцип соответствия:
-
S-GW-C выбирает S-GW-U
-
P-GW-C выбирает P-GW-U
-
TDF-C выбирает TDF-U
-
-
Объединенные сценарии CP: CP может выбрать либо объединенный UP, либо несколько независимых UP в зависимости от требований к трафику.
-
Критерии отбора:
-
Местоположение UE: более близко расположенные узлы сокращают задержку и повышают качество обслуживания.
-
Производительность UP: выбранная UP должна поддерживать все необходимые функции и объем трафика.
-
Тип развертывания: централизованный, распределенный или периферийный.
-
Требования к обслуживанию UE: например, для приложений с ультранизкой задержкой требуются расположенные поблизости узлы UP.
-
Эти правила отбора гарантируют, что пограничные вычисления в стандарте 3GPP не только обладает гибкостью, но и оптимизирована с учетом реальных требований к производительности.
Сценарии развертывания
У операторов есть несколько вариантов развертывания для Пограничные вычисления на базе CUPS:
-
Полное разделение: Все узлы CP и UP разделены, что обеспечивает максимальную гибкость и масштабируемость.
-
Частичное разделение: Некоторые узлы разделены, а другие остаются объединенными, что позволяет обеспечить баланс между сложностью и эффективностью работы.
-
Объединенная архитектура: CP и UP модулей S-GW и P-GW объединены для упрощения управления.
Распределенное развертывание или развертывание на периферии дают дополнительные преимущества, такие как снижение нагрузки на магистральные каналы связи и сокращение задержки при предоставлении региональных услуг. Это особенно важно для приложения, работающие в режиме реального времени, промышленная автоматизация и сценарии применения Интернета вещей.
Преимущества пограничных вычислений в стандарте 3GPP
-
Снижение задержки: Размещение узлов UP рядом с пользователями позволяет сократить время передачи данных.
-
Масштабируемость: CP и UP могут масштабироваться независимо друг от друга для обработки пиковых нагрузок.
-
Операционная гибкость: Операторы могут развертывать узлы UP там, где это необходимо, и самостоятельно обновлять их.
-
Готовность к 5G: Обеспечивает поддержку высокопроизводительных сервисов с низкой задержкой, необходимых для автономных транспортных средств, AR/VR и промышленного Интернета вещей.
-
Эффективное распределение ресурсов: Сетевые ресурсы можно сконцентрировать на пограничных узлах, выполняющих функции, чувствительные к задержкам.
Заключение
Пограничные вычисления в стандарте 3GPP Технология CUPS обеспечивает гибкую, масштабируемую архитектуру с низкой задержкой для сетей 5G. Благодаря разделению плоскостей управления и пользовательской плоскости операторы могут эффективно развертывать функции пользовательской плоскости на периферии сети, сокращать задержку и оптимизировать ресурсы для ресурсоемких приложений. Эта архитектура гарантирует готовность сетей к будущему развития услуг 5G и IoT, создавая прочную основу для внедрения передовых решений периферийных вычислений.
