Acil Durum İletişimi için Entegre 5G Edge Fusion Teknolojisi Üzerine "Akademik Rapor" Araştırması
Özel Editör: Zhu Xuetian , Mühendislik Doktoru, Pekin Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, profesör düzeyinde kıdemli mühendis, Zhongguancun Ulusal Bağımsız İnovasyon Gösteri Bölgesi'nde üst düzey lider yetenek, şu anda Çin Unicom Ağ Teknolojisi Araştırma Enstitüsü'nde çalışıyor. Uzun süredir 4G / 5G mobil iletişim teknolojisi ve iş inovasyonunun araştırma ve geliştirmesiyle uğraşmaktadır.Proje lideri olarak, birçok 4G / 5G ulusal büyük mobil iletişim projesinden sorumlu olmuştur. 70'den fazla akademik makale, 100'den fazla buluş patenti ve 3 kişisel monografi yayınlamıştır. .
Özet:
5G sahada acil durum iletişim senaryolarında hızlı dağıtım ve uygun konfigürasyon ihtiyaçlarını karşılamak için, terminaller, baz istasyonları, kullanıcı düzlemi işlevleri (UPF), mobil uç bilgi işlem platformları (Mobile Edge Computing, MEC) ve çekirdek kontroller gibi ağ öğesi ekipmanı donatılmalıdır. Basit, verimli ve esnek özellikler. Acil durum iletişim özel ağ uygulama senaryolarının hızlı inşasından başlayarak, entegre bir uç füzyon teknolojisi ve ekipman uygulama planı önerilmiştir Plan, 5G saha acil durum iletişimleri için yüksek düzeyde entegre kablosuz erişim, veri iletme ve uç uygulama hizmetleri sağlamaktır. Aynı zamanda, ekipmanın çalışmasını ve bakım karmaşıklığını ve harici ağ oluşturma gereksinimlerini basitleştirir ve tüm sistemin hizmet performansını iyileştirir.
Çince alıntı biçimi: Hou Jia, Munge, Zhu Xuetian.Acil Durum İletişimi için Entegre 5G Edge Fusion Teknolojisi Araştırması. Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2020, 46 (2): 9-13.
İngilizce alıntı biçimi: Hou Jia, Mang Ge, Zhu Xuetian.Acil iletişim için entegre 5G uç füzyon teknolojisi üzerine araştırma.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2020, 46 (2): 9-13.
0 Giriş
5G ağı, ağ öğesi işlevlerini ayrıştırmak, soyutlamak ve yeniden yapılandırmak için NFV ve SDN teknolojilerini kullanır. 5G ağ kontrolü ve yönlendirme düzlemi, yeni bir BT platformundan ayrılmıştır ve ağ, merkezi kontrol işlevlerine ve dağıtılmış yönlendirme işlevlerine doğru gelişmektedir. 5G mimarisinin bir parçası olarak, uç bilişim, telekom ağ mimarisinin dağıtımını yürütebilir, operatörlerin işlerinin yerelleştirilmiş işlemlerini gerçekleştirebilir, ağ veri işleme verimliliğini artırabilir, son kullanıcıların nihai deneyimini karşılayabilir ve düşük gecikme, büyük trafik ve yüksek trafiğe sahip dikey endüstri ağlarının gereksinimlerini karşılayabilir Güvenlik ve diğer talepler.
Acil durum iletişimi genellikle, mevcut iletişim ağı tesisleri yok edildiğinde özel iletişim garanti gereksinimlerini karşılamak için geçici acil durum iletişim ağını ifade eder. Çin, acil durum iletişim hizmetlerinin planlanmasına ve inşasına büyük önem vermektedir. 2018 yılında, Acil Durum Yönetimi Bakanlığı, "kamu ve özel sektör tamamlayıcılığı, geniş bant ve dar entegrasyon ve sabit-mobil entegrasyon" ve "sistematik, düz, üç boyutlu ve akıllı" olmak üzere çok boyutlu bir kablosuz iletişim ağı oluşturma hedefini önermiştir. "İnsancıllaştırılmış ve insanlaştırılmış" kalkınma gereksinimleri Edge computing teknolojisi sayesinde, kullanıcı düzlemi ağ elemanı UPF esnek bir şekilde ağın ucuna yerleştirilebilirken, politika kontrolü PCF ve oturum yönetimi SMF gibi kontrol düzlemi işlevleri merkezi olarak konuşlandırılabilir ve kablosuz baz istasyonu veya kablosuz erişim ağının kenarındaki bulut bilgi işlem olanakları kullanılabilir. Yerinde acil durumların gerçek zamanlı olarak toplanması, yerinde kurtarma ekipleri ile yerinde ve komuta merkezi arasında gerçek zamanlı sesli ve görüntülü iletişim ve komuta ve sevk dahil yerelleştirilmiş acil durum iletişim hizmetleri sağlayın. Acil durum iletişim senaryosu, hızlı ağ oluşturma, basit yapılandırma ve kolay bakım için gereksinimleri ortaya koymaktadır. 5G acil durum iletişim ağını ve sistemini hızlı bir şekilde oluşturmak gereklidir. Mevcut 5G standart ağının karmaşık ağ yapılandırması ve hizmet yüklemesi, 5G acil durum iletişiminin hızlı bir şekilde başlaması için elverişli değildir. Bu nedenle, ağ yapısını basitleştirmek ve ekipmanın boyutunu küçültmek, 5G saha acil durum iletişim sistemi için gerekli uygulama koşullarıdır.
Bu makale, acil durum iletişimi özel ağ uygulama senaryolarının hızlı inşası ile başlar ve verimli bir entegre uç füzyon teknolojisi ve ekipman uygulama planı önerir.
1 Yerinde acil durum iletişim sistemi
1.1 Yerinde acil durum yeri
Doğal bir afet meydana geldiğinde, afet bölgesindeki orijinal temel iletişim tesisleri, yol tesisleri ve elektrik tesisleri çeşitli derecelerde hasar görecektir.Afiyet bilgilerinin etkili iletimi ve yerinde komuta ve sevk, afetten kurtarmanın anahtarlarıdır.Genellikle sahada hızlı bir şekilde acil durum inşa etmek gerekir. İletişim sistemleri.
Yerel iletişim ağının temelde doğal afetlerle felç olduğu afet senaryolarında bir yandan mevcut genel ağ olanakları iletişim için kullanılamazken, diğer yandan hasarsız kamu ağ tesisleri bile kullanıcı sayısındaki ani artış nedeniyle ağ tıkanıklığına neden olacaktır. Bu senaryoda acil durum iletişimi çok yüksek hareketlilik, esneklik ve uyarlanabilirlik gerektirir. Acil durum iletişim araçlarına, taşınabilir baz istasyonlarına ve bağlı insansız hava araçlarına dayalı olarak, yüksek verimli uydular, sahadaki kurtarma ekiplerinin iletişimini ve planlamasını sağlamak için afet alanını kapsayan bir 5G yerinde acil durum iletişim ağını geçici olarak inşa etmek için 5G çekirdek ağ ana taşıyıcı bağlantıları olarak kullanılır. Aynı zamanda mağdurlara da hizmet edebilir.
1.2 Sistem mimarisi
Tipik bir saha içi acil durum iletişim sistemi Şekil 1'de gösterilmektedir.
Yerinde acil durum sistemi, bir kablosuz ağ kapsama bölümü, bir kablosuz ana taşıyıcı bölümü, bir kablosuz terminal bölümü ve bir komuta merkezinden oluşur.
(1) Kablosuz ağ kapsama alanı
Deprem gibi afet kurtarma sahalarında, temelde kablosuz ağlar tüm kurtarma sistemini kapsamaktadır.Kurtarma sürecinde kablolu ağlar bile olacaktır.Ancak, depremin özel geçmişi nedeniyle, kurtarma sahasının esnek ve hızlı konuşlandırılması temelde kablosuz ağ kapsamına dayanmaktadır. Yerinde kablosuz ağları hızlı bir şekilde oluşturmak için genellikle taşınabilir baz istasyonları ve antenler veya dronlara dayalı kullanın.
(2) Kablosuz dönüş parçası
Kurtarma yeri iletişim ağı ve kurtarma komuta merkezi ses, veri ve video iletişimini tamamlamak için birbirine bağlanmalıdır. Kablosuz ana taşıyıcı iletimi, saha ile komuta merkezi arasında bir veri bağlantısı kurabilir ve komuta karar vermeyi kolaylaştırmak için sahadaki kurtarma durumunu ve afet durumunu komuta merkezine gerçek zamanlı olarak iletebilir. Kablosuz ana taşıyıcı iletim bölümü, ana taşıyıcı iletimini tamamlamak için fiber optik tesisleri veya uydu iletişimini kullanabilir Kurulum kolaylığı açısından, genellikle uydu iletişimine dayalı yöntemler benimsenir.
(3) Kablosuz terminal parçası
Kurtarma yerindeki kablosuz terminal, kablosuz işlevini destekleyebilecek tüm tesislerin ve ekipmanın toplamını içerir ve bu işlevi yerinde destekleyen pek çok türde ekipman vardır. Kurtarma yerindeki kablosuz terminal ekipmanı, esas olarak kurtarma ekibi üyeleri tarafından kullanılır ve kurtarma çalışanları, yukarıda belirtilen terminal ekipmanı aracılığıyla sahadaki kurtarma iletişim ağına erişir. Afet mahallinin bilgi toplama ve görüntü video toplama, kurtarma komuta departmanının karar vermeyi kolaylaştırmak için kurtarma iletişimi alt ağı ile komuta kurtarma merkezi arasındaki iletişimi tamamlamak için kablosuz ana taşıyıcı aracılığıyla kurtarma sahası komuta merkezine veya arka komuta merkezine iletilir.
(4) Komuta Merkezi
Komuta merkezinin genel durumu, kurtarma alanındaki geçici komuta merkezinin ve arkadaki afet komuta merkezinin genel adını ifade eder. Komuta merkezi, kurtarma ekibinin kurtarma sahasında iade ettiği görüntüleri ve video bilgilerini zamanında analiz etmeli ve değerlendirmeli ve ardından deprem sahasındaki gerçek duruma bağlı olarak kurtarma ekibine doğru talimatları vermelidir. Komut emirleri, tüm acil durum iletişim sistemi tarafından geçici kurtarma komuta merkezine iletilir veya doğrudan sahadaki kurtarma ekibine verilir.
2 Edge computing acil durum sistemini güçlendirir
Edge computing, nesnelerin veya verilerin kaynağına yakın ağın ucundaki ağ, bilgi işlem, depolama ve uygulamaların temel yeteneklerini entegre eden ve çevik bağlantı, gerçek zamanlı iş, veri optimizasyonu, uygulama zekası gibi sektör dijitalleşmesinin ihtiyaçlarını karşılamak için yakınlarda uç akıllı hizmetler sunan açık bir platformdur. Güvenlik ve gizlilik koruması için temel gereksinimler. Edge computing teknolojisi sayesinde, kullanıcı düzlemi ağ elemanı UPF esnek bir şekilde ağın ucuna yerleştirilebilirken, politika kontrolü PCF ve oturum yönetimi SMF gibi kontrol düzlemi işlevleri merkezi olarak konuşlandırılabilir ve kablosuz baz istasyonu veya kablosuz erişim ağının kenarındaki bulut bilgi işlem olanakları kullanılabilir. Yerinde acil durumların gerçek zamanlı olarak toplanması, yerinde kurtarma ekipleri ile yerinde ve komuta merkezi arasında gerçek zamanlı sesli ve görüntülü iletişim ve komuta ve sevk dahil yerelleştirilmiş acil durum iletişim hizmetleri sağlayın.
3GPP tarafından tanımlanan 5GS mimarisi, 5G terminali (UE), baz istasyonu (gNB), çekirdek ağ kontrol düzlemi (AMF, SMF, UDM, PCF, vb.), Çekirdek ağ veri düzlemi (UPF), MEC, veri merkezi ve diğer işlevleri içerir. Her işlev, ağda farklı konumlara dağılmıştır ve iletişim etkileşimi, Şekil 2'de gösterildiği gibi standart arabirimler aracılığıyla tamamlanır.
Edge computing yerinde acil durum güvenlik sistemini güçlendirdiğinde, 5G baz istasyonu, UPF ve MEC özellikleri bağımsız ekipmana göre iletilir ve ağa bağlanırsa, aşağıdaki eksiklikler vardır:
(1) Her işlevsel aygıtın uygulamaları bağımsız olarak başlatması ve yapılandırması gerekir, bu da yönetim ve bakım maliyetlerini artırır;
(2) Her bir işlevsel aygıtın, acil durum iletişim sistemlerinin hızlı bir şekilde inşa edilmesine elverişli olmayan taşıyıcı ağı açmak için bağımsız ağ oluşturma kurallarını gerçekleştirmesi gerekir;
(3) İşlevsel cihazlar, temeldeki taşıyıcı ağ aracılığıyla iletişim kurar ve iletişim kalitesi, gerçek zamanlı iletişim hizmetlerinin geliştirilmesine elverişli olmayan ağ istikrarsızlığından büyük ölçüde etkilenir.
Bu nedenle, 5G baz istasyonu, UPF ve MEC yetenekleri entegre bir uç yakınsama cihazı oluşturmak için entegre edilirse, dahili kanal etkileşim mesafesini kısaltmak için kullanılır ve uç hizmetlerin düşük gecikme ve yüksek performanslı iletişim gereksinimlerini karşılamak için bazı hizmetler hızlandırıcı kartına aktarılır. Bağımsız ekipmanın eksikliklerini etkili bir şekilde telafi edin.
3 Entegre ekipman çözümü
3.1 Genel yapı
Şekil 3, entegre kenar füzyon 5G ekipmanının sistem mimarisini göstermektedir.
Hepsi bir arada ekipman, baz istasyonu (gNB), veri düzlemi (UPF) ve uç bilgi işlem platformunun (MEC) işlevlerini aynı anda entegre ederek uç iş senaryolarında 3 ana işlevsel cihazı kapsar. Bunların arasında, entegre cihaz konfigürasyon arayüzünü birleşik bir OAM aracılığıyla ortaya çıkarır ve işlevler, yüksek verimli dahili kanallar aracılığıyla modüller arası etkileşimi gerçekleştirir. Aynı zamanda, entegre ekipman, yukarıdaki üç işlevin zaman alıcı hizmetleri için donanım hızlandırma gerçekleştirmek üzere bir hızlandırma ağ kartını entegre eder.
3.2 Her modülün işlevleri
3.2.1 Baz İstasyonu
Bir erişim ağı cihazı olarak, baz istasyonu, Şekil 4'te gösterildiği gibi esas olarak aşağıdaki işlevleri taşır.
(1) L1 temel işlevleri: fiziksel ve iletim kanalı işleme, rasgele erişim, taşıyıcı toplama;
(2) L2-MAC işlevi: mantıksal kanal ve iletim kanalı, çerçeve yapısı ve sistem bant genişliği, PDCCH CORESET ve Arama Alanı, rastgele erişim, yukarı bağlantı senkronizasyonu, yukarı bağlantı / aşağı bağlantı HARQ işlemi, yukarı bağlantı / aşağı bağlantı planlaması, SR / BSR işlemi, yukarı bağlantı Güç kontrolü, programlama algoritması, sayfalama, DRX;
(3) L2-RLC işlevi: TM / UM / AM veri iletimi, RLC yeniden yapılandırması, RLC protokol hatası algılama;
(4) L2-PDCP işlevi: PDCP veri iletimi, PDCP başlığı sıkıştırma ve açma, PDCP şifreleme ve şifre çözme ve bütünlük koruması, durum raporu, veri kurtarma;
(5) L2-SDAP işlevi: akış haritalama, QFI tanımlama;
(6) GTP-U işlevi: Yankı / Hata Gösterimi / Son İşaretleme işlemi, genişletilmiş başlık desteği, GTP-U veri iletimi ve alımı, bağlantı ayarı ve bırakma;
(7) RRM fonksiyonları: erişim kontrolü, yük kontrolü, radyo kaynak yönetimi;
(8) L3 temel işlevleri: RRC bağlantısı, RRC durum yönetimi, çağrı, kablosuz ölçüm, konum kontrolü, hareketlilik yönetimi.
3.2.2 UPF
Çekirdek ağın veri düzlemi olarak UPF, Şekil 5'te gösterildiği gibi temel olarak aşağıdaki işlevleri taşır.
(1) Yönlendirme düzlemi: GTPU kapsülleme, PDU kural yönetimi, PDR iletimi, QoS politika uygulaması;
(2) N4 desteği: PDU oturumu oluşturma, PDU oturumu değiştirme, PDU oturumu yayınlama, EndMark ve N4 Kurulum vb. Dahil olmak üzere 3GPP standart N4 arabirimini destekler;
(3) Katma değerli hizmetler: L2TP, IPSec, DPI, DNS vb. Desteği.
3.2.3 MEC platformu
Bir kenar uygulama platformu olarak MEC, Şekil 6'da gösterildiği gibi temel olarak aşağıdaki işlevleri taşır.
(1) Yönlendirme yetenekleri: DNS, yönlendirme yönlendirme, trafik QoS ve yük dengeleme gibi yönlendirme yetenekleri sağlar;
(2) Açık yetenek: OpenAPI standardına uygun APIGW işlevi sağlayın;
(3) APP yönetim yetenekleri: APP uygulama dağıtımının başlatılması veya sonlandırılması, APP uygulama dağıtım konumu geçişi; APP uygulama yaşam döngüsü yönetimi ve durumu MEAO'ya bildirme; APP için hizmet yönetişimi (sürüm, keşif, yönlendirme) sağlama;
(4) Sistem yönetimi ve kontrol yetenekleri: trafik izleme, bant genişliği kontrolü, baz istasyonu tarafı bilgi toplama.
3.3 Dahili kanallar
Entegre cihazın dahili fonksiyon iletişim modu olarak, dahili kanal, Şekil 7'de gösterildiği gibi temel olarak aşağıdaki fonksiyonları taşır.
(1) Dahili iletişim: Dahili mesaj etkileşimini gerçekleştirmek için OPENFLOW akış tablosunu yazarak iki VM'nin arayüzlerini ilişkilendirin;
(2) Dışarıya gönderilen veriler: Mesaj OVS tarafından iletildikten sonra, VF, VLAN TAG'ı ekler ve onu kapsüller ve gönderir;
(3) Dışarıdan veri alma: Girişten sonra harici veriler, VLAN ETİKETİNE göre işlenmek üzere belirlenen VF'ye gönderilir, VF, TAG başlığını çıkarır ve dahili ağ köprüsüne girer ve ardından ağ köprüsü ile her bir işlevsel modüle iletir.
3.4 Hızlandırıcı kart desteği
CPU kaynaklarını serbest bırakmak veya bazı hizmetler için hızlandırma desteği sağlamak, hizmet işleme performansını iyileştirmek ve işlem gecikmesini azaltmak için, entegre cihaz, aşağıdaki işlevleri içerebilen belirli senaryoların hızlandırma gereksinimlerini karşılamak için hızlandırıcı kartını genişletebilir:
(1) Baz istasyonları için PDCP şifreleme ve şifre çözme desteği sağlayın; (2) UPF için GTPU akış iletme özelliği desteği sağlayın; (3) MEC için GPU hesaplama gücü desteği sağlayın.
İvme modeli Şekil 8'de gösterilmektedir.
İş ihtiyaçlarına ve kaynak memnuniyetine göre, baz istasyonları, UPF ve MEC'i entegre eden entegre ekipman, bir hızlandırıcı kartı paylaşabilir veya yalnızca bir hızlandırıcı kartı kullanabilir, yani hızlandırıcı kartı, aynı anda birden fazla işlev için hızlandırma hizmetleri sağlar. Ek olarak, yukarıda bahsedilen işleve özgü hızlandırma hizmetlerine ek olarak, GTPU akış iletme hızlandırma baz istasyonları tarafından da kullanılabilir. Gerekirse, GPU hızlandırma UPF için de kullanılabilir (örneğin: entegre AI ile UPF).
3.5 Run görünümü
UE yukarı bağlantı verilerini örnek olarak alırsak, entegre 5G ekipmanındaki gNB, UPF ve MEC işlevlerinin etkileşim modu Şekil 9'da gösterilmektedir.
Yukarıdaki işlem görünümü iki yukarı akış akışını açıklamaktadır.Akış ilk paket akışıdır.UE akışı gönderdikten sonra hızlandırma ağ kartına ulaşır. Hızlandırma ağ kartı doğrudan gNB'ye iletilir (hızlandırılmamış). GNB işlendikten sonra, dahili kanal ve UPF yönlendirme hedefi üzerinden UPF'ye iletilir Zemin MEC'dir ve trafik hala MEC'ye dahili kanal üzerinden ulaşır Bu rota "yavaş" bir yol veya tam bir yoldur.
İlk paketin tam yol iletimi tamamlandıktan sonra, hızlandırıcı kartı gNB, UPF, MEC için etkinleştirilirse, hızlandırıcı tablosu girişi, hızlandırıcı kartı uyarlama katmanı aracılığıyla hızlandırıcı kartına verilecektir. İlk olmayan trafik paketi UE'den tekrar gönderildikten sonra, hızlandırma ağ kartı yol üzerinden gNB ve UPF işlemeyi tamamladıktan hemen sonra MEC'e gönderilecektir MEC AI hizmeti işlemeyi içeriyorsa, veriler işlenmek üzere GPU'ya gönderilecektir.
Ek olarak, gNB, UPF ve MEC işlevlerinin sinyalleşme etkileşimi doğrudan dahili kanallar aracılığıyla gerçekleştirilir, bu da yorucu ağ iletişimini önler ve sinyal etkileşiminin güvenilirliğini ve verimliliğini artırır.
4 sonuç olarak
Baz istasyonu, UPF ve MEC işlevlerini entegre bir uç füzyon cihazına entegre ederek, iletilen verileri çekirdekten tamamen izole etmek ve çekirdekle bağlantıyı azaltmak için OVS + DPDK tabanlı dahili iletişim mekanizması ile birlikte büyük miktarda acil durum sistem trafiği yerel olarak boşaltılır. Aynı zamanda, iletme verimliliğini artırır ve genel hizmet işleme performansını iyileştirir. Tümleşik uç yakınsama teknolojisi, 5G sahada acil durum iletişimleri için son derece entegre kablosuz RAN erişim yetenekleri, UPF veri iletme yetenekleri ve MEC uç uygulama hizmeti yetenekleri sağlar.Ayrıca, ekipmanın çalışmasını ve bakım karmaşıklığını ve harici ağ gereksinimlerini basitleştirir ve genel Makine sisteminin hizmet performansı. Ek olarak, entegre ve entegre 5G ekipmanı, uç hizmetleri daha da batırır ve acil durum iletişimlerinin hızlı dağıtım ihtiyaçlarını karşılayabilecek gerçek zamanlı performans tam olarak garanti edilir.
Referanslar
3GPP TS 23.501. 5G sistemi için sistem mimarisi (sürüm 15). 3. Nesil Ortaklık Projesi (3GPP), 2018.
3GPP TS 23.502. 5G sistemi için prosedürler (sürüm 15). 3GPP, 2018.
3GPP TS 38.300.NR ve NG-RAN genel açıklaması (sürüm 15). 3GPP, 2018.
3GPP TS 29.244. Kontrol düzlemi ile kullanıcı düzlemi düğümleri arasındaki arayüz (sürüm 15). 2018.
3GPP TS 38.401.NG-RAN; mimari açıklama (sürüm 15). 3GPP, 2018.
3GPP TS 29.554. Arka plan veri aktarım politikası kontrol hizmeti (sürüm 15). 3GPP, 2018.
ETSI GS MEC 003-2006. Mobil uç bilgi işlem (MEC); çerçeve ve referans mimarisi, v1.1. Avrupa Telekomünikasyon Standartları Enstitüsü (ETSI), 2016.
yazar bilgileri:
Hou Jia, Mango, Zhu Xuetian
(China Telecom Corporation Limited Araştırma Enstitüsü, Pekin 102209)
Orijinal beyan: Bu içerik AET web sitesinde orijinaldir, yetkisiz çoğaltılması yasaktır.
