5G-teknologia ja sen mahdollistamat käyttötapaukset

Edellisessä kirjoituksessamme käsittelimme sitä, miten DevOps on 5G:n ytimessä. Tässä jatkoblogissa tarkastelemme lähemmin, miksi Communication Service Providerien (CSP) on omaksuttava erilainen lähestymistapa 5G-kyvykkyyksien rakentamiseen. Käymme läpi 5G-arkkitehtuuria, sen tuomia haasteita sekä 5G:n mahdollistamia käyttötapauksia, joita Digital Service Providerit (DSP) voivat hyödyntää.

Mitä 5G on?

5G on mobiiliteknologian seuraava kehitysaskel. Loppukäyttäjälle 5G lupaa entistä suuremmat latausnopeudet ja pienemmän viiveen. Tässä nopea vertailu eri mobiiliverkkosukupolvien luvuista (katso lähde.)

Käyttäjälaitteesta mobiiliradioverkkoon

Miten nämä luvut saavutetaan? Käytännössä samalla tavalla kuin ennenkin. Mobiilimastot lähettävät radiosignaaleja loppukäyttäjien laitteisiin ja tarjoavat yhteyden, mutta 5G:n ratkaiseva ero on siinä, että se toimii pääasiassa korkeammilla taajuusalueilla. Nämä uudet taajuusalueet tuovat omat haasteensa. Niiden peittoalue on huomattavasti pienempi, ja arkipäiväiset esteet, kuten rakennukset tai luonnonympäristö, voivat katkaista signaalin helpommin. Näiden puutteiden ratkaisemiseksi käyttöön otetaan 5G New Radio (5G NR), seuraavan sukupolven radioliitäntä, joka parantaa nykyisten mobiiliverkkojen suorituskykyä, skaalautuvuutta ja tehokkuutta. 5G NR hyödyntää optimoituja OFDM-pohjaisia (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) aaltomuotoja, monikäyttömenetelmiä ja dynaamista taajuuksien jakamista. Standardointielimet eivät ole vielä päätyneet yhteen käytettävään OFDM-aaltomuotoon, vaan päätyvät todennäköisesti useisiin ratkaisuihin eri käyttötarkoituksia varten.

Massive MIMOn käyttöönotto on myös keskeinen osa näin nopeita 5G-verkkoja. MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output) tarkoittaa useiden datasignaalien lähettämistä ja vastaanottamista samalla radiokanavalla. Perinteisesti antennijärjestelmät koostuvat 2–4 antennista, mutta Massive MIMOa varten toimittajat ovat ottaneet käyttöön 96:n tai jopa 128 antennin kokoonpanoja. Tämä voi moninkertaistaa yhteyden kapasiteetin ilman lisätaajuusalueita.

Radioverkon puolella nähdään jo ensimmäinen 5G-arkkitehtuurin ongelmakohta. Verkon tiheys kasvaa merkittävästi verrattuna aiempiin mobiiliverkkosukupolviin. Mobiilitukiasemien ja antennien määrää voidaan joutua kasvattamaan alan arvioiden mukaan yli satakertaiseksi. Näin suurta määrää verkkokomponentteja voidaan käyttää ja ylläpitää tehokkaasti vain, jos käytettävissä on päästä päähän automatisoitu järjestelmä ja CSP:t sekä toimittajat tekevät tiivistä yhteistyötä lyhentääkseen joko toimitusaikaa tai palautumisaikaa. Näin loppukäyttäjäkokemus ei vaarannu vikatilanteissa. Automaatio ja yhteistyö ovat kaksi DevOpsin perusperiaatetta, jotka on otettava käyttöön radioverkkojen rinnalla.

Multi-access Edge Computing (MEC)

Multi-access Edge Computing eli epätarkemmin Mobile Edge Computing on verkkoarkkitehtuurin muoto, joka auttaa merkittävästi täyttämään 5G-verkkojen nopeus- ja viivevaatimukset. MEC mahdollistaa pilvilaskennan ja sovellusten suorittamisen mobiiliverkon reunalla, mikä lyhentää fyysistä etäisyyttä käyttäjälaitteen ja sovelluksen tai kahden käyttäjälaitteen välillä. ETSI tunnistaa MECin vuoden 2015 white paperissa ”avainteknologiaksi ja arkkitehtuurikonseptiksi, joka mahdollistaa siirtymän 5G:hen”. MEC mahdollistaa sovellusten paikallisen suoritusympäristön sekä datan keräämisen, tallentamisen ja analysoinnin, mikä tekee siitä keskeisen mahdollistajan esimerkiksi IoT-käyttötapauksille.

MEC-arkkitehtuurin käyttöönotto tuo CSP:ille uuden haasteen MEC-sijaintien ja sovellusinstanssien määrän sekä MEC-toimipisteiden kokonaiskustannusten näkökulmasta. MEC ei kuitenkaan hyödytä vain CSP:iä, vaan myös julkisten pilvipalvelujen tarjoajia. AWS, Microsoft, IBM ja monet muut ovat jo käynnistäneet yhteistyöaloitteita tarjotakseen julkisia edge cloud -ratkaisuja.

Hybridipilviratkaisujen mahdollisuudet voivat tarjota CSP:ille uusia kyvykkyyksiä, kuten cloud burstingin, uusia toimintatapoja uusien ohjelmistoversioiden arkistointiin, julkaisemiseen ja käyttöönottoon sekä jopa häiriöistä palautumisen hallintaan.

Näiden kyvykkyyksien rinnalla CSP:ien on vastattava monimuotoisen pilvi-infrastruktuurin, ohjelmistojakelun ja käyttöönoton haasteisiin toimipisteiden määrän kasvaessa merkittävästi. Tällaiset vaatimukset korostavat jälleen automaatioon ja yhteistyöekosysteemeihin liittyvien DevOpsin keskeisten periaatteiden merkitystä. Niissä CSP:t, julkisten pilvipalvelujen tarjoajat ja telekommunikaatiotoimittajat voivat kaikki osallistua kehitystyöhön.

Kontteja! Kontteja kaikkialla!

Myös sovellukset muuttuvat 5G:ssä. Kun käyttöön otetaan uusia arkkitehtuureja, kuten MEC, myös yhdistettyjen reunaverkkojen ja ydinverkon komponenttien on muututtava. Ilmeisten arkkitehtuurivaatimusten ja standardoitujen ominaisuuksien lisäksi muidenkin ohjelmiston laatutekijöiden, kuten käytettävyyden, yhteensopivuuden ja ylläpidettävyyden, on korostuttava. Digitaalisten palvelujen käyttäjien ohjaama sovellusten valtava määrä ja uusien palvelujen tiheä käyttöönotto pakottavat telekommunikaatiotoimittajat ja CSP:t arvioimaan nykyiset VNF-arkkitehtuurit uudelleen ja edistämään Cloud Native -verkkofunktioiden (CNF) käyttöönottoa. Kontitus ja CNF:t ovat osa kasvavaa suuntausta, jolla pyritään vastaamaan useimpiin näistä haasteista standardoimalla rajapintoja, tarjoamalla yhtenäinen suoritusympäristö ja helpottamalla sovellusten elinkaaren hallintaa. Kontteihin ja CNF:iin liittyy kuitenkin omia haasteitaan. Infrastruktuuriympäristömme ovat jo pirstaloituneita, ja esimerkiksi tietoturvatyökalujen kypsyystaso on alhainen. Lisäksi ongelmia aiheuttavat tilalliset kontit. Myös versio- ja release-hallinta, monitorointi ja analytiikka ovat alueita, joilla on tehtävä merkittäviä parannuksia tulevina vuosina.

Kuten hiljattain järjestetyn Light Reading -webinaarin kyselyvastauksista kävi ilmi, valtaosa vastaajista odottaa, että vuoteen 2025 mennessä puolet heidän työkuormistaan toimii konteissa mikropalveluina. Älä kuitenkaan kuvittele, että käyttöympäristön ja automaation toteuttamiseen on runsaasti aikaa, sillä tällaisten järjestelmien käyttöönotto voi helposti kestää vuosia.

Kaikki alkaa datasta

5G-verkossa, jossa miljardien yhdistettyjen laitteiden odotetaan tuottavan dataa, tehokkaan verkkoautomaation tulisi hyödyntää sitä. Kaikki data Consumer Data Platformeista (CDP), Network tai Service Operations Centereistä (NOC ja SOC), KPI-mittareista ja metriikoista sovellusten suorituskykyindikaattoreihin ja lokeihin tulisi kerätä tarkoituksenmukaisesti suunniteltuihin datajärviin. Tämä valtava datamäärä tulisi ottaa operatiiviseen käyttöön erilaisten koneoppimis- ja jopa tekoälyalgoritmien avulla. Nämä ML- ja AI-ratkaisut voisivat muuttaa melko yksinkertaiset, skriptatut ja tapahtumaohjatut verkot todellisiksi ketteriksi verkoiksi, jotka kykenevät itseoptimointiin ja itsekorjautumiseen.

5G:n käyttötapaukset

Näiden laskelmien mukaan nelihenkinen, paljon internetiä käyttävä kotitalous pärjää alle 200 Mbps:n kaistanleveydellä. Mitkä käyttötapaukset siis edellyttävät tätä suurempaa kaistanleveyttä?

3GPP määritteli SMARTER-hankkeessaan (Study on New Services and Markets Technology Enablers) kolme peruskäyttötapausta: Enhanced Mobile Broadband (eMBB), Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC) ja Massive Machine Type Communications (mMTC). Näitä käyttötapauksia mahdollistavia teknologioita ovat Gigabit LTE (GiLTE), Massive MIMO, Millimeter Wave (mmWave), taajuuksien jakamisteknologiat, MEC, Fixed-Wireless Access ja Narrowband IoT.

Enhanced Mobile Broadband (eMBB)

eMBB:n käyttötapaukset ovat dataintensiivisiä ja edellyttävät suurta kaistanleveyttä. Näitä ovat esimerkiksi pilvipalvelut ja UHD-, 8K-videostriimaus, mukaansatempaava pelaaminen (mukaan lukien AR- ja VR-pelaaminen), videoanalytiikka, mukaansatempaavat tapahtumaelämykset ja etälääketiede.

Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC)

URLLC- eli Mission-Critical Control -käyttötapaukset edellyttävät erittäin pientä viivettä sekä korkeaa luotettavuutta, käytettävyyttä ja tietoturvaa. Tällaisia käyttötapauksia voivat olla AR-tuettu kunnossapito, AR-avusteinen matkailu, autonomiset ajoneuvot tai ajoneuvojen väliset ja ympäristöön liittyvät käyttötapaukset (V2X), tuotantolinjojen automaatio, etätoiminnot, etälääketiede tai mikä tahansa Tactile Internet -sovellus.

Massive Machine Type Communications (mMTC)

mMTC:n käyttötapauksissa pienellä energialla toimivat ja vähän dataa siirtävät laitteet yhdistyvät massamittakaavassa, esimerkiksi älykaupungeissa, autonomisten ajoneuvojen apujärjestelmissä, robottien etäohjauksessa tai satamien ja lentoasemien toiminnoissa. Jotta mMTC:tä voidaan hyödyntää täysimääräisesti, Narrowband IoT:tä on kehitettävä esimerkiksi puhe-, sijainti- ja laitteiden liikkuvuuden tuella sekä langattomilla firmware-päivityksillä. Lisäksi tarvitaan tehokasta uplink-siirtoa ja monikäyttöä WAN-hallinnoidun monihyppyisen mesh-arkkitehtuurin muodossa.

Digitalisaatio määrittelee CSP:iden roolin uudelleen

”Kun teleoperaattorit käyvät läpi digitaalista transformaatiota, ne kehittyvät viestintäpalveluntarjoajista (CSP) digitaalisten palvelujen tarjoajiksi (DSP)”, sanoo Microsoftin Rainer Kellerhals. Jotta CSP:t voivat hyödyntää 5G-verkon edut, niiden on kuitenkin määriteltävä digitaalisen transformaation aikana digitaaliset palvelunsa sekä käyttötapaukset, joita ne haluavat tarjota loppukäyttäjilleen ja kaupallistaa. 5G:n todellinen liiketoimintaperuste ei ole uudessa verkkoarkkitehtuurissa tai tilaajien suuremmissa latausnopeuksissa, vaan digitaalisissa palvelutarjoomissa, jotka erottavat CSP:t ”tyhmistä” putkista.

Autamme hyödyntämään tämän potentiaalin fasilitoidulla, yhteistyöhön perustuvalla palvelumuotoilusessiolla, joka kokoaa yhteen vaikuttajia useilta liiketoiminta-aloilta. Session toteuttavat yhdessä Eficoden 5G DevOps- ja design-tiimit.