5G: Jaki jest klucz do małych opóźnień?

5G - piąta generacja standardu sieci komórkowej - jest niewątpliwie technologicznym zmieniaczem gier. W porównaniu z 4G wprowadza zupełnie nowy poziom szybkości transmisji danych, niezawodności, liczby podłączonych urządzeń i małych opóźnień.

Każde z tych usprawnień jest kluczową zmianą. Jednak, moim zdaniem, najbardziej przełomowym jest zminimalizowanie opóźnień.

Dlaczego opóźnienie ma znaczenie?

Przy 4G (LTE) potrzeba było od 10 do 100 milisekund, aby kawałek danych przemieszczał się w powietrzu pomiędzy urządzeniem przenośnym a stacją bazową. 5G skraca ten czas do jednocyfrowych milisekund. A istnieje kilka przypadków użycia, które rozpaczliwie wymagają takiego mikroskopijnego opóźnienia.

Przykład LTE a zoptymalizowana różnica opóźnień w konfiguracji 5G

Autonomiczne pojazdy komunikują się z infrastrukturą i między sobą - i muszą to robić bez opóźnień. Nawet ułamek sekundy opóźnienia może spowodować kolizję. Handel wysokiej częstotliwości, w którym ceny akcji zmieniają się w mgnieniu oka (a najszybszy oferent wyłapuje zysk!) sprawia, że każda milisekunda jest bezcenna. W grach wieloosobowych, opóźnienie wejściowe często decyduje o wygranej lub przegranej. W AR, augmentacja musi nadążać za rzeczywistością, aby podtrzymać iluzję magicznego doświadczenia w czasie rzeczywistym. Nie wspominając nawet o zdalnej opiece zdrowotnej i zautomatyzowanej chirurgii, gdzie lekarz potrzebuje precyzyjnej informacji zwrotnej, aby bezpiecznie operować pacjenta.

Ostateczne opóźnienie jest sumą kilku kawałków i zależy od przypadku użycia i podejścia - w grę wchodzi kilka ruchomych części. W niniejszym artykule przyjrzymy się tym zależnościom i ustalimy, co wpływa na ostateczną szybkość.

Interfejs powietrzny

To tutaj odbywa się pierwszy skok naszych danych: pomiędzy urządzeniem mobilnym a stacją bazową. W 5G, specyfikacja technologii dostępu radiowego ma prostą nazwę - New Radio. Co więc sprawia, że opóźnienie jest o wiele mniejsze niż wcześniej? Jest na to kilka sztuczek.

Po pierwsze - Skalowalny czas trwania slotu. Długość slotów używanych do transmisji danych nie jest już stała, aby adresować różne pasma, widma i rodzaje usług.

Po drugie - Mini-Slot Scheduling. Pozwala ona na wykorzystanie tylko części dostępnych symboli pełnego slotu dla jeszcze większej elastyczności.

Po trzecie - Bezpłatna transmisja. Urządzenie nie musi czekać na przydzielenie zasobów przez stację bazową, ale może natychmiast rozpocząć transmisję dzięki technice Multi-Access Analog Fountain Codes.

I wreszcie - Zaplanowanie prewencyjne i Multipleksowanie przez łącze downlink. Małe, krytyczne z punktu widzenia opóźnienia dane dla jednego urządzenia mogą zostać pocięte na bieżącą transmisję dla innego urządzenia.

Poza ogólną poprawą szybkości sprzętowej, możemy dotknąć więcej, ale na razie nie zamierzamy nurkować głębiej.

Multi-Access Edge Computing

Posiadanie szybkiego interfejsu lotniczego jest doskonałe, ale nie jest to przesiadka, jeśli żądanie ze stacji bazowej musi pokonać połowę świata, aby dotrzeć do celu. Oczywistym rozwiązaniem tego problemu jest przesunięcie miejsca docelowego bliżej stacji bazowej. Sposobem na osiągnięcie tego celu jest wykorzystanie Multi-Access Edge Compute - koncepcji architektury znormalizowanej przez ETSI.

Ideą MEC jest przeniesienie zasobów obliczeniowych - maszyn wirtualnych - na serwery, które są częścią stacji bazowych sieci dostępu mobilnego. Architektura 5G przesunęła się w kierunku wirtualizacji usług hostowanych na bardziej ogólnym sprzęcie, otwierając możliwość korzystania z tego samego sprzętu dla osób trzecich.

Mimo, że stacje bazowe należą do wielu podmiotów gospodarczych, główni dostawcy usług w chmurze uprościli problem pełniąc rolę pośrednika pomiędzy firmami telekomunikacyjnymi a twórcami aplikacji MEC (np. AWS Wavelength lub Azure Network Edge Compute).

MEC może być w przejrzysty sposób postrzegany jako kolejna strefa dostępności w regionie i jako taka wykorzystywana w środowisku Cloud. Więcej o implementacji rozwiązań MEC można dowiedzieć się tutaj.

The Cloudlet

Gdy MEC nie wchodzi w grę (ze względu na ograniczoną pojemność zwykłych serwerów lub potrzebę specjalistycznego sprzętu do np. efektywnego uczenia się maszynowego lub strumieniowania gry o dużej grafice w 4K), wciąż możemy zbliżyć się do użytkownika - tuż poza siecią telekomunikacyjną.

Cloudlet może być nieco niejasnym terminem. W gruncie rzeczy jest to dowolne małe centrum danych zlokalizowane w pobliżu użytkowników i połączone z rzeczywistą pełnowymiarową chmurą - gdy potrzebna jest masowa obsługa. Może to być, na przykład, ogólny sprzęt umieszczony w centrum danych w tym samym mieście co nasi użytkownicy i połączony z podejściem Hybrydowej Chmury.

Może to być nieco wolniejsze niż MEC, ale nadal jest to znacznie szybsze niż podróżowanie przez dwa kraje, aby dotrzeć do głównego regionu chmury. Placówki AWS są ciekawą opcją dla tych, którzy chcą zminimalizować zajmowanie się rzeczami materialnymi. Możesz zamówić załączony element sprzętu w chmurze, który ma być dostarczony do Twojego lokalu, podłączyć go do sieci i pozwolić AWS monitorować go zdalnie (a nawet wysłać ludzi do naprawy wszelkich problemów sprzętowych za Ciebie!).

Cloudlet działa jako prywatna Strefa Dostępności w Twoim regionie - podobnie jak MEC.

The Cloud

Hosting w Cloud ma potencjał, aby zmniejszyć opóźnienie jeszcze lepiej niż MEC i Cloudlet. Główni dostawcy usług w chmurze mają ponad dwadzieścia centrów danych na całym świecie. Wdrażanie oprogramowania w kilku strategicznych geograficznie lokalizacjach pozwoli nam zaoszczędzić znacznie więcej milisekund w porównaniu z jednym lub dwoma klasycznymi centrami danych na miejscu.

Co zrobić, jeśli lokalizacja naszych danych jest ograniczona przez prawo? Na przykład, jesteś bankiem szwajcarskim, a Twoje systemy muszą być fizycznie w Szwajcarii. Na szczęście, z prawnego punktu widzenia, nie ma różnicy między utrzymywaniem serwerów w piwnicy a korzystaniem z platformy Google Cloud dla regionu Zurychu. Ale jest różnica w szybkości działania. Centra danych w chmurze Google posiadają prywatne połączenie światłowodowe nie tylko do siebie nawzajem, ale także do ponad 150 lokalizacji na całym świecie - i to właśnie stąd pochodzą mniejsze opóźnienia.

Google zatrzyma Twoje pakiety w ich sieci tak długo, jak to możliwe. Nawet jeśli Twój komputer jest powiązany z jedną lokalizacją, możesz dotrzeć do użytkowników znacznie szybciej niż szaleńczo przeskakując przez publiczne węzły internetowe. Na przykład, jeśli użytkownik znajduje się 100 km od Warszawy, żądanie może wskoczyć do lokalnej lokalizacji Google Network Edge Location i dotrzeć do Zurychu szybciej niż przez poprzednie technologie.

Klient i serwer

Dużo rozmawialiśmy o komunikacji pomiędzy urządzeniem mobilnym a serwerem, ale nadal musimy wspomnieć o dwóch ważnych źródłach opóźnień - urządzeniu i samym serwerze.

W zależności od przypadku użytkowania, nie zawsze możemy mieć kontrolę nad sprzętem urządzenia mobilnego. Na szczęście często możemy nadrobić to po stronie serwera, wybierając odpowiedni procesor lub pamięć spośród dostępnych opcji, dodając karty graficzne, Tensor Processing Units, a nawet własne układy FPGA.

Wiele możemy też zrobić w dziedzinie oprogramowania, aby zachować kontrolę nad opóźnieniami.

• Prawidłowa architektura API (do wykonania pojedynczego żądania zamiast wielu żądań na ścieżkach krytycznych).
• Nie blokujące IO (jeśli potrzebujemy wielu żądań, które mogą być równoległe).
• Zoptymalizowany stos protokołów sieciowych i odciążanie przetwarzania pakietów (np. za pomocą DPDK) Lekkie frameworki i biblioteki. Redukcja zbędnych zależności i śladów.
• Wybór odpowiednich języków i pisanie niskopoziomowego kodu konstruuje z myślą o szybkości. Świadomość złożoności obliczeniowej. Przetwarzanie wsadowe i wielowątkowość.
• Właściwe wykorzystanie NUMA (niejednolity dostęp do pamięci) i SR-IOV (wirtualizacja wejść/wyjść jednokierunkowych). Dalsze dopracowanie maszyn wirtualnych, systemów operacyjnych, kontenerów i ich orkiestracji, kolektorów śmieci.

...lub cokolwiek innego, co może pochłonąć nasze cenne milisekundy w dół łańcucha technologicznego!

Perspektywa biznesowa

Opóźnienie to delikatny temat, który można zyskać lub stracić w wielu miejscach pomiędzy urządzeniem mobilnym a jego zapleczem. Jeśli wszystko jest dobrze zarcharchiterowane, wdrożone i wdrożone, 5G umożliwia osiągnięcie jednocyfrowego zakresu milisekundowych opóźnień, co otwiera zupełnie nowy poziom możliwości dla biznesu w ogromnej liczbie przypadków użycia.