Введение

Конвергенция платформ 5G и IoT

С развитием технологий мобильной связи и Интернета вещей (IoT) становится всё более очевидным потенциал их совместного использования. 5G предоставляет превосходную скорость, низкую задержку и высокую надежность, что делает её идеальной для обеспечения соединения между устройствами IoT[i]. Интернет вещей, в свою очередь, включает в себя миллиарды подключенных устройств, которые могут передавать данные в режиме реального времени, по расписанию или по требованию, необходимые для повышения эффективности, автоматизации и персонализации услуг.

Однако, кроме очевидной комплиментарности 5G и IoT, можно заметить общий архитектурный подход при создании платформ для этих технологий — Cloud Native. Это создает условия для более глубокой их интеграции. Видится привлекательным решением сделать часть функций платформы IoT стандартными функциями архитектуры 5G.

Cloud Native и его роль в современных сетях

Cloud Native — это подход к разработке и эксплуатации приложений, который использует преимущества облачных вычислений[ii]. Это включает в себя использование контейнеров, микросервисов, и непрерывную интеграцию/непрерывное развертывание (CI/CD) для быстрого масштабирования и высокой устойчивости приложений. В контексте 5G и IoT, Cloud Native играет ключевую роль в обеспечении гибкости, масштабируемости и эффективности, необходимых для обработки огромного объема данных, генерируемых устройствами IoT, и для поддержки высоких требований к качеству связи в сетях 5G. Это уже привело к интересному результату: ведущие облачные провайдеры — AWS, Azure и Google Cloud предлагают готовые инфраструктуры для запуска сетей 5G. Это особенно естественно ложится на подход OpenRAN в построении мобильных сетей, который быстро набирает популярность.

Цель статьи и обзор основных тем

Целью этой статьи является исследование возможности конвергенции платформ 5G и IoT на базе Cloud Native. Основное внимание уделяется интеграции Device Twins в стандартную архитектуру 5G и проекции этого решения на Edge Computing. Мы рассмотрим преимущества и риски такого подхода.

Технологии 5G

Эволюция от 4G к 5G

Технология 5G представляет собой пятую генерацию мобильных сетей и является значительной эволюцией по сравнению с предшественником, 4G. Она разработана для более эффективной, быстрой и универсальной связи по сравнению с 4G, с основными целями высокой скорости передачи данных, снижения задержек, экономии энергии, снижения затрат, увеличения емкости системы и обеспечения массовой связи устройств[iii].

Архитектура и ключевые компоненты 5G

Архитектура 5G включает несколько ключевых компонентов, таких как технология доступа New Radio (NR), ядро следующего поколения (NG Core) и технология сетевого среза (Network Slicing). Эти элементы предназначены для совместной работы, чтобы обеспечить универсальную и эффективную связь в различных областях применения и отраслях.

В отношении IoT стоит выделить следующие компоненты:

1. Network Exposure Function (NEF)

NEF представляет собой компонент в архитектуре 5G, который обеспечивает взаимодействие внешних систем и услуг с сетью 5G. NEF предоставляет стандартизованные API для доступа к сетевым функциям и данным, обеспечивая при этом безопасность и контроль над тем, как внешние приложения взаимодействуют с сетью.

2. Network Data Analytics Function (NWDAF)

NWDAF — это функция в архитектуре сети 5G, которая анализирует сетевые данные и статистику для поддержки оптимизации сети и предоставления информации другим сетевым функциям. Это может включать анализ трафика, производительности, забитости сети и других аспектов.

3. User Plane Function (UPF)

UPF относится к пользовательской плоскости в 5G и отвечает за обработку и маршрутизацию пользовательского трафика в сети. UPF играет ключевую роль в обеспечении высокоскоростного и низкозадержечного передачи данных, и является центральной частью пользовательской плоскости в архитектуре 5G.

4. Application Function (AF)

AF в архитектуре 5G обеспечивает взаимодействие сетевых возможностей с внешними приложениями. AF может использовать NEF для доступа к сетевым функциям и участвовать в управлении сессиями, качеством обслуживания (QoS) и трафиком, чтобы поддерживать определенные требования приложений.

Open RAN

Open RAN (Open Radio Access Network) — это архитектура радиодоступных сетей, которая позволяет операторам сотовой связи использовать сетевое оборудование и программное обеспечение от различных производителей, вместо того чтобы зависеть от одного поставщика для всего решения. Этот подход обеспечивает гибкость, снижение затрат и стимулирует инновации.

В рамках 5G, Open RAN позволяет внедрять сети с высокой пропускной способностью, меньшей задержкой, и возможностями сети следующего поколения через модульную и открытую архитектуру.

Основные производители:

Altiostar: Компания, которая предоставляет программные решения для виртуализации RAN и способствует развитию Open RAN через вклад в O‑RAN Alliance.
Mavenir: Один из лидеров в области Open RAN решений, Mavenir активно занимается разработкой программных решений для виртуализации и автоматизации сетей 4G и 5G.
Parallel Wireless: Компания занимается разработкой решений для объединения мобильных сетей 2G, 3G, 4G и 5G через открытую архитектуру RAN.
Nokia: Хотя Nokia известна как традиционный производитель телекоммуникационного оборудования, компания активно вовлечена в Open RAN, предоставляя решения и технологии для 5G сетей.
Samsung: Компания внедряет Open RAN решения, сочетая свои инновации в области 5G с открытой архитектурой для предоставления операторам гибких и масштабируемых сетевых решений.
Rakuten: Компания является одним из ключевых игроков в области Open RAN. Rakuten Mobile, подразделение японской компании Rakuten Group, является первым оператором в мире, который полностью построил свою мобильную сеть на базе Open RAN.

Open RAN продолжает набирать популярность как средство обеспечения более гибкого, надежного и эффективного развертывания 5G сетей. Ключевые производители и стандарты, такие как O‑RAN Alliance, играют важную роль в продвижении этой архитектуры.

Технологии Интернета вещей (IoT)

Интернет вещей относится к сети физических устройств, оснащенных датчиками, программным обеспечением и другими технологиями, которые позволяют им подключаться и обмениваться данными через Интернет. Это позволяет создавать умные среды и системы, начиная от небольших бытовых приборов и заканчивая крупными промышленными машинами.

Архитектура и ключевые компоненты IoT

Архитектура IoT обычно включает четыре уровня: уровень сенсоров, сетевой уровень, уровень управления и уровень приложений. Архитектура может варьироваться в зависимости от конкретного сценария использования и требований. Ключевые компоненты включают датчики, исполнительные устройства, средства связи, обработку данных и пользовательский интерфейс.

Так как платформы IoT имеют дело с большим числом устройств, должны обеспечивать гибкость и отказоустойчивость, то практически все из них являются Cloud Native.

Сценарии использования и приложения

Технология IoT имеет широкое применение в различных отраслях, таких как сельское хозяйство, здравоохранение, розничная торговля, транспорт и многое другое. Она обеспечивает решения, такие как умные дома, промышленная автоматизация, носимые устройства, умное сельское хозяйство и системы мониторинга здоровья.

Взаимодействие между 5G и IoT

Сочетание технологий 5G и IoT может создать синергетический эффект. Сейчас платформы IoT существуют отдельно от 5G и ее только как транспорт. Перенос некоторых функций IoT в архитектуру 5G и последующие выглядит многообещающе: эта конвергенция имеет потенциал кардинально изменить отрасли, обеспечивая более эффективные и сложные приложения и услуги IoT.

Подробнее о Cloud Native

Cloud Native — это подход к разработке и развертыванию приложений, который использует облачные технологии для обеспечения масштабируемости, гибкости и быстрого времени вывода на рынок. Приложения, созданные с использованием Cloud Native подхода, обычно структурируются как набор маленьких, независимых и распределенных сервисов, называемых микросервисами.

Микросервисы

Микросервисы являются ключевой составляющей Cloud Native архитектуры. Они предполагают разделение приложения на множество маленьких и независимых сервисов, каждый из которых выполняет специфическую функцию. Эти сервисы могут быть развернуты, масштабированы и управляться независимо друг от друга, что увеличивает гибкость и надежность системы в целом[iv].

Контейнеризация и оркестрация

Cloud Native подход также тесно связан с использованием контейнеров для упаковки и изоляции приложений и их зависимостей. Docker является одним из наиболее популярных инструментов для контейнеризации. Для управления контейнерами на крупномасштабных развертываниях используются системы оркестрации, такие как Kubernetes[v].

Преимущества

Cloud Native архитектура предоставляет ряд преимуществ, таких как улучшение масштабируемости, повышение устойчивости к отказам, сокращение времени вывода продукта на рынок и оптимизация использования ресурсов. Это делает Cloud Native привлекательным выбором для современных приложений, в том числе в области IoT и сетей 5G[vi].

Device Twins в IoT

Device Twins представляют собой цифровые дубликаты физических устройств IoT, которые предоставляют виртуальное представление состояния и метаданных ассоциированных с физическими устройствами. Они позволяют разработчикам взаимодействовать с устройствами IoT, моделировать их поведение и анализировать данные без воздействия на реальные устройства[vii].

Составные части Device Twins

Device Twins состоят из трех основных компонентов: сведений о состоянии устройства, метаданных и свойств устройства. Сведения о состоянии устройства предоставляют информацию о текущем состоянии устройства, метаданные могут включать информацию, такую как версия прошивки или местоположение, а свойства устройства позволяют контролировать конфигурацию и настройки устройства[viii].

Применение в IoT

Device Twins используются для синхронизации состояния между физическими устройствами IoT и облачной платформой. Это позволяет разработчикам отслеживать изменения состояния устройств в реальном времени, а также реализовывать сложные сценарии, такие как управление группами устройств, создание сценариев автоматизации и обработка событий на основе изменения состояния.

Поставщики и платформы

Несколько крупных платформ IoT, таких как Microsoft Azure IoT Hub[ix], AWS IoT[x] и Google Cloud IoT[xi], предлагают возможности Device Twins в качестве части своих решений для управления устройствами IoT.

Более подробно о Device Twins здесь.

Выбор компонента для интеграции Device Twins

Как было описано выше, четыре стандартных компонента архитектуры 5G мгут быть кандидатами для реализации в них Device Twins: NEF, NWDAF, UPF, AF. Исходя из каких критериев нужно выбрать наиболее подходящий? Во‑первых, это распределенность — способность работать как на ресурсах в дата‑центре, так и на границе сети (Edge). Во‑вторых, это возможность терминировать трафик NIDD, нативный для сетей LPWAN. И, в‑третьих, наличие функций безопасности как для изоляции Device Twins, так и против атак извне.

Ниже приведена сравнительная таблица:

Компонент	Распределенность	Терминирование NIDD
NEF	Может быть развернут как в центральном дата‑центре, так и на edge для обеспечения близости к устройствам и приложениям	Возможно и может быть более эффективным, когда NEF развернут на краю, чтобы минимизировать задержки и обеспечить локальную обработку данных
NWDAF	Обычно развертывается в центральных дата‑центрах, но может быть развернута и на краю для более эффективного сбора и анализа данных близко к источникам	Возможно, но может быть менее эффективным из‑за природы NWDAF как аналитической функции, а не точки взаимодействия с устройствами
UPF	Может быть развернута как в центральном дата‑центре, так и на краю для обработки пользовательского трафика ближе к пользователю	Возможно, но может быть сложным из‑за требований к высокой производительности и низкой задержке пользовательского трафика
AF	Может быть развернута в центральных дата‑центрах или на краю сети в зависимости от требований приложения	Весьма подходящий сценарий, поскольку AF имеет прямое взаимодействие с приложениями и может получать пользу от локальной обработки данных через Device Twins

Из сравнения видно, что наиболее подходящими кандидатами являются NEF и AF. При этом NEF больше подходит для легких и типовых Device Twins, а AF — для более тяжелых с особыми запросами на вычислительные и сетевые ресурсы. Если вспомнить, что устройства LPWAN, как правило, легкие, и что NEF может предложить расширенные опции безопасности, то победитель становится ясен.

Интеграция NEF и Device Twins

Концептуальная модель

Интеграция Network Exposure Function (NEF) в сетях 5G с Device Twins в платформах IoT открывает новые возможности для оптимизации и управления связью между устройствами IoT и сервисами сети 5G. В этом контексте, NEF будет служить средой исполнения для Device Twins, реализованных в виде микросервисов, при этом значительная часть функций NEF может быть реализована с помощью Device Twins.

Микросервисная архитектура и NEF

В современных тенденциях развития сетей 5G, NEF может (и должен) быть реализован с использованием микросервисной архитектуры. Это позволяет NEF быть гибким и масштабируемым. Device Twins, в свою очередь, могут быть встроены в NEF как микросервисы, что позволяет им выполнять определенные функции NEF, такие как обработка данных и управление ресурсами сети[xii].

Распределенная архитектура и подвижные агенты

NEF имеет распределенную архитектуру, что усиливает её способность к масштабированию и обработке большого числа устройств. Device Twins могут действовать как подвижные агенты NEF, перемещаясь по сети вслед за своими устройствами. Это может быть особенно полезно для оптимизации ресурсов и повышения производительности в мобильных сценариях, таких как автономные транспортные средства или мобильные роботы.

Преимущества и вызовы

Использование Device Twins в качестве агентов NEF может принести ряд преимуществ, включая повышенную гибкость, оптимизацию ресурсов и улучшение качества услуг. Также это позволит более эффективно использовать NIDD: данный протокол имеет настраиваемый размер пакета. Зная, какой будет пейлоад, можно очень точно настроить NIDD и избежать оверхэда при сильном несоответствии между ними.

Однако такой подход также представляет определенные вызовы, включая обеспечение безопасности, управление данными и координацию между различными агентами и устройствами. В части безопасности понадобятся дополнительные меры изоляции контейнеров, например, как AMD SEV.

Примеры использования и перспективы

Хотя интеграция NEF и Device Twins является новым направлением, оно предлагает интересные перспективы для будущего сотрудничества между технологиями IoT и 5G. Например, в сценариях умного города, connected cars или промышленного IoT, где устройства часто могут перемещаться, использование подвижных агентов может улучшить качество услуг и оптимизировать использование ресурсов.

Применение в Edge Computing

Edge Computing — это концепция, при которой вычислительные ресурсы и обработка данных размещаются ближе к месту, где они необходимы, что уменьшает задержки и улучшает производительность. Это особенно актуально для IoT, где устройства могут генерировать большое количество данных, которые необходимо обрабатывать в реальном времени.

Device Twins как Агенты NEF

Если распределить NEF вплоть до пограничных устройств, то Device Twins, как ее агенты, смогут исполняться там. В контексте Edge Computing это позволяет более эффективно использовать сетевые ресурсы, уменьшать задержки и обеспечивать более высокую пропускную способность. Главное, это создает универсальный подход в работе с устройствами IoT и добавляет гибкости инфраструктуре мобильной сети.

Сценарии Применения и Примеры

Применение Device Twins в качестве агентов NEF в среде Edge Computing может быть особенно полезным в сценариях, где важны высокая производительность и малые задержки. Примеры таких сценариев включают автономные транспортные средства, промышленное IoT, умные города и телемедицина в реальном времени.

Вызовы и Возможности

Хотя использование Device Twins как агентов NEF в Edge Computing предоставляет множество возможностей, существует и ряд вызовов, таких как обеспечение безопасности, управление данными, согласованность и непрерывность услуг в мобильных сценариях.

Первая проблема, которую предстоит решить, это обеспечить переносимость кода из облака на граничное устройство — ведь серверы и базовые станции и роутеры, как правило, реализуются на «железе» разной архитектуры.

Вторая проблема, как обеспечить непрерывных и равнопрочный контекст безопасности Device Twins при их миграции между узлами и при работе на недоверенном оборудовании (например, на сетевом роутере пользователя).

Перспективы Развития

С учетом роста IoT и продолжающегося развертывания 5G сетей, перспективы для интеграции Device Twins и NEF в среде Edge Computing выглядят многообещающими. Это может стать ключевым фактором в развитии интеллектуальных сетей, автономных систем, и других передовых технологий, требующих высокой пропускной способности и низкой задержки.

Заключение

Основные выводы

В статье было рассмотрено пересечение и взаимопроникновение технологий 5G и IoT в контексте Cloud Native архитектуры. Основным фокусом является интеграция Network Exposure Function (NEF) с Device Twins, что позволяет создать более гибкую и масштабируемую среду. Device Twins, действующие в качестве агентов NEF, могут обеспечивать высокую степень мобильности и адаптивности, что крайне важно в динамичных сетевых сценариях, особенно с учетом развития Edge Computing. Важно, что это можно сделать уже сейчас, не меняя стандартную архитектуру 5G, что позволит операторам запустить value‑added service на этой основе, а потребителям снизить барьер по запуску IoT проектов.

Что дальше

Приведенная в статье концепция открывает перспективное направление, необходимы дополнительные исследования и инновации для реализации полного потенциала этой интеграции. Вопросы безопасности, согласованности данных, интеграции с существующими решениями и оптимизации ресурсов требуют глубокого анализа и разработки. Профессионалам индустрии, исследователям и разработчикам предлагается активно участвовать в этом процессе, содействуя эволюции сетевых технологий и созданию новых возможностей для IoT и 5G в эпоху Cloud Native и Edge Computing. Оптимальным решением в мобильных сетях будущих поколений было бы реализовать компонент, оптимизированный для Device Twins, отвечающий требованиям переносимости и безопасности.

Олег Гурин, BDM

Сооснователь SIBlink

[i] A. Osseiran et al., "Scenarios for 5G mobile and wireless communications: The vision of the METIS project," IEEE Communications Magazine, vol. 52, no. 5, pp. 26-35, May 2014. DOI: 10.1109/MCOM.2014.6815890

[ii] CNCF, " What is cloud native and why does it exist?", Cloud Native Computing Foundation

[iii] M. R. Palattella и др., "Internet of Things in the 5G Era: Enablers, Architecture, and Business Models," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, DOI: 10.1109/JSAC.2016.2525418

[iv] S. Newman, "Building Microservices: Designing Fine-Grained Systems", O’Reilly Media, Inc., 2015. Link

[v] K. Hightower, B. Burns, and J. Beda, "Kubernetes: Up and Running: Dive into the Future of Infrastructure", O’Reilly Media, Inc., 2017. Link

[vi] CNCF, "CNCF Cloud Native Interactive Landscape", Cloud Native Computing Foundation. Link

[vii] Microsoft, "Understand and use device twins in IoT Hub", Microsoft Azure Documentation. Ссылка

[viii] AWS, "Device Shadow Service for AWS IoT", AWS Documentation. Ссылка

[ix] Microsoft, "Azure IoT Hub", Microsoft Azure. Ссылка

[x] AWS, "AWS IoT Core", Amazon Web Services. Ссылка

[xi] Google, "Cloud IoT Core", Google Cloud. Ссылка

[xii] ETSI. (2020). "ETSI White Paper № 28: MEC in 5G Networks." Ссылка

Device Twins в 5G и Edge Computing