SANALLAŞTIRMA VE BULUT TEKNOLOJİLERİ

SANALLAŞTIRMA VE BULUT TEKNOLOJİLERİ

5G VE SDN/NFV

Mobil ağlara olan yüksek talep nedeniyle servis sağlayıcılar pek çok gereksinim ile aynı anda yüzleşmek durumundalar. Yüksek trafik talebi, farklı bağlantı isteklerine sahip karmaşık servis mimarileri, farklı erişim teknolojileri üzerinden sorunsuz erişim ve hızlı değişen işletme isterleri bu gereksinimlerin, kullanıcı açısından öncelikli olanlarının bazıları. Bu gereksinimler servis sağlayıcılarını, operasyon ve servise alma süreleri gibi giderleri düşürecek ve aynı zamanda ağ verimliliğini ve performansını yükseltecek yenilikçi çözümler için arayışa yönlendirmektedir.

SDN, bilgisayar ağlarının kapasite, trafik yönetimi, değişim ve davranış açılarından açık arayüz katmanları aracılığı ile programlanabilmesini ifade etmektedir. Örneğin, bir Anahtar’a gelen veri paketinin nereye iletileceği çözümlenemediğinde Anahtar, SDN Denetleyicisi ile iletişim kurarak paketin iletileceği yeri öğrenir. SDN Denetleyici ile Anahtar arasında iletişimi sağlayan ve yaygın olarak kullanılan protokol OpenFlow’dur.

NFV (Network Function Virtualization), Ağ Cihazlarında kullanılan fonksiyonları, Sanallaştırma Teknolojilerinden yararlanarak donanımdan bağımsız hale getirebilmeyi amaçlayan bir mimaridir. Genel olarak NFV mimarisi sanallaştırılmış ağ fonksiyonlarının, birbirleri ile olan haberleşmelerini ve ortak Sunucu kaynaklarının kullanımını düzenleyecek Orkestrasyon Birimlerinden oluşur.

SDN ve NFV, bilgisayar ağlarının yazılım tabanlı mimariye dönüşümlerinde iki ana akımı oluşturmaktadır. SDN, Ağ Cihazlarının programlanması ve esnek bir işleme ortamı sunmayı hedeflerken NFV, bilgisayar ağlarının hızlı ve donanımdan bağımsız olarak hizmete sunulmasını hedeflemektedir. İki mimarinin de ortak özelliği OPEX (Operational Expenditure / Faaliyet Giderleri) ve CAPEX (Capital Expenditures / Başlatma Maaliyeti) giderlerinin düşürülmesi ve yeni servis mimarilerinin kolayca oluşturularak kullanıcılara sunulmasıdır.

SDN, mimari olarak bilgisayar ağlarından ayrıldığı gibi, donanımlarının çalışma şekli olarak da farklılık göstermektedir. Bilgisayar ağlarında, OSI (Open Systems Interconnection) ağ modeline bağlı kalınarak işlemler farklı katmanlarda ve farklılaşmış donanımlar üzerinde yapılır. OSI mimarisine bağlı kalınarak ağ oluşturmak, mimari olarak düzenleme getirmesine karşın, yüksek maliyete, birleştirilmiş donanımların kullanılması ise yazılımlara bağlı entegrasyon sorunlarına neden olur. SDN mimarisi ve OpenFlow anahtarlama standardı ile bu işlemler anahtarlama donanımına indirgenebilir.

NFV’nin sunduğu esneklik RAN (Radio Access Network) sanallaştırma açısından önemli bir fırsat sunarken 5G ağlarda hedeflenen performans metriklerine uygunluk ve rekabet gücünün oluşması için yüksek performansa sahip genel amaçlı platformların oluşturulması önem taşımaktadır. Haberleşme piyasasının önemli firmalarından olan NEC, 2016 yılında, NFV Cloud-RAN ürünleri ile radyo haberleşme ağlarında fonksiyonel bir bölümlendirmeye ulaşabilen ürünlerini kullanıcılarına sundu. 2017 yılında ASOCS ve Intel, Sanal Baz İstasyonlarını kullanıma sundu. Bu ürünler NFV tabanlı çözümlerin RAN ağında bulunan donanımların alıcı/verici, modülasyon/ demodülasyon, anten özellikleri ve kaynak kontrolü alanlarında kullanıldığını göstermektedir.

Mobil ağlarda kullanılan erişim altyapılarının çeşitliliği ve farklı servis seviyelerinin bulunması bu ağlarda SDN, NFV ya da SDR (Software Defined Radio) uygulamalarını zorlaştırmaktadır. Kullanıcıların yüksek veri hızı talepleri bu ağlardaki kaynak yönetimini daha da zor hale getirmekte, SDN, NFV ve SDR temelli çözümler için, radyo kaynaklarının tümleşik yönetimi, mobilite yönetimi, servis kalitesi alanında yeni zorluklar oluşturmaktadır. 4G/5G ağlarda bu mimarileri kullanan çözümler ve ürünler için aşılması gereken zorluklar aşağıdaki tabloda özetlenmiştir.

5G Teknolojisi’nde ağ yoğunluğunun artması ve farklı spektrum bantlarının bulunması ile birlikte, radyo kaynaklarının en uygun şekilde tahsis edilmesi, trafik devri (handover) yönetimi, parazit engelleme, ağ hücreleri arası yük dengeleme vb. giderek daha zor hale gelmiştir. RAN düğümleri (baz istasyonları) arasında dağıtılan mevcut Radyo Kaynak Yönetimi (RRM) kontrolü optimal değildir. Bu nedenle, sistem performansını artırmak için yazılım tanımlı kontrol edilebilirliğin RAN'a getirilmesi gerekmektedir. Bu, temel donanım ve protokol yığını bağlantılarının birbirinden ayrılmasıyla elde edilebilmektedir. Bu ayrım,

• CU’nun (Central Unit) CU-U (Central Unit-User) ve CU-C (Central Unit-Control) olarak ayrıştırılması ve bunlar üzerinde bulunan arayüzlerin tanımlanmasını,

• RAN Düğümleri (CU’lar, DU’lar, Mobil Cihazlar vb.), RAN Bağlantıları ve Düğüm ve Bağlantı Nitelikleri kullanarak Radyo Ağı Bilgi Tabanını tanımlamasını,

• SDN uygulamaları olarak gerçekleştirilen ağ optimizasyon uygulamalarını,

• MAC tarafı RRM işlevlerinin açık kullanılarak programlı konfigürasyonuna izin verilmesini,

• RC (RAN Controller) uygulamalarının, yaptıkları değişikliklere göre RAN üzerinde kontrol uygulamasına izin verilmesini gerektirmektedir.

ONF(Open Network Foundation) tarafından sunulan O-RAN (Open Radio Access Network) mimarisi ile uyumlu, yazılım tanımlı RAN kontrolüne uygun mimari aşağıdaki şekilde verilmiştir.

SD-RAN (Software Defined Radio Access Network) sayesinde kontrol ile kullanıcı düzleminin ayrılması ve ayrıştırılmış RAN bileşenleri arasında arayüzlerin açıkça tanımlanması, altyapıdan bağımsız olarak, RAN için inovatif üçüncü parti yazılım çözümlerinin geliştirilmesinin önünü açmaktadır. Bu çözümler RAN’ın yazılım tabanlı kontrolüne, radyo kaynaklarının merkezi olarak yönetimine olanak sağlamaktadır. Bu uygulamalar sayesinde, telekom operatörleri tüm ağ teknolojilerine, radyo birimlerine ve baz istasyonlarına erişimle ağ üzerinde global bir görünüm elde etmektedir. Bu global görünümde, belirli bir aktif kullanıcı için radyo hüzmelerinin dinamik seçimiyle enterferans problemleri en aza indirilmekte ve kullanıcı deneyimi artırılmaktadır. Bununla birlikte yazılım tanımlı RAN kontrolü, senaryo bazlı yönetimi esas alarak performansa dayalı kararların dinamik olarak alımına imkân sağlamaktadır.

RAN SANALLAŞTIRMA

Sanallaştırma, amaca özel olarak üretilmiş donanımların kullanımının bırakılıp, yazılımların genel amaçlı donanımlar üzerinde çalıştırılabilmesini ifade etmektedir. Radyo erişim şebekesinin (Radio Access Network = RAN) sanallaştırılması da günümüzde mobil haberleşme şebekeleri sektöründe en popüler konulardan biridir. Son dönemde RAN sanallaştırılması ile elde edilebilecek faydalar, yeni mimari ve kurulum tipleri mobil şebeke operatörleri tarafından yoğun ilgi görmektedir.

Sanallaştırma ile RAN, çekirdek şebeke ve uç bulut tarafında ortak RAHAT (Rafta Hazır Temin Edilebilir) sunucu donanımlarının kullanılması mümkün olabilmektedir. Böylece, şebekenin yönetimi kolaylaşmakta, operasyon ve bakım maliyetleri düşürülebilmektedir. Bunun yanında, aynı donanım üzerinde birbirinden farklı üreticilerin yazılımlarının çalışabilmesi mobil şebeke operatörüne ciddi anlamda esneklik kazandırmaktadır. Operatörler tek üreticiye bağımlı olmadan şebekelerini kurabilmekte, böylelikle her ürün için en avantajlı üreticiyi seçebilmekte ve şebekesine daha yakından hâkim olabilmektedir. RAN Sanallaştırma ile RAN kısmı da bulut teknolojileri ile entegre olmaktadır. Bu sayede, RAN yazılımlarının da hızlı kurulumu ve ölçeklendirilmesi mümkün olmaktadır. Yoğunluk durumuna göre farklı otomatik ölçeklendirme stratejileri izlenebilmektedir.

Bütün bu avantajların yanında, özelleşmiş donanımlar kullanılmasının da halen gözden kaçırılmaması gereken birtakım avantajları bulunmaktadır. Özelleşmiş donanımlar, ilgili ağ fonksiyonuna göre optimize edilmelerinden ötürü büyüklük ve güç tüketimi yönünden etkin çözümler sunabilmektedir. Maliyet yönünden de özelleşmiş donanımlar ile üretilecek ürünlerin RAHAT donanımlar ile üretilecek çözümlere göre ilk aşamada maliyet avantajının olacağı ancak ilerleyen yıllarda bu avantajın RAHAT donanımlar tarafına geçeceği öngörülmektedir.

Sanallaştırma mobil şebeke operatörleri için çekirdek şebeke ile başlamıştır ve son dönemde artan çalışmalarla birlikte RAN tarafında da buna yönelik çalışmalar gerçekleştirilmektedir, “5G RAN” başlıklı makalede de bu konuya yer verilmiştir. 3GPP standardizasyonu ile merkezi birim (Centralized Unit = CU) ve dağıtık birim (Distributed Unit = DU) ayrımı yapılmıştır. Buna göre de daha az işlem gücü ve gerçek zamanlı işlem gerektiren CU’nun sanallaştırılması gerçekleştirilmiştir. Böylece veri merkezlerinde bulunacak olan CU’lar RAHAT donanımlar üzerinde konumlandırılmaya başlanmıştır. DU ise alt katman operasyonları dolayısıyla daha yüksek işlem gücü ve gerçek zamanlıya yakın işlem yeteneği gerektirdiği için, sanallaştırma trendinde yerini daha geç alabilmiştir.

Yüksek işlem gücü ve sıkı senkronizasyon hassasiyeti ihtiyaçları sanallaştırma konseptinin RAN tarafında ve özellikle DU tarafında uygulanabilmesini zorlaştırmaktadır. DU tarafında yüksek işlem gücü gerektiren işlevlerin bazıları, FPGA, DSP veya ASIC içeren hızlandırıcı kartlarda gerçeklenerek RAHAT sunucu donanımlarının kaynaklarının daha verimli kullanılabilmesi birçok firma tarafından amaçlanmıştır. Böylece genel amaçlı işlemciler üzerindeki yük azaltılmış ve operatör ihtiyaçlarını karşılayabilecek mimari tasarımları üzerine gidilebilmiştir. Belirtilen donanım tiplerinin haricinde, GPU’ların da paralel işlem gücü yeteneği avantajları dolayısıyla vRAN (virtual RAN) çözümlerinde kullanılmaları söz konusudur. Bazı geliştirici firmalar, GPU’ları fiziksel katman yazılımları için kullanarak RAN çözümleri üretmeyi de planlamaktadır.

Konteynerizasyon (containerization), yazılım kodlarının yalnızca gerekli işletim sistemi bağımlılıkları ve kütüphaneleri ile birlikte paketlenerek, düşük boyutlu ve farklı ortamlarda tutarlı şekilde çalışabilen uygulamalar haline getirilmesidir. RAN sanallaştırmada özellikle 5G ile birlikte konteynerizasyon (containerization) varsayılan teknoloji haline gelmiştir. Önceki kurulumlarda hatta mevcut durumda yoğun olarak kullanılan sanal makineler yerine konteynerler üzerinde RAN yazılımlarının bulunduğu mimariler geliştiriciler ve operatörler tarafından ilgi görmektedir. Bunun yanında sürekli entegrasyon – sürekli test– sürekli teslimat (CI/CT/CD) süreçlerinin RAN yazılımları için kullanımı gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Bu süreçlerin RAN’da da kullanıma girmesi sayesinde operatör şebekelerinde bir serviste yapılacak güncelleme için bütün baz istasyonu yazılımının güncellenmesine gerek kalmamakta, sadece o servisle ilgili bloğunun veya konteynerin güncellenmesi –yeniden oluşturulması– yeterli olacaktır.

Dünyada Rakuten, Telefonica, Vodafone gibi bazı operatörler, RAN sanallaştırılmasını kritik önceliklerden biri olarak görmektedir. Örneğin Rakuten, Japonya’da sıfırdan kurmuş olduğu şebekeyi tamamen sanal RAN mimarisinde hayata geçirmiştir. 4G kurulumlarına bu şekilde başlamalarına ek olarak, 5G’de de sanal RAN mimarisinde kurulumları sürdürdükleri belirtilmektedir. Avrupa’da ise Telefonica ve Vodafone hem ORAN hem de vRAN mimarilerini önemsemekte ve bu konuda çalışan üretici ve ekipman sağlayıcı firmalarla birlikte deneme çalışmaları yürütmektedir. Ülkemizde de bu mimarilere yönelik olarak yabancı üreticilerle deneme çalışmaları sürdürülmektedir. Önümüzdeki yıllarda daha fazla operatörün bu yaklaşımı benimsemesiyle birlikte açık ve sanal RAN kurulumlarının yaygınlaşacağı tahmin edilmektedir.