Virtualizzazione di reti wireless definite a livello software

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1 Scuola Politecnica e delle Scienze di Base Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Elaborato finale in Teoria dei Segnali Virtualizzazione di reti wireless definite a livello software Anno Accademico 2013 / 2014 Relatore: Prof. Francesco Verde Candidato: Roberto Fummo matr. N46/000160

2 Alla mia famiglia e ai miei amici, fonti di supporto e motivazione durante questo percorso..

3 Indice Indice III Introduzione 4 Capitolo 1: Approccio SDN e NFV Software-Defined Networking Nuova architettura di rete Network Function Virtualization Benefici di NFV Sinergie tra SDN e NFV 13 Capitolo 2: Applicazione di SDN alle reti wireless Software-Defined Wireless Networking Virtualizzazione Quality of Experience Selezione dell accesso alla rete Architettura SDWN C-RAN Vantaggi di C-RAN Applicazioni concrete 32 Capitolo 3: SoftRAN e OpenRAN Analisi delle proposte Strategie di controllo 42 Conclusioni 44 Bibliografia 45

4 Introduzione I nuovi approcci di rete rappresentati da Software-Defined Networking (SDN) e Network Function Virtualization (NFV), applicati congiuntamente, consentono oggi di avere una visione futura delle reti Internet basata su scenari centralizzati, mediante la virtualizzazione dei dispositivi di rete fisici. Lo scopo di questa tesi è quello di esplorare tali scenari e di comprendere il ruolo della virtualizzazione dei componenti di rete, sotto forma di macchine virtuali, applicata ad un contesto wireless. Si affronteranno le problematiche, i vantaggi e gli obbiettivi futuri derivanti dall applicazione dei concetti SDN nell ambito mobile, mostrando come un architettura di controllo centralizzata possa oltrepassare le limitazioni poste dall attuale sistema reti di telecomunicazioni. 4

5 Capitolo 1: Approccio SDN e NFV Nell attuale scenario delle reti di comunicazione, il piano di controllo e quello d inoltro come anche le funzioni di rete, sono realizzati tramite dispositivi hardware che pongono diverse problematiche inerenti la gestione degli utenti e delle risorse di rete, che di conseguenza portano alla perdita d efficienza nella struttura sottostante. Infatti, trovare lo spazio e le strutture per accogliere i dispositivi fisici è sempre più difficile e la situazione generale viene peggiorata dai crescenti costi energetici, dalle sfide per l investimento di capitali e dalla mancanza di personale in possesso delle competenze necessarie per progettare e gestire dispositivi hardware sempre più complessi. Inoltre, la distribuzione di un nuovo servizio di rete e l aggiornamento di uno già esistente richiedono spesso un intervento fisico sulla struttura, che grava di conseguenza sui costi dei servizi e sui tempi di mercato. Peggio ancora, i cicli di vita dell'hardware molto brevi rispetto al rapido aumento dell innovazione tecnologica, inibiscono le entrate dovute al lancio di nuovi servizi e vincolano l'innovazione ad un mercato sempre più chiuso e centrato sulla rete. Gli approcci SDN (software-defined networking) ed NFV (network functions virtualization) si propongono di affrontare queste problematiche facendo leva sulle tecnologie di virtualizzazione IT (Information Technology) e disaccoppiando il piano di controllo da quello dati, che viene reso programmabile, per mantenere i vantaggi di apparati e funzionalità di rete consolidati su server standard, fornendo però una maggiore flessibilità. 5

6 1.1 Software-Defined Networking Il Software-Defined Networking (SDN) è un approccio all organizzazione dell architettura di rete che permette agli amministratori di gestire i servizi attraverso l astrazione delle funzionalità di basso livello. Queste funzionalità, che finora sono strettamente legate a dispositivi hardware proprietari, organizzati seguendo un approccio monolitico, migrano verso la gestione della rete da parte di controller SDN. L astrazione degli elementi di rete viene resa possibile disaccoppiando il sistema che prende decisioni su dove il traffico debba essere spedito (piano di controllo), dal sistema sottostante che inoltra il traffico alla destinazione selezionata (piano dati). SDN richiede alcuni meccanismi di comunicazione tra il piano di controllo e il piano dati, stabiliti dal protocollo OpenFlow che costituisce la cosiddetta Application Programming Interface (API) di basso livello. OpenFlow è definito come la prima interfaccia di comunicazione standard tra il piano di controllo e il piano dati di un'architettura SDN. Esso inoltre, consente la gestione e l'accesso diretto al piano d inoltro dei dispositivi di rete (es. router e switch), sia fisici che virtuali. Effettivamente, il fatto che questi dispositivi siano etichettati attualmente come monolitici e chiusi è dovuto proprio all assenza di un interfaccia aperta e accessibile al piano d inoltro. La separazione del piano di controllo da quello dati permette una gestione dell'inoltro dei pacchetti più efficiente rispetto a quella che si avrebbe utilizzando i classici protocolli di routing. La promozione e l'adozione di SDN è attuata da parte di Open Networking Foundation (ONF), un organizzazione fondata nel 2011, che gestisce lo standard OpenFlow. L approccio SDN si basa su di un architettura flessibile ed adattabile, cercando di soddisfare i requisiti di banda larga e di natura dinamica delle applicazioni. 6

7 Venire in contro ai requisiti di mercato e garantire un alta affidabilità e qualità dei servizi è virtualmente impossibile con le architetture di rete tradizionali, in uno scenario di distribuzione sovraccarico e denso come quello odierno. Le attuali architetture infatti, non sono progettate per far fronte alle necessità degli utenti e delle aziende, essendo limitate da alcune problematiche che affliggono la rete, tra le quali troviamo: -La complessità della struttura di rete che conduce alla stasi del sistema; -Le politiche inconsistenti che portano a falle nella sicurezza e a conseguenze negative; -L incapacità di rendere il sistema scalabile, con conseguente calo nelle prestazioni; -La dipendenza dai venditori e conseguente mancanza di interfacce standard e aperte; In risposta a queste diverse problematiche, l industria delle telecomunicazioni ha sviluppando e sta cercando di distribuire delle nuove architetture di rete basate sul paradigma SDN Nuova architettura di rete A causa dell enorme diffusione dei dispositivi e dei contenuti mobili a cui si assiste oggigiorno, l industria delle telecomunicazioni è stata indotta a riesaminare l architettura di rete tradizionale. Molte reti convenzionali sono organizzate in maniera gerarchica, con dispositivi di rete distribuiti in una struttura ad albero. Tuttavia questo tipo di organizzazione non rispecchia le necessità di memoria e di calcolo richieste dagli ambienti di comunicazione moderni. 7

8 Figura 1: Architettura SDN L architettura di rete basata su un approccio SDN prevede uno schema come quello in figura 1, con controller SDN centrali situati nel piano di controllo che si interfacciano con il piano applicazione e quello dati. Tra i principali componenti architetturali che compongono la struttura di SDN troviamo le SDN Application; queste sono costituite da programmi che comunicano, in modo esplicito e programmabile, le loro esigenze di rete al controller SDN tramite un'interfaccia di alto livello (NorthBound Interface). Una SDN Application si trova al piano applicazione ed è composta da una SDN Application Logic e da uno o più driver NBI. Le SDN App possono comunicare con più livelli di controllo astratti, offrendo così una o più NBI ai rispettivi NBI Agent situati nel controller SDN. Questo si trova al piano di controllo e rappresenta un'entità logica centralizzata adibita a tradurre le richieste delle SDN App, inoltrandole all SDN Datapath, e a fornire queste ultime di una visione astratta della rete. Un controller SDN è composto da uno o più NBI Agent, da una logica di controllo SDN, e da un driver d interfaccia di controllo del data-plane (CDPI) che permette di creare il collegamento con il piano dati tramite l SDN CDPI, in cui è situato OpenFlow. C è da notare inoltre che, la definizione di entità logica centralizzata non impedisce l organizzazione della struttura 8

9 dei controller sotto forma di collegamento gerarchico tra più controllori o di interfacce di comunicazione tra essi, né preclude la virtualizzazione o il risparmio delle risorse di rete. L SDN Datapath è un dispositivo di rete logico situato al piano dati che espone visibilità e controllo al livello superiore attraverso le sue capacità di inoltro e di elaborazione dei dati. La rappresentazione logica delle risorse può comprendere tutte le risorse fisiche sottostanti o parte di esse. Un SDN Datapath può essere definito logicamente su più elementi di rete fisici ed è composto da un CDPI Agent, da uno o più motori di inoltro del traffico e da una o più funzioni di elaborazione del traffico. Questo tipo di architettura dà vita ad un sistema centralizzato e programmabile in cui il piano dati e quello di controllo, che solitamente agiscono in modo congiunto, sono disaccoppiati. Questo sistema viene gestito in modo centralizzato dall SDN controller, che ne aumenta le prestazioni e migliora la gestione delle risorse sull intera rete. 1.2 Network Functions Virtualization La virtualizzazione delle funzioni di rete (NFV) è un concetto che propone di ricorrere a tecnologie standard di virtualizzazione IT che concorrono a virtualizzare intere classi di funzioni, distribuite nei nodi della rete, in blocchi che possono essere interconnessi per creare servizi di comunicazione. NFV è applicabile a qualsiasi funzione di elaborazione dei pacchetti nel piano dati e a qualsiasi funzione del piano di controllo, in infrastrutture di rete sia fisse che mobili. Essa si basa su tecniche tradizionali di virtualizzazione dei server implementate tramite funzioni di rete virtuali. Una funzione di rete virtuale (VNF), può essere costituita da diversi software e processi in esecuzione su una o più macchine virtuali (VM), allocate sullo stesso dispositivo fisico. Le diverse VM sono istanziate su server standard ad alto volume di traffico, switch, o anche su infrastrutture di cloud computing, anziché su dispositivi hardware personalizzati per ogni funzione di rete. Si potrebbe distribuire, per esempio, una funzione virtualizzata di controllo della sessione di frontiera, per proteggere la rete senza i tipici costi e le complessità derivanti dall acquisto e dall installazione di unità fisiche. 9

10 Figura 2: Struttura di rete fornita dalla NFV In figura 2 possiamo notare il passaggio della struttura di rete dall approccio architetturale classico a quello proposto da NFV. Il meccanismo utilizzato da NFV è analogo a quello utilizzato oggi dai servizi di IT in esecuzione su piattaforme di cloud computing, ad eccezione del fatto che le VNF possono richiedere opportune ottimizzazioni a livello hardware per soddisfare i requisiti di ridondanza geografica, ritardo e scalabilità, tipici delle reti di telecomunicazioni. L impiego delle tecniche di virtualizzazione utilizzate da NFV permette di creare indipendenza tra il software e l hardware sottostante, le cui caratteristiche vengono mascherate dal sistema. Si ricorda inoltre che, le operazioni inerenti la gestione delle VNF durante il loro intero ciclo di vita nonché quelle che forniscono gli automatismi e gli strumenti necessari alla gestione dei fallimenti e della scalabilità, vengono svolte dai moduli Orchestrator e VNF Manager tramite un attività di coordinamento, detta Orchestrazione. 10

11 1.2.1 Benefici di NFV NFV è applicabile a qualsiasi funzione di elaborazione dei pacchetti nel piano dati e a qualsiasi funzione del piano di controllo, sia in un ambiente cablato che in uno wireless. La proposta di virtualizzare le funzioni di rete genera diversi benefici agli operatori, contribuendo ad un drastico cambiamento apportato allo scenario generale nel settore delle telecomunicazioni. Tra i diversi vantaggi ottenuti, ricordiamo che l utilizzo del paradigma NFV porta ad una riduzione sostanziale dei costi delle attrezzature e dei consumi, attraverso lo sfruttamento delle economie di scala nel settore dell Information Technology. Infatti i servizi di rete virtualizzati tramite software permettono agli operatori di ridurre il CapEx (CapitalExpenditure), diminuendo il bisogno di acquistare hardware proprietario e promuovendo l utilizzo di modelli basati sul pay as you grow per eliminare gli approvvigionamenti superflui. Inoltre, gli operatori ottengono anche una riduzione dell OpEx (OperatingExpenditure), restringendo lo spazio richiesto dalle attrezzature, diminuendo il consumo elettrico ed i requisiti di raffreddamento dei dispositivi di rete. L adozione di NFV aumenta l efficienza operazionale, traendo vantaggio dalla maggiore uniformità della piattaforma fisica e dalla sua omogeneità con altre piattaforme di supporto. Infatti: -I meccanismi di orchestrazione forniscono capacità di scaling-up e scaling-down, installazione automatizzata e abilitano al riuso delle macchine virtuali (VM) allocate. -Eliminando la necessità di un hardware specifico per ogni applicazione, la base di competenze richieste per la gestione di server ad elevato volume di traffico, è molto più ampia e meno frammentata rispetto a quella attualmente riscontrata per le apparecchiature embedded delle reti di telecomunicazioni. -Si può ottenere maggiore efficienza tra l Information Technology e le operazioni di rete. -E possibile supportare l In-Service Software Upgrade (ISSU) con un semplice ripristino, installando la versione aggiornata di un Virtual Network Appliance (VNA) come se fosse una nuova macchina virtuale. Si suppone che il traffico possa essere trasferito dalla vecchia VM alla nuova, senza interrompere il servizio. Tra gli altri vantaggi ricordiamo anche l accelerazione dei tempi di mercato attuata per 11

12 mezzo della riduzione dei tempi di distribuzione dei nuovi servizi di rete, la diminuzione dei rischi correlati al lancio di questi servizi e la possibilità, da parte dei providers, di poter testare e migliorare i servizi per determinare quali siano quelli che rispecchiano in maniera migliore, le necessità dell utenza. Sebbene NFV porti diversi vantaggi nel settore delle telecomunicazioni, una possibile conseguenza del suo utilizzo potrebbe essere rappresentata da una trasformazione nello scenario riguardante gli operatori di rete. Ognuno di essi infatti, dovrà riposizionarsi sul nuovo mercato della virtualizzazione. Questa situazione non è poi così dirompente come potrebbe sembrare, poiché i fornitori di apparecchiature di rete già implementano alcune delle loro soluzioni combinando il proprio software con componenti hardware e software standard, ma in modo proprietario. Alcuni principali operatori di rete del settore si stanno già muovendo in questa direzione, offrendo versioni virtualizzate dei loro prodotti. La sfida che gli si pone dinanzi è quella di trovare il modo di migrare le proprie attività, in un ambiente basato sul software, massimizzando il riutilizzo dei sistemi e dei processi già esistenti. 12

13 1.3 Sinergie tra SDN e NFV Figura 3: Interconnessione tra gli approcci NFV ed SDN Come mostrato in figura 3 Network Functions Virtualization (NFV) è complementare al Software-Defined Networking (SDN) ma non dipende da esso. La virtualizzazione delle funzioni di rete, può quindi essere implementata anche senza la necessita di applicare il paradigma SDN, sebbene i differenti concetti e i diversi benefici derivanti dai due approcci possano essere combinati tra loro per ottenere risultati potenzialmente migliori. Gli obiettivi della virtualizzazione delle funzioni di rete (NFV) possono essere raggiunti utilizzando meccanismi che non si basano su SDN ma, ricorrono alle tecniche attualmente in uso in molti centri di elaborazione dati. Sebbene sia possibile una realizzazione delle funzioni virtualizzate (VFN) mediante queste tecniche, l utilizzo di approcci basati sul disaccoppiamento dei piani di controllo e di inoltro, proposti da SDN, sono in grado di migliorare le prestazioni della rete, semplificare la compatibilità delle distribuzioni esistenti e facilitare le procedure di utilizzo e di manutenzione del sistema. La virtualizzazione delle funzioni di rete è in grado di supportare il Software-Defined Networking (SDN), fornendo l'infrastruttura sulla quale il software SDN può essere eseguito. Inoltre gli obbiettivi di NFV, di utilizzare in modo intelligente i server e gli swich, si allineano a quelli di SDN. 13

14 L architettura NFV richiede di essere supportata da meccanismi efficienti per la gestione dinamica della connettività, a livello sia fisico che virtuale, in modo da collegare tra loro le diverse VFN; questo è proprio il compito al quale normalmente si presta l approccio SDN. Il controllo dinamico sull inoltro del traffico, fornito dalla programmabilità introdotta nell architettura SDN, consente di supportare in modo efficiente e generalizzato i requisiti di policy routing, cioè la possibilità di controllare il percorso dei flussi di traffico, introducendo così delle eccezioni alla logica standard dello shortest path. Per questo motivo, una delle applicazioni SDN che attualmente riveste particolare importanza è rappresentata dal service function composition (SFC), che si occupa dell inserimento di un certo numero di VFN sul percorso d inoltro del traffico, destinate a svolgere funzioni di servizio (es. Firewall e DPI). Per questo motivo SDN rappresenta una struttura ideale e complementare a NFV, fornendo l interconnessione tra le funzioni di rete richiesta dall architettura di Network Functions Virtualization, al fine di realizzare il collegamento tra le varie VFN. Un esempio dei benefici mutui tratti dall utilizzo congiunto di SDN e NFV è rappresentato dal fatto che, mentre NFV può aumentare l efficienza e la flessibilità sui servizi offerti dal piano di controllo di SDN, quest ultimo assicura la consegna affidabile e la qualità del traffico di rete alle funzioni virtualizzate ottenute da NFV. 14

15 Capitolo 2: Applicazione di SDN alle reti wireless Il settore delle telecomunicazioni sta vivendo oggi una grande rivoluzione, che darà luogo alle tipologie di reti e di servizi progettate e distribuiti per il futuro. Siamo testimoni dell aumento vertiginoso del numero delle applicazioni e dei servizi richiesti dagli utenti, a cui si è in grado di accedere anche in movimento grazie alle tecnologie wireless. Per far fronte a questa richiesta alcuni operatori di rete stanno adoperando paradigmi di Cloud Computing, che permettono una riduzione dei costi complessivi tramite la migrazione dei servizi di comunicazione, dagli hardware dedicati agli operatori mobili. Come passo successivo, questi operatori avranno bisogno di ridefinire e migliorare le infrastrutture di rete già esistenti oltre che implementare metodi per distribuirne di nuove, al fine di affrontare le sfide proposte sia dall aumento di domanda da parte dei clienti che dalla forte competizione di mercato. Il paradigma Software-Defined Networking, caratterizzato dalla netta separazione tra il piano di controllo e quello dati, viene attualmente adottato per ridefinire la struttura delle reti cablate. Tramite questo paradigma infatti, gli operatori di rete possono eseguire le loro infrastrutture in maniera più efficiente, sostenendo una distribuzione più veloce dei nuovi servizi, mentre procedono all abilitazione di caratteristiche importanti come la virtualizzazione. Di seguito verrà mostrato come l approccio SDN possa essere applicato alle reti wireless mobili, che non solo traggono benefici dalle caratteristiche intrinseche delle reti cablate, ma fanno leva sulle caratteristiche distinte della distribuzione mobile, per trarne vantaggi ancora maggiori. 15

16 2.1 Software-Defined Wireless Networking I tanti cambiamenti che si sono verificati nello scenario delle telecomunicazioni hanno portato la necessità di modificare il modo in cui gli operatori di rete ed i provider dei servizi gestiscono le proprie infrastrutture, al fine di ridurre significativamente i costi sostenuti per lo sviluppo e per la distribuzione di nuovi servizi. Tuttavia, a causa dell elevata dipendenza da protocolli ed interfacce proprietarie (talvolta oscurate), non è semplice implementare nuovi meccanismi di gestione su una rete già in uso e operativa. SDN è attualmente considerata la migliore alternativa agli approcci classici distribuiti, che si basano su hardware altamente dedicato, sul quale vengono eseguiti i protocolli standard. Finora la maggior parte dei casi d uso impiegati per presentare i principali vantaggi dell architettura SDN sono stati limitati ad ambienti cablati (es. Google), sebbene il paradigma sia applicabile in maniera concreta anche ad ambienti wireless. Tramite quest architettura, gli amministratori di rete possono programmare, in modo centralizzato, il comportamento sia della rete che dei flussi di traffico senza richiedere l accesso o la configurazione di ognuno dei dispositivi hardware. Come visto in precedenza, SDN disaccoppia il sistema che prende decisioni da quello che inoltra il traffico verso la destinazione selezionata. In aggiunta, abilitando la programmabilità sul traffico e sui dispositivi, una rete SDN risulta essere molto più flessibile ed efficiente di una tradizionale. In questo tipo di architettura infatti, la strategia di controllo è di tipo centralizzato, si basa sul software ed è gestita da controller SDN che hanno una visione globale dello stato della rete e sono in grado di controllare i dispositivi in maniera indipendente dal produttore. Questi dispositivi non sono più tenuti ad eseguire e comprendere i molteplici protocolli di rete, bensì accettano istruzioni da parte del controller. Un requisito fondamentale per una corretta implementazione dell architettura SDN (figura 4) è quello di avere un interfaccia standard tra il livello di controllo e quello d inoltro. Quest interfaccia è garantita, come già detto in precedenza, dal protocollo OpenFlow che facilita l integrazione dei dispositivi eterogenei, semplificando le operazioni definite 16

17 all interno di un infrastruttura multivendor, presente tipicamente nel settore delle telecomunicazioni. Grazie ad OpenFlow, collocato nel Control DataPlane Interface (CDPI) si ottiene quindi il collegamento tra il livello di controllo e quello d inoltro. Si può dimostrare che la separazione tra i due livelli, in una rete di Figura 4: Struttura di rete SDN comunicazione SDN, persiste in una certa misura anche nel dominio Wireless (SDWN). Infatti l Internet Engineering Task Force (IETF) ha standardizzato, diversi anni fa, il Control And Provisioning of Wireless Access Point (CAPWAP), che rappresenta un protocollo mediante il quale viene centralizzato il piano di controllo nelle reti Wireless. La configurazione radio viene espressa in termini di elementi di base per la gestione delle informazioni, che sono inclusi nello standard (es. potenza trasmissiva, intervallo beacon, parametri di contesa ecc..). Con lo standard CAPWAP, i frame di controllo vengono inviati ad un controller centralizzato, responsabile del controllo di accesso al mezzo (MAC), in modo simile a quello in cui OpenFlow fornisce le informazioni di controllo sui nuovi flussi in ingresso. Seguendo le stesse direttive, ma con un approccio più visionario, possiamo proporre lo studio di un nuovo paradigma in cui i nodi mobili eseguono un processore wireless MAC, responsabile della gestione dei MAClets (cioè di quei programmi che specificano il protocollo MAC). In questo modo il controller centralizzato può caricare dinamicamente il protocollo da utilizzare in un determinato momento; ad esempio, quando il carico di traffico aumenta, si potrebbe passare da un protocollo Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance (CSMA/CA) ad uno Time Division Multiple Access (TDMA). Le applicazioni di SDN proposte finora, sono state concentrate per lo più su reti cablate, ottenendo diversi benefici in questi scenari, tuttavia l adozione di questo paradigma in 17

18 ambienti wireless e di backhaul potrebbe portare ancora più vantaggi. Il piano di controllo delle reti wireless, infatti, è più complesso di quello delle reti cablate e quindi i vantaggi ottenibili dalla maggiore flessibilità fornita da un approccio SDN, sarebbero maggiori Virtualizzazione L attuale distribuzione supporta la virtualizzazione in alcune estensioni, ma i dispositivi ed i meccanismi di rete esistenti non sono progettati per supportare la riconfigurazione dinamica richiesta per una condivisione efficiente e tempestiva delle risorse di rete. Tramite approcci per la virtualizzazione della rete principale (es. PlanetLab e GENI) sono state implementate differenti reti di copertura che permettono ai ricercatori di eseguire i propri esperimenti mediante l accesso time-sharing alle risorse di rete condivise. Tuttavia, seguendo questi approcci si opera su una scala temporale imprecisa, che ha bisogno di pianificazione e dimensionamento manuali e che non rispetta le scadenze di mercato richieste per operare su una rete di produzione. L utilizzo di questi metodi differisce dalle tendenze attuali della virtualizzazione delle reti di accesso, che sono focalizzate sul rafforzamento e sulla condivisione delle risorse radio tra i diversi operatori. L adozione di SDN (supportato da sistemi come OpenFlow e ForCES), viene in contro a queste tendenze e dovrebbe migliorare la base di supporto per una virtualizzazione tempestiva ed efficiente delle reti wireless. Ci sono tuttavia, due problemi da affrontare: 1) Per fornire la flessibilità richiesta, in termini di topologia ed architettura di rete, una rete SDWN dev essere in grado di implementare una vasta gamma di logiche di controllo che saranno applicate simultaneamente su un insieme di risorse fisiche. Proprio il supporto di queste logiche fa sorgere problematiche di scalabilità e di compatibilità. Supposto infatti, che ogni logica di controllo possa lavorare in cima ad una differente realizzazione della rete, ognuna di esse deve reagire in modo tempestivo ai cambi nell infrastruttura sottostante. Si necessita quindi di un meccanismo di orchestrazione di rete scalabile, che coordini il controller SDN con le operazioni 18

19 attuate al piano dati e che risolva ogni contesa tra le differenti logiche di controllo. Inoltre, per fare in modo che ciascuna di esse operi in maniera indipendente dalle altre si possono seguire due strade: da una parte, isolando il traffico istanziato da diversi operatori virtuali, per garantire la sicurezza e la privacy. Dall altra, isolando le modifiche eseguite sull infrastruttura di un operatore virtuale dal resto della rete; così un cambio nell infrastruttura virtuale, non inciderà sulle altre istanze eseguite in cima alla distribuzione reale. 2) Un altro problema fondamentale da affrontare riguarda l allocazione e la condivisione delle risorse di rete nel rispetto dell isolamento e della scala temporale. In questo modo, non solo si previene lo spreco di risorse dovuto alla condivisione ed al coordinamento tra gli elementi rete, ma si ottiene anche un guadagno dalla multiplazione statistica. Questa soluzione, quindi, è sostanzialmente più efficiente di avere implementazioni indipendenti. La virtualizzazione proposta da SDWN sull infrastruttura wireless è indipendente e complementare a quella fornita da NFV, che mira ad abilitare la virtualizzazione sui servizi e sulle funzioni di rete come il NAT, il Firewall e le principali funzioni cellulari, in modo da ridurre il tempo di distribuzione dei servizi e diminuire sia il CapEx che l OpEx. 19

20 2.1.2 Quality of Experience Le reti odierne sono gestite in modo tale da fornire un certo livello di Quality of Service (QoS), tuttavia non sempre garantiscono un livello minimo di Quality of Experience (QoE). Esso è determinato da tre fattori: -Architettura di servizio (es. compatibilità e locazione dei server). -Performance della rete principale. -Servizi forniti sul last mile wireless (cioè sulla rete d accesso), che costituisce la combinazione dei collegamenti wireless (compresa la rete di backhaul) tra gli utenti finali ed i provider. Con le architetture di rete attuali, i provider dei servizi devono prevedere le proprie necessità in termini d infrastrutture, negoziare ServiceLevelAgreement (SLA), e tentare di migliorare l esperienza degli utenti, ad esempio cambiando la codifica video di un video che si sta servendo (come fa YouTube). E chiaro che, questo tipo di scenario preclude un uso efficiente delle risorse di rete, di conseguenza il provider dei servizi non è in grado di rispondere in maniera tempestiva a situazioni di cambiamento poiché non possiede informazioni sufficienti, in tempo reale, riguardo le performance degli utenti e quindi non è capace di distribuire velocemente elementi architetturali o migliorare i ServiceLevelAgreement con i provider di rete. Inoltre, le architetture mobili presentano intrinsecamente la necessità di integrare obbiettivi di QoS nella parte radio (al livello di servizio) e sulla rete di backhaul (a livello di trasporto). Questo porta al bisogno di orchestrare dinamicamente risorse in entrambi i livelli, per fornire una QoE uniforme ed efficiente. L utilizzo di un architettura SDWN consentirebbe di offrire delle API (Application Programming Interface) ai provider dei servizi, abilitandoli a controllare come si comporta la rete nel servire il traffico (ovviamente il grado di controllo dipenderebbe dagli accordi stipulati tra gli operatori di rete ed i provider dei servizi). Attraverso queste API, il provider è anche in grado di cambiare dinamicamente l inoltro dei flussi di traffico in entrambe le direzioni. 20

21 Infine sempre il provider dei servizi, può utilizzare le API per cambiare il comportamento della rete d accesso (cioè del last mile wireless) agendo in tre modi: 1) Fornendo priorità dinamica al traffico sull ultimo hop, cosicché in caso di condizioni scadenti del segnale di copertura, alcuni pacchetti (es. I-Frames o VideoStreaming) vengano forniti di servizi migliori rispetto ad altri (es. B-Frames), poiché contrassegnati come più importanti. 2) Ricavando informazioni sulle performance del servizio sperimentato dall utente, così da adattarlo tempestivamente alle sue esigenze. 3) Supportando il traffico in upload e in download, basandosi sulle preferenze dell utenza e sulla disponibilità dei diversi collegamenti di comunicazione (ognuno con differenti performance). In questo modo il provider personalizza i servizi tenendo conto delle preferenze e dei comportamenti degli utenti. Quanto detto finora richiede la progettazione di servizi di gestione del traffico orientato al cliente, capaci di connettere differenti applicazioni con diverse tecnologie e adattarne i contenuti sia alle condizioni della rete che alle risorse disponibili. Così facendo potrebbero essere forniti differenti servizi per ciascun flusso di traffico. 21

22 2.1.3 Selezione dell accesso alla rete I terminali mobili esistenti sono tipicamente equipaggiati con interfacce di rete multiple, generalmente Wi-Fi e Cellulare. Questi terminali, insieme alla proliferazione degli hotspot Wi-Fi, delle femtocelle, e delle reti fisse Wi-Fi residenziali, hanno complicato il processo di selezione della migliore tecnologia d accesso alla rete. Nonostante gli operatori possano offrire entrambi i servizi di rete, mobile o fissa residenziale, essi non gestiscono gli accessi agli hotspot Wi-Fi, che a causa delle loro caratteristiche rendono impegnativo garantire una certa QoS. La decisione di come selezionare ed utilizzare opportunamente un accesso eterogeneo alla rete tra quelli disponibili, non è banale. Inoltre la rete potrebbe voler mantenere il controllo sulle modalità d inoltro del traffico verso i diversi terminali mobili. Utilizzando una soluzione SDWN, tramite delle API fornite a soggetti esterni (es. provider dei servizi) si potrebbe influenzare la decisione di quale tecnologia d accesso utilizzare per distribuire un certo tipo di traffico ad uno specifico terminale mobile o a gruppi di utenti. In aggiunta, questo particolare tipo di scenario potrebbe anche beneficiare dell attivazione di programmabilità sul nodo mobile in modo tale da abilitare, per esempio, un semplice controllo dal lato rete che consente di capire come siano utilizzati i diversi accessi da parte del traffico generato dalle applicazioni, in esecuzione su un dispositivo. 22

23 2.2 Architettura SDWN Figura 5: Architettura per le reti mobili basata su approccio SDN (SDWN) L architettura definita per SDWN mira a mantenere i benefici di un orchestrazione logica, fornendo interfacce ben definite per le funzionalità del piano di controllo e abilitando un ampio grado di flessibilità sulla consegna del traffico nel piano utente. Per collegare i concetti proposti da SDWN ad un sistema architetturale ben noto e definito prendiamo come riferimento l architettura proposta da Evolved Packet System (EPS) definita in 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Una rete mobile, è composta tipicamente da molteplici Radio Access Network (RAN) eterogenee connesse tra loro da una rete di trasporto principale (Core Transport) condivisa. Si noti che il collegamento tra l ultima entità fornita dalla RAN e la Core Transport Network potrebbe coinvolgere il backhaul di rete, cablata o wireless, (rappresentato in figura 5 come parte della RAN) mediante una combinazione di tecnologie (es. fibra ottica, microonde ecc..) e topologie di rete definite sul segmento di backhaul. Tra i diversi tipi di RAN, come si può notare in figura 5, troviamo le UTRAN (UMTS), le E-UTRAN (LTE) e gli hotspot Wi-Fi. Si ricorda inoltre che in SDWN le RAN sono migliorate dalla presenza di programmabilità, che consente diversi livelli di funzionalità, permettendo un aumento della distribuzione. Va notato che l architettura proposta è abbastanza generica, così da poter supportare altri tipi di tecnologie RAN già esistenti (es. WiMAX) o future. 23

24 Il nucleo di trasporto è composto da switch e router programmabili che consentono la configurazione del livello d inoltro del flusso di traffico, sia unicast che multicast (come avviene in OpenFlow). Questa rete programmabile necessita di essere interconnessa con le entità principali del piano di controllo (responsabili di funzioni come l autenticazione, la gestione dei clienti e della mobilità, il QoS ecc..), poiché diversi operatori virtuali potrebbero richiedere la condivisione di elementi radio, porzioni di backhaul o parte della rete principale di trasporto. Un architettura SDWN potrebbe essere sviluppata seguendo due modelli differenti: -Modello Evolutionary -Modello Clean Slate Il modello evolutionary consente una distribuzione incrementale sulle reti già in uso: gli operatori di rete in grado di connettersi alla rete principale di trasporto ereditano il piano di controllo senza modificare le interfacce già esistenti. In questo modello il controller SDN implementa interfacce standardizzate, eseguite in un ambiente virtuale noto come vepc (virtual EPC), per sostenere l interconnessione con le entità ereditarie esistenti. Nel modello clean slate le funzioni del piano di controllo sono implementate direttamente sul controller SDN sotto forma di applicazioni, utilizzando delle API software tra gli operatori virtuali ed il controller. Quest approccio non consente però una semplice distribuzione incrementale, ma mantiene tutti i vantaggi di un architettura programmabile rendendo ad esempio più semplice e veloce la distribuzione di nuove funzioni di rete, dal momento che queste verrebbero direttamente implementate sul controller. Il cuore dell architettura SDWN, rappresentato dal controller SDN, viene connesso ad ogni entità programmabile. Va notato che esso rappresenta un entità logica e potrebbe essere decentralizzato e frazionato su differenti unità fisiche, al fine di aumentare la scalabilità e le performance del sistema. Per consentire ai terzi di influenzare e controllare il comportamento della rete vengono abilitate delle API, che permettono di accedere alle 24

25 Figura 6: Struttura delle Application Programming Interface (API) risorse di rete, in modo simile a come un sistema operativo accede alle applicazioni, alle periferiche e alle risorse di calcolo. L interfaccia programmabile (API) offerta dal controller SDN supporta differenti livelli di accesso ai terzi, cosicché la personalizzazione possa variare su diverse categorie: per applicazione, per utente, per operatore virtuale o per una combinazione di essi. In figura 6 sono mostrate le cinque principali tipologie di interfacce programmabili (API) presenti nell architettura SDWN: -Un interfaccia northbound (ad alto livello) fornita agli operatori virtuali, che condividono lo stesso insieme di risorse fisiche di rete, permette loro di cambiare in ogni momento e adattare dinamicamente le risorse da condividere, ad esempio, con il carico di traffico o con il profilo degli utenti connessi alla rete fisica. Tramite quest interfaccia si potrebbe implementare un SLA più sostanzioso rispetto a quello attuale e sarebbe possibile attuare una riconfigurazione di rete in modo più dinamico e quasi in tempo reale. Ogni operatore (virtuale) dovrebbe poter accedere ad una vista astratta delle risorse assegnategli, così da essere in grado di programmare la rete (virtuale) come una fisica. 25

26 -Un interfaccia northbound fornita ai terzi (es. provider dei servizi e fornitori di applicazioni), autorizzati ad influenzare il comportamento della rete, viene adeguatamente assicurata garantendo l accesso tramite diversi permessi. Quest interfaccia potrebbe essere abbastanza potente da consentire ai fornitori di applicazioni di influenzare la gestione del traffico di rete, tenendo in considerazione anche gli operatori virtuali dai quali l utenza del traffico ha ottenuto l accesso. Si noti che quanto detto è reso possibile grazie alla centralizzazione ottenuta dall utilizzo di un approccio SDN, sebbene ciò possa introdurre problemi di scalabilità che devono essere considerati. -Un interfaccia southbound (di basso livello) è fornita alle entità fisiche del livello utente, nella rete principale di backbone (Core Transport Backbone). Quest interfaccia viene utilizzata dal controller SDN per implementare differenti politiche di comportamento in accordo con le richieste di gruppi esterni, con gli operatori virtuali associati ai diversi utenti connessi alla rete e con le condizioni di quest ultima. Inoltre essa abilita l effettiva condivisione delle reti di backbone e di backhaul tra i diversi operatori, che possono anche connettersi ad internet attraverso differenti gateway. -Una seconda interfaccia southbound viene fornita al piano utente della RAN. Questa permette l effettiva virtualizzazione della rete d accesso, condividendo le stesse risorse fisiche tra i diversi operatori. Quest interfaccia dovrebbe abilitare la programmabilità sulla rete d accesso wireless, fornendo così i comportamenti desiderati che dipenderanno dalle specifiche necessità e caratteristiche dei nodi mobili, dalle richieste di provider esterni e dai diversi SLA stipulati dagli operatori di rete verso i propri clienti. -Un ultima interfaccia southbound per i nodi mobili, fornisce la rete di alcune funzioni di programmabilità sui terminali. Potrebbe essere utilizzata, ad esempio, per aumentare l esperienza in mobilità migliorando lo sfruttamento dell utilizzo simultaneo delle reti d accesso wireless disponibili. 26

27 2.3 C-RAN La RAN, come visto finora, rappresenta lo strumento più importante per gli operatori di telefonia mobile, poiché consente di fornire dati di alta qualità e ad alta velocità ai clienti mobili. La tradizionale architettura RAN presenta caratteristiche note, che possiamo riassumere in grandi linee: in primo luogo, ogni stazione base (BS) è connessa solitamente ad un numero fisso di antenne a settore, le quali coprono una piccola area geografica e gestiscono i segnali in trasmissione/ricezione limitandosi alla propria area di copertura. Un altra caratteristica delle RAN odierne è rappresentata dalla ridotta capacità in banda del sistema, limitata dalle interferenze, che rendono difficili i miglioramenti sullo spettro. Le stazioni base, infine, sono attualmente costruite su piattaforme proprietarie utilizzando un approccio verticale, cioè aumentando la capacità di calcolo sulle singole BS. Per migliorare la RAN, tenendo conto di queste caratteristiche si stanno affrontando oggi diverse sfide, introdotte dalle problematiche sollevate da questo tipo di architettura. Ad esempio, il gran numero di stazioni necessarie su una certa area geografica, richiede un corrispondente investimento iniziale, il noleggio del sito ed il supporto alla gestione di quest ultimo. Quindi, di conseguenza, questo porta ad un incremento del CAPEX e del OPEX. Un altra problematica che possiamo riscontrare è rappresentata dal fatto che, di solito, il tasso di utilizzo delle stazioni è basso poiché il carico medio di rete è di gran lunga inferiore al carico massimo supportato ed inoltre una stazione non può condividere la propria potenza di calcolo con altre stazioni nella sua area di copertura. Infine, l utilizzo di una piattaforma proprietaria porta gli operatori mobili a dover gestire più piattaforme non compatibili, nel caso in cui i provider dei servizi decidessero di acquistare sistemi da diversi fornitori. Questo costringe gli operatori ad avere piani di rete più complessi e costosi per quanto riguarda l'espansione e l'aggiornamento della RAN, infatti per venire in contro alla rapida crescita dei servizi, essi hanno bisogno di aggiornare la propria rete di frequente e renderla accessibile a differenti standard di telefonia mobile, tra cui GSM, WCDMA/TD-SCDMA ed LTE. 27

28 Centralized processing pool, Co-operative radio and real-time Cloud RadioAccessNetwork (C-RAN), a volte anche indicata come Centralized-RAN, è una nuova architettura di rete cellulare, proposta da China Mobile per le future infrastrutture di rete mobili ed applicata attualmente a scenari concreti. In particolare, C-RAN si basa sull adattamento ai paradigmi di cloud computing centralizzato delle nuove architetture RAN, in grado di supportare tecnologie 2G, 3G, 4G e futuri standard di comunicazione wireless. Le future reti di accesso dovrebbero garantire l'accesso ad Internet Mobile a banda larga per i clienti wireless, a prezzi ridotti e con un alta efficienza spettrale ed energetica. C-RAN affronta le problematiche sollevate in precedenza e va in contro ai requisiti di alta efficienza spettrale, di riduzione dei costi (CAPEX e OPEX), di diminuzione dei consumi energetici e supporto di standard wireless differenti, che le nuove reti di accesso radio dovrebbero avere. Inoltre, quest architettura è applicabile ai più classici ambienti di distribuzione RAN come le macro-celle, le micro-celle, le pico-celle e le coperture indoor. L elaborazione del segnale in maniera centralizzata riduce notevolmente il numero delle attrezzature necessarie in una certa area geografica; l azione radio cooperativa, effettuata tramite antenne distribuite equipaggiate con Remote Radio Head (RRH), fornisce una maggiore efficienza spettrale; l infrastruttura Cloud real time basata su piattaforma aperta e sulla virtualizzazione delle stazioni, consente l'allocazione dinamica e l'elaborazione associata all area di copertura di competenza, portando conseguentemente una riduzione del consumo energetico e un aumento del tasso di utilizzo dell'infrastruttura. Queste nuove tecnologie consentono agli operatori non solo di soddisfare i requisiti necessari negli scenari di rete odierni, ma sono in grado anche di far progredire la rete per fornire una copertura maggiore, nuovi servizi e minori costi di manutenzione. C-RAN non sostituisce gli standard 3G/B3G ma, viene proposto solamente come un approccio alternativo ad essi. Guardando al futuro, C-RAN fornirà agli operatori mobili un architettura di rete ecologica, a basso costo e con alte prestazioni. 28

29 2.3.1 Vantaggi di C-RAN L architettura C-RAN è un evoluzione di quella che contraddistingue i sistemi distribuiti Base Transceiver Station (BTS), composti da Unità a Banda Base (BBU) e da RRH. A seconda delle diverse funzionalità attribuite alle varie BBU e RRH, si possono distinguere due tipi di approcci C-RAN: quello totalmente centralizzato e quello parzialmente centralizzato. Il primo è caratterizzato dal fatto che la banda base e le funzioni BTS (di alto livello) si trovano nelle BBU, mentre nel secondo approccio le RRH non solo integrano le funzioni radio ma si occupano anche di quelle a banda base, lasciando solo le funzioni di alto livello all interno delle BBU. In base al metodo di divisione delle funzionalità tra le BBU e le RRH, si distinguono due tipi distinti di architetture C-RAN, entrambe composte da tre parti principali: 1) Le unità radio distribuite con le quali ci si può riferire alle Remote Radio Heads (RRH) più le antenne collocate in un sito remoto. 2) La rete di trasporto ottica a banda larga e bassa latenza, che connette le RRH e l insieme delle BBU. 3) Le BBU, costituite da processori programmabili con alto livello di performance e dotate di tecnologie di virtualizzazione real time. L'architettura C-RAN totalmente centralizzata", presenta i vantaggi di poter espandere e potenziare facilmente la capacità della rete. Con essa si abilita il supporto al funzionamento multistandard e la condivisione di massima delle risorse. Il suo principale svantaggio è rappresentato dal requisito di banda larga richiesto alla BBU per trasportare un segnale I/Q. Nel peggiore dei casi, una antenna TDLTE-8 con larghezza di banda pari a 20MHz avrà bisogno di una velocità di 10Gpbs per trasmettere. L architettura C-RAN "parzialmente centralizzata", ha il vantaggio di necessitare di una banda molto più stretta tra BBU ed RRH. Rispetto alla "totalmente centralizzata", la connessione BBU-RRH trasporta solo dati demodulati, che valgono circa 1/20 ~ 1/50 dei dati I/Q a banda base. Tuttavia, anche quest architettura presenta i suoi difetti. Infatti poiché l'elaborazione in banda base è integrata nelle RRH, si ottengono meno flessibilità e meno condivisione delle risorse di calcolo tra le differenti celle. 29

30 Figura 7: Struttura di rete C-RAN con approccio totalmente centralizzato Si elencheranno adesso i principali vantaggi ottenuti dall utilizzo di C-RAN, facendo riferimento all architettura totalmente centralizzata, riportata in figura 7. Il primo vantaggio rilevante di quest architettura di rete è dato dal risparmio ottenuto sui costi di OPEX e CAPEX. Siccome l'apparecchiatura formata dalle BBU e i macchinari di supporto del sito sono tutti aggregati in pochi grandi fabbricati, diventa molto più semplice la gestione centralizzata della RAN, risparmiando di conseguenza sui costi Operativi e di Manutenzione (O&M), associati al gran numero di stazioni che si trovano in una RAN tradizionale. Inoltre, sebbene il numero di RRH non possa essere ridotto, ne vengono semplificate le funzionalità e ridotte le dimensioni così come i consumi. Le RRH richiedono solamente l'installazione dei sistemi d alimentazione ausiliaria dell'antenna, consentendo agli operatori di accelerare la costruzione della rete. In questo modo, si possono ottenere grandi risparmi sui costi di noleggio e quelli O&M del sito. 30

31 Un altro principale vantaggio è costituito dal sostanziale risparmio energetico ottenuto dall utilizzo di infrastrutture ecologiche. C-RAN, infatti è una soluzione a basso impatto ambientale. In primo luogo, con l'elaborazione centralizzata ottenuta dall'architettura C-RAN, il numero di stazioni nella RAN può essere ridotto di diverse unità, così da limitare la maggior parte delle attrezzature di supporto al sito ed il consumo di energia. In secondo luogo, la distanza tra le RRH ed i dispositivi mobili, può essere anch essa ridotta siccome la tecnologia radio cooperativa permette di moderare le interferenze tra le diverse RRH e consente, di conseguenza, una maggiore densità di unità radio nell area di competenza. Utilizzando quest architettura si possono implementare celle più piccole, con potenza trasmissiva inferiore, lasciando invariata la qualità di copertura di rete. L'energia utilizzata in trasmissione viene ridotta, portando ad una diminuzione sostanziale del consumo energetico che permette di estendere l autonomia della batteria nei dispositivi mobili. Infine, se una stazione virtuale è inattiva, ad esempio durante la notte quando la maggior parte della potenza di elaborazione non è necessaria, potrà essere selettivamente spenta senza alterare il servizio. C-RAN è anche adatto alla gestione del traffico distribuito non uniformemente, poiché l architettura è dotata di capacità di bilanciamento del carico all interno dell area di aggregazione delle BBU. Sebbene le RRH in servizio cambino dinamicamente in base al movimento del nodo mobile, la BBU di servizio si trova ancora nello stesso pool distribuito. Allora, poiché la copertura di un pool di BBU è maggiore di quella fornita da una singola BS tradizionale, il traffico non uniformemente distribuito, generato dal dispositivo mobile, può essere distribuito in una stazione virtuale situata nello stesso pool. Infine, utilizzando l architettura C-RAN, diverse stazioni virtuali possono cooperare all interno di una grande distribuzione fisica di unità a banda base e sono inoltre in grado di condividere facilmente le risorse radio come i dati di traffico, le segnalazioni e le informazioni sullo stato del canale (CSI) fornite dagli utenti attivi nel sistema. 31

32 2.3.2 Applicazioni concrete Durante il 2010, China Mobile ha condotto il suo primo studio sull applicazione di C-RAN con i partner. Le prime prove di distribuzione centralizzata furono effettuate all'interno del sistema Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access, di solito riportato come TD-SCDMA (interfaccia di telecomunicazione UMTS) nella città di Zhuhai, situata nella provincia meridionale di Guangdong, in Cina. Successivamente, i test effettuati sull utilizzo dell architettura C-RAN, in campo GSM, sono stati condotti in diverse altre città in tutto il territorio cinese, tra le quali ricordiamo Changsha, Baoding e Jilin. Per semplicità saranno trattati i due casi più importanti, la distribuzione di prova sull interfaccia TD-SCDMA nella città di Zhuhai ed il caso di test sulla rete GSM nella città di Changsha. Nella città di Zhuhai sono stati necessari solamente tre mesi per effettuare i test. Complessivamente l area di riferimento disponeva di diciotto macro siti TD-SCDMA, con un area di copertura totale di circa 30 km quadrati. Lo studio effettuato ha verificato la fattibilità d applicazione di alcune tecnologie di distribuzione centralizzata. La costruzione e la gestione di questo nuovo ambiente ha evidenziato i vantaggi portati dall utilizzo di C-RAN rispetto alla RAN tradizionale, in termini di costi, flessibilità e risparmio energetico. Allo stesso tempo, si sono avviate diverse sfide riguardanti l utilizzo della fibra ottica, così come per la costruzione di nuovi mezzi di trasmissione. Per quanto riguarda la distribuzione centralizzata sul sistema GSM, sono stati condotti diversi studi ed effettuati diversi test in varie città, tra cui Changsha. Il layout di rete costituito per questo scopo venne creato principalmente sostituendo ed aggiornando i siti già esistenti. L area di riferimento comprende un totale di quindici siti, di cui solo due nuovi, i quali coprono circa 15 km quadrati sulla zona. Rispetto al caso delle reti TD-SCDMA, le soluzioni GSM hanno caratteristiche uniche, ad esempio, si potrebbero gestire diciotto RRH in un unico sito, utilizzando solamente una coppia di fibre. Questo significa che, è possibile ridurre significativamente il numero di risorse in fibra necessarie alla distribuzione centralizzata di C-RAN adottando una soluzione a fibra spenta (dark fibre). Per comprendere la struttura dei test effettuati analizziamo le caratteristiche dei due territori in questione: l'area di prova nella città di Zhuhai si compone fondamentalmente di 32

33 una zona di sviluppo nazionale ad alto livello tecnologico, di residence, e di alcuni campus universitari. All interno dell area di test, diverse zone hanno presentato un significativo aumento del traffico, predicibile a seconda del luogo, l ora o di un particolare evento. Ad esempio, nella zona di sviluppo ad alta tecnologia si constata che la maggior parte del traffico di rete generato dalle persone, viene rilevato durante l'orario di lavoro. Lo stesso gruppo di clienti, inoltre, ritorna solitamente dopo il lavoro nei residence vicini, dove si rileva un sostanzioso aumento nel flusso del traffico. Gli studenti dei campus invece, tendono a non utilizzare i dispositivi wireless durante l'orario di lezione, ma effettuano la maggior parte delle attività cellulari durante la notte. Solitamente, la pianificazione di rete dovrebbe supportare un carico di picco del traffico per ogni singolo sito, che viene stimato, di solito 10 volte superiore a quello previsto nelle ore di inattività. Proprio per questo, si riscontra un tasso medio di utilizzo dei dispositivi BTS molto basso che si traduce quindi in un sostanziale spreco di risorse, introducendo inoltre difficoltà di progettazione e ottimizzazione della rete. Una soluzione facilmente adottabile con C-RAN è quella di creare un pool di unità a banda base che permettono l'allocazione dinamica della portante. Nelle zone di test ci saranno dunque nove siti co-locati nei siti GSM già esistenti, mentre altri nove saranno nuovi e dovranno essere collegati tramite canali di trasmissione in fibra ottica diffusi per circa 30 km quadrati. L'area di prova nella città di Changsha, invece è costituita da un paio di campus situati in prossimità delle Yuelu Mountains. Il carico e la densità del traffico è abbastanza alto in queste zone, dove inoltre, sono presenti moltissimi dormitori e appartamenti residenziali. In questo scenario troviamo un'ambiente di propagazione molto complesso che lascia ancora spazio al miglioramento della copertura di rete e che lo rende adatto a verificare le prestazioni e la capacità del sistema, ottenute dall utilizzo di C-RAN in ambienti urbani. Vediamo ora come sono state implementate le due soluzioni e quali sono i diversi benefici raggiunti, iniziando con la trattazione del sistema di distribuzione centralizzato nella città di Zhuhai. Qui, ciascun sito TD-SCDMA ha una configurazione di tipo 4/4/4, che indica la presenza di tre settori in ogni sito, ciascuno dei quali utilizza quattro portanti. Questo 33

34 implica che i diciotto siti di prova necessitano complessivamente di 216 portanti e quindi, considerando la capacità delle BBU, viene progettato un insieme complessivo di unità a banda base per supportare il massimo traffico concorrente sulla stessa area. Ci sono due tipi di portanti TD-SCDMA, la R4 che viene utilizzata principalmente per il traffico voce, mentre l HSDPA che è più adatta al traffico dati. Sulla base dei requisiti di pianificazione di China Mobile, il carico del traffico per ogni sito non deve mai superare il 75%. Di conseguenza, ciascuna portante R4 supporta fino a 203 utenti voce ed ogni HSDPA può supportare fino ad un massimo 93 utenti. In totale, nell area test di Zhuhai erano presenti circa utenti effettivi. Tuttavia, considerando il pool di BBU distribuito, si è stati in grado di supportare utenti effettivi utilizzando solamente 160 portanti. Questo indica che la distribuzione centralizzata ottenuta da C-RAN, fa risparmiare circa il 25% della capacità nelle unità a banda base rispetto ai metodi di distribuzione tradizionali. Analogamente, sono stati utilizzati gli stessi principi anche per il processo di testing sulle reti GSM nella città di Changsha, per stabilire la capacità totale del pool BBU. Nella seconda parte dei test l attenzione si è centrata principalmente sull allocazione dinamica delle portanti. Per un sistema TD-SCDMA, ogni RRH/settore è in grado di supportare un massimo di 6 portanti R4 ed una HSDPA. Durante i periodi di inattività, ogni RRH/settore ha a disposizione una sola portante sia di tipo R4 che HSDPA. Per operare sull assegnazione dinamica sono stati stabiliti diversi criteri di decisione che si adoperano quando c è necessità di aumentare il numero delle portanti R4 ed HSDPA. Ad esempio, ogni qualvolta che il carico delle R4 supera una certa soglia, si decide di aggiungere più portanti di questo tipo nel sito di competenza; anche per le HSDPA, valgono regole simili. Se, al contrario il carico è minore di una certa soglia e sono stanziate diverse portanti R4 o HSDPA, è anche possibile ridurne il numero evitando così sprechi di banda. Anche nel caso di GSM valgono regole analoghe, utilizzando però un criterio di decisone basato sul tasso di utilizzo di ciascuna portante GSM. Durante la terza parte dell analisi sono state trattate sia la struttura di interconnessione delle RRH di tipo daisy-chain, che le tecnologie di protezione ai guasti sulla fibra. Queste 34

35 tecnologie derivano dal metodo di distribuzione impiegato per questo tipo di reti, che utilizza di solito connessioni point-to-point in fibra spenta. Quando le BBU e le RRH si trovano a grande distanza tra loro, è importante tenere in considerazione sia il risparmio di risorse in termini di fibra ottica da utilizzare, che la protezione contro guasti imprevedibili ai mezzi trasmissivi causati da fattori esterni. Mediante l interfaccia TD-SCDMA, ogni collegamento in fibra è in grado di gestire fino a 6,14Gbps in trasmissione, ragion per cui riesce a sostenere fino a 15 portanti da 410Mbps. Nella città di Zhuhai, ogni accesso alla rete si compone da nove siti, che utilizzano nove coppie di mezzi trasmissivi in fibra ottica per supportare i collegati ad anello tra i vari siti. Per quanto riguarda le prove effettuate sui sistemi GSM, si necessita di una banda di gran lunga inferiore rispetto al caso precedente, a causa della natura a banda stretta di questi sistemi, che riescono quindi ad ottenere maggiore capacità spettrale in configurazione daisy-chain. Infatti, utilizzando solamente una coppia di fibre spente, si è in grado di supportare dalle 18 alle 21 RRH configurate in questo modo. Infine, dai test effettuati sul campo sono state verificate tecnologie fondamentali per la distribuzione esterna. Uno dei problemi riscontrati dai test di Zhuhai, era rappresentato dalla mancanza di spazio per le apparecchiature BTS fisiche disposte nei nove siti di nuova costruzione, così come per l alimentazione in corrente continua. Si è optato allora, per l utilizzo di una cabina d alimentazione esterna che permette di soddisfare le necessità della rete di distribuzione: una temperatura compresa tra i -40 ~ + 70, un livello di protezione a prova di furto che garantisce la sicurezza del dispositivo senza che sia necessaria una supervisione costante ed una schermatura anti-flash contro le radiazioni termiche. Questa soluzione è stata applicata sia per i test su GSM, nella città di Changsha, che per quelli su TD-SCDMA effettuati a Zhuhai. Passiamo adesso ad analizzare le performance tecniche ottenute da C-RAN nei due casi concreti. In figura è rappresentato il carico del traffico e l allocazione dinamica per settore delle portanti, in una giornata tipica nella città di Zhuhai. Possiamo notare in figura 8 che la superficie blu indica la capacità totale della portante in una certo settore, mentre quella 35

36 violetta rappresenta il carico di rete effettivo a diverse ore del giorno. Allora è semplice vedere che le portanti vengono allocate dinamicamente per adattarsi al carico che si registra durante la giornata. Nei casi di test effettuati in Changsha, l architettura centralizzata fornita da C-RAN Figura 8: Allocazione dinamica delle portanti ha portato prestazioni radio migliori ed una più gradevole esperienza utente, fornite grazie all introduzione di RRH co-locate, installate sullo stesso sito. Tramite questa tecnologia diverse RRH trasmettono e ricevono dalla stessa cella, proprio come succede con la trasmissione su fibra, fornendo però ulteriori benefici. Infatti vengono migliorate le prestazioni radio, come ad esempio la ricezione in uplink (potenziata del 2% ~ 3%), il tasso di perdita di connessione viene ridotto al minimo o quasi eliminato in alcuni siti ed inoltre, dato che la procedura di consegna (handover) effettuata ai confini tra due celle, diviene interna ad un pool di unità a banda base di conseguenza si riduce il ritardo di consegna. Infine, la protezione sulla trasmissione in fibra fa sì che se questa venisse danneggiata accidentalmente, verrebbe attivata automaticamente un'altra rotta per il traffico tra BBU ed RRH, inalterando la comunicazione all interno del sistema. In sintesi, l'implementazione centralizzata di C-RAN non influisce negativamente sulle prestazioni radio, ma al contrario, fornisce alla rete ulteriori vantaggi. Inoltre, interconnettendo le RRH in configurazione daisy-chain, le risorse necessarie all utilizzo di sistemi di trasmissione su fibra spenta potrebbero essere ridotte. In termini di funzionalità, la rete C-RAN sfrutta e trae vantaggio dall efficienza energetica a basso costo fornita dalle RRH. La centralizzazione dell unità a banda base, rende semplice la manutenzione e flessibile l'aggiornamento della rete. L'utilizzo globale della RAN può inoltre essere migliorato tramite tecnologie di virtualizzazione e condivisione ottimale delle risorse, non solo per aumentarne l'utilizzo, ma anche al fine di ridurne il consumo elettrico complessivo mediante vari sistemi di gestione energetica. 36

37 Capitolo 3: OpenRAN e SoftRAN Con la rapida crescita di Internet Mobile, le reti wireless si sono estese a gran velocità. Tuttavia se è vero che sono presenti varie reti eterogenee, queste sono difficilmente interconnesse tra loro, portando ad un abbondante spreco di infrastrutture wireless e di risorse spettrali. Inoltre la distribuzione sempre maggiore di nuovi servizi porta alla necessita di avere differenti caratteristiche di rete, ma siccome l infrastruttura alla base è chiusa e consolidata questi servizi vengono tutti supportati con le stesse caratteristiche, portando di conseguenza a bassi valori di QoS e di QoE. Un altro problema da affrontare è dovuto alla necessità di supportare traffico mobile esponenzialmente crescente avendo a disposizione banda spettrale limitata. Si pensi che, negli Stati Uniti, AT&T e Verizon dispongono di uno spettro di banda a livello nazionale pari a 100Mhz, utilizzabile per gli standard LTE. Proprio per cercare di aumentare la capacità di banda, la rete è stata resa densa, aumentando il numero di stazioni base (BS) all interno delle RAN. Queste reti di distribuzione presentano un fattore di riuso di frequenza pari ad uno. Conseguentemente, gestire reti dense con riuso di frequenza unitario diventa decisamente più complesso a causa dello stretto accoppiamento sulle decisioni prese nel piano di controllo delle stazioni vicine tra loro. Infatti, la gestione delle decisioni riguardanti le risorse radio (es. decidere spettro e potenza da utilizzare in trasmissione) prese da una determinata stazione, influenza sostanzialmente le stazioni vicine. L alto riuso di frequenza e la natura broadcast dell infrastruttura wireless portano i clienti agganciati ad una BS a subire numerose interferenze provenienti dalle stazioni nelle vicinanze che, se non gestite, degradano significativamente la capacità spettrale della rete. 37

38 Per affrontare queste problematiche si richiede un architettura radio più aperta ed efficiente, ottenibile applicando paradigmi SDN ed NFV, che permettono di ottenere maggiore flessibilità e controllabilità sulle Radio Access Network. China Mobile, come visto, propone C-RAN, un architettura generale che introduce un pool di cloud per l elaborazione di dati wireless a banda base. OpenRAN e SoftRAN sono invece delle proposte future, che hanno lo scopo di risolvere rispettivamente i problemi specifici sollevati riguardo l infrastruttura chiusa delle RAN e la gestione ottima delle risorse radio. 3.1 Analisi delle proposte Iniziamo descrivendo l architettura sulla quale sono fondati OpenRAN e SoftRAN, per poi mostrare le strategie di controllo utilizzate dalle due soluzioni proposte. OpenRAN L architettura alla base di OpenRAN si compone di tre elementi principali: -Il pool di risorse spettrali wireless (WSRP) -Il pool di risorse di cloud computing (CCRP) -Il controller SDN Il WSRP è composto da molteplici Remote Radio Unit (RRU) fisiche, che sono distribuite in varie locazioni geografiche. Per supportare efficientemente la strategia di controllo basata su SDN per le reti wireless eterogenee, WSRP virtualizza lo spettro disponibile tramite tecnologie di virtualizzazione Radio Frequency (RF) mediante le quali si abilitano diverse RRU virtuali (vrru), aventi protocolli wireless differenti, a coesistere in un'unica RRU fisica (prru). Il CCRP è formato da un grande ammontare di processori fisici che realizzano, tramite interconnessioni multiple, una rete di cloud computing ad alta velocità. A differenza delle architetture di rete verticali (in cui si predilige l aumento di capacità di calcolo sulle 38

39 Figura 9: Architettura OpenRAN singole stazioni) adatte alle reti d accesso wireless attuali, in una architettura di rete orizzontale basata sul cloud computing (in cui si predilige l aumento dei processori fisici), le unità a banda base (BBU) ed i controller delle stazioni base (BSC) vengono sostituiti con BBU e BSC virtuali (vbbu e vbsc), distribuiti in processori fisici condivisi mediante tecnologie di virtualizzazione. L insieme di tutti gli elementi di accesso virtualizzati (vrru, vbbu, vbsc), come mostrato in figura 9, compone una RAN completa e funzionante. Il controller SDN costituisce il piano di controllo di questa RAN eterogenea. Esso astrae e combina le funzioni di controllo fornite dagli elementi di accesso, determinando inoltre sia le strategie che ciascuna vbbu e vbsc dovrà attuare, che gli elementi di accesso virtuali contenti in un SDN Agent, adibiti a comunicare con il controller seguendo il protocollo SDN. L architettura OpenRAN fornisce inoltre, quattro livelli di astrazione: 39

40 1) A livello applicazione, dove lo spazio dedicato ai flussi di traffico è suddiviso in più flussi virtuali (associati a diversi operatori o servizi di rete), ognuno dei quali opera e gestisce le proprie strategie di controllo. 2) A livello cloud, dove il controller SDN crea e gestisce vbbu e vbsc in modo da virtualizzare i processori fisici, allocando appropriate risorse di calcolo e di memoria. 3) A livello spettrale, riferita alla virtualizzazione della banda spettrale tramite tecnologie di virtualizzazione RF, che istanziano diverse vrru, con protocolli wireless differenti, su un'unica prru condivisa. 4) A livello cooperativo, costituendo diverse reti virtuali (che includono ad esempio, nodi e collegamenti virtuali) all interno delle quali avvengono comunicazioni cooperative, richieste sia tra i vari vbsc e vbbu che tra le diverse vrru, mediante le quali si ottiene l eliminazione delle interferenze inter-cella. SoftRAN L architettura centralizzata proposta da SoftRAN è un alternativa al piano di controllo distribuito, attualmente implementato per le reti LTE. Tramite quest architettura, tutte le stazioni (BS) collocate in una certa area geografica vengono astratte, considerate come semplici elementi radio aventi una minima logica di controllo, diventando parte di un unica grande stazione virtuale (Big-BS). Questi elementi fisici verranno poi gestiti da un entità centralizzata, che prenderà decisioni sul piano di controllo per tutte le stazioni appartenenti all area geografica di competenza. L entità logica adibita a questo compito sarà detta controller della Big-BS. Esso mantiene una vista globale della RAN e fornisce la struttura sulla quale potranno essere implementati gli algoritmi di controllo. Il controller centralizzato riceve periodici aggiornamenti dagli elementi radio appartenenti alla stessa area geografica, riguardo lo stato locale della rete in modo tale da avere sempre una visione aggiornata dello stato globale della RAN, che viene mantenuto sotto forma di database. Quest ultimo è detto RAN Information Base (RIB) ed è costituito da tre elementi principali: 40

41 Figura 10: Architettura SoftRAN 1) La mappa d interferenza: è un grafo ponderato nel quale ogni nodo rappresenta un elemento radio o un utente attivo nella specifica area geografica, mentre l intensità dei bordi di ciascun nodo indica la potenza di collegamento sul canale tra due nodi. 2) Il record dei flussi: sul quale sono memorizzati i parametri rilevanti di un flusso di traffico continuo (es. il numero di byte trasmessi, quello dei pacchetti in coda, ecc..). 3) Le preferenze dell operatore di rete: il quale eventualmente necessita di priorizzare alcuni flussi rispetto ad altri, immettendo le sue preferenze in questa sezione. Il RIB viene accesso dai diversi moduli di controllo (distribuiti dagli operatori di rete), che prendono le decisioni necessarie per la gestione delle risorse radio. Questi moduli assegnano gruppi di risorse agli utenti, specificando simultaneamente alle stazioni la potenza di trasmissione da utilizzare per ogni blocco di risorse. Le risorse radio sono astratte in una tabella tridimensionale, sulla quale sono definite l indice della stazione, il tempo e la frequenza. Per ogni blocco in questa tabella, il controller dovrà assegnare una certa potenza trasmissiva ed il flusso di traffico da servire. Dal punto di vista dei clienti tuttavia, non è possibile ottenere una stretta astrazione della Big-BS senza apportare modifiche agli standard LTE. Infatti il cliente continuerà a percepire le diverse stazioni, necessitando di ottenere un handshake tradizionale sia con la stazione precedente che con la nuova, ogni volta che si sposta dal campo di copertura. 41