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Réseau mobile open source intégral avec mécanisme de hiérarchisation du trafic

Il est désormais possible de créer et d'orchestrer des réseaux mobiles de bout en bout en s'appuyant exclusivement sur des logiciels open source. Cette démonstration, réalisée par des chercheurs Orange, souligne le potentiel des outils open source et illustre un cas d'utilisation innovant de la hiérarchisation du trafic mis en œuvre sur un réseau mobile expérimental.

Ces dernières années, l’industrie des télécommunications a été caractérisée par la constance de son évolution et de l’intégration de concepts novateurs. Les technologies SDN (Software Defined Networking, réseau défini par logiciel), NFV (Network Functions Virtualization, virtualisation des fonctions des réseaux) et Cloud modifient la façon dont les réseaux mobiles sont conçus, déployés et exploités [1]. Le SDN améliore l’architecture réseau en offrant une évolutivité dynamique, une gestion simplifiée et une réduction des efforts manuels requis. Les réseaux traditionnels reposent sur des composants coûteux caractérisés par des coûts de maintenance élevés. Le SDN ajoute une couche d’abstraction entre les ressources réseau (matériel) et les opérations de gestion du réseau. Ce paradigme logiciel facilite les opérations de gestion et de contrôle du réseau et réduit les coûts d’exploitation. Quant à la technologie NFV, elle permet de créer et de mettre en service des réseaux à l’aide de fonctions logicielles, ce qui dissocie les fonctions réseau de leur matériel sous-jacent. Les réseaux traditionnels utilisent des solutions matérielles dédiées associées à des logiciels propriétaires. Ces solutions coûteuses sont désormais remplacées par des fonctions de réseau logicielles (open source ou propriétaires) s’exécutant sur des ressources matérielles partagées.

Avant cette révolution technologique, nous avions l’habitude de disposer de fonctions réseau physiques composées de solutions logicielles propriétaires étroitement associées au matériel sous-jacent. Le trafic du plan de données, tel que le trafic des utilisateurs mobiles, et le plan de contrôle, qui inclut le trafic de signalisation réseau, ont également été associés, en ce sens que les deux plans sont gérés par la même fonction réseau et utilisent les mêmes ressources réseau. Le SDN permet la séparation entre le plan de contrôle d’un réseau et le plan de données qui transfère le trafic réseau, afin de créer un réseau entièrement programmable gérable dans une architecture centralisée de manière logique. La NFV permet le déploiement automatisé de fonctions réseau logicielles sur des ressources d’infrastructure dédiées ou partagées, facilitant ainsi l’automatisation des opérations de contrôle et de supervision, y compris la surveillance du déploiement et de l’exécution.

Dans ce contexte, nous utilisons ces opportunités pour démontrer comment les logiciels et outils open source permettent l’innovation dans les réseaux 5G et au-delà. En effet, les nouvelles opportunités offertes par la virtualisation du réseau sont accélérées par l’existence de communautés open source dynamiques, telles qu’OpenAirInterface Software Alliance (OSA) et la Fondation Linux, qui héberge des projets liés à la télécommunication open source. Cet écosystème dynamique apporte les avantages de l’industrie des technologies de l’information (IT) au secteur des télécommunications. Les logiciels open source permettent non seulement de créer des réseaux mobiles 4G/5G compatibles 3GPP de bout en bout sur du matériel courant, mais également de modifier les réseaux créés pour mettre en œuvre, tester et présenter nos idées novatrices. Ces expérimentations n’étaient pas possibles il y a quelques années, lorsque nous nous appuyions entièrement sur des solutions commerciales composées de logiciels propriétaires étroitement associés au matériel sous-jacent.

Nous présentons ci-dessous une preuve de concept (PoC) d’un réseau mobile open source de bout en bout, qui inclut un réseau d’accès radio (RAN) et un réseau principal fonctionnant sur du matériel courant, ainsi qu’une entité d’orchestration pour faire fonctionner le réseau [2]. Nous démontrons également comment un logiciel open source accélère l’innovation en modifiant le code source du planificateur de la station de base afin de hiérarchiser le trafic à durée critique sur la liaison descendante [3]. Cette innovation, qui est le résultat d’une thèse de doctorat réalisée chez Orange Labs, est maintenant mise en œuvre et présentée sur un réseau mobile expérimental.

Orchestration du réseau et composants open source

Dans notre PoC, nous utilisons un orchestrateur de réseau open source pour déployer le réseau mobile. La figure suivante illustre la configuration de démonstration.

Figure 1. Configuration de démonstration

Notre objectif est d’utiliser l’orchestrateur Open Network Automation Platform (ONAP) [4] pour effectuer le déploiement initial et la reconfiguration des fonctions réseaux virtualisées (VNF) en tant que fonctions natives du Cloud dans les conteneurs. Nous avons utilisé une solution open source appelée Cloudify Community Edition [5], alignée avec ONAP au niveau des propriétés, et qui permet la prise en charge native du Cloud. La démonstration présente comment un réseau de bout en bout se déploie automatiquement sur une infrastructure Cloud avec un outil d’orchestration open source. L’orchestrateur permet également de mettre à niveau le réseau au moment de l’exécution sans interruption de service, par exemple en remplaçant automatiquement les VNF en cours d’exécution par de nouvelles VNF prenant en charge des fonctionnalités supplémentaires.

Orange s’engage activement dans les communautés open source. Nous contribuons activement à ONAP, un orchestrateur de réseau open source qui automatise le déploiement et la reconfiguration des fonctions natives du Cloud (CNF) au moment de l’exécution. Orange est également un membre stratégique de l’OpenAirInterface (OAI) Software Alliance (OSA) [6], qui fournit une implémentation logicielle open source compatible 3GPP du User Equipment (UE), du RAN et du réseau principal. Notre RAN est construit à l’aide du code source OAI. Pour le réseau principal, nous avons utilisé l’Evolved Packet Core (EPC) OAI et un réseau principal logiciel (LTEBox) fourni par Nokia Bell Labs et conçu à des fins de recherche.

Hiérarchisation du trafic

Inspirés par les résultats d’une thèse de doctorat réalisée chez Orange Labs [7], nous avons mis en place un mécanisme de hiérarchisation des flux au niveau du planificateur de la station de base. La disponibilité du code open source pour le RAN et le réseau principal simplifie ce type de preuve de concept. Le code source de l’eNodeB est installé et exécuté sur du matériel courant : Next Unit of Computing (NUC) d’Intel caractérisé par 4 processeurs virtuels et 8 Go de RAM.

Pour présenter notre innovation, nous considérons un scénario où deux utilisateurs sont connectés au réseau : un smartphone commercial et une voiture connectée (voiture Raspberry Pi équipée d’un dongle 4G). Les deux utilisateurs ont du trafic sur la liaison descendante : le smartphone lit une vidéo depuis un serveur vidéo, tandis que la voiture connectée est contrôlée à distance via le réseau, c’est-à-dire que le signal de commande de la voiture atteint cette dernière grâce au dongle via l’interface radio, après avoir traversé le réseau principal et le RAN.

Nous avons choisi l’exemple de la voiture connectée pour illustrer le trafic à durée critique sur la liaison descendante. En réalité, peu importent le nombre d’utilisateurs connectés au réseau et la congestion susceptible de survenir : le trafic critique doit toujours être prioritaire sur le trafic restant, tel que le trafic de streaming vidéo. Le smartphone connecté et la voiture Raspberry Pi sont illustrés dans la figure ci-dessous.

Figure 2. Smartphone et voiture Raspberry Pi connectés au réseau

Lorsque notre mécanisme de hiérarchisation des flux est actif, la conduite est précise. Sinon, la précision entre les actions de commande du véhicule et sa trajectoire réelle est compromise [8].

À retenir

Notre démonstration en laboratoire est également réalisée avec une transmission par liaison radio, c’est-à-dire avec un périphérique radio logiciel connecté à un amplificateur de puissance et une antenne prêtée par notre partenaire b<>com [9]. Les transmissions sont effectuées sur une bande LTE 38 (Time Division Duplex, fréquence de 2,6 GHz et bande passante de 5 MHz).

Cette démonstration a été présentée au Mobile World Congress MWC’19 à Barcelone et à l’Orange Research Exhibition (SDLR’19). Elle prouve que nous sommes capables de déployer et d’exécuter automatiquement des réseaux mobiles open source à l’aide d’orchestrateurs open source. Elle montre également comment nous pouvons présenter et mettre en œuvre nos innovations sur des plates-formes expérimentales open source.

Notre démonstration met en lumière la façon dont Orange prépare l’évolution des réseaux mobiles d’aujourd’hui vers des réseaux plus dynamiques, plus flexibles et plus natifs dans le Cloud. Notre engagement envers les communautés open source est un moyen d’accélérer l’innovation et la normalisation des futurs réseaux mobiles.

Perspectives

Orange participe également activement à l’alliance Open Radio Access Network (O-RAN) [10], co-dirigée avec les principaux opérateurs de télécommunications du monde entier pour promouvoir l’intelligence RAN, ainsi que l’ouverture et l’interopérabilité des interfaces. Les démonstrations et les preuves de concept utilisant du code open source permettent de promouvoir nos innovations et d’accélérer les efforts de normalisation.

Nos projets futurs incluent la mise à niveau du réseau vers le réseau entièrement autonome (SA) 5G dès que le code source OAI 5G New Radio (NR) sera publié avec le réseau open source 5G Core (5GC). Le déploiement et la supervision du réseau 5G seront entièrement automatisés à l’aide de l’orchestrateur ONAP et de VNF natives dans le Cloud. La plate-forme sera enrichie par des cas d’utilisation de 5G novateurs.

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Blog de la recherche

Cet article vient du Blog de la Recherche

Auteurs :

  • Marion Duprez

Domaines de recherche :

Pour en savoir plus :

https://hellofuture.orange.com/en/what-if-5g-experimentation-were-open-source/

https://hellofuture.orange.com/en/marion-duprez-driving-open-integrative-5g-research/

 

Références :

[1] Y. Li et M. Chen, « Software-Defined Network Function Virtualization: A Survey », dans IEEE Access, vol. 3, pp. 2542–2553, décembre 2015.

[2] M. Yassin, et al., « 5G End-to-End Open Source Network: Architecture and Use-Cases », lors de la conférence européenne de l’IEEE sur les communications réseaux. (EUCNC), Valence, 2019.

[3] « Et si la 5G s’expérimentait en open source ? » [En ligne]. Disponible : https://hellofuture.orange.com/en/what-if-5g-experimentation-were-open-source/ 

[4] Open Network Automation Platform [En ligne]. Disponible : https://www.onap.org/ 

[5] Cloudify Orchestrator Community Edition [En ligne]. Disponible : https://github.com/cloudify-cosmo  

[6] OpenAirInterface Software Alliance (OSA) [En ligne]. Disponible : https://www.openairinterface.org/ 

[7] W. Diego, I. Hamchaoui et X. Lagrange, « Cross-Layer Design and Performance Evaluation for IP-Centric QoS Model in LTE-EPC Networks » lors de la conférence IFIP Wireless and Mobile Networking, Munich, 2015.

[8] M. Yassin, W. Diego et S. Imadali, « Demo Abstract: 5G End-to-End Open Source Network with Traffic Prioritization Mechanism » lors des ateliers (IEEE INFOCOM) de la conférence IEEE sur la communication informatique, Paris, 2019.

[9] Démonstration du réseau mobile open source de bout en bout [En ligne]. Disponible : https://www.dailymotion.com/video/x74531o 

[10] Open Radio Access Network (O-RAN) Alliance, (2019), « O-RAN Alliance Overview » [En ligne]. Disponible : https://www.o-ran.org/